ДНК показала, что уникальные микроорганизмы эволюционировали на полюсах

Сообщества микроорганизмов на дне полярных озёр эволюционировали независимо от других регионов под влиянием особой геологической, биологической и климатической истории своих областей. Уникальный характер этих микробных сообществ подчёркивает настоятельную необходимость включения этих форм жизни в планы управления полярными регионами.

Международная команда учёных под руководством биологов из Гентского университета (Бельгия) и профессора Доминика Ходжсона из Британской антарктической службы провела отбор проб и секвенирование для изучения биоразнообразия и эволюционной истории микроорганизмов в более чем 200 арктических, субантарктических и антарктических озёрах.

Новое исследование показывает разительные различия в составе микробных сообществ между полярными регионами: в озёрах Северного и Южного полюсов доминируют разные группы. Эта работа является первым крупномасштабным ДНК-исследованием этих уникальных микробиомов и была опубликована в журнале Science Advances.

Полярные регионы характеризуются экстремальными условиями жизни, такими как очень низкие температуры и низкая доступность воды и питательных веществ. Озёра в этих суровых условиях являются оазисами биоразнообразия и продуктивности, где доминируют микроскопические организмы.

Ранее предполагалось, что микроорганизмы из-за своих астрономических численностей и малого размера клеток беспрепятственно перемещались по Земле и колонизировали все подходящие местообитания. Эта гипотеза была проверена путём сравнения с помощью ДНК состава сообществ в более чем 200 озёрах Арктики, Субантарктики и Антарктики, чтобы определить, имеют ли они одинаковую эволюционную историю.

Профессор Доминик Ходжсон, руководитель группы по изучению ледяных щитов и изменения климата в Британской антарктической службе и соавтор исследования, заявил: «Это исследование стало кульминацией многолетнего отбора проб труднодоступных микроскопических сообществ и применения новейших достижений в области ДНК».

«Это меняет правила игры — увидеть доказательства того, что микробная жизнь на полюсах формировалась под влиянием климатических и биологических факторов, специфичных для отдельных регионов, а не, как считалось ранее, была частью одного глобального эволюционного пути».

Антарктида постепенно покрывалась ледяным щитом с позднего эоцена (34 млн лет назад), что привело к вымиранию большинства групп растений и животных. Она также сильно изолирована в Южном полушарии, что не позволило этим группам повторно колонизировать континент. Арктические же массивы суши, напротив, географически хорошо связаны и покрывались ледяными щитами только во время ледниковых максимумов с 3,2 млн лет назад.

У животных и растений это привело к сильным различиям в эволюционной истории видов и их географическом распределении на обоих полюсах. Однако считалось, что микроорганизмы свободно перемещаются по Земле.

Новое исследование обнаруживает разные группы микроорганизмов в озёрах Северного и Южного полюсов. Гетеротрофные бактерии (микроорганизмы, питающиеся органическим углеродом) и устойчивые к выеданию водоросли, по-видимому, относительно более многочисленны в Арктике, в то время как цианобактерии (микроорганизмы, получающие энергию за счёт фотосинтеза) и зелёные водоросли более доминируют в антарктических озёрах. Видовое разнообразие в Антарктиде также ниже.

Анализы показали, что формирование ледяных щитов в исторические ледниковые периоды привело к исчезновению из Антарктиды нескольких групп микроорганизмов. Команда смогла продемонстрировать, что выжившие группы могли эволюционировать в изоляции. Таким образом, один общий вид-предок дал начало нескольким подвидам и разновидностям с распространением, ограниченным Антарктидой.

Даже на глубоких эволюционных уровнях оказывается, что многие генетические линии являются давними и уникальными для Антарктиды. Это показывает, что перемещение между полюсами в длительных временных масштабах довольно ограничено и что Южный океан также является серьёзным барьером для микроорганизмов.

Уникальный характер микробных сообществ в этих полярных озёрах является веским аргументом для лучшей защиты этих местообитаний от влияния человека, в том числе от растущего туристического освоения Антарктики.