Секреты разнообразия почвенных бактерий

Почва — самая биологически активная зона биосферы и крупнейший резервуар генетического разнообразия. Учёные, включая группу Дани Ора, используют модели динамичных водных микро-сред обитания в почве и инновационные эксперименты, чтобы понять, как это разнообразие возникает и поддерживается.

Параллели на почвенных частицах

Профессор ETH Zurich Дани Ор и его ассистент Ган Ван наблюдали процессы, сравнимые с изоляцией альпийских долин, но в гораздо меньшем масштабе — на поверхности почвенных агрегатов при циклическом чередовании влажных и сухих условий. Эта поверхность на микронном уровне похожа на альпийский ландшафт: она испещрена «долинами» и «горными вершинами».

Эти «долины» населены микроорганизмами, которые живут под тончайшей плёнкой воды. Эта плёнка позволяет бактериям перемещаться из одной «долины» в другую, взаимодействовать с другими видами и использовать неравномерно распределённые питательные вещества. Для эффективного перемещения многие почвенные бактерии имеют жгутик (flagellum).

Изоляция при отсутствии воды

Исследователи с помощью физических моделей обнаружили, что толщина водной плёнки играет ключевую роль в подвижности микроорганизмов, особенно когда питательные вещества распределены неравномерно. Тонкая плёнка воды также ограничивает распространение питательных веществ. Кроме того, чем тоньше плёнка, тем выше её вязкость и капиллярные силы, которые буквально прикрепляют микроорганизмы к субстрату. Если поверхность почвенных агрегатов высыхает, бактерии больше не могут использовать жгутики для движения.

В таких условиях бактерии могут лишь медленно расти и размножаться, распространяясь лишь локально. Если водная плёнка разрывается из-за высыхания субстрата, микробные популяции полностью изолируются друг от друга, оказываясь запертыми в своих «долинах». Ор заключает: «Сухие почвенные режимы защищают слабые виды и способствуют поддержанию разнообразия в почве».

Тонкая водная плёнка ограничивает подвижность

Однако бактериям всё ещё выгодно формировать жгутики. Это позволяет им быстрее находить богатые питательными веществами ниши и колонизировать новые области в периоды повышенной влажности почвы (например, при переходе от влажных условий к высыханию). «Выгоды» от подвижности часто компенсируют затраты энергии на строительство и поддержание жгутиков. Ор говорит: «Способность двигаться в такой неоднородной микро-среде объясняет, почему многие бактерии формируют жгутики даже в частично насыщенных водой средах обитания, таких как поверхность почвы».

Для проверки моделей исследователи провели эксперименты на стандартизированных поверхностях. Бактерии культивировали под тонкой плёнкой воды на пористой керамической поверхности, контролируя толщину плёнки с помощью заданного водного потенциала. Результаты экспериментов в целом согласуются с моделями.

Разнообразие видов и генетических вариантов в почве во много раз больше, чем в океанах. По оценкам, в морях обитает около двух миллионов видов бактерий. Однако в одном кубическом метре садовой почвы может присутствовать около четырёх миллионов различных видов бактерий.