Учёные обнаружили в почве Антарктиды бактерии, которых больше нигде на Земле нет
Учёные из Университета Колорадо в Боулдере обнаружили, что некоторые бактерии, обитающие в почве Антарктиды, не встречаются больше ни в одном другом исследованном регионе Земли. Результаты ставят под сомнение распространённое в микробиологии представление о том, что микроорганизмы способны свободно перемещаться по планете и заселять практически любые подходящие местообитания.
Исследование провели специалисты Кооперативного института исследований в области наук об окружающей среде (CIRES). По словам руководителя работы, постдокторанта Ника Драгона, и соавтора исследования Ноа Фирера, директора Центра изучения микроорганизмов, долгое время в микробиологии существовало предположение, которое часто формулировали как принцип «всё есть везде».
Такой взгляд связан с высокой способностью микроорганизмов распространяться. В отличие от многих растений и животных, чьё распространение ограничено климатом и географией, микробы могут переноситься воздушными потоками на сотни и даже тысячи километров. Например, восходящий поток воздуха способен поднять микроорганизмы в атмосферу, после чего они могут попасть в струйное течение и переместиться на значительное расстояние.
Однако Антарктида представляет собой особый случай. Континент географически изолирован, а условия его почв резко отличаются от большинства других наземных экосистем. Помимо крайне низких температур, здесь характерна чрезвычайная сухость: значительная часть Антарктиды представляет собой полярную пустыню.
«Если мы хотим найти эндемичные микроорганизмы, Антарктида — хорошее место для начала поиска, поскольку это целый континент, географически изолированный от остального мира», — отметил Фирер.
Для проверки этой гипотезы исследователи сосредоточились не на случайно выбранных микроорганизмах, а на бактериях группы Arthrobacter. Эти бактерии хорошо растут в лабораторных условиях, что позволяло проводить с ними контролируемые эксперименты. Кроме того, представители группы встречаются в самых разных условиях — от тропических регионов до Колорадо и, что особенно важно для исследования, антарктических почв.
Сначала учёные собрали образцы почвы в Антарктиде. Для сравнения они использовали также бактерии из других холодных и засушливых регионов, включая Тибетское нагорье, арктический Шпицберген и пустыню Атакама в Чили.
Всего исследователи изучили более 100 штаммов бактерий Arthrobacter из Антарктиды и около 500 штаммов из разных регионов мира. Сбор такого материала стал возможен благодаря многолетнему сотрудничеству международных научных групп, которые десятилетиями собирали образцы на территории Антарктиды в рамках различных исследований.
Затем учёные секвенировали геномы антарктических штаммов и сравнили полученные последовательности с геномами бактерий из других частей планеты. Данные о мировых популяциях исследователи получили из международных геномных баз.
Генетический анализ подтвердил наличие в антарктической почве бактерий, которым не удалось найти аналогов в других исследованных регионах. Особенно неожиданным оказался масштаб различий: около 90 процентов секвенированных антарктических штаммов оказались эндемичными, то есть не имели генетических совпадений среди изученных штаммов из других частей мира.
Ранее исследования уже выявляли отдельные эндемичные микроорганизмы, связанные с конкретными местообитаниями. Однако столь высокая доля уникальных штаммов в одной группе бактерий указывает на возможность того, что эндемичные микроорганизмы могут существовать и в других регионах Земли, хотя это ещё предстоит проверить.
После генетического анализа исследователи провели дополнительные эксперименты, чтобы выяснить, связаны ли особенности антарктических бактерий с адаптацией к местным условиям. Штаммы Arthrobacter из антарктической почвы выращивали в лаборатории, воспроизводя экстремальные условия, характерные для континента.
Эксперименты показали, что антарктические штаммы отличаются высокой устойчивостью к неблагоприятным условиям. При этом они росли медленнее неэндемичных штаммов. По мнению исследователей, сочетание этих характеристик указывает на то, что бактерии группы Arthrobacter адаптировались к жизни в экстремальной среде Антарктиды.
Учёные подчёркивают, что способность микроорганизмов выживать в суровых условиях Антарктиды была известна и раньше. Новое исследование показывает другое: часть таких бактерий не только способна существовать в этих условиях, но и представляет собой уникальные для Антарктиды линии, приспособленные к жизни на самом южном континенте.
Результаты меняют представление о биологическом разнообразии Антарктиды. Обычно, говоря об уникальных видах континента, прежде всего вспоминают пингвинов, тюленей и китов. Однако значительная часть своеобразного биологического наследия Антарктиды может быть скрыта в микроскопических организмах, содержащихся в почве.
Исследователи считают, что полученные данные создают основу для дальнейшего изучения микробной жизни Антарктиды. Следующим направлением работы станет проверка того, характерна ли такая эндемичность для других групп микроорганизмов и насколько широко распространена адаптация к локальным условиям.
Открытие имеет значение и для охраны природы. Сохранение биологического разнообразия Антарктиды касается не только крупных животных и растений, но и уникальных микроорганизмов, существование которых может быть связано с конкретными почвенными экосистемами. По словам исследователей, защита антарктического биоразнообразия означает в том числе сохранение биологической истории, заключённой в небольших участках почвы.
Исследование в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.