Согласно новому исследованию, проведенному учеными из Университета Аризоны, которое было опубликовано в журнале Международное общество микробной экологии. Это открытие не только расширяет наши представления о том, как микробы могут колонизировать каждую нишу на планете, но и может привести к различным приложениям, от решений по очистке окружающей среды до разработки лекарств.«Мы обнаружили всех основных игроков, составляющих типичную экосистему», — сказала Джули Нилсон, младший научный сотрудник Колледжа сельского хозяйства и наук о жизни UA. «От производителей до потребителей, они все здесь, просто невидимые невооруженным глазом».
В рамках давнего сотрудничества между Государственным парком Картчнер-Кавернс и UA, Нилсон и ее коллеги потратили годы на изучение подземного мира и его обитателей. В своем последнем исследовании они взяли мазки со сталактитов и других пещерных образований для анализа ДНК. На основе генов, обнаруженных в своих образцах, они реконструировали бактерии и археи — одноклеточные микроорганизмы, у которых отсутствует клеточное ядро, — живущие в пещере.
Державшиеся в секрете в течение 14 лет после открытия в 1974 году двумя аспирантами UA, которые путешествовали по горам Уэтстон к югу от Бенсона, штат Аризона, пещеры Картчнер были защищены от воздействия человека, чтобы ученые могли изучать хрупкую окружающую среду и организмы внутри пещера.«Мы не ожидали найти такую процветающую экосистему, питающуюся отходами, капающими из мира наверху», — сказал Нилсон. «Самое интересное, что то, что мы обнаружили, отражает пустыню наверху: экстремальная среда, лишенная питательных веществ, но процветающая благодаря организмам, которые уникальным образом адаптировались к этому типу среды обитания».В отличие от своих собратьев на поверхности, пещерные микробы не могут использовать энергию солнечного света для создания органического вещества из углекислого газа в атмосфере. Этот процесс, известный как фотосинтез, составляет основу всей жизни на Земле.
В отсутствие света бактерии живут за счет стока воды, капающей в пещеру через трещины в вышележащих скалах, и собирают энергию, заключенную в соединениях, вымываемых из разлагающихся органических веществ в почвах выше и минералов, растворенных в трещинах скал, Нилсон и ее команда обнаруженный.
«Картчнер уникален, потому что это пещера в экосистеме пустыни», — пояснил Нилсон. «Это не похоже на пещеры в регионах с умеренным климатом, таких как Кентукки или Западная Вирджиния, где на поверхности есть леса, реки и почва с толстыми органическими слоями, обеспечивающими обильный органический углерод. Карчнер имеет примерно в тысячу раз меньше углерода, поступающего с капельной водой. . "«Пещерные микробы зарабатывают на жизнь чрезвычайно ограниченными доступными питательными веществами», — сказал Нилсон. «Вместо того, чтобы полагаться на органический углерод, который является очень дефицитным ресурсом в пещере, они используют энергию азотсодержащих соединений, таких как аммиак и нитрит, для преобразования двуокиси углерода из воздуха в биомассу».Исследователи обнаружили доказательства того, что пещерные микробы участвуют во всех шести известных путях, которые организмы используют для фиксации углерода из атмосферы, чтобы сделать пищу и строительный материал.
Нилсон сказал, что хотя азотный путь, вероятно, является наиболее доминирующим в пещере, могут быть и другие. Некоторые микробы даже едят камень — чтобы получить энергию из химических соединений, таких как марганец или пирит.
Райна Майер, профессор кафедры почв, водных ресурсов и окружающей среды Колледжа сельского хозяйства и наук о жизни — главный исследователь исследования — сказала, что команда ожидала обнаружить, что общее микробное разнообразие в пещере составляет лишь часть от общего микробного разнообразия в пещере. найденные в почве на поверхности.«Мы ожидали, что поверхностное сообщество во много раз более разнообразное, чем пещера», — сказал Майер, который также является членом института BIO5 UA. «Вместо этого мы обнаружили, что пещера примерно наполовину менее разнообразна, чем земная среда, где есть солнечный свет, почва и растительность. В то же время в этих двух экосистемах встречается только 16 процентов микробных видов. Другими словами, есть разница 84% между ними, что удивительно ».
Предыдущие исследования показали, что для пещерных микробов сталактит, на котором они живут, похож на остров: ограниченный сталактитом, на котором они оказались, кажется, что между популяциями мало смешивания, что приводит к разным ассоциациям от одного пещерного образования к другому. .Для анализа ДНК, взятой из пещерных образований, Нейлсон и ее команда заручились помощью лаборатории Рода Уинга, профессора факультета наук о растениях UA и директора Института геномики Аризоны в BIO5.«Когда вы работаете в условиях крайнего голода, вы едва получаете достаточно ДНК», — объяснил Нилсон. «В некоторых из наших образцов мы получили примерно половину того, что считается минимальным количеством для анализа последовательности ДНК. Но, мы сказали, давайте просто попробуем. И замечательные техники в лаборатории Рода Уинга испробовали все эти новые методы, и им удалось получить Мы собираем данные даже с сухой породы, где нет капель воды и где с самого начала живет очень мало микробов ».
Помимо встречи со всеми основными игроками, составляющими сложную пищевую сеть в пещере, ученые обнаружили, что, вероятно, являются микробами, еще неизвестными науке.«Двадцать процентов бактерий, присутствие которых мы установили на основе последовательностей ДНК, не были достаточно похожи ни на что в базе данных, чтобы мы могли их идентифицировать», — сказал Нилсон. «На одном сталактите мы обнаружили редкий организм из группы микробов под названием SBR1093, который составлял около 10 процентов населения этого сталактита, но представлял менее 0,5 процента микробов любого из других».По словам Нилсона, никому не удалось культивировать этот организм в лаборатории, и его последовательность ДНК была обнаружена только три раза в истории: в строматолите — особом типе осадочной породы, в которой участвуют микробные сообщества — в гиперсоленых водах.
Шарк-Бэй в Австралии; на участке, загрязненном углеводородами во Франции; и на заводе по очистке сточных вод в Брисбене, Австралия.«Это говорит о том, что в мире существует множество микробов, о которых мы почти ничего не знаем», — сказала она. «Тот факт, что эти организмы обнаружились в зараженной почве, может означать, что они могут иметь потенциал для применения, например, для восстановления окружающей среды. Самый распространенный микроб, который мы обнаружили в нашем таксономическом обзоре, был тесно связан с микробом, который производит эритромицин, антибиотик. То есть не то, что он делает в пещере, но он показывает вам, что не только есть потенциал для обнаружения новых для науки микробов, но и их изучение в этих экстремальных и плохо изученных средах может привести к новым применениям ».
Как отмечают исследователи, результаты исследования выходят далеко за пределы пещер Картчнера и других планет.«Нам нужно многое узнать о микробах и о том, как они контролируют процессы глобального значения, и изучение микробов в экстремальных экосистемах, таких как пещеры Картчнер или в пустыне Атакама в Чили, помогает нам изучить некоторые из возможностей, которые у нас отсутствуют» «Я все еще понимаю в богатых экосистемах здесь, на поверхности», — сказал Нилсон.
«Это показывает гибкость микробов», — сказал Нилсон. «Они завоевали каждую нишу на планете».Майер добавил: «Когда вы думаете об исследовании Марса, например, и смотрите на все те умные стратегии, которые микробы развили и изменили за последние 4 миллиарда лет, я не удивлюсь, если мы найдем их где-нибудь в другом месте, если мы просто сохраним смотрящий."