Разные подходы к одним образцам дают взаимодополняющие выводы

Учёные из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) провели два независимых, но взаимодополняющих анализа 400 образцов грунтовых вод с участка Хэнфорд. Результаты, опубликованные в журнале Международного общества микробной экологии, показывают, как различные подходы помогают понять, какие факторы влияют на состав микробных сообществ и как эти сообщества, в свою очередь, воздействуют на биогеохимию подземных осадочных пород.

Исходные данные

• Образцы были отобраны из девяти отдельных скважин на участке Министерства энергетики США Хэнфорд (штат Вашингтон) в течение 10 месяцев.
• Скважины расположены в 250 метрах от реки Колумбия.
• Учёные проанализировали около 200 000 последовательностей генов от бактерий и архей.

Первое исследование: анализ пространственно-временной динамики

Учёные под руководством бывшего постдока PNNL доктора Сюэцзю Линя проанализировали скорость изменения состава сообществ во времени и пространстве. Были обнаружены ключевые закономерности:

• Проникновение речной воды более чем на 200 метров (656 футов) вглубь от берега реки Колумбия влияет на состав микробных сообществ.
• В соответствии с гидродинамикой водоносного горизонта, эффект наиболее выражен у верхней границы уровня грунтовых вод во время сезонного подъёма воды в реке.
• Пространственно-временные паттерны для генов, связанных с конкретными функциями (например, окислением метана или восстановлением металлов), указывают на динамические изменения потоков доноров и акцепторов электронов в течение годового цикла.

Второе исследование: применение нулевой модели и филогенетической экологии

Команда под руководством доктора Джеймса Стегена применила инструменты филогенетической (эволюционной) экологии сообществ в сочетании с нулевой моделью для имитации стохастического поведения.

• Нулевая модель «перетасовывает» виды на филогенетическом дереве, создавая ожидаемую картину сообщества при случайном (стохастическом) формировании.
• Большое расхождение между наблюдаемыми данными и предсказаниями модели указывает на наличие детерминированных (обусловленных конкретными факторами) процессов в системе.
• Результат: проникновение речной воды вызывает детерминированный сдвиг в составе сообщества, но только когда оно сочетается с определёнными геологическими особенностями. В противном случае состав сообщества меняется стохастически.

Значение и перспективы

• Это одни из первых работ, демонстрирующих, что крупные речные системы, такие как Колумбия, могут влиять на биогеохимию и микробную экологию подземных осадочных пород.
• Исследования показывают, что динамика бактериальных сообществ может контролироваться не только физико-химической средой, но и «сверху вниз» биологическими факторами (например, присутствием эукариотических микробов).
• Учёные PNNL намерены объединить «нисходящий» (топ-даун) подход Стегена с «восходящими» (редукционистскими) методами для системного анализа гидродинамики, геохимии и микробной функциональности в гипорейной зоне реки Колумбия, чтобы понять, как эти динамики влияют не только на состав, но и на активность микробного сообщества.