Бактерии чрезвычайно малы, их споры или клетки могут переноситься ветром, водой, животными и другими путями. Поэтому географические барьеры, которые эффективно изолируют популяции крупных животных и растений, микроорганизмы могут преодолевать.
Антарктида — почти идеальный естественный эксперимент для проверки этой идеи. Континент географически изолирован, примерно 98 процентов его площади покрыто льдом. Свободные от него участки подвергаются экстремальному холоду, сухости, а почва там отличается крайне низким содержанием влаги и питательных веществ.
Международная команда микробиологов и эволюционных биологов под руководством Ника Драгони (Nick Dragone) из Колорадского университета в США задалась вопросом: существуют ли бактерии, которые эволюционно привязаны только к Антарктиде и практически не встречаются больше нигде на земле, несмотря на способность микроорганизмов распространяться по всему миру?
Исследователи проверяли идею на бактериях Arthrobacter. Род широко распространен в почвах по всей планете — от холодных регионов до тропиков. Иными словами, Драгони и его коллеги решили выяснить: могут ли отдельные линии внутри этого рода оказаться исключительно антарктическими, приспособленными к местной среде.
Ученые взяли штаммы Arthrobacter из антарктических почв и проанализировали их генетический материал. Затем сравнили полученные последовательности с геномами штаммов Arthrobacter, собранных в других регионах мира и доступными в публичных базах данных. Таким образом исследователи хотели понять, насколько генетически близки штаммы из Антарктиды и других регионов.
В сравнительный набор входили образцы не только из обычных почв, но и из экологически сходных экстремальных мест, включая Тибетское нагорье, полярный архипелаг Шпицберген, пустыню Атакама. Всего специалисты проверили более 100 антарктических штаммов и почти 500 штаммов из других районов Земли.
Выяснилось, что примерно 90 процентов изученных антарктических штаммов Arthrobacter не встречались в доступных базах данных почвенных бактерий из других регионов мира. Это указало на их эндемичность — когда распространение группы ограничено определенной географической областью.
Но одного генетического различия недостаточно для доказательства того, что бактерии приспособились именно к условиям Антарктиды. Допустим, антарктические бактерии отличаются от своих родственников, но это еще не означает, что различия возникли именно как адаптация к местной среде.
Поэтому исследователи провели еще один эксперимент. Они выращивали штаммы Arthrobacter в чашках Петри на твердых питательных средах. То есть создавали условия, имитирующие антарктические, прежде всего холод и сухость, и смотрели, как ведут себя разные штаммы.
Штаммы Arthrobacter из Антарктиды в целом росли медленнее, чем из других регионов планеты, но оказались гораздо устойчивее к неблагоприятным условиям. Такая особенность указала уже не просто на географическую изоляцию, но и на длительную адаптацию к местной среде.
Род Arthrobacter распространен по всему миру, но отдельные его линии пошли собственным эволюционным путем. В этом отношении микромир Антарктиды оказался похож на макромир местной природы. У пингвинов тоже есть близкие родственники в других регионах, однако антарктические виды развивались в значительной степени обособленно и сформировали собственные эволюционные линии.
Авторы научной работы считают полученные результаты отправной точкой для дальнейших поисков. Если уникальные микроорганизмы удалось обнаружить в антарктической почве, похожая картина может существовать и в других изолированных или экстремальных местах.
Пока изучили только одну группу бактерий, поэтому полученные результаты нельзя автоматически переносить на все микроорганизмы Антарктиды. Теперь исследователям предстоит проверить другие группы и выяснить, насколько широко распространена эта закономерность.
Научная работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.