Богатство неожиданных новых микробов расширяет древо жизни

Древо жизни, изображающее эволюцию и разнообразие жизни на планете, становится значительно сложнее.

Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли, обнаружившие за последние 15 лет более 1000 новых типов бактерий и архей, скрывающихся в укромных уголках Земли, радикально перестроили древо, чтобы учесть эти микроскопические новые формы жизни.

"Древо жизни — один из важнейших организующих принципов в биологии", — сказала Джилл Бэнфилд. "Новое изображение будет полезно не только биологам, изучающим микробную экологию, но и биохимикам, ищущим новые гены, и исследователям эволюции и истории Земли".

Большая часть этого микробного разнообразия оставалась скрытой до геномной революции, позволившей таким исследователям, как Бэнфилд, искать их геномы непосредственно в окружающей среде, а не пытаться культивировать их в лабораторной чашке. Многие микробы нельзя изолировать и культивировать, потому что они не могут жить самостоятельно: они должны "просить, занимать или воровать" вещества у других животных или микробов, являясь паразитами, симбионтами или падальщиками.

Новое древо, опубликованное 11 апреля в новом журнале Nature Microbiology, вновь подтверждает, что жизнь, которую мы видим вокруг себя — растения, животные, люди и другие эукариоты — представляет крошечный процент мирового биоразнообразия.

"Бактерии и археи из основных линий, полностью лишённых изолированных представителей, составляют большую часть разнообразия жизни", — сказала Бэнфилд. "Это первое трёхдоменное древо на основе геномов, которое включает эти некультивируемые организмы, и оно раскрывает огромный масштаб ещё малоизученных линий".

Согласно первому автору Лоре Хаг, более 1000 вновь описанных организмов в пересмотренном древе происходят из различных сред, включая горячий источник в Йеллоустонском национальном парке, солончак в пустыне Атакама в Чили, наземные и заболоченные отложения, гейзер с газированной водой, луговую почву и ротовую полость дельфина. Все эти вновь признанные организмы известны только по их геномам.

"На древе стало действительно очевидно, что такое большое разнообразие происходит от линий, для которых у нас есть только последовательности геномов", — сказала она. "У нас нет к ним лабораторного доступа, у нас есть только их чертежи и их метаболический потенциал из последовательностей геномов. Это показательно с точки зрения того, как мы думаем о разнообразии жизни на Земле и что, как нам кажется, мы знаем о микробиологии".

Один поразительный аспект нового древа жизни заключается в том, что группа бактерий, описанная как "радиация кандидатных типов", образует очень крупную ветвь. Недавно признанная и, по-видимому, состоящая только из бактерий с симбиотическим образом жизни, радиация кандидатных типов теперь, кажется, содержит около половины всего бактериального эволюционного разнообразия.

Хотя связь между археями и эукариотами остаётся неопределённой, ясно, что "это новое изображение древа предлагает новую перспективу на историю жизни", — сказала Бэнфилд.

"Это невероятное разнообразие означает, что существует ошеломляющее количество организмов, внутреннее устройство которых мы только начинаем исследовать и которые могут изменить наше понимание биологии", — сказал соавтор Бретт Бейкер.

Древо изображает жизнь, которую мы видим сегодня

Чарльз Дарвин впервые набросал древо жизни в 1837 году. Идея укоренилась в XIX веке: кончики ветвей представляют современную жизнь на Земле, а соединяющие их с "стволом" ветви подразумевают эволюционные связи.

Археи были впервые добавлены в 1977 году. Древо, опубликованное в 1990 году микробиологом Карлом Вёзе с его тремя доменами, остаётся самым узнаваемым сегодня.

С увеличением доступности секвенирования ДНК в 2000-х годах Бэнфилд и другие начали секвенировать целые сообщества организмов сразу и выделять отдельные группы на основе только их генов. Это метагеномное секвенирование выявило целые новые группы бактерий и архей, многие из них из экстремальных сред.

Для новой работы Бэнфилд и Хаг объединились с более чем дюжиной других исследователей, собрав 1011 ранее не опубликованных геномов, чтобы добавить их к уже известным последовательностям геномов организмов, представляющих основные семейства жизни на Земле.

Они построили древо на основе 16 отдельных генов, кодирующих белки в клеточной машине — рибосоме. Всего было включено 3083 организма (по одному из каждого рода с полностью или почти полностью секвенированными геномами).

Анализ, представляющий общее разнообразие среди всех секвенированных геномов, дал древо с ветвями, доминируемыми бактериями, особенно некультивируемыми. Вторая визуализация дерева, группирующая организмы по эволюционному расстоянию друг от друга, ясно показывает, что около одной трети всего биоразнообразия приходится на бактерии, одной трети — на некультивируемые бактерии и чуть менее одной трети — на архей и эукариот.

"Два основных вывода, которые я вижу в этом древе, — это значимость основных линий, не имеющих культивируемых представителей, и большое разнообразие в бактериальном домене, и, что наиболее важно, значимость радиации кандидатных типов", — сказала Бэнфилд. "Радиация кандидатных типов имеет столько же разнообразия внутри себя, сколько все остальные бактерии вместе взятые".