Группа международных исследователей из России и США изучила несколько фумарольных полей российских и японских вулканов. Результатом их совместной работы стало выявление наиболее эффективных методик для изучения вулканических микроорганизмов.
Ученые из Сколтеха, Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН и других научных организаций России и США провели исследование микробных сообществ, живущих в экстремальных условиях в фумарольных полях вулканов в России: Эльбрус, Ушковский; и в Японии, в Фудзи. По итогам полевой работы, исследователи нашли наиболее эффективную методику выделения ДНК из микробных образцов и продемонстрировали, что микробные сообщества каждого вулканического региона отличаются друг от друга и зависят от геохимических условий окружающей среды. Результаты исследования затем были опубликованы в журнале Nature Scientific Reports.
Вулканы являются одним из самых загадочных и захватывающих мест на Земле. Трещины или отверстия в земной коре вблизи вулканов, на склонах и у их подножий приводят к выбросу горячих газов и пара. Эти области известны как фумарольные поля, они образуются в зонах вулканической активности. В этих местах магма нагревает подземные воды, превращая их в пар. Впрочем, даже несмотря на эти суровые условия, там проживает множество микроорганизмов: от археев до бактерий, а их механизмы адаптации остаются в значительной степени неизученными.
«Образцы, собранные из фумарольных полей, представляют собой чрезвычайно сложный материал для извлечения ДНК. Между тем, термофильные бактерии, способные выживать при экстремальных температурах, обладают интригующими адаптивными механизмами. Наше исследование дало первое описание микробных сообществ, населяющих разные зоны Эльбруса, Ушковского и горы Фудзи», — объяснила ведущий автор исследования Алла Шевченко, аспирантка программы «Науки о жизни» в Сколтехе.
Исследователи использовали разные методы измельчения образцов почвы перед выделением ДНК — вертикальную и горизонтальную гомогенизацию (смешивание). Вертикальная гомогенизация оказалась более эффективной как с точки зрения выхода ДНК, так и с точки зрения обнаружения последовательностей архей по сравнению с горизонтальной гомогенизацией.
«Большая часть ДНК была извлечена с помощью вертикальной гомогенизации. Изменения в микробных популяциях коррелируют с особенностями каждого вулкана. В почвах Эльбруса доминируют ацидобактерии и псевдомонады. Ушковские фумаролы содержат многочисленные представители группы кренархеот. В мерзлой почве Фудзи в целом содержится меньше микроорганизмов, но сохраняются актиномицеты и дополнительные виды бактерий», — заявил профессор Михаил Гельфанд, соавтор исследования и научный руководитель, вице-президент по биомедицинским исследованиям в Сколтехе.
По словам исследователей, полученные результаты подчеркивают важность выбора оптимальной методологии подготовки образцов для изучения. На их взгляд, результат их работы наиболее важен для понимания особенностей изучения микроорганизмов в экстремальных условиях. Микроорганизмы, обитающие вблизи вулканов, на фумарольных полях, служат чувствительными индикаторами изменений окружающей среды. Их адаптивность отражает реакцию экосистемы на такие факторы, как температура, уровень влажности, значения pH и концентрации тяжелых металлов. Изменения в структуре и составе бактериальных и грибковых колоний могут быть признаком глобального потепления, сдвигов температурного режима и антропогенного воздействия.