Микробная биогеография - Microbial biogeography

Микробная биогеография это подмножество биогеография, область, 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 распределения микроорганизмы. Это расширение биогеографии на более мелкие масштабы, известное как «микробная биогеография», стало возможным благодаря постоянным достижениям в генетических технологиях.

Цель микробной биогеографии - выяснить, где живут микроорганизмы, в каком количестве и почему. Таким образом, микробная биогеография может дать понимание основных механизмов, которые создают и препятствуют биоразнообразие.^[2] Микробная биогеография также позволяет прогнозировать, где могут выжить определенные организмы и как они реагируют на изменение окружающей среды, что делает ее применимой к ряду других областей, таких как исследования изменения климата.

История

Шевяков (1893) высказал предположение о космополитической среде обитания свободноживущих простейших.^[3] В 1934 г. Лоуренс Баас Бекинг, основанный на его собственном исследовании соленых озер Калифорнии, а также работе других исследователей на соленых озерах по всему миру,^[4] пришел к выводу, что «все есть везде, но среда выбирает».^[5] Баас Бекинг приписал первую половину этой гипотезы своему коллеге. Мартинус Бейеринк (1913).^[6][7]

Гипотеза Бааса Бекинга о космополитическом микробном распределении позже будет оспорена другими работами.^{[8][9][10][11]}

Биогеография микробов и макроорганизмов

Биогеография макроорганизмов (то есть 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 среды. Например, белые медведи жить в Арктический но не Антарктика, а для пингвины; Хотя и белые медведи, и пингвины адаптировались к холодному климату на протяжении многих поколений (результат окружающей среды в прошлом), расстояние и более теплый климат между северным и южным полюсами не позволяют этим видам распространяться в противоположное полушарие (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 какое-либо селективный генетические причины) ограничивает географический диапазон, в котором его можно найти.

Биогеография микроорганизмы (т. е. организмы, которые нельзя увидеть невооруженным глазом, такие как грибы и бактерии) - это развивающаяся область, доступная благодаря постоянным достижениям в генетических технологиях, в частности, более дешевых Секвенирование ДНК с более высокой пропускной способностью, которая 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 ожидалось, в конечном итоге сделают географическое расстояние несущественным. Действительно, в микробной экологии часто повторяется высказывание Лоуренс Баас Бекинг что «все есть везде, но среда выбирает» стало означать, что пока среда экологически подходящее, геологический 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 географию, а также исторические события. которые могут оставить устойчивые следы в микробных сообществах.^[2]

Микробные биогеографические образцы часто сходны с образцами макроорганизмов. Микробы обычно следуют хорошо известным шаблонам, таким как уменьшение расстояния отношения, изобилие отношения, и Правило Рапопорта.^[13][14] Это удивительно, учитывая множество различий между микроорганизмами и макроорганизмами, в частности, их размер (микрометры по сравнению с метрами), время между поколениями (минуты по сравнению с годами) и дисперсность (глобальная или локальная). Однако важные различия между биогеографическими моделями микроорганизмов и макроорганизмов действительно существуют и, вероятно, являются результатом различий в лежащих в их основе биогеографических процессах (например, дрейф, рассредоточение, выбор и мутация ). Например, расселение - важный биогеографический процесс как для микробов, так и для более крупных организмов, но мелкие микробы могут распространяться на гораздо большие расстояния и с гораздо большей скоростью, перемещаясь через атмосфера (для более крупных животных расселение гораздо более ограничено из-за их размера).^[2] В результате многие виды микробов могут быть обнаружены 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, проявляют широтные градиенты видового разнообразия с большим биоразнообразием, существующим в тропиках и сокращающимся в сторону более умеренных полярных регионов. Напротив, исследование грибковых сообществ в помещении^[14] обнаружили, что микробное биоразнообразие значительно выше в зонах умеренного климата, чем в тропиках. То же исследование показало, что совершенно разные здания демонстрируют одинаковый грибной состав в помещениях 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). Напротив, исследование морских поверхностных бактерий^[15] показали не только градиент широты, но и распределения дополнительности с похожими 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, как правило, распространяются с высокой скоростью и на большие расстояния, перемещаясь через атмосферу.

Сезонные вариации

Микробное разнообразие может демонстрировать поразительные сезонные закономерности в одном географическом месте. Это в значительной степени связано с периодом покоя - микробной особенностью, не наблюдаемой у более 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 быть распределена повсюду космическое пространство 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 вход в состояние низкометаболического покоя.^[18] Исследования в области микробной биогеографии даже показали, что способность микробов проникать в состояние покоя и успешно выходить из него при благоприятных условиях окружающей среды способствует высокому уровню микробного биоразнообразия, наблюдаемому почти во всех странах. экосистемы.^[19] Таким образом, микробная биогеография может быть применена к панспермии, поскольку она предсказывает, что микробы способны защитить себя от суровой космической среды, знать, что они могут появиться, когда условия безопасны, а также воспользоваться своей способностью к покою для увеличения биоразнообразия, где бы они ни приземлились.

Направленная панспермия это преднамеренный перенос микроорганизмов для колонизации другого планета. Если вы стремитесь колонизировать среду, подобную Земле, микробная биогеография может помочь в принятии решений о биологической полезной нагрузке такой миссии. В частности, микробы имеют широтные диапазоны в соответствии с Правило Рапопорта, в котором говорится, что организмы, живущие на более низких широты (недалеко от экватор ) находятся в пределах меньших широт, чем те, кто живет на более высоких широты (возле столбов). 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 эндемичный организмы. Тем не менее, они могут выживать в различных климатических условиях и, таким образом, были бы идеальными для обитания в противном случае безжизненных планет, подобных Земле, с неопределенными условиями окружающей среды. Экстремофилов Несмотря на то, что они достаточно жесткие, чтобы противостоять космической среде, они могут не быть идеальными для направленной панспермии, поскольку для выживания любому данному экстремофильному виду требуется очень специфический климат. Однако, если цель была ближе к Земле, например, планета или луна в нашем Солнечная система, возможно, удастся выбрать конкретные виды экстремофилов для четко определенной целевой среды.

Смотрите также

• Микробиомы искусственной среды
• Микробная экология

Рекомендации

1. Браун, Марк В. Ломолино, Бретт Р. Риддл, Роберт Дж. Уиттакер, Джеймс Х. (2010). Биогеография (4-е изд.). Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates. ISBN  9780878934942.
2. 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 Микробиология. 4 (2): 102–112. Дои:10.1038 / nrmicro1341. PMID  16415926.
3. Schewiakoff, W.T. 1893. Über die geographische Verbreitung der Süßwasser-protozoen. Mem. Акад. Imp. Sci. Санкт-Петербург. Сер. VII 41, п. 8, 1-201, BHL.
4. Баас-Бекинг, L.G.M. (1934). Геобиология inleiding tot de milieukunde. Гаага, Нидерланды: W.P. Ван Стокум и Зун, [1]. Английский перевод, 2015, [2].
5. Перевод с оригинального голландского: "Alles is overal: maar het milieu selecteert"
6. Staley, J. T .; Госинк, Дж. Дж. (1999). «Полюсы врозь: биоразнообразие и биогеография бактерий морского льда». Ежегодный обзор микробиологии. 53: 189–215. Дои:10.1146 / annurev.micro.53.1.189. PMID  10547690.
7. Бейеринк, М.В. (1913) De infusies en de ontdekking der backteriën. Jaarboek van de Koninklijke Akademie voor Wetenschappen. Амстердам, Нидерланды: Мюллер. (Перепечатано в Verzamelde geschriften van M.W. Beijerinck, vijfde deel, pp. 119–140. Delft, 1921).
8. Кристиансен, Дж. (1996). Биогеография пресноводных водорослей. Dev. Hydrobiol. 118 / Hydrobiol. 336, г. [3].
9. Франклин, Р. Б. и Миллс, А. Л. (ред.) (2007). Пространственное распределение микробов в окружающей среде. Дордрехт, Нидерланды: Springer, [4].
10. Фойсснер, В .; D.L. Хоксворт (2009). Разнообразие протистов и географическое распространение. Дордрехт: Спрингер, [5].
11. Фонтането, Д. (2011). Биогеография микроскопических организмов. Везде ли все мелкое? Издательство Кембриджского университета, Кембридж, [6].
12. О'Мэлли, Морин А. (август 2007 г.). "Корни девятнадцатого века" все повсюду'". Обзоры природы Микробиология. 5 (8): 647–651. Дои:10.1038 / nrmicro1711. PMID  17603517.
13. 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 Микробиология. 10 (7): 497–506. Дои:10.1038 / nrmicro2795. PMID  22580365.
14. Amend, A. S .; Зейферт, К. А .; 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. Дои:10.1073 / pnas.1000454107. ЧВК  2922287. PMID  20616017.
15. 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. Дои:10.1111 / jbi.12034.
16. Леннон, Джей Т .; Джонс, Стюарт Э. (февраль 2011 г.). «Банки семян микробов: экологические и эволюционные последствия покоя». Обзоры природы Микробиология. 9 (2): 119–130. Дои:10.1038 / nrmicro2504. PMID  21233850.
17. 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. Дои:10.1038 / ismej.2011.162. ЧВК  3358019. PMID  22071345.
18. Росзак, ДБ; Колвелл, Р.Р. (сентябрь 1987 г.). «Стратегии выживания бактерий в естественной среде». Микробиологические обзоры. 51 (3): 365–79. Дои:10.1128 / MMBR.51.3.365-379.1987. ЧВК  373117. PMID  3312987.
19. Jones, S.E .; Леннон, Дж. Т. (15 марта 2010 г.). «Покой способствует поддержанию микробного разнообразия». Труды Национальной академии наук. 107 (13): 5881–5886. Дои:10.1073 / pnas.0912765107. ЧВК  2851880. PMID  20231463.