Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
А. Панчин
«Сумма биотехнологии». Глава из книги


И. Левонтина
«О чем речь». Главы из книги


Ч. Уилан
«Голая статистика». Главы из книги


Интервью М. Гельфанда с С. Шлосманом
«Замечательная статья» значит только то, что она содержит замечательный результат


П. Лекутер, Д. Берресон
«Пуговицы Наполеона». Глава из книги


Д. Вибе
Телескопы с жидкими линзами: как это работает


А. Паевский
Ближайший космос. Быстрее. Лучше. Дешевле


Р. Фишман
Прионы: смертоносные молекулы-зомби


Д. Мамонтов
Торий: спасет ли он планету от энергетического кризиса?


Р. Эспарза, Р. Фишман
Марс: научный гид







Главная / Новости науки версия для печати

Цианобактерии — первопоселенцы высокогорных пустынь


Отступающий край ледника Пука (Puca) в перуанских Андах, где проводилось исследование (снят с расстояния около 8 км). На переднем плане — озеро Сибинакоча (Sibinacocha), 4900 м над уровнем моря. Вершина на горизонте — гора Невадо Чумпе (Nevado Chumpe), она же Ятунрити (Jatunriti), возвышающаяся над уровнем моря на 6106 м. Фото из обсуждаемой статьи в Proceedings of the Royal Society
Отступающий край ледника Пука (Puca) в перуанских Андах, где проводилось исследование (снят с расстояния около 8 км). На переднем плане — озеро Сибинакоча (Sibinacocha), 4900 м над уровнем моря. Вершина на горизонте — гора Невадо Чумпе (Nevado Chumpe), она же Ятунрити (Jatunriti), возвышающаяся над уровнем моря на 6106 м. Фото из обсуждаемой статьи в Proceedings of the Royal Society

В результате таяния высокогорных ледников обнажаются участки земной поверхности, которые были покрыты льдами в течение многих тысячелетий. На этих участках, с виду совершенно безжизненных, уже в первые годы после отступления ледника развивается богатая микробная жизнь. Исследование, проведенное в Перуанских Андах, показало, что ключевую роль в пионерных микробных сообществах играют цианобактерии. Микробы постепенно насыщают почву органикой и азотом, подготавливая ее для заселения растениями.

В связи с глобальными изменениями климата высокогорные ледники сегодня быстро тают во многих районах мира, в том числе в Андах. В суровых условиях высокогорья на обнажившихся после отступления ледника участках видимая невооруженным глазом растительность (лишайники и мхи) появляется порой лишь спустя десятилетия. В течение этого долгого срока освобожденная из ледяного плена почва выглядит совершенно безжизненной. Тем не менее какие-то важные процессы в ней, несомненно, происходят — ведь в конце концов она становится пригодной для растений.

Ранние «дорастительные» этапы экологической сукцессии (то есть развития экосистемы) в подобных местах изучены пока очень слабо. Имеющиеся фрагментарные сведения позволили ученым предположить три возможных механизма постепенного превращения практически стерильного грунта в почву, пригодную для растительной жизни.

Согласно первой гипотезе, основой для развития жизни становится древняя органика, сохранившаяся в грунте еще с доледниковых времен. В этом случае первыми массовыми обитателями таких почв должны быть гетеротрофные (питающиеся готовой органикой) микроорганизмы.

Вторая гипотеза предполагает, что органика попадает в эти почвы вместе с пыльцой, спорами низших растений и грибов и другими мелкими объектами органической природы, разносимыми ветром. Согласно этой версии, первопоселенцами высокогорных пустынь тоже должны быть гетеротрофные микробы, питающиеся занесенной ветром органикой.

Наконец, третья гипотеза предполагает, что на освобожденных из-подо льда безжизненных участках могут развиваться сообщества автотрофных (фотосинтезирующих, производящих органику из углекислого газа) микробов, в первую очередь цианобактерий. Эти-то микробы и играют главную роль в постепенном обогащении высокогорных почв.

Разумеется, перечисленные гипотезы не являются взаимоисключающими: все три механизма могут работать одновременно, вопрос лишь в том, какой из них важнее.

Группа американских исследователей под руководством Стива Шмидта (Steve Schmidt) из Колорадского университета в Боулдере (University of Colorado at Boulder) детально изучила первые этапы развития жизни в почвах, обнажающихся в ходе таяния ледников в высокогорьях Перуанских Анд (точнее, в Кордильере-де-Вильканота, на юго-востоке Перу, на границе департаментов Куско и Пуно, в 80 км к юго-востоку от города Куско). В этих местах развитие растений крайне затруднено из-за сухого и холодного климата, низкого атмосферного давления и жесткого ультрафиолетового излучения. Условия здесь настолько суровы, что их сравнивают с промороженными «сухими долинами» Антарктиды и даже с Марсом. Неудивительно, что в этих краях обнажившийся грунт остается с виду безжизненным даже через 80 лет после отступления ледника.

В продолжение периода наблюдений, которые были начаты в 2000 году, ледник Пука (Puca), где работали ученые, отступал в среднем на 20 м в год. Ученым также было известно положение границы ледника в более отдаленном прошлом — в 1931 году (в то время ледник отступал немного медленнее — примерно на 14 м в год). Это позволило взять серии проб грунта с точно известным «возрастом»: 0, 1, 4 и 79 лет со времени выхода из-подо льда.

Всестороннее изучение проб показало, что из трех перечисленных выше возможных сценариев первичного заселения безжизненного грунта самым близким к реальности является последний, третий, согласно которому первые этапы экологической сукцессии идут не за счет древней органики или принесенной ветром пыльцы, а благодаря деятельности живого и активного сообщества фотосинтезирующих микроорганизмов.

Анализ фрагментов ДНК, выделенных из проб, показал, что сразу после отступления ледника в грунте присутствует всего три разновидности цианобактерий. Все они — близкие родственники тех видов, которые ранее были обнаружены в антарктических «сухих долинах». Картина радикально меняется в течение последующих 4 лет. За это время в почве развивается богатое и разнообразное микробное сообщество, включающее не менее 20 разновидностей цианобактерий. Некоторые из них относятся к неизвестным науке группам, другие родственны цианобактериям, обнаруженным в верхних слоях почв пустынь, третьи принадлежат к широко распространенным, почти вездесущим родам Nostoc и Anabaena, известным своей способностью быстро и эффективно фиксировать атмосферный азот (то есть переводить в форму, пригодную для использования живыми клетками). О способности цианобактерий к азотфиксации см: Цианобактерии совмещают в одной клетке фотосинтез и фиксацию атмосферного азота, «Элементы», 01.02.2006; Чтобы свести баланс азота, надо правильно посчитать фитопланктон, «Элементы», 15.06.2006.

Ученые тщательно измерили содержание азота в пробах, а также темпы его фиксации. Оказалось, что в первый год после отступления ледника в почве содержится очень мало азота, а скорость его фиксации невысока (около 0,8 мкг на квадратный метр в час). Затем интенсивность азотфиксации начинает быстро расти и достигает максимума на четвертый год (37 мкг). Впоследствии процесс фиксации азота несколько замедляется (до 18 мкг на квадратный метр в час спустя 79 лет после ухода ледника). Что же касается насыщенности почвы азотом, то она не снижается, а продолжает уверенно расти на всём изученном временном интервале: от близких к нулю значений в первый год до 600 мкг на грамм сухого грунта через 79 лет. По-видимому, на начальных этапах развития цианобактериального сообщества в нём преобладают формы, способные эффективно фиксировать азот. В дальнейшем, по мере обогащения почвы азотом, эти цианобактерии частично замещаются другими, использующими накопленные запасы азотистых соединений.

В ходе сукцессии растет не только разнообразие почвенных цианобактерий, но и их суммарная численность и биомасса. Об этом свидетельствует, в частности, быстрый рост содержания в пробах хлорофиллов и некоторых других пигментов, характерных для цианобактерий.

Ученые также обнаружили, что содержание органики в грунте с течением времени быстро растет, причем набор обнаруженных органических соединений полностью соответствует предположению об их цианобактериальном происхождении. Если бы ранние этапы экологической сукцессии шли при активном участии гетеротрофных микробов, потребляющих древнюю или принесенную ветром органику, следовало бы ожидать не роста, а снижения концентрации органических веществ в грунте (или, по крайней мере, рост был бы не таким быстрым), да и состав органики в этом случае был бы совершенно другим. В «молодых» почвах (возрастом 0, 1 и 4 года) практически отсутствуют вещества, образующиеся при разложении органики растительного происхождения (например, пыльцы). Сколько-нибудь заметные количества таких веществ удалось обнаружить лишь в 79-летних пробах. Это значит, что приносимая ветром органика накапливается медленно и едва ли может служить определяющим фактором на ранних этапах сукцессии.

Анализы, проведенные исследователями, не позволяют получить полные списки всех микробов, присутствующих в изученных почвах. В данной работе акцент был сделан на цианобактериях. Например, при анализе ДНК применялись методики, позволяющие выявить только наличие цианобактериальных генов (а именно генов 16S рРНК). При этом, однако, в поле зрения исследователей попали также и гены 16S рРНК, присутствующие в геномах хлоропластов одноклеточных диатомовых водорослей. Хлоропласты растений, как известно, являются потомками симбиотических цианобактерий. Поэтому гены 16S рРНК у хлоропластов и цианобактерий очень похожи друг на друга и ловятся на одну и ту же «наживку» (то есть на одни и те же праймеры, см: Полимеразная цепная реакция). Выяснилось, что небольшое количество диатомовых водорослей присутствует уже в самых «молодых» почвах, а в дальнейшем их численность заметно возрастает. Диатомовые водоросли из проб возрастом до 1 года опознать не удалось — это какие-то неизвестные науке диатомеи. Затем в почве развивается диатомея Nitzschia frustulum — вид, ранее найденный в антарктических льдах.

Чтобы оценить динамику развития гетеротрофных микробов, ученые измеряли в пробах активность фосфатаз, пептидаз и целлюлаз, то есть тех ферментов, при помощи которых бактерии обычно «переваривают» различные органические соединения. Оказалось, что в самых «молодых» почвах (0 и 1 год) активность этих ферментов очень низка. Активность фосфатазы и пептидазы заметно возрастает в 4-летних пробах и в дальнейшем продолжает расти. Ферменты этих двух классов могут использоваться для разложения органики любого происхождения, в том числе бактериального. Активность целлюлазы, фермента, необходимого для разложения органики растительного происхождения, удалось зарегистрировать только в самых «старых» (79-летних) почвах. Эти результаты соответствуют тому, что говорилось выше о весьма медленном накоплении растительной органики (например, пыльцы), приносимой ветром.

В целом полученные результаты убедительно показывают, что подлинными пионерами высокогорных пустынь, образующихся на месте тающих ледников, являются цианобактерии. Именно они играют главную роль в обогащении безжизненного грунта органикой и азотом. Гетеротрофные микробы, древняя органика и приносимая ветром пыльца имеют лишь второстепенное значение.

Авторы также обнаружили, что вышедшие из-под ледника почвы со временем становятся менее сыпучими и более прочными. Скорее всего, это тоже объясняется активностью цианобактерий — известно, что эти микробы выделяют большие количества клейких веществ, которые могут скреплять частицы грунта. Таким образом, цианобактерии не только обогащают почву питательными веществами, но и защищают ее от эрозии.

Источник: S. K. Schmidt et al. The earliest stages of ecosystem succession in high-elevation (5000 metres above sea level), recently deglaciated soils // Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences. 2008. doi:10.1098/rspb.2008.0808 (published online).

Александр Марков


Комментарии (1)



Последние новости: ЭкологияМикробиологияАлександр Марков

21.06
Кишечная бактерия влияет на социальное поведение мышей
16.06
В Старом и Новом Свете птицы сходно реагируют на глобальное потепление
14.06
Полиплоидность предков эукариот — ключ к пониманию происхождения митоза и мейоза
6.06
Промышленный меланизм бабочек получил генетическое объяснение
2.06
Обнаружено фундаментальное сходство между развитием актинии и развитием позвоночных
26.05
Очертания видового ареала определяются экологическими свойствами вида
23.05
В Китае найдены древнейшие многоклеточные водоросли
18.05
Обнаружены одноклеточные организмы с ядром, но без митохондрий
16.05
Уровень полученного образования отчасти зависит от генов
13.05
Удалось проследить зарождение и развитие меланомы от первой раковой клетки

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия