Редкая биосфера
Редкая биосфера – это большое количество редких видов микробной жизни, то есть бактерий , архей и грибов , которые можно обнаружить в окружающей среде в очень низких концентрациях. [1]
Микробные экосистемы
[ редактировать ]
Изменения в биоразнообразии экосистемы , могут , морской или наземной повлиять на ее эффективность и функционирование. Изменение климата или другие антропогенные возмущения могут снизить продуктивность и нарушить глобальные биогеохимические циклы . Возможные последствия таких изменений недостаточно изучены и поняты, и до определенного момента избыточность экосистемы может защитить ее от разрушения. [2]
Динамика микробных экосистем тесно связана с биогеохимическими процессами. [3] Например, в морском микробном цикле бактерии разлагают органику и перерабатывают питательные вещества, такие как азот другими организмами, такими как фитопланктон . , для использования [3] Сокращение количества переработанного азота ограничит скорость производства фитопланктона, что, в свою очередь, ограничит рост травоядных , что будет иметь последствия для всей пищевой сети и азотного цикла . Чтобы оценить такие эффекты, необходим базовый уровень микробного разнообразия. Виды редкой биосферы могут предложить генофонд, который можно активировать в изменяющихся условиях, сохраняя тем самым функциональность экосистемы. [4] Члены редкой биосферы признаны важными движущими силами многих ключевых функций экосистемы, например, обеспечивая биодоступный азот в морской и почвенной среде. [5] [6]
Методы обнаружения
[ редактировать ]Предыдущие попытки охарактеризовать численность различных видов микробов in situ в конкретной среде предпринимались с помощью методов культивирования и молекулярной биологии. [7] Культивирование дает очень узкую картину некоторых из присутствующих редких видов, особенно при изучении окружающей среды, где только менее 0,1% всех микробов можно культивировать стандартными методами. [7] [8] Методы молекулярной биологии, такие как секвенирование по Сэнгеру , дают гораздо более широкий охват, но выявляют более многочисленные присутствующие виды. [9] [10] Ни один из этих методов не отражает всего существующего разнообразия. Современная практика заключается в использовании методов высокопроизводительного секвенирования , впервые разработанных доктором Митчеллом Согином из Морской биологической лаборатории . Этот метод расширил масштабы биоразнообразия благодаря открытию редкой биосферы. [11] Высокопроизводительное секвенирование , или «секвенирование тегов», делит уникальные рРНК последовательности тегов гена (или другого целевого гена) на операционные таксономические единицы (OTU) на основе сходства кода ДНК секвенированной области гена. [11] И Сэнгер, и дробовое секвенирование , и секвенирование тегов организуют последовательности в OTU. [9] Однако именно разрешение, которое обеспечивает секвенирование тегов, отличает его от других методов за счет повышения эффективности серийного анализа. [9] Такое повышение эффективности становится возможным благодаря использованию внутренних последовательностей праймеров , что приводит к образованию нависающих последовательностей рестрикционного расщепления . [9] Хотя OTU предоставляют возможность различать возможное количество филогенетических групп, невозможно вывести филогенетические отношения на основе OTU. Теги, связанные с OTU, должны иметь перекрестные ссылки на банки генов , чтобы можно было филотипировать теги и установить взаимосвязи. [11]
Результатом секвенирования меток стало получение на порядки более высоких оценок количества OTU, присутствующих в экосистемах, что привело к образованию длинного хвоста на кривых численности видов . [12] [10] На этот длинный хвост приходится менее 0,1% многочисленных видов в конкретной экосистеме. В то же время он представляет собой тысячи популяций, на которые приходится большая часть филогенетического разнообразия экосистемы. Эта малочисленная группа с высоким разнообразием представляет собой редкую биосферу. Используя этот метод, исследование микробного разнообразия глубоководных вод Северной Атлантики, проведенное Согиным и др. , позволило оценить 5266 различных таксонов . [11] Это особенно драматично, учитывая, что предыдущие исследования с использованием более традиционных методов ПЦР- клонирования привели к цифре до 500. [10]
Экологическая роль
[ редактировать ]Учитывая их низкую численность, представители редкой биосферы могут представлять собой древние и устойчивые таксоны. [11] Поскольку число этих менее распространенных видов ограничено, вирусная инфекция и, в конечном итоге, смерть от лизиса менее вероятны, поскольку сохранение вирусов зависит от высоких концентраций организмов-хозяев. [10] Кроме того, меньшая распространенность подразумевает ограниченный рост и нахождение в меньшем конце спектра размеров клеток. [10] Это ограничивает вероятность смерти от проглатывания, поскольку травоядные предпочитают более крупные и активные микробы.
Важно отметить, что то, что эти таксоны сейчас являются «редкими», не означает, что в предыдущих условиях истории нашей планеты они были «редкими». [11] Эти таксоны могли быть эпизодически многочисленными, что приводило либо к глобальным изменениям в биогеохимических циклах, либо к небольшому изменению условий их современной среды обитания. [11] Учитывая сохранение этих таксонов в правильных условиях, они могут доминировать и стать более многочисленными таксонами. [11] Такие условия могут возникать во многих временных масштабах. Возможно, некоторые редкие таксоны доминируют только в аномальные годы, например, во время Эль-Ниньо . [7] Изменение численности может происходить в сезонном масштабе. [7]
Глобальное изменение климата может создать для некоторых из этих редких таксонов условия, необходимые для увеличения численности. Даже при своей низкой численности таксоны, принадлежащие к редкой биосфере, могут влиять на глобальные биогеохимические циклы. Например, недавние данные показывают, что редкое меньшинство может быть ответственным за фиксацию большего количества кумулятивного азота, чем подавляющее большинство микробных клеток в морской среде. [7] [5]
Тонким и менее прямым способом, которым редкая биосфера может влиять на экосистемы с точки зрения биоразнообразия и биогеохимических циклов, является действие в качестве неограниченного источника генетического разнообразия и материала. [7] [11] В настоящее время продолжается много дискуссий и исследований о том, как микробные сообщества сохраняют устойчивость после экологических возмущений или катастроф и как близкородственные виды могут обладать уникальными и новыми генетическими свойствами по сравнению с близкими родственниками. [11] Редкую биосферу можно рассматривать как банк семян, в котором передаются гены, в результате чего появляются более приспособленные рекомбинанты, которые становятся доминирующим большинством. [11]
Биогеография и распространение
[ редактировать ]Редкая биосфера изучалась в самых разных средах, включая моря, озера, почвы и даже глубокие коренные породы. [5] [13] [14] [6] [15] [16] По поводу распределения таксонов в редкой биосфере ведутся споры. Таксоны этой группы на данном участке могут находиться в процессе расселения. [7] [12] Исследования на морском дне Арктики выявили термофильные бактерии, попадающие в результате механизма распространения, которые не могут быть метаболически активными. [12] Как только эти популяции, такие как термофильные бактерии в Арктике, достигнут подходящей ниши, они снова станут метаболически активными и их численность увеличится. Для этого необходимо рассматривать эти популяции как недискретные, не эндемичные для какого-либо конкретного водоема. [12]
С другой стороны, исследования показывают, что, учитывая биогеографию редких таксонов, идея о том, что редкая биосфера является продуктом расселения, кажется маловероятной. [13] Исследование биогеографии редкой биосферы в Северном Ледовитом океане показало, что между участками воды в этом океане редкая биосфера представляет большое разнообразие. Это говорит о том, что популяции редкой биосферы подвергаются воздействию эволюционных сил, характерных для места их обитания, таких как отбор, видообразование и вымирание. [13] Кроме того, учитывая тот факт, что многие редкие таксоны не могут быть идентифицированы в хранилищах генов, маловероятно, что они широко распространены где-либо еще. [13]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Педрос-Алио, К. (01 января 2017 г.), «Редкая биосфера☆» , Справочный модуль по наукам о жизни , Elsevier, ISBN 9780128096338 , получено 23 августа 2019 г.
- ^ Гитай, Хабиба; Суарес, Авелино; Доккен, Дэвид Джон; Уотсон, Роберт Т., ред. (апрель 2002 г.). Изменение климата и биоразнообразие: Технический документ V МГЭИК (PDF) (Отчет). Межправительственная группа экспертов по изменению климата.
- ^ Перейти обратно: а б Кирчман, Дэвид Л., изд. (2008). Микробная экология океанов (2-е изд.). Хобокен: Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0470281833 .
- ^ Жуссе, Александр; Бьенхольд, Кристина; Хацинотас, Антонис; Галлиен, Лора; Гобе, Анжелика; Курм, Виола; Кюзель, Кирстен; Риллиг, Матиас С; Риветт, Дамиан В. (апрель 2017 г.). «Там, где меньше, может быть больше: как редкая биосфера дергает за ниточки экосистем» . Журнал ISME . 11 (4): 853–862. дои : 10.1038/ismej.2016.174 . ISSN 1751-7362 . ПМЦ 5364357 . ПМИД 28072420 .
- ^ Перейти обратно: а б с Сом, Джилл А.; Уэбб, Эрик А.; Капоне, Дуглас Г. (16 июня 2011 г.). «Новые модели фиксации морского азота». Обзоры природы Микробиология . 9 (7): 499–508. дои : 10.1038/nrmicro2594 . ISSN 1740-1526 . ПМИД 21677685 . S2CID 22129785 .
- ^ Перейти обратно: а б Чжан, Юн; Донг, Шуйкуй; Гао, Цинчжу; Ганджурджав, Хасбаган; Ван, Сюэсия; Гэн, Вэй (01 июля 2019 г.). « Редкая биосфера» играет важную роль в регулировании доступного почвенного азота и биомассы растений в альпийских луговых экосистемах в условиях изменения климата». Сельское хозяйство, экосистемы и окружающая среда . 279 : 187–193. дои : 10.1016/j.agee.2018.11.025 . ISSN 0167-8809 . S2CID 92167972 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Фурман, Джед А. (14 мая 2009 г.). «Структура микробного сообщества и ее функциональные последствия». Природа . 459 (7244): 193–199. Бибкод : 2009Natur.459..193F . дои : 10.1038/nature08058 . ПМИД 19444205 . S2CID 4315476 .
- ^ Йоханссон, Джессика; Холлбек, Лотта; Анна Холлбек; Эрикссон, Сара; Арлингер, Джоанна; Педерсен, Карстен (июль 2008 г.). «Количество, биомасса и культивируемое разнообразие микробных популяций зависят от глубины и условий, специфичных для скважины, в грунтовых водах с глубин 4–450 м в Олкилуото, Финляндия» . Журнал ISME . 2 (7): 760–775. дои : 10.1038/ismej.2008.43 . ISSN 1751-7370 . ПМИД 18432279 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Гейдельберг, Карла Б.; Гилберт, Джек А.; Джойнт, Ян (сентябрь 2010 г.). «Морская геномика: на стыке морской микробной экологии и биооткрытия» . Микробная биотехнология . 3 (5): 531–543. дои : 10.1111/j.1751-7915.2010.00193.x . ПМЦ 2948669 . ПМИД 20953417 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Педрос-Алио, К. (12 января 2007 г.). «ЭКОЛОГИЯ: Погружение в редкую биосферу». Наука . 315 (5809): 192–193. дои : 10.1126/science.1135933 . ПМИД 17218512 . S2CID 82882903 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к Согин, М.Л.; Моррисон, ХГ; Хубер, Дж.А.; Уэлч, DM; Хаус, С.М.; Нил, PR; Арриета, Дж. М.; Херндл, GJ (31 июля 2006 г.). «Микробное разнообразие в морских глубинах и малоизученной «редкой биосфере» » . Труды Национальной академии наук . 103 (32): 12115–12120. Бибкод : 2006PNAS..10312115S . дои : 10.1073/pnas.0605127103 . ПМК 1524930 . ПМИД 16880384 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Паттерсон, диджей (17 сентября 2009 г.). «Видение общей картины распространения микробов». Наука . 325 (5947): 1506–1507. дои : 10.1126/science.1179690 . ПМИД 19762632 . S2CID 206522682 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Галанд, ЧП; Касамайор, Э.О.; Кирчман, Д.Л.; Лавджой, К. (17 декабря 2009 г.). «Экология редкой микробной биосферы Северного Ледовитого океана» (PDF) . Труды Национальной академии наук . 106 (52): 22427–22432. Бибкод : 2009PNAS..10622427G . дои : 10.1073/pnas.0908284106 . ПМК 2796907 . ПМИД 20018741 .
- ^ Константинидис, Константинос Т.; Испания, Джим К.; Порецкий, Рэйчел; Кришнан, Радж; Мареска, Джина; Кайзер, Хайди; Вейганд, Майкл Р.; Руис-Перес, Карлос А.; Родригес-Р, Луис М. (15 апреля 2017 г.). «Количественная оценка важности редкой биосферы для реакции микробного сообщества на органические загрязнители в пресноводной экосистеме» . Прикладная и экологическая микробиология . 83 (8): e03321–16. Бибкод : 2017ApEnM..83E3321W . дои : 10.1128/АЕМ.03321-16 . ISSN 0099-2240 . ПМК 5377499 . ПМИД 28258138 .
- ^ Банфилд, Джиллиан Ф.; Хаббард, Сьюзен С.; Уильямс, Кеннет Х.; Броди, Эоин Л.; Караоз, Улас; Уилкинс, Майкл Дж.; Андреа Сингх; Томас, Брайан С.; Пробст, Александр Дж. (24 октября 2016 г.). «Тысячи микробных геномов проливают свет на взаимосвязанные биогеохимические процессы в системе водоносных горизонтов» . Природные коммуникации . 7 : 13219. Бибкод : 2016NatCo...713219A . дои : 10.1038/ncomms13219 . ISSN 2041-1723 . ПМК 5079060 . ПМИД 27774985 .
- ^ Нуппунен-Пупутти, Майя; Пуркамо, Лотта; Киетявяйнен, Риикка; Нюссонен, Мари; Итаваара, Мерья; Ахонен, Лассе; Кукконен, Ильмо; Бомберг, Малин (13 ноября 2018 г.). «Редкие биосферные археи ассимилируют ацетат в докембрийских земных недрах на глубине 2,2 км» . Геонауки . 8 (11): 418. Бибкод : 2018Geosc...8..418N . doi : 10.3390/geosciences8110418 . ISSN 2076-3263 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Американское общество микробиологии (3 марта 2017 г.). «Значение редких видов микробов гораздо больше, чем вы думаете» . Наука Дейли . Проверено 22 августа 2017 г.
- Рид, Энн; Бакли, Мерри (2011). Редкая биосфера (Доклад). На основе коллоквиума, проведенного Американской академией микробиологии 27–29 апреля 2009 г. в Сан-Франциско, Калифорния. Американская академия микробиологии.
- Бачи, Чарльз; Уорден, Александра З. (апрель 2014 г.). «Микробная экология: поиск структуры редкой биосферы» (PDF) . Современная биология . 24 (8): Р315–Р317. дои : 10.1016/j.cub.2014.03.029 . ПМИД 24735853 . S2CID 15778696 .
- Коринальдези, Чинция (11 марта 2015 г.). «Новые перспективы в донной глубоководной микробной экологии» . Границы морской науки . 2 . дои : 10.3389/fmars.2015.00017 .
- Жуссе, Александр; Бьенхольд, Кристина; Хацинотас, Антонис; Галлиен, Лора; Гобе, Анжелика; Курм, Виола; Кусел, Кирстен; Риллиг, Матиас С; Риветт, Дамиан В.; Саллес, Джоанна Ф; ван дер Хейден, Марсель Г.А.; Юсеф, Ноха Х; Чжан, Сяовэй; Вэй, Чжун; Хол, WH Гера (10 января 2017 г.). «Там, где меньше, может быть больше: как редкая биосфера дергает за ниточки экосистем» . Журнал ISME . 11 (4): 853–862. дои : 10.1038/ismej.2016.174 . ПМЦ 5364357 . ПМИД 28072420 .
- Калмейер, Йенс; Вагнер, Дирк (2013). Микробная жизнь глубинной биосферы . Берлин: де Грюйтер. ISBN 9783110370676 .
- Линч, Майкл DJ; Нойфельд, Джош Д. (2 марта 2015 г.). «Экология и исследование редкой биосферы». Обзоры природы Микробиология . 13 (4): 217–229. дои : 10.1038/nrmicro3400 . ПМИД 25730701 . S2CID 23683614 .
- Университет Линнея (4 июля 2017 г.). «Грибы — ключевые игроки глубинной биосферы» . Наука Дейли . Проверено 22 августа 2017 г.
- Морская биологическая лаборатория (2 сентября 2006 г.). «Перепись океанических микробов открывает разнообразный мир редких бактерий» . Наука Дейли . Проверено 22 августа 2017 г.
- Ногалес, Бальбина; Ланфранкони, Мариана П.; Пинья-Вильялонга, Хуана М.; Босх, Рафаэль (март 2011 г.). «Антропогенные нарушения в морских микробных сообществах» . Обзоры микробиологии FEMS . 35 (2): 275–298. дои : 10.1111/j.1574-6976.2010.00248.x . ПМИД 20738403 .
- Оркатт, Бет Н.; ЛаРоу, Дуглас Э.; Биддл, Дженнифер Ф.; Колвелл, Фредерик С.; Глейзер, Брайан Т.; Риз, Брэнди Киль; Киркпатрик, Джон Б.; Лэпэм, Лаура Л.; Миллс, Хит Дж.; Сильван, Джейсон Б.; Ванкель, Скотт Д.; Пшеница, К. Джефф (2013). «Микробная деятельность в морской глубинной биосфере: прогресс и перспективы» . Границы микробиологии . 4 : 189. дои : 10.3389/fmicb.2013.00189 . ПМЦ 3708129 . ПМИД 23874326 .
- Саттл, Кертис (апрель 2005 г.). «Вириосфера: величайшее биологическое разнообразие на Земле и двигатель глобальных процессов» . Экологическая микробиология . 7 (4): 481–482. дои : 10.1111/j.1462-2920.2005.803_11.x . ПМИД 15816923 . S2CID 40555592 .