Микробная биогеография - это подмножество биогеографии , области, которая касается распределения организмов в пространстве и времени. [1] Хотя биогеография традиционно фокусировалась на растениях и более крупных животных, недавние исследования расширили эту область, включив в нее модели распространения микроорганизмов . Это расширение биогеографии на более мелкие масштабы, известное как «микробная биогеография», стало возможным благодаря постоянным достижениям в генетических технологиях.
Цель микробной биогеографии - выявить, где живут микроорганизмы, в каком количестве и почему. Таким образом, микробная биогеография может дать представление о лежащих в основе механизмах, которые создают и препятствуют биоразнообразию . [2] Микробная биогеография также позволяет предсказывать, где определенные организмы могут выжить и как они реагируют на изменение окружающей среды, что делает ее применимой к ряду других областей, таких как исследования изменения климата.
История
Шевяков (1893) выдвинул теорию о космополитической среде обитания свободноживущих простейших. [3] В 1934 году Лоуренс Баас Бекинг , основываясь на своем собственном исследовании соленых озер Калифорнии, а также работе других ученых по соленым озерам во всем мире, [4] пришел к выводу, что «все есть везде, но среда выбирает». [5] Баас Бекинг приписал первую половину этой гипотезы своему коллеге Мартинусу Бейеринку (1913). [6] [7]
Гипотеза Бааса Бекинга о космополитическом микробном распространении позже будет оспорена другими работами. [8] [9] [10] [11]
Биогеография микробов против макроорганизмов
Биогеография макроорганизмов (т. Е. Растений и животных, которые можно увидеть невооруженным глазом) изучается с восемнадцатого века. Для макроорганизмов биогеографические закономерности (то есть, какие совокупности организмов появляются в определенных местах и в определенное время), по-видимому, возникают как из прошлой, так и из нынешней окружающей среды. Например, белые медведи обитают в Арктике, но не в Антарктике , а для пингвинов - наоборот ; Хотя и белые медведи, и пингвины адаптировались к холодному климату на протяжении многих поколений (результат прошлой окружающей среды), расстояние и более теплый климат между северным и южным полюсами не позволяют этим видам распространяться в противоположном полушарии (результат нынешних условий окружающей среды). Это демонстрирует биогеографическую закономерность, известную как «изоляция с географическим расстоянием», благодаря которой ограниченная способность вида физически распространяться в пространстве (а не какие-либо селективные генетические причины) ограничивает географический диапазон, в котором он может быть найден.
Биогеография микроорганизмов (т. Е. Организмов, которые нельзя увидеть невооруженным глазом, таких как грибы и бактерии) - это новая область, доступная благодаря постоянным достижениям в генетических технологиях, в частности более дешевому секвенированию ДНК с более высокой пропускной способностью, которое теперь позволяет анализировать глобальные наборы данных по микробной биологии на молекулярном уровне. Когда ученые начали изучать микробную биогеографию, они ожидали отсутствия биогеографических закономерностей из-за высокой дисперсности и больших размеров популяции микробов, которые, как ожидается, в конечном итоге сделают географическое расстояние несущественным. Действительно, в микробной экологии часто повторяемое высказывание Лоренса Бааса Бекинга о том, что «все есть везде, но среда выбирает», стало означать, что до тех пор, пока окружающая среда является экологически приемлемой, геологические барьеры не имеют значения. [12] Однако недавние исследования демонстрируют четкие доказательства биогеографических закономерностей в микробной жизни, которые ставят под сомнение эту общую интерпретацию: существование микробных биогеографических закономерностей оспаривает идею о том, что «все есть везде», а также поддерживает идею о том, что экологический отбор включает также географию как исторические события, которые могут оставить прочный след в микробных сообществах. [2]
Микробные биогеографические образцы часто сходны с образцами макроорганизмов. Микробы обычно следуют хорошо известным закономерностям, таким как зависимость распада на расстоянии, соотношение численность-диапазон и правило Рапопорта . [13] [14] Это удивительно, учитывая множество различий между микроорганизмами и макроорганизмами, в частности, их размер ( микрометры и метры), время между поколениями (минуты и годы) и дисперсность (глобальные и местные). Однако важные различия между биогеографическими моделями микроорганизмов и макроорганизмов действительно существуют и, вероятно, являются результатом различий в лежащих в их основе биогеографических процессах (например, дрейфе, рассредоточении , отборе и мутации ). Например, расселение является важным биогеографическим процессом как для микробов, так и для более крупных организмов, но мелкие микробы могут распространяться в гораздо более широких диапазонах и с гораздо большей скоростью, путешествуя через атмосферу (для более крупных животных рассредоточение гораздо более ограничено из-за их размера). [2] В результате многие виды микробов можно найти как в северном, так и в южном полушариях, в то время как более крупные животные обычно встречаются только на одном полюсе, а не на обоих. [15]
Отчетливые узоры
Обратный градиент широтного разнообразия
Более крупные организмы, как правило, демонстрируют широтные градиенты видового разнообразия , при этом большее биоразнообразие существует в тропиках и уменьшается в сторону более умеренных полярных регионов. Напротив, исследование грибных сообществ в помещениях [14] показало, что микробное биоразнообразие значительно выше в умеренных зонах, чем в тропиках. В том же исследовании было обнаружено, что совершенно разные здания демонстрируют одинаковый грибной состав в помещении в любом месте, где сходство увеличивается с приближением. Таким образом, несмотря на усилия человека по контролю климата в помещении, внешняя среда, по-видимому, является самым сильным фактором, определяющим грибковый состав в помещении.
Биполярные распределения широты
Определенные популяции микробов существуют в противоположных полушариях и на дополнительных широтах. Такое «биполярное» (или «антитропическое») распределение у макроорганизмов встречается гораздо реже; хотя макроорганизмы демонстрируют градиенты широты, «изоляция географическим расстоянием» предотвращает биполярное распределение (например, белые медведи не встречаются на обоих полюсах). В отличие от этого, исследование морских поверхностных бактерий [15] показало не только градиент широты, но и распределение комплементарности с аналогичными популяциями на обоих полюсах, что свидетельствует об отсутствии «изоляции географическим расстоянием». Вероятно, это связано с различиями в лежащем в основе биогеографическом процессе, расселении, поскольку микробы имеют тенденцию распространяться с высокой скоростью и на большие расстояния, перемещаясь через атмосферу.
Сезонные вариации
Разнообразие микробов может проявлять поразительные сезонные закономерности в одном географическом месте. Это в значительной степени связано с периодом покоя, микробной особенностью, не наблюдаемой у крупных животных, которая позволяет составу микробного сообщества колебаться в зависимости от относительной численности устойчивых видов (а не существующих видов). Это известно как «гипотеза банка семян» [16] и имеет значение для нашего понимания экологической устойчивости и пороговых значений для изменения. [17]
Приложения
Направленная панспермия
Панспермия предполагает, что жизнь может распространяться в космическом пространстве через кометы , астероиды и метеороиды . Панспермия предполагает, что жизнь может выжить в суровых космических условиях, которые включают условия вакуума, интенсивную радиацию, экстремальные температуры и недостаток доступных питательных веществ. Многие микроорганизмы способны избегать таких стрессоров, образуя споры или переходя в состояние низкого метаболического покоя. [18] Исследования в области микробной биогеографии даже показали, что способность микробов входить в состояние покоя и успешно выходить из него при благоприятных условиях окружающей среды способствует высокому уровню микробного биоразнообразия, наблюдаемому почти во всех экосистемах . [19] Таким образом, микробная биогеография может быть применена к панспермии, поскольку она предсказывает, что микробы могут защитить себя от суровой космической среды, знать, что они могут появиться, когда условия безопасны, а также воспользоваться своей способностью покоя для увеличения биоразнообразия, где бы они ни приземлились. .
Направленная панспермия - это преднамеренный перенос микроорганизмов на другую планету . Если вы стремитесь колонизировать среду, похожую на Землю, микробная биогеография может помочь в принятии решений о биологической полезной нагрузке такой миссии. В частности, микробы имеют широтные диапазоны в соответствии с правилом Рапопорта , которое гласит, что организмы, живущие в более низких широтах (около экватора ), встречаются в меньших диапазонах широт, чем живущие в более высоких широтах (около полюсов). Таким образом, идеальная биологическая полезная нагрузка должна включать широко распространенные, высокоширотные микроорганизмы, которые могут переносить более широкий диапазон климатов. Это не обязательно очевидный выбор, поскольку эти широко распространенные организмы также редки в микробных сообществах и имеют тенденцию быть более слабыми конкурентами при столкновении с эндемичными организмами. Тем не менее, они могут выжить в различных климатических условиях и, таким образом, были бы идеальными для обитания безжизненных планет, подобных Земле, с неопределенными условиями окружающей среды. Экстремофилы , хотя и достаточно выносливые, чтобы противостоять космической среде, могут не быть идеальными для направленной панспермии, поскольку любому конкретному виду экстремофилов для выживания требуется очень специфический климат. Однако, если цель была ближе к Земле, например планета или луна в нашей Солнечной системе , возможно, удастся выбрать конкретный вид экстремофилов для четко определенной целевой среды.
Смотрите также
- Микробиомы искусственной среды
- Микробная экология
Рекомендации
- ^ Браун, Марк В. Ломолино, Бретт Р. Риддл, Роберт Дж. Уиттакер, Джеймс Х. (2010). Биогеография (4-е изд.). Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates. ISBN 9780878934942.
- ^ а б в Мартини, Дженнифер Б. Хьюз; Боханнан, Брендан Дж. М .; Браун, Джеймс Х .; Колвелл, Роберт К .; Fuhrman, Jed A .; Грин, Джессика Л .; Хорнер-Девайн, М. Клэр; Кейн, Мэтью; Круминс, Дженнифер Адамс; Kuske, Cheryl R .; Морен, Питер Дж .; Наим, Шахид; Øvreås, Lise; Рейзенбах, Анна-Луиза; Smith, Val H .; Стейли, Джеймс Т. (февраль 2006 г.). «Микробная биогеография: нанесение микроорганизмов на карту». Обзоры природы микробиологии . 4 (2): 102–112. DOI : 10.1038 / nrmicro1341 . PMID 16415926 .
- ^ Schewiakoff, WT 1893. Über die geographische Verbreitung der Süßwasser-protozoen. Mem. Акад. Imp. Sci. Санкт-Петербург. Сер. VII 41, п. 8, 1-201, BHL .
- ^ Баас-Бекинг, ЛГМ (1934). Геобиология inleiding tot de milieukunde . Гаага, Нидерланды: WP Van Stockum & Zoon, [1] . Английский перевод, 2015, [2] .
- ^ Перевод оригинального голландского: "Alles is overal: maar het milieu selecteert"
- ^ Стейли, JT; Госинк, Дж. Дж. (1999). «Полюсы врозь: биоразнообразие и биогеография бактерий морского льда». Ежегодный обзор микробиологии . 53 : 189–215. DOI : 10.1146 / annurev.micro.53.1.189 . PMID 10547690 .
- ^ Бейеринк, MW (1913) Де infusies ан де ontdekking дер backteriën. Jaarboek van de Koninklijke Akademie voor Wetenschappen. Амстердам, Нидерланды: Мюллер. (Перепечатано в Verzamelde geschriften van MW Beijerinck, vijfde deel, стр. 119–140. Делфт, 1921).
- Перейти ↑ Kristiansen, J. (1996). Биогеография пресноводных водорослей . Dev. Hydrobiol. 118 / Hydrobiol. 336, [3] .
- Перейти ↑ Franklin, RB & Mills, AL (ред.) (2007). Пространственное распределение микробов в окружающей среде . Дордрехт, Нидерланды: Springer, [4] .
- ^ Фойсснер, В .; Д.Л. Хоксворт (2009). Разнообразие протистов и географическое распространение . Дордрехт: Спрингер, [5] .
- ^ Фонтането, Д. (2011). Биогеография микроскопических организмов. Везде ли все мелкое? Издательство Кембриджского университета, Кембридж, [6] .
- ^ О'Мэлли, Морин А. (август 2007 г.). «Корни девятнадцатого века« все повсюду » ». Обзоры природы микробиологии . 5 (8): 647–651. DOI : 10.1038 / nrmicro1711 . PMID 17603517 .
- ^ Hanson, China A .; Fuhrman, Jed A .; Хорнер-Девайн, М. Клэр; Мартини, Дженнифер Б.Х. (14 мая 2012 г.). «Помимо биогеографических моделей: процессы, формирующие микробный ландшафт». Обзоры природы микробиологии . 10 (7): 497–506. DOI : 10.1038 / nrmicro2795 . PMID 22580365 .
- ^ а б Изменить, AS; Зейферт, KA; Самсон, Р .; Брунс, Т. Д. (28 июня 2010 г.). «Комнатный грибной состав имеет географическую структуру и более разнообразен в умеренных зонах, чем в тропиках» . Труды Национальной академии наук . 107 (31): 13748–13753. DOI : 10.1073 / pnas.1000454107 . PMC 2922287 . PMID 20616017 .
- ^ а б Поправьте, Энтони С .; Оливер, Том А .; Amaral-Zettler, Linda A .; Боэтиус, Антье; Fuhrman, Jed A .; Хорнер-Девайн, М. Клэр; Huse, Susan M .; Уэлч, Дэвид Б. Марк; Мартини, Адам С .; Раметт, Албан; Зингер, Люси; Sogin, Mitchell L .; Мартини, Дженнифер Б.Х .; Лэмбсхед, Джон (апрель 2013 г.). «Макроэкологические образцы морских бактерий в глобальном масштабе». Журнал биогеографии . 40 (4): 800–811. DOI : 10.1111 / jbi.12034 .
- ^ Леннон, Джей Т .; Джонс, Стюарт Э. (февраль 2011 г.). «Банки семян микробов: экологические и эволюционные последствия покоя». Обзоры природы микробиологии . 9 (2): 119–130. DOI : 10.1038 / nrmicro2504 . PMID 21233850 .
- ^ Капорасо, Дж. Грегори; Пашкевич, Конрад; Поле, Рассвет; Рыцарь, Роб; Гилберт, Джек А. (10 ноября 2011 г.). «Западный Ла-Манш содержит устойчивый банк семян микробов» . Журнал ISME . 6 (6): 1089–1093. DOI : 10.1038 / ismej.2011.162 . PMC 3358019 . PMID 22071345 .
- ^ Росзак, ДБ; Колвелл, Р.Р. (сентябрь 1987 г.). «Стратегии выживания бактерий в естественной среде обитания» . Микробиологические обзоры . 51 (3): 365–79. DOI : 10.1128 / MMBR.51.3.365-379.1987 . PMC 373117 . PMID 3312987 .
- ^ Джонс, ЮВ; Леннон, JT (15 марта 2010 г.). «Покой способствует поддержанию микробного разнообразия» . Труды Национальной академии наук . 107 (13): 5881–5886. DOI : 10.1073 / pnas.0912765107 . PMC 2851880 . PMID 20231463 .