Зачастую соленые озера считают мертвыми зонами, в которых невозможна многоклеточная жизнь. Однако большое биоразнообразие можно обнаружить даже в местах с экстремальными условиями. Как выяснили ученые лаборатории молекулярных биотехнологий ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» и Института геологии и минералогии имени В. С. Соболева СО РАН, микроорганизмы в одном из гиперсоленых озер Новосибирской области не только выживают и образуют взаимополезные сообщества, но и участвуют в процессах саморегуляции местной экосистемы. Результаты работ опубликованы в журнале Biology.
Западная Сибирь славится обилием озер, как пресноводных, так и соленых и содовых. Каждое имеет свой состав, и рядом с экстремально соленым озером может находиться пресное. Многие из этих озер остаются удивительно малоизученными и невостребованными ввиду удаленности от населенных пунктов, экстремальных геохимических условий, а поэтому и непригодности для сельского или рыбного хозяйства. Главным образом это касается соленых озер, для которых характерно почти полное отсутствие многоклеточной жизни. Однако такая исключительность становится чрезвычайно интересной при микроскопическом приближении.
Соленые, или как их еще называют, минеральные озера — это неисчерпаемый источник информации и материала для фундаментальных и прикладных исследований. Модельным объектом для сибирских ученых стало озеро Соленое в Баганском районе Новосибирской области. С 2008 года сотрудники ФИЦ ИЦиГ СО РАН и ИГМ СО РАН проводили исследования местной экосистемы, которая отличается наличием мощных толщ донных отложений и комплексом геохимических параметров, позволяющими развиваться в нем экстремофилам разных видов. Из-за высокой обводненности озеро никогда не пересыхает, но сильные колебания уровня воды в нем наблюдаются регулярно — по годам и сезонам, что позволяет отслеживать временные изменения биологических и геохимических характеристик.
Как правило, биоразнообразие эукариот в таких водоемах достаточно ограничено, но озеро все равно представляет особый интерес для исследователей микромира, ведь для выживания здесь микроорганизмы должны обладать незаурядными свойствами. В некоторых озерах Новосибирской области концентрация солей достигает 300 и более граммов на литр — это тот предел, когда хлорид натрия перестает растворяться. Такие геохимические условия считаются экстремальными.
«Когда мы организовали экспедицию по соленым озерам Новосибирской области, изучили большое количество водоемов, — рассказала старший научный сотрудник лаборатории молекулярных биотехнологий ФИЦ ИЦиГ СО РАН кандидат биологических наук Алла Викторовна Брянская. — Но далеко не в каждом из них можно было обнаружить видимые глазу микробные сообщества. В прибрежной полосе озера Соленое мы увидели мощные зеленые микробные обрастания, состоявшие из макроагрегатов, внутри которых были микроколонии. Эти сообщества мы обнаруживали из года в год: зимой они погибали, весной возрождались. Условия в озере менялись, а сообщество оставалось, и основу его всегда составляли фотосинтетики — диатомовые водоросли и цианобактерии, например, Dactylococcopsis sp. Есть в этом озере и рачок Artemia sp., который питается водорослями».
Обитателей гиперсоленых водоемов называют галофилами (от греческого «любящие соль»). Чтобы жить в экстремальной среде, галофилы, например архея Halorubrum sp. вырабатывают определенные вещества — осмопротекторы, уникальные свойства которых позволяют им успешно адаптироваться к высокой солености. Конечно же, речь идет о микрометрах и миллиметрах, но именно эти микроорганизмы в результате формируют осадочную среду озер — грязи, славящиеся своими лечебными свойствами.
Деятельность микроорганизмов может существенно влиять в том числе и на распределение элементов в водной среде и донных осадках. Геохимический состав донных осадков озера анализировали сотрудники ИГМ СО РАН. Они выяснили, что изменения геохимических компонентов приводят к изменению состава микробных сообществ, и наоборот, процессы, происходящие в этих сообществах, настолько активны, что вызывают изменения некоторых геохимических компонентов. Иными словами, живые и не живые компоненты в озере образуют саморегулирующуюся единую систему из взаимовлияющих и взаимодополняющих факторов.
Очевидно, что изучение микробного сообщества действительно имеет фундаментальное значение, но возможно ли исследовать всё многообразие? «Наш подход менялся благодаря возможности использовать омиксные технологии, — объяснила Алла Брянская. — В 2008 году они применялись реже, поэтому мы вели подсчет численности микроорганизмов классическим микробиологическим методом — на чашках. Количество выросших колоний затем пересчитывали на объем среды и так узнавали, сколько было микроорганизмов в данной пробе. Еще мы использовали методы клонирования и микроскопии, получая данные лишь об ограниченном количестве видов, а сейчас за счет метагеномного подхода можем учесть всё многообразие микробного мира в данном месте в настоящее время».
Метагеномный анализ позволяет получить полную информацию о видовом составе, последовательностях генов и ферментов, а также описать метаболические пути, существующие в данном сообществе. По результатам секвенирования генома каждого из обнаруженных организмов ученые могут узнать обо всех его генах. Итоговая совокупность этих данных образует единую биокарту озера, или то, что называют генетическим и метаболическим потенциалом экосистемы.
«Выделив микроорганизм из природы и изучив его свойства, мы можем размножить его в нужном количестве, и на его основе получить какой-нибудь ценный продукт, — рассказала Алла Брянская. — И тогда дальше речь уже пойдет о биотехнологиях, о внедрении в производство. Например, микроорганизмы, выделенные из термальных источников, обладают термостабильными ферментами, устойчивыми к высоким температурам, которые можно использовать в составе бытовой химии. Чтобы получить из природы такой микроорганизм, мы подбираем специальные среды и условия, ищем и находим места, где эти микроорганизмы живут. Так у нас появляется возможность создавать новые продукты, улучшая жизнь человека».
Предстоящие работы новосибирских ученых будут сосредоточены на детальном исследовании микроорганизмов и микробных популяций с помощью метагеномики, транскриптомики, протемики. Все эти технологии позволяют раскрыть и понять взаимосвязи внутри сообществ, популяций и отдельных клеток. Ведь понимание целого невозможно без изучения частного, а большая наука всегда начинается с пристального внимания к микроскопическим мирам.
Глеб Сегеда
Фото предоставлены исследовательницей
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии