Jump to content

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 ]
Схема микробной петли.

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 ]
  1. ^ Педрос-Алио, К. (01 января 2017 г.), «Редкая биосфера☆» , Справочный модуль по наукам о жизни , Elsevier, ISBN  9780128096338 , получено 23 августа 2019 г.
  2. ^ 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.
  3. ^ Перейти обратно: а б Кирчман, Дэвид Л., изд. (2008). Микробная экология океанов (2-е изд.). Хобокен: Джон Уайли и сыновья. ISBN  978-0470281833 .
  4. ^ 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 .
  5. ^ 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 .
  6. ^ 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 .
  7. ^ 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 .
  8. ^ 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 .
  9. ^ 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 .
  10. ^ 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 .
  11. ^ 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 .
  12. ^ 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 .
  13. ^ 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 .
  14. ^ 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 .
  15. ^ 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 .
  16. ^ 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 ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: cfa78287ed26785ef103536cf61b9a2f__1692829320
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/cf/2f/cfa78287ed26785ef103536cf61b9a2f.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Rare biosphere - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)