Зачастую соленые озера считают мертвыми зонами, в которых невозможна многоклеточная жизнь. Однако большое биоразнообразие можно обнаружить даже в местах с экстремальными условиями. Как выяснили ученые лаборатории молекулярных биотехнологий ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» и Института геологии и минералогии имени В. С. Соболева СО РАН, микроорганизмы в одном из гиперсоленых озер Новосибирской области не только выживают и образуют взаимополезные сообщества, но и участвуют в процессах саморегуляции местной экосистемы. Результаты работ опубликованы в журнале Biology.
Западная Сибирь славится обилием озер, как пресноводных, так и соленых и содовых. Каждое имеет свой состав, и рядом с экстремально соленым озером может находиться пресное. Многие из этих озер остаются удивительно малоизученными и невостребованными ввиду удаленности от населенных пунктов, экстремальных геохимических условий, а поэтому и непригодности для сельского или рыбного хозяйства. Главным образом это касается соленых озер, для которых характерно почти полное отсутствие многоклеточной жизни. Однако такая исключительность становится чрезвычайно интересной при микроскопическом приближении.
Развивающаяся в озере микробная масса
Соленые, или как их еще называют, минеральные озера — это неисчерпаемый источник информации и материала для фундаментальных и прикладных исследований. Модельным объектом для сибирских ученых стало озеро Соленое в Баганском районе Новосибирской области. С 2008 года сотрудники ФИЦ ИЦиГ СО РАН и ИГМ СО РАН проводили исследования местной экосистемы, которая отличается наличием мощных толщ донных отложений и комплексом геохимических параметров, позволяющими развиваться в нем экстремофилам разных видов. Из-за высокой обводненности озеро никогда не пересыхает, но сильные колебания уровня воды в нем наблюдаются регулярно — по годам и сезонам, что позволяет отслеживать временные изменения биологических и геохимических характеристик.
Как правило, биоразнообразие эукариот в таких водоемах достаточно ограничено, но озеро все равно представляет особый интерес для исследователей микромира, ведь для выживания здесь микроорганизмы должны обладать незаурядными свойствами. В некоторых озерах Новосибирской области концентрация солей достигает 300 и более граммов на литр — это тот предел, когда хлорид натрия перестает растворяться. Такие геохимические условия считаются экстремальными.
«Когда мы организовали экспедицию по соленым озерам Новосибирской области, изучили большое количество водоемов, — рассказала старший научный сотрудник лаборатории молекулярных биотехнологий ФИЦ ИЦиГ СО РАН кандидат биологических наук Алла Викторовна Брянская. — Но далеко не в каждом из них можно было обнаружить видимые глазу микробные сообщества. В прибрежной полосе озера Соленое мы увидели мощные зеленые микробные обрастания, состоявшие из макроагрегатов, внутри которых были микроколонии. Эти сообщества мы обнаруживали из года в год: зимой они погибали, весной возрождались. Условия в озере менялись, а сообщество оставалось, и основу его всегда составляли фотосинтетики — диатомовые водоросли и цианобактерии, например, Dactylococcopsis sp. Есть в этом озере и рачок Artemia sp., который питается водорослями».
Обитателей гиперсоленых водоемов называют галофилами (от греческого «любящие соль»). Чтобы жить в экстремальной среде, галофилы, например архея Halorubrum sp. вырабатывают определенные вещества — осмопротекторы, уникальные свойства которых позволяют им успешно адаптироваться к высокой солености. Конечно же, речь идет о микрометрах и миллиметрах, но именно эти микроорганизмы в результате формируют осадочную среду озер — грязи, славящиеся своими лечебными свойствами.
Микроколонии под микроскопом
Деятельность микроорганизмов может существенно влиять в том числе и на распределение элементов в водной среде и донных осадках. Геохимический состав донных осадков озера анализировали сотрудники ИГМ СО РАН. Они выяснили, что изменения геохимических компонентов приводят к изменению состава микробных сообществ, и наоборот, процессы, происходящие в этих сообществах, настолько активны, что вызывают изменения некоторых геохимических компонентов. Иными словами, живые и не живые компоненты в озере образуют саморегулирующуюся единую систему из взаимовлияющих и взаимодополняющих факторов.
Очевидно, что изучение микробного сообщества действительно имеет фундаментальное значение, но возможно ли исследовать всё многообразие? «Наш подход менялся благодаря возможности использовать омиксные технологии, — объяснила Алла Брянская. — В 2008 году они применялись реже, поэтому мы вели подсчет численности микроорганизмов классическим микробиологическим методом — на чашках. Количество выросших колоний затем пересчитывали на объем среды и так узнавали, сколько было микроорганизмов в данной пробе. Еще мы использовали методы клонирования и микроскопии, получая данные лишь об ограниченном количестве видов, а сейчас за счет метагеномного подхода можем учесть всё многообразие микробного мира в данном месте в настоящее время».
Метагеномный анализ позволяет получить полную информацию о видовом составе, последовательностях генов и ферментов, а также описать метаболические пути, существующие в данном сообществе. По результатам секвенирования генома каждого из обнаруженных организмов ученые могут узнать обо всех его генах. Итоговая совокупность этих данных образует единую биокарту озера, или то, что называют генетическим и метаболическим потенциалом экосистемы.
«Выделив микроорганизм из природы и изучив его свойства, мы можем размножить его в нужном количестве, и на его основе получить какой-нибудь ценный продукт, — рассказала Алла Брянская. — И тогда дальше речь уже пойдет о биотехнологиях, о внедрении в производство. Например, микроорганизмы, выделенные из термальных источников, обладают термостабильными ферментами, устойчивыми к высоким температурам, которые можно использовать в составе бытовой химии. Чтобы получить из природы такой микроорганизм, мы подбираем специальные среды и условия, ищем и находим места, где эти микроорганизмы живут. Так у нас появляется возможность создавать новые продукты, улучшая жизнь человека».
Предстоящие работы новосибирских ученых будут сосредоточены на детальном исследовании микроорганизмов и микробных популяций с помощью метагеномики, транскриптомики, протемики. Все эти технологии позволяют раскрыть и понять взаимосвязи внутри сообществ, популяций и отдельных клеток. Ведь понимание целого невозможно без изучения частного, а большая наука всегда начинается с пристального внимания к микроскопическим мирам.
Глеб Сегеда
Фото предоставлены исследовательницей
