Глубоководные и подводные экосистемы помогут исследователям оценить вероятность и возможную природу организмов, живущих на океанских лунах Европы и Энцелада. Последствия этого исследования действительно космические по своему масштабу.
Микроорганизмы, по оценкам, чрезвычайно долговечны. В наших исследованиях они показывают, что оборот составляет всего 1000 лет - это означает, что они делятся только раз в несколько тысяч лет. Для сравнения: кишечная бактерия E. делится каждые 20 минут. Один из давних вопросов состоит в том, как глубокие микробы достигают такого медленного образа жизни? Нелегко зарабатывать на жизнь в недрах, потому что биохимические реакции для извлечения энергии из минералов и геологических газов - набор процессов, известных как химиотрофия - не так эффективны, как фотосинтез, процесс, который зеленые растения используют для захвата энергии из фотонов солнечного света на поверхности.
Некоторые подземные микроорганизмы могут образовывать стрессоустойчивые споры и оставаться неактивными, чтобы противостоять экстремальным подповерхностным условиям; в противном случае микроорганизмы должны вкладывать по крайней мере определенное количество энергии, которое варьируется от одного таксона (эволюционная популяция) к другому, чтобы поддерживать целостность и функциональность клеток.
В настоящее время методы генетического секвенирования позволяют нам детально исследовать, какой организм способен метаболизировать какой компонент окружающей среды. Мы также можем исследовать метаболический потенциал сообщества в целом, используя метагеномику, способ изучения коллективного генетического разнообразия. Вместе эти подходы раскрывают общую структуру и функционирование глубокого биома.
Наши исследования сообществ, в которых преобладают протеобактерии (собранные в нескольких местах на 1-3 км ниже поверхности земли), показывают, что они имеют высокую степень сходства друг с другом, что определяется генетическим маркером, известным как рибосомальная.
Тем не менее, одни и те же функциональные признаки осуществляются разными таксонами. Это изменение не может быть объяснено ни физическим разделением участков, ни уникальными физико-химическими особенностями каждого участка - обычно наиболее экологически значимыми факторами для такого разделения. Ни глубина, ни время пребывания воды, по-видимому, также не вносят существенный вклад в различия.
Будущие исследования по происхождению подземных микроорганизмов, а также их эволюция и движение по геологической истории помогут нам понять биогеографию или живой ландшафт недр. Глубокие микробные группы создали прочные, парные метаболические партнерства. Недавно мы завершили исследование подповерхностных микробов с использованием высокопроизводительного секвенирования для изучения общей популяции РНК и белков.
Молекулярные данные, вместе с изотопной геохимией и термодинамическим моделированием, представили единую историю о том, что наиболее успешной группой является бетапротеобактерии, класс протеобактерий, которые получают энергию за счет сочетания восстановления нитратов и окисления серы, чтобы связать диоксид углерода для клеточный рост. Спрос на нитрат среди глубоких микробов был неожиданным; до нашего исследования оно осталось незамеченным, поскольку измеренные концентрации нитратов в пробах подземных вод были крошечными.
Что еще интереснее, мы заключаем, что глубокие микробные группы установили прочные, парные метаболические партнерства или синтрофические связи, которые помогают организмам преодолевать проблемы извлечения ограниченной энергии, которая исходит из горных пород. Вместо того, чтобы конкурировать непосредственно друг с другом, кажется, что большая часть углерода в микробных клетках прямо или косвенно происходит из метана.
Это верно, даже несмотря на то, что метаногены и метаноокисляющие микроорганизмы вместе составляют менее 1 процента организмов в наших образцах - удивительно низкая доля, учитывая, что метан был наиболее распространенным растворенным газом (~ 80 процентов) в пробах воды. мы учились. Различные виды микробных таксонов, которые перерабатывают метан в недрах, встречаются с разной численностью во времени и пространстве. Несмотря на преимущества метаболических партнерств, некоторые глубокие микробы эволюционировали сами по себе. Благодаря метагеномике и анализу на основе генома исследователь Дилан Чивиан из Национальной лаборатории им. Данные одноклеточных геномов свидетельствуют о том, что древние вирусные инфекции переносили гены архей, которые дали бактерии генетический механизм ее самостоятельности.
Данные одноклеточных геномов не только позволили нам исследовать межклеточные вариации в геномных материалах подповерхностных микробов, но и восстановить геномные чертежи микробов, которые нельзя культивировать. Эти игнорируемые организмы иногда называют «микробной темной материей», потому что они уклоняются от обнаружения обычными лабораторными методами. Как и в случае с астрономической темной материей, темная микробная материя значительно превышает количество, «видимое» для нас.
Около 99 процентов микроорганизмов не размножаются в искусственных лабораторных условиях. Более сложные многоклеточные организмы обычно хуже справляются с низким уровнем кислорода и высоким давлением, и им требуется больше пищи.