Экспедиция в Марианскую впадину обнаружила новые формы жизни, процветающие в глубоководной среде
Международная группа учёных из Шанхайского университета Цзяо Тун, Копенгагенского университета и Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли провела масштабное исследование микробных экосистем в хадальной зоне глубокого океана.
Исследование выявило беспрецедентный уровень таксономической новизны: 89,4% идентифицированных микробных видов ранее не были описаны. Установлено, что в формировании этих экстремальных экосистем доминируют факторы отбора, благоприятствующие либо упрощённым, либо универсальным стратегиям адаптации, а не нейтральный дрейф.
Хадальные среды, расположенные на глубинах более 6000 метров ниже уровня моря, остаются одними из наименее изученных экосистем на Земле. До 2019 года глубочайшую точку Марианской впадины посетило менее дюжины человек.
Огромное гидростатическое давление, температуры, близкие к точке замерзания, и экстремальное ограничение питательных веществ создают, казалось бы, невозможные условия для жизни. Предыдущие исследования предполагали ограниченное микробное разнообразие на этих глубинах, но нехватка прямых проб не позволяла подтвердить эти предположения.
Прорыв в глубоководных технологиях, в частности создание батискафа «Фэньдоучжэ», произвёл революцию в хадальных исследованиях. С грузоподъёмностью 220 кг и временем работы на дне до 6 часов он превзошёл традиционные методы отбора проб.
Проект Mariana Trench Environment and Ecology Research (MEER) представил первое систематическое исследование микробной и макрофаунистической жизни на этих глубинах, выявив беспрецедентный уровень биологического разнообразия и стратегий адаптации.
В исследовании «Микробные экосистемы и экологические движущие силы в глубочайших океанических осадках», опубликованном в журнале Cell, для изучения разнообразия и адаптации микробов в хадальной зоне использовались крупномасштабное метагеномное секвенирование и секвенирование гена 16S рРНК.
В ходе экспедиции TS21 (август–ноябрь 2021 года) было совершено 33 погружения. Собрано 1648 проб осадка, 12 фильтратов морской воды in situ и множество образцов макроорганизмов с глубин от 6000 до 10 900 метров в Марианском жёлобе, жёлобе Яп и Филиппинской котловине.
Метагеномное секвенирование 1194 проб создало набор данных MEER объёмом 92 терабазных пары (Tbp), выявив 7564 микробных вида. Сравнительный геномный анализ подтвердил, что набор данных MEER почти не пересекается с глобальными наборами данных по глубоководным зонам.
Анализ выявил исключительно высокий уровень новизны, разнообразия и неоднородности микробных сообществ, особенно среди прокариот и вирусов, на которые влияют как экстремальные условия, так и сложный рельеф.
Исследование также выделило два вида хадальной макрофауны: глубоководных амфипод Hirondellea gigas (с горизонтальным обменом популяциями между жёлобами) и хадальную рыбу-улитку Pseudoliparis swirei (демонстрирующую вертикальное проникновение позвоночных в хадальную зону).
Общие механизмы адаптации у микробов и макрофауны указывают на конвергентные эволюционные стратегии. Усиленные механизмы антиоксидантной защиты и внутриклеточное накопление совместимых растворённых веществ наблюдались во всех биологических доменах.
Выводы подтверждают, что ключевым фактором формирования микробных сообществ в глубоком океане является экологический отбор, а не случайный дрейф. Хадальные микробные экосистемы находятся под действием эволюционных давлений, отличных от давлений в более мелководных морских средах.
Новый набор данных MEER, теперь находящийся в открытом доступе, служит основой для будущих исследований адаптации глубоководных микробов с потенциальным применением в биотехнологии и науках об окружающей среде.