Ученые подвергли микробов экстремальному нагреву
Ураганы, наводнения, засухи и пожары. Экстремальные погодные явления становятся все более частыми из-за изменения климата и могут уничтожать целые ландшафты — как видимые, так и невидимые.
Как и людям, микробам нужны стратегии реагирования на катастрофы, которые облегчают спасение и восстановление их экологически важных сообществ.
Но как выглядят микроскопические спасательные операции и могут ли люди помочь?
В новом исследовании, опубликованном в специальном выпуске Philosophical Transactions of the Royal Society B, ученые из лаборатории микробного эколога Университета штата Мичиган Эшли Шейд подвергли микробов экстремальному нагреву, чтобы это выяснить.
«Мы знаем, что микробы выполняют важнейшие функции для поддержания здоровья своих экосистем — они участвуют в круговороте питательных веществ, углерода и оказывают важную обратную связь на процессы изменения климата», — сказала Шейд, доцент кафедры микробиологии и молекулярной генетики Колледжа естественных наук MSU. «Мы хотим понять, как может измениться их функция, исследуя, насколько быстро микробы восстанавливаются после изменения, и что мы можем сделать, чтобы вернуть их к стабильности».
От 20 до 80% всех микробов в окружающей среде существуют в состоянии покоя, как «спящие красавицы», ожидающие подходящего момента, чтобы проснуться и функционировать. Действительно, покой — это широко распространенная стратегия «хеджирования ставок» против голода и других неоптимальных условий, которая развивалась независимо на каждой крупной ветви жизни. Некоторые микробы могут существовать в этом приостановленном, но жизнеспособном состоянии тысячи лет.
«Мы знаем, что есть способы, которыми микробы восстанавливаются после нарушения, пополняя свои популяции за счет расселения через воздух и воду», — сказала Шейд. «Особенность этого исследования в том, что мы также изучили вклад спящих микробов».
Используя стерилизованные консервные банки, заполненные почвой и ее микробными сообществами, Шейд и аспирант Джексон Соренсен разработали три отдельных варианта обработки.
Контрольная группа не получала никакой обработки, но вторая и третья группы были нагреты до 60 градусов Цельсия — температуры подземного угольного пожара в Сентралии, штат Пенсильвания, который Шейд изучает уже шесть лет. После охлаждения второй вариант получил рассеянные клетки из контрольных банок для ускорения восстановления.
«Мы воспроизвели то, что происходит в окружающей среде после нарушения, когда расселение, скорее всего, происходит из ближайшего соседства», — сказала Шейд. «Мы использовали лишь крошечную его часть, не составляющую значительного объема, и микробы выросли после того, как нарушение прекратилось, показывая, что небольшого расселения может быть достаточно».
Третьей группе была отказана внешняя помощь. Вместо этого Шейд и ее команда наблюдали за банками, чтобы увидеть, какую роль играют спящие микробы в возвращении микробного сообщества к здоровому, стабильному состоянию.
«Мы обнаружили, что как реактивация, так и расселение способствовали тому, как микробы реагируют на экстремальное событие», — сказала Шейд. «Это важный вывод, потому что он предполагает, что не только внешние клетки спасают популяцию, но и спящие микробы в нарушенной среде реактивируются и поддерживают восстановление».
Эксперимент, длившийся почти год, не был достаточно долгим, чтобы увидеть полное восстановление сообществ микробов, даже с помощью комбинированных инструментов реактивации покоя и внешнего расселения. Тем не менее, Шейд нашла ценность в том, что она описывает как динамику покоя.
«Этот эксперимент дает нам еще одну стратегию управления микробными сообществами», — сказала она. «Подумайте о приеме антибиотиков от ушной инфекции, которые, как побочный эффект, убивают полезные микробы в кишечнике. Расселение может быть аналогично употреблению йогурта для восстановления этих полезных микробных функций, но другой стратегией может быть стимулирование уже существующих, жизнеспособных кишечных микробов к пробуждению и участию в поддержании здоровой функциональности».
Пробуждение спящих микробов и понимание того, почему они впадают в состояние покоя, — это область активных исследований.
«Контролировать расселение в окружающей среде сложно», — сказала Шейд. «Микробы могут путешествовать через воду, воздух, на насекомых и внутри их кишечника, а также «путешествуя автостопом» на других животных. Но контроль над тем, когда микробы просыпаются и засыпают, может стать еще одной интересной стратегией управления ими для поддержания здоровой окружающей среды в условиях меняющегося климата. Однажды мы сможем разбудить местных микробов, чтобы помочь окружающей среде восстановиться еще быстрее после экстремальных событий».