Ученые обнаружили огромный мир неизвестной жизни в озерах Земли

Фото из открытых источников

Ученые восстановили геномы почти 20 000 водорослей и амеб из озер. Менее чем 1 из 20 совпал с известным родом, зарегистрированным в генетических базах данных. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications.

В озёрах обитает множество микроскопических организмов, но учёным до сих пор удавалось идентифицировать лишь малую часть тех, что живут под поверхностью воды. Даже у ДНК-тестирования есть свои ограничения. Учёным необходима обширная база данных известных видов, чтобы идентифицировать обнаруженные объекты, и в этой базе данных имеются огромные пробелы.

Теперь исследователи проанализировали ДНК из 362 озер и водохранилищ на всех континентах, восстановив почти 20 000 митохондриальных геномов. Менее чем один из 20 удалось сопоставить с известным родом. Полученные результаты показывают, насколько много аспектов микроскопического мира оставалось скрытым, даже в озерах, которые ученые изучали на протяжении десятилетий.

Исследование проводил Адриан-Стефан Андрей, руководитель группы микробной евогеномики в лимнологической станции Цюрихского университета в Швейцарии, совместно с ведущим автором Лукасом Серра Монкадасом. Теперь команда создала генетический каталог, содержащий тысячи ранее не описанных организмов.

«Под микроскопом безобидная водоросль и её токсичный родственник могут выглядеть идентично», — сказал Андрей. «Вероятно, ключ к их различению кроется в ДНК».

Некоторые виды водорослей вырабатывают опасные токсины, когда условия позволяют их популяциям быстро расти, вызывая вредоносные цветения, которые могут опустошить водные экосистемы.

В 2022 году массовое цветение золотистой водоросли Prymnesium parvum в реке Одер, вдоль границы между Германией и Польшей, привело к гибели около 360 метрических тонн рыбы. Необычно высокий уровень соли в сочетании с засухой и повышенным содержанием питательных веществ способствовали созданию условий для катастрофы.

Команда Андрея работала с образцами воды. Каждый образец фильтровали, и ДНК всего, что попадало на фильтр, считывали сразу, без предварительных догадок о том, какие организмы там присутствуют. Если прочитать всё сразу, получится огромная, разнородная куча генетических фрагментов от бактерий, вирусов и всех других живых существ в воде.

Компьютерная программа, обученная распознавать один тип ДНК, проанализировала образец. Она искала фрагменты митохондрий — частей клетки, которые вырабатывают большую часть энергии и несут небольшой набор собственных генов. Небольшой размер митохондриальной ДНК помогает. Когда ДНК водорослей и амеб в образце мало, короткий геном гораздо легче восстановить, чем гораздо более крупную ДНК в ядре клетки.

Затем исследователям понадобилось правило, определяющее, когда два генома принадлежат к одному виду. Они остановились на показателе 98,1%: митохондриальные геномы, по крайней мере, настолько похожие, считаются одним видом. При проверке правила на известных видах оно совпало с существующими названиями примерно в 92% случаев. Аналогичное правило, основанное на гене, которое используется во многих исследованиях ДНК, совпало лишь примерно в 63% случаев.

Исследовательская группа использовала 3400 наборов данных ДНК, как общедоступных, так и недавно собранных, из озер в 28 странах. Образцы из некоторых озер отбирались один раз, а из других – в течение нескольких лет. После тщательной проверки, в ходе которой были отсеяны все немитохондриальные геномы, исследователи сохранили 19 925 геномов примерно от 3660 видов.

Это тысячи видов из совершенно разных озер, отсортированных по одному правилу. RefSeq — ведущая в мире справочная коллекция геномов. Для нескольких групп водорослей и их родственников новый атлас содержит в 6–20 раз больше видов. Примерно 750 видов не удалось отнести ни к одной известной группе.

«Это показывает, насколько велики пробелы в наших знаниях. Большая часть биоразнообразия, обеспечивающего функционирование наших озер, до сих пор оставалась от нас скрытой и никогда не была задокументирована», — говорит Монкадас.

Атлас также позволил команде сравнивать озера на равных условиях. Озера со средним уровнем питательных веществ оказались наиболее разнообразными, а озера с низким содержанием питательных веществ — наименее разнообразными. Между ними располагались озера, богатые питательными веществами.

Полученный рейтинг соответствует закономерности, уже известной ученым-гидробиологам, и авторы считают это признаком того, что метод выявляет реальные различия. 

В рамках одного исследования время имело решающее значение. Команда сравнила поверхностные и глубинные воды немецкого озера Штехлин, глубина которого составляет около 69,5 метров, используя образцы, взятые в период с 2012 по 2020 год.

Весной два яруса имели примерно 45% общего видового состава. Летом — около 5%. Авторы связывают весеннее совпадение периодов с сезонным перемешиванием, когда озерная вода перемещается между поверхностью и дном.

В четырех немецких озерах, включая Штехлин, в поверхностных водах также наблюдался более широкий спектр отдаленно родственных организмов, чем в глубинных водах. Этот спектр был наиболее разнообразным весной и наиболее ограниченным зимой.

У некоторых одноклеточных организмов имеются необычные митохондрии или их полное отсутствие, и этот метод, вероятно, исключает их из анализа. Редкие виды могут встречаться недостаточно часто, чтобы их удалось восстановить, и многие геномы являются лишь частичными.

Охват планеты также неравномерен. Большая часть образцов была получена из Северного полушария, и авторы называют тропические и южные озера приоритетными для будущих исследований.

«Более 60 лет мы видим лишь малую часть жизни в озерах и водохранилищах, которые обеспечивают питьевой водой более 180 миллионов европейцев», — сказал Андрей. «В скором времени одна бутылка озерной воды сможет рассказать, кто в ней живет, что в ней нового и что меняется».

Использование атласа для выявления токсичного цветения до его распространения по-прежнему является целью, а не результатом. Авторы ожидают, что атлас станет более полезным по мере того, как будет отбираться пробы из большего количества озер и пополняться справочная библиотека.