Нова техніка аналізу молекулярної ДНК дозволила виявити життєздатні мікроби на глибині до 4,20 метра. Це відкриття також має значення для пошуку позаземного життя. Історично вважалося, що посушливі ґрунти чилійської пустелі Атакама позбавлені життя. Однак в одному з найпосушливіших районів група дослідників під керівництвом Лукаса Хорстманна та Дірка Вагнера з Німецького науково-дослідного центру геонаук GFZ у співпраці з колегами з Берлінського технічного університету та Університету Антофагаста в Чилі виявила раніше невідомий підземне середовище існування.
Це було засновано на нещодавно розроблених методах аналізу молекулярної ДНК, які дозволяють цілеспрямовано виділяти та аналізувати внутрішньоклітинну ДНК. Це відбувається з непошкоджених клітин живих або сплячих організмів, що дає змогу виявити життєздатні та потенційно активні мікробні спільноти, які населяють гіпераридні ґрунти на глибині до 4,20 метра. Таким чином , дослідження, опубліковане в журналі PNAS Nexus, розширює наше розуміння біорізноманіття регіону, де екстремальні умови посухи, солоності та дефіциту поживних речовин близькі до меж життя. Результати також мають значення для пошуку життя на інших планетах.
Передісторія: надзвичайна пустеля
Пустелі є однією з найбільших і найкрихкіших екосистем на Землі. Хоча умови там є одними з найсуворіших і найбільш небезпечних для життя, вони є притулком для мікробного життя. За відсутності регулярних опадів мікроорганізми є найважливішим екологічним компонентом, який опосередковує потоки поживних речовин, використовуючи такі компоненти ґрунту, як мінерали та солі, а також атмосферні гази як джерело енергії та води.
«Дослідження мікробного різноманіття та розподілу має вирішальне значення для повного розуміння центральної ролі мікробних процесів у підтримці екологічного балансу та функціональності пустельних екосистем, особливо щодо їхнього майбутнього розвитку в контексті зміни клімату», — говорить Дірк Вагнер, керівник Секції геомікробіології ГФЗ та один із керівників дослідження.
Пустеля Атакама на півночі Чилі площею 105 000 квадратних кілометрів вважається найсухішою гарячою пустелею у світі. Тому це надзвичайно відповідне та придатне місце для дослідження цього середовища існування. Вже досліджено мілкі ділянки глибиною близько одного метра. Тут ми знаємо, що це нішеве середовище існування, яке захищає від ультрафіолетового випромінювання та де вода все ще доступна, щоб мікробне життя могло процвітати.
Новий підхід: аналіз глибоких ґрунтів у пустелі Атакама за допомогою спеціального аналізу ДНК
З іншого боку, глибші шари пустельних ґрунтів на сьогодні були проаналізовані лише в кількох дослідженнях. Тому вони були в центрі уваги команди під керівництвом Лукаса Горстманна, аспіранта, і Даніеля Ліпуса, постдокторського дослідника, обидва в секції геомікробіології GFZ, і Дірка Вагнера, керівника тієї самої секції та професора геомікробіології та геобіології в Потсдамський університет. Інші колеги приїхали з ТУ Берлін та Університету Антофагаста в Чилі. Дослідники хотіли перевірити, чи можуть глибші відкладення гіпераридної пустелі Атакама також бути середовищем існування для спеціалізованих мікробів.
Дослідницька група вивчила профіль ґрунту в районі Юнгай, приблизно за 60 кілометрів на південний схід від Антофагасти, щоб проаналізувати різноманіття мікробів та їх взаємодію з властивостями ґрунту вздовж профілю глибини, який включав як відкладення Плайї, так і алювіальні конусові відкладення нижче , досягаючи глибини 4,2 метра. Для цього вони копали ґрунтовий профіль і брали проби ґрунту через кожні 10 сантиметрів на глибину трьох метрів, потім через кожні 30 сантиметрів, які відвозили на аналіз у лабораторії GFZ.
Щоб виявити сліди життя в зразках, вчені використали нову методику аналізу молекулярної ДНК, розроблену Дірком Вагнером та іншими співробітниками GFZ: за допомогою спеціального методу екстракції можна відфільтрувати лише внутрішньоклітинну ДНК. зразок, тобто ДНК, що походить від інтактних і потенційно активних клітин. Для цього використовуються різні хімікати, центрифуги, фільтри.
«Цей підхід є суттєвим покращенням для досліджень мікробного різноманіття в екстремальних умовах, оскільки він ефективно виключає зміщення, створене ДНК із мертвих клітин, і все ще забезпечує достовірні дані, навіть якщо межа виявлення для інших методів була досягнута через низьку кількість біомаси», – підкреслює Вагнер.
Виявлення потенційно життєздатної мікробної спільноти на глибині 4,2 метра
Завдяки екстракції внутрішньоклітинної ДНК і подальшому секвенуванню генів зразків дослідники змогли ідентифікувати потенційно життєздатні мікроби на глибині 4,2 метра. У верхніх 80 сантиметрах вони в основному виявили мікроби типу Firmicutes, але їх кількість зменшувалася зі збільшенням глибини і, отже, також збільшувала кількість розчинних солей. Дослідники підозрюють, що висока концентрація солі та зростаючий дефіцит води також можуть бути причиною того, що мікробна колонізація в нижній частині відкладень Плайя припиняється. У цьому відношенні їхні висновки узгоджуються з попередніми дослідженнями.
Однак команда Хорстманна та Вагнера знову виявила мікробне співтовариство в алювіальних конусних відкладеннях нижче двох метрів. Вона більш різноманітна, ніж поверхнева спільнота, і, ймовірно, повністю ізольована від поверхні. Він складався в основному з бактерій, що належать до типу Actinobacteriota, групи зі спеціалізованими членами, які часто зустрічаються в сухих або незайманих ґрунтах.
Існування цих мікробів може бути пов’язане з наявністю везикулярного гіпсу, який може бути альтернативним джерелом води, розчиняючись в ангідриті. Організми, які спостерігалися в цьому дослідженні, належали до видів, які можуть використовувати слідові гази, такі як водень, як джерело енергії для використання CO2 як джерела вуглецю для свого росту.
«Цей тип метаболізму, званий хемолітоавтотрофією, був запропонований іншими дослідженнями як важливий для гіпераридних ґрунтів, де органічна речовина як джерело вуглецю надзвичайно обмежена. Таким чином, це також може бути важливим для ізольованих підземних ніш, досліджених у цьому дослідженні», — говорить перший автор Лукас Хорстманн.
Резюме та прогноз: дивовижне біорізноманіття пустелі та наслідки для позаземного життя
Горстман робить висновок: «Відкриття цього підповерхневого співтовариства, яке процвітає в алювіальних конусних відкладеннях на глибині нижче двох метрів і демонструє дивовижне різноманіття та екологічну стабільність, кидає виклик нашому теперішньому розумінню пустельних екосистем».
Автори припускають, що ця спільнота могла колонізувати ґрунт ще 19 000 років тому, до того, як її поховали відкладення Плайя, і припускають, що вона могла продовжуватись вниз на невідому відстань, представляючи раніше невідому глибоку біосферу під гіперпосушливими пустельними ґрунтами.
«Враховуючи широке поширення посушливих земель на нашій планеті, наявність потенційно зв’язуючих вуглець спільнот у раніше не досліджених підповерхневих ґрунтах має глибокі наслідки не лише для біорізноманіття в пустелях, але й для кругообігу елементів у глобальному масштабі», – каже співавтор Дірк. Вагнера. «Це свідчить про те, що важливість цих середовищ існування досі недооцінювалася. І це підкреслює важливість підземних середовищ існування для повного розуміння екосистем пустелі в майбутньому».
Дослідники підкреслюють, що результати цього дослідження не тільки мають наслідки для нашої планети Земля, але також мають відношення до поточних дискусій про пошуки життя на інших планетах: «Наявність гіпсових відкладень на Марсі, подібних до тих, що знаходяться в алювіальних конусах. відкладень, представляє великий інтерес для астробіології. Асоціація цих підповерхневих угруповань з гіпсовими субстратами в Атакамі може надати додаткові докази того, що відкладення гіпсу на Марсі не тільки вказують на можливість існування рідкої води в минулому, але також можуть служити придатною для життя нішею мікробного життя в сьогоденні».
