Rzadka biosfera - Rare biosphere

Biosfera rzadka odnosi się do dużej liczby rzadkich gatunków życia mikrobiologicznego, tj. bakterii , archeonów i grzybów , które występują w bardzo niskich stężeniach w środowisku.

Ekosystemy mikrobiologiczne

Schemat pętli mikrobiologicznej.

Zmiany w bioróżnorodności wystąpienia ekosystemu , czy morskich lub lądowych , mogą mieć wpływ na jego wydajność i funkcjonalność. Zmiana klimatu lub inne antropogeniczne perturbacje mogą zmniejszyć produktywność i zakłócić globalne cykle biogeochemiczne . Ewentualne konsekwencje takich zmian nie są dobrze scharakteryzowane ani zrozumiane, a nadmiarowość w ekosystemie do pewnego momentu może uchronić go przed zakłóceniami.

Dynamika ekosystemów mikrobiologicznych jest ściśle powiązana z procesami biogeochemicznymi. Na przykład w morskiej pętli mikrobiologicznej bakterie rozkładają substancje organiczne i odzyskują składniki odżywcze, takie jak azot, do wykorzystania przez inne organizmy, takie jak fitoplankton . Redukcja azotu pochodzącego z recyklingu ograniczyłaby tempo produkcji fitoplanktonu, co z kolei ograniczyłoby wzrost zjadaczy , co miałoby wpływ na całą sieć pokarmową i cykl azotowy . Aby ocenić takie efekty, potrzebna jest podstawa różnorodności drobnoustrojów. Gatunki rzadkiej biosfery mogą oferować pulę genów, które mogą być aktywowane w zmieniających się warunkach, utrzymując w ten sposób funkcjonalność ekosystemu. Członkowie rzadkiej biosfery uznano za ważne czynniki stymulujące wiele kluczowych funkcji ekosystemu, na przykład dostarczanie biodostępnego azotu w środowisku morskim i glebowym.

Metody wykrywania

Wcześniejsze próby scharakteryzowania liczebności in situ różnych gatunków drobnoustrojów w określonym środowisku były podejmowane poprzez hodowlę i techniki biologii molekularnej. Hodowla daje bardzo wąski obraz niektórych rzadszych obecnych gatunków, zwłaszcza gdy bada się środowisko, w którym tylko mniej niż 0,1% wszystkich drobnoustrojów można hodować standardowymi metodami. Techniki biologii molekularnej, takie jak sekwencjonowanie Sangera , dają znacznie szerszy zakres, ale zwracają uwagę na bardziej licznie występujące gatunki. Żadna z tych technik nie oddaje całej obecnej różnorodności. Obecnym stanem techniki jest stosowanie wysokowydajnych technik sekwencjonowania , których pionierem był dr Mitchell Sogin z Laboratorium Biologii Morskiej . Ta metoda poszerzyła zakres bioróżnorodności, dzięki odkryciu rzadkiej biosfery. Sekwencjonowanie o wysokiej przepustowości lub „sekwencjonowanie znaczników” dzieli unikalne sekwencje znaczników genu rRNA (lub innego genu docelowego) na operacyjne jednostki taksonomiczne (OTU) w oparciu o podobieństwa w kodzie DNA zsekwencjonowanego regionu genu. Zarówno Sanger, sekwencjonowanie shotgunów , jak i sekwencjonowanie tagów organizują sekwencje w OTU. Jednak to właśnie rozdzielczość, jaką zapewnia sekwencjonowanie znaczników, odróżnia je od innych metod, co wynika ze zwiększonej wydajności analizy szeregowej. Ten wzrost wydajności jest możliwy dzięki zastosowaniu wewnętrznych sekwencji starterów , co skutkuje wystającymi sekwencjami trawienia restrykcyjnego . Chociaż OTU zapewniają sposób na rozróżnienie możliwej liczby grup filogenetycznych , nie można wydedukować relacji filogenetycznych na podstawie OTU. Tagi skojarzone z OTU muszą być powiązane z bankami genów , aby można było określić filotypowanie tagów i ustalić relacje.

Wynikiem sekwencjonowania znaczników było uzyskanie o rząd wielkości większych szacunków OTU obecnych w ekosystemach, tworząc długi ogon na krzywych liczebności gatunków . Ten długi ogon stanowi mniej niż 0,1% licznych gatunków w danym ekosystemie. Jednocześnie reprezentuje tysiące populacji, które odpowiadają za większość różnorodności filogenetycznej w ekosystemie. Ta mało liczebna i zróżnicowana grupa to rzadka biosfera. Stosując tę ​​metodę, badanie Sogin i wsp. nad różnorodnością drobnoustrojów w głębokich wodach Północnego Atlantyku dało szacunkową liczbę 5266 różnych taksonów . Jest to szczególnie dramatyczne, biorąc pod uwagę, że poprzednie badania wykorzystujące bardziej tradycyjne techniki klonowania PCR dały oszacowania do 500.

Rola ekologiczna

Biorąc pod uwagę ich niewielką liczebność, członkowie rzadkiej biosfery mogą reprezentować starożytne i trwałe taksony. Ponieważ liczba tych mniej liczebnych gatunków jest ograniczona, infekcja wirusowa i ostatecznie śmierć w wyniku lizy są mniej prawdopodobne, ponieważ przetrwanie wirusów zależy od wysokich stężeń organizmów żywiciela. Dodatkowo, bycie mniej obfitym oznacza ograniczony wzrost i bycie na węższym końcu spektrum wielkości komórek. Ogranicza to prawdopodobieństwo śmierci przez połknięcie, ponieważ pasące się zwierzęta preferują większe lub bardziej aktywne drobnoustroje. Należy zauważyć, że tylko dlatego, że te taksony są obecnie „rzadkie”, nie oznacza, że ​​w poprzednich warunkach w historii naszej planety były „rzadkie”. Taksony te mogły być epizodycznie liczne, co skutkowało albo globalnymi zmianami w cyklach biogeochemicznych, albo niewielką zmianą warunków w ich obecnym środowisku. Biorąc pod uwagę przetrwanie tych taksonów w odpowiednich warunkach, mogą one dominować i stać się bardziej liczebnymi taksonami. Występowanie takich stanów może występować w wielu skalach czasowych. Możliwe, że niektóre rzadkie taksony dominują tylko w anomalnych latach, takich jak El Niño . Zmiana liczebności może następować w skali sezonowej. Globalna zmiana klimatu może zapewnić niektórym z tych rzadkich taksonów warunki niezbędne do wzrostu liczebności. Nawet w niewielkiej liczebności taksony należące do rzadkiej biosfery mogą wpływać na globalne cykle biogeochemiczne. Na przykład ostatnie dowody wskazują, że rzadka mniejszość może być odpowiedzialna za wiązanie większej ilości kumulowanego azotu niż liczna większość komórek drobnoustrojów w środowisku morskim.

Subtelny i mniej bezpośredni sposób, w jaki rzadka biosfera może wpływać na ekosystemy pod względem bioróżnorodności i cykli biogeochemicznych, polega na działaniu jako nieograniczone źródło różnorodności genetycznej i materiału. Obecnie trwa wiele dyskusji i badań dotyczących tego, w jaki sposób społeczności drobnoustrojów wykazują odporność po zaburzeniach środowiskowych lub katastrofach oraz jak blisko spokrewnione gatunki mogą prezentować unikalne i nowe cechy genetyczne w porównaniu z bliskimi krewnymi. Rzadka biosfera może być postrzegana jako bank nasion, przenoszący geny, co skutkuje lepszymi rekombinantami, które stają się dominującą większością.

Biogeografia i dystrybucja

Rzadka biosfera była badana w wielu różnych środowiskach, w tym w morzach, jeziorach, glebach, a nawet głębokim podłożu skalnym. Toczy się debata na temat rozmieszczenia taksonów w rzadkiej biosferze. Taksony należące do tej grupy na danym stanowisku mogą być w trakcie dyspersji. Badania na arktycznym dnie morskim pozwoliły zidentyfikować bakterie termofilne, które przybyły dzięki mechanizmom dyspersji, które nie mogły być aktywne metabolicznie. Gdy te populacje, takie jak termofilne bakterie w Arktyce, osiągną odpowiednią niszę, znów staną się aktywne metabolicznie i wzrośnie ich liczebność. Wymaga to spojrzenia na te populacje jako nieoddzielne, nie endemiczne dla żadnego konkretnego akwenu. Alternatywnie, badania sugerują, że biorąc pod uwagę biogeografię rzadkich taksonów, pomysł, że rzadka biosfera jest produktem rozprzestrzeniania się wydaje się mało prawdopodobny. Badania na Oceanie Arktycznym dotyczące biogeografii rzadkiej biosfery wykazały, że pomiędzy paczkami wody w tym oceanie rzadka biosfera prezentowała dużą różnorodność. Sugeruje to, że populacje w rzadkiej biosferze doświadczają sił ewolucyjnych specyficznych dla miejsca, w którym się znajdują, takich jak selekcja, specjacja i wyginięcie. Ponadto, biorąc pod uwagę fakt, że wielu rzadkich taksonów nie można zidentyfikować w repozytoriach genów, wydaje się mało prawdopodobne, aby były one liczne gdzie indziej.

Zobacz też

• Głęboka biosfera

Bibliografia

Dalsza lektura