Российские учёные читают прошлое по водорослям Байкала

Что скрывается в прозрачных водах Байкала? С помощью современных методов метагеномного анализа учёные из иркутского Лимнологического института СО РАН и московского центра «Биоинженерия» РАН насчитали в придонном слое воды озера почти 150 тысяч различных видов бактерий. Юлия Захарова, первый автор исследовательской статьи в журнале PLOS ONE, рассказала корреспонденту STRF.ru, какое отношение эта впечатляющая цифра имеет к реконструкции древнего климата и круговороту кремния в природе.

Собрать свой микробный зоопарк учёным удалось с помощью метагеномного анализа – набирающего популярность метода, в котором определяются нуклеотидные последовательности не одного организма, а всех обитателей любого образца среды. Будь то проба воздуха, банка с водой или ком земли – организмы не выделяются отдельно с последующим культивированием, а исследуются сразу скопом. При этом в качестве ошейника, специфической метки каждого микроорганизма, в исследовании выступил ген 16S рРНК одной из небольших рибосомальных субчастиц. Комментирует Юлия Захарова:

«Ген 16S рРНК есть в геноме всех известных бактерий и архей, а в её нуклеотидной последовательности есть как консервативные участки, одинаковые у всех прокариот, так и видоспецифичные. Степень схожести последних как раз и отражает эволюционное родство разных видов. Нуклеотидные последовательности 16S РНК многих бактерий и архей уже известны и общедоступны. Поэтому остаётся только найти последовательности образцов, сравнить их с базами данных и определить свою бактерию или объявить её принадлежащей к новому, ещё некультивируемому виду».

Рисунок 1. Сообщество бактерий в придонном слое воды озера Байкал

Такими хитрыми методами в байкальских образцах обнаружилось 149 208 уникальных геномных последовательностей 16S рРНК, многие из которых были найдены впервые. При этом аналогичные исследования для озёр Тайху (Китай), Ланьер (США) и Лак дю Бурже (Франция) дали на порядок меньшие значения. Так что эти без малого 150 тысяч микробов можно смело включить в список других байкальских рекордов. Но на этом история с российским исследованием, конечно, не заканчивается.

При известной доли фантазии происходящее в глубинах Байкала даже можно связать с тем, что вы читаете эту статью. Ведь установленные учёными микроорганизмы играют важную роль в круговороте кремния в природе – основы неорганического мира (кремний составляет до 30% массы литосферы) и современной электроники. Впрочем, обо всём по порядку. Пришло время представить вторых действующих лиц этой истории – диатомовые водоросли.

«На простейшие организмы – диатомовые водоросли и силикофлагелляты и низшие животные (фораминиферы, радиолярии, кремневые губки и солнечники) приходится большая часть фито- и зоопланктона, извлекающего кремний из морской воды и складирующего его в своих твёрдых тканях. При этом доминирующая роль в этом глобальном круговороте кремния принадлежит именно диатомовым водорослям. Ежегодно 5,6 – 7,8×10⁹ тонн кремния переводится в мировом океане из растворённого состояния в кремнистые панцири этих микроводорослей», – поясняет Юлия Захарова.

Рисунок 2. Микроорганизмы, ассоциированные с диатомовыми водорослями

Возвратить кремний обратно в растворённое состояние, как выяснилось, могут те самые многочисленные микроорганизмы, образующие ассоциации с диатомовыми водорослями. Бактерии снабжают водоросли витаминами и различными продуктами минерализации труднодоступных соединений, а взамен получают питательные вещества для своего роста – водоросли становятся как бы плодотворным субстратом для роста микроорганизмов, который неизбежно сопровождается ферментативным разрушением кремнистых оболочек диатомей.

Рисунок 3. Вертикальное распределение микроорганизмов в донных отложениях озера Байкал

«В исследовании нас интересовала сохранность разных видов диатомей в разных районах Байкала. А потому мы исследовали образцы из двух глубоководных точек озера в годы доминирования разных водорослей. Оказалось, что Aulacoseira baicalensi из первого образца остаются сохранными в верхних слоях байкальских осадков, а Synedra acus, доминирующая во втором образце, в неразрушенном виде наблюдали только в придонной воде на самой поверхности осадка», – говорит Юлия Захарова.

Учёным удалось установить, что с увеличением глубины сохранность оболочек диатомей снижается. При этом в глубоководных образцах большая часть бактерий уже оказываются ассоциированными с водорослями и плотно связанными не только с их створками, но и с питательной органической матрицей. Так что ферментативной активности бактерий (она была проверена в экспериментах по совместному культивированию диатомей S. acus и некоторых бактерий) оказывается более чем достаточно для возращения кремния диатомей в общий многовековой круговорот.

«В летописи байкальских осадков плейстоцена и голоцена сохранены пики с высоким содержанием видов диатомей, которые активно развиваются в фитопланктоне озера и в настоящее время. А потому выяснение вопросов сохранности створок диатомей во время их осаждения и в донных осадках может очень помочь в реконструкции климата и условий окружающей среды прошлого», – отмечает Юлия Захарова.

Рисунок 4. Сохранность кремнистых створок диатомей в различных слоях донных отложений

Источник информации:

The Structure of Microbial Community and Degradation of Diatoms in the Deep Near-Bottom Layer of Lake Baikal, PLOS ONE, April 2013, Volume 8, Issue 4.