Редкая биосфера - Rare biosphere

Редкая биосфера относится к большому количеству редких видов микробной жизни, т.е. бактерии, археи и грибы, которые могут быть обнаружены в окружающей среде в очень низких концентрациях.[1]

Микробные экосистемы

Схема микробной петли.

Изменения в биоразнообразие из экосистема, ли морской или же земной, может повлиять на его эффективность и работу. Изменение климата или другой антропогенные возмущения может уменьшиться продуктивность и нарушить глобальный биогеохимические циклы. Возможные последствия таких изменений недостаточно хорошо охарактеризованы или поняты, и до определенной степени избыточность в экосистеме может защитить ее от нарушения.[2]

Динамика микробные экосистемы тесно связаны с биогеохимическими процессами.[3] Например, в морской микробная петля, бактерии разлагать органика и перерабатывать питательные вещества Такие как азот для других организмов, таких как фитопланктон использовать.[3] Снижение количества рециркулируемого азота ограничит продуктивность фитопланктона, что, в свою очередь, ограничит рост травоядные, с эффектами на протяжении всего пищевой сети и азотный цикл. Чтобы измерить такие эффекты, необходима базовая линия микробного разнообразия. Виды редкой биосферы могут предложить генофонд, который можно активировать в меняющихся условиях, таким образом поддерживая функционирование экосистемы. [4] Представители редкой биосферы были признаны важными движущими силами многих ключевых функций экосистем, например, обеспечения биодоступного азота в морской и почвенной среде.[5][6]

Методы обнаружения

Предыдущие попытки охарактеризовать на месте изобилие различных видов микробов в конкретной среде было достигнуто с помощью методов культивирования и молекулярной биологии.[7] Культивирование дает очень узкую картину некоторых из более редких присутствующих видов, особенно при изучении среды, в которой только менее 0,1% всех микробов можно культивировать стандартными методами.[7][8] Методы молекулярной биологии, такие как Секвенирование по Сэнгеру, приводит к гораздо более широкому охвату, но выделяет более многочисленные существующие виды.[9][10] Ни один из этих методов не отражает всего присутствующего разнообразия. Современное состояние дел - использование высокопроизводительных последовательность действий методы, впервые примененные Доктор Митчелл Согин из Морская биологическая лаборатория. Этот метод расширил сферу биоразнообразия с открытием редкой биосферы.[11] Секвенирование с высокой пропускной способностью, или «последовательность тегов», разделяет уникальные рРНК гена (или другого целевого гена) в операционные таксономические единицы (OTU) на основе сходства в коде ДНК секвенированной области гена.[11] Оба Сэнгер, секвенирование дробовика, и последовательность тегов организовать последовательности в OTU.[9] Однако именно разрешение, обеспечиваемое секвенированием тегов, отличает его от других методов, что является результатом повышения эффективности серийного анализа.[9] Повышение эффективности стало возможным за счет использования внутренних грунтовка последовательности, приводящие к ограничительный дайджест нависающие последовательности.[9] Хотя OTU позволяют различать возможное количество филогенетический групп, невозможно вывести филогенетические отношения на основе OTU. Теги, связанные с OTU, должны иметь перекрестные ссылки с генные банки, чтобы теги были филотипированы и отношения установлены.[11]

Результатом секвенирования тегов стало получение на несколько порядков больших оценок OTU, присутствующих в экосистемах, что дало длинный хвост на кривые численности видов.[12][10] На этот длинный хвост приходится менее 0,1% многочисленных видов в конкретной экосистеме. В то же время он представляет тысячи популяций, составляющих большую часть филогенетического разнообразия экосистемы. Эта малонаселенная и высокоразнообразная группа является редкой биосферой. Используя этот метод, Согин и др. Провели исследование микробного разнообразия в Североатлантический глубокая вода произвела оценку 5266 различных таксоны.[11] Это особенно впечатляет, учитывая, что в предыдущих исследованиях использовались более традиционные ПЦР клонирование методы привели к оценке до 500.[10]

Экологическая роль

Учитывая их низкую численность, представители редкой биосферы могут представлять древние и устойчивые таксоны.[11] Поскольку количество этих менее распространенных видов ограничено, вирусная инфекция и, в конечном итоге, гибель в результате лизиса более маловероятны, так как вирусы зависят от высоких концентраций организмов-хозяев для сохранения.[10] Кроме того, меньшая численность означает ограниченный рост и меньшую часть диапазона размеров ячеек.[10] Это ограничивает вероятность смерти от проглатывания, поскольку травоядные предпочитают более крупные или более активные микробы. Важно отметить, что тот факт, что эти таксоны сейчас «редки», не означает, что при прежних условиях в истории нашей планеты они были «редкими».[11] Эти таксоны могли быть эпизодически многочисленными, что приводило либо к глобальным изменениям биогеохимических циклов, либо к небольшому изменению условий в их нынешней среде обитания. [11] Учитывая сохранение этих таксонов в подходящих условиях, они могут доминировать и стать более многочисленными таксонами.[11] Возникновение таких состояний может происходить во многих временных масштабах. Возможно, что некоторые редкие таксоны доминируют только в аномальные годы, например, в 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 их низкой численности таксоны, принадлежащие к редкой биосфере, могут влиять на глобальные биогеохимические циклы. Например, недавние данные свидетельствуют о том, что редкое меньшинство может быть ответственным за фиксацию большего кумулятивного азота, чем подавляющее большинство микробных клеток в морской среде.[7][5]

Тонким и менее прямым образом редкая биосфера может влиять на экосистемы с точки зрения биоразнообразия и биогеохимических циклов, действуя как неограниченный источник генетического разнообразия и материала.[7][11] В настоящее время ведутся многочисленные дискуссии и исследования о том, как микробные сообщества демонстрируют устойчивость после экологических возмущений или катастроф и насколько близкородственные виды могут иметь уникальные и новые генетические признаки по сравнению с ближайшими родственниками.[11] Редкую биосферу можно рассматривать как банк семян, передающий гены, в результате чего появляются более подходящие рекомбинанты, которые становятся доминирующим большинством.[11]

Биогеография и распространение

Редкая биосфера изучалась во множестве различных сред, включая моря, озера, почвы и даже глубокие коренные породы.[5][13][14][6][15][16] Существуют некоторые дискуссии относительно распределения таксонов в пределах редкой биосферы. Таксоны в этой группе на данном участке могут находиться в процессе распространения.[7][12] Исследования на морском дне Арктики выявили термофильные бактерии, поступающие через механизмы распространения, которые не могли быть метаболически активными.[12] Как только эти популяции, такие как термофильные бактерии в Арктике, достигнут подходящей ниши, они снова станут метаболически активными и увеличатся в численности. Для этого необходимо, чтобы эти популяции рассматривались как недискретные, не эндемичные для какого-либо конкретного водоема.[12] С другой стороны, исследования показывают, что с учетом биогеографии редких таксонов идея о том, что редкая биосфера является продуктом распространения, кажется маловероятной.[13] Исследование биогеографии редкой биосферы в Северном Ледовитом океане показало, что между участками воды в этом океане редкая биосфера представляет собой большое разнообразие. Это говорит о том, что популяции в пределах редкой биосферы испытывают эволюционные силы, характерные для места их нахождения, такие как отбор, видообразование и вымирание.[13] Кроме того, с учетом того факта, что многие редкие таксоны не могут быть идентифицированы в хранилищах генов, маловероятно, что их много где-либо еще.[13]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Педрос-Алио, К. (01.01.2017), «Редкая биосфера ☆», Справочный модуль по естественным наукам, Эльзевьер, ISBN  9780128096338, получено 2019-08-23
  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 комиссия по изменению климата.
  3. ^ а б Кирхман, Дэвид Л., изд. (2008). Микробная экология океанов (2-е изд.). Хобокен: Джон Уайли и сыновья. ISBN  978-0470281833.
  4. ^ Жуссе, Александр; Бьенхольд, Кристина; Хатзинотас, Антонис; Галлиен, Лор; Gobet, Angélique; Курм, Альт; Кюсель, Кирстен; Риллиг, Маттиас С; Риветт, Дамиан В. (апрель 2017 г.). «Где меньше может быть больше: как редкая биосфера тянет за ниточки экосистемы». Журнал ISME. 11 (4): 853–862. Дои:10.1038 / ismej.2016.174. ISSN  1751-7362. ЧВК  5364357. PMID  28072420.
  5. ^ а б c Sohm, Jill A .; Уэбб, Эрик А .; Капоне, Дуглас Г. (16.06.2011). «Новые закономерности морской азотфиксации». Обзоры природы Микробиология. 9 (7): 499–508. Дои:10.1038 / nrmicro2594. ISSN  1740-1526. PMID  21677685. S2CID  22129785.
  6. ^ а б Чжан, Юн; Донг, Шуйкуй; Гао, Цинчжу; Ганджурджав, Хасбаган; Ван, Сюэся; Гэн, Вэй (2019-07-01). ""Редкая биосфера «играет важную роль в регулировании доступного в почве азота и биомассы растений в экосистемах альпийских лугов в условиях климатических изменений». Сельское хозяйство, экосистемы и окружающая среда. 279: 187–193. Дои:10.1016 / j.agee.2018.11.025. ISSN  0167-8809.
  7. ^ а б c d е ж грамм Фурман, Джед А. (14 мая 2009 г.). «Структура микробного сообщества и ее функциональные последствия». Природа. 459 (7244): 193–199. Bibcode:2009Натура.459..193F. Дои:10.1038 / природа08058. PMID  19444205. S2CID  4315476.
  8. ^ Йоханссон, Джессика; Холлбек, Лотта; Анна Холлбек; Эрикссон, Сара; Арлингер, Йоханна; Педерсен, Карстен (июль 2008 г.). «Численность, биомасса и культурное разнообразие микробных популяций связаны с глубиной и условиями 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. PMID  18432279.
  9. ^ а б c d Гейдельберг, Карла Б .; Гилберт, Джек А .; Джойнт, Ян (сентябрь 2010 г.). «Морская геномика: на стыке морской микробной экологии и биологических открытий». Микробная биотехнология. 3 (5): 531–543. Дои:10.1111 / j.1751-7915.2010.00193.x. ЧВК  2948669. PMID  20953417.
  10. ^ а б c d е Педрос-Алио, К. (12 января 2007 г.). «ЭКОЛОГИЯ: погружение в редкую биосферу». Наука. 315 (5809): 192–193. Дои:10.1126 / science.1135933. PMID  17218512. S2CID  82882903.
  11. ^ а б c d е ж грамм час я j k Согин, М.Л .; Morrison, H.G .; Huber, J. A .; Велч, Д. М .; Huse, S.M .; Neal, P.R .; Arrieta, J.M .; Херндл, Г. Дж. (31 июля 2006 г.). «Микробное разнообразие морских глубин и малоизученной» редкой биосферы"". Труды Национальной академии наук. 103 (32): 12115–12120. Bibcode:2006ПНАС..10312115С. Дои:10.1073 / pnas.0605127103. ЧВК  1524930. PMID  16880384.
  12. ^ а б c d Паттерсон, Д. Дж. (17 сентября 2009 г.). «Видя общую картину распространения микробов». Наука. 325 (5947): 1506–1507. Дои:10.1126 / science.1179690. PMID  19762632. S2CID  206522682.
  13. ^ а б c d Galand, P.E .; Casamayor, E.O .; Кирхман, Д. Л .; Лавджой, К. (17 декабря 2009 г.). «Экология редкой микробной биосферы Северного Ледовитого океана» (PDF). Труды Национальной академии наук. 106 (52): 22427–22432. Bibcode:2009PNAS..10622427G. Дои:10.1073 / pnas.0908284106. ЧВК  2796907. PMID  20018741.
  14. ^ Konstantinidis, Konstantinos T .; Испания, Джим К .; Порецкий, Рахиль; Кришнан, Радж; Мареска, Джина; Кизер, Хайди; Weigand, Michael R .; 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. Дои:10.1128 / AEM.03321-16. ISSN  0099-2240. ЧВК  5377499. PMID  28258138.
  15. ^ Банфилд, Джиллиан Ф .; Hubbard, Susan S .; Уильямс, Кеннет Х .; Brodie, Eoin L .; Караоз, Улас; Уилкинс, Майкл Дж .; Андреа Сингх; Томас, Брайан Ч .; Пробст, Александр Дж. (2016-10-24). «Тысячи микробных геномов проливают свет на взаимосвязанные биогеохимические процессы в системе водоносного горизонта». Nature Communications. 7: 13219. Bibcode:2016НатКо ... 713219A. Дои:10.1038 / ncomms13219. ISSN  2041-1723. ЧВК  5079060. PMID  27774985.
  16. ^ Нуппунен-Пупутти, Майя; Пуркамо, Лотта; Киетявяйнен, Риикка; Нюиссонен, Мари; Итаваара, Мерджа; Ахонен, Лассе; Кукконен, Ильмо; Бомберг, Малин (13.11.2018). "Редкие биосферные археи ассимилировали ацетат в докембрийских наземных подповерхностях на глубине 2,2 км". Геонауки. 8 (11): 418. Bibcode:2018 Геоск ... 8..418N. Дои:10.3390 / geosciences8110418. ISSN  2076-3263.

дальнейшее чтение