Экстремальные почвенные условия: адаптация микроорганизмов в стрессовых экосистемах

Экстремальные наземные экосистемы представляют собой разнообразные природные комплексы — от глубоких подземных пещер до обширных пространств холодных и жарких пустынь (рис. 3.38 и 3.39), а также высочайших горных вершин. Эти среды, ранее считавшиеся практически стерильными, сегодня признаны местами обитания многочисленных организмов, выработавших специализированные физиологические адаптации для выживания. Данные формы жизни выполняют критически важные экосистемные функции, включая биогеохимический цикл элементов, необходимый для круговорота питательных веществ даже в самых суровых условиях. Хотя пищевые сети в этих экосистемах обычно упрощены и содержат меньше видов, их уникальные эволюционные пути вносят значительный вклад в глобальное генетическое разнообразие.

Рис. 3.38 демонстрирует озеро Фрикселл в холодной пустыне Долины Тейлор (Сухие долины Мак-Мердо) в Антарктиде — один из самых экстремальных ландшафтов на планете.

Рис. 3.39 показывает пустыню Чиуауан — пример жаркой пустыни рядом с городом Огла, штат Техас. Научная ценность этих местообитаний выходит далеко за рамки изучения биоразнообразия. Экстремальные условия служат естественными лабораториями для исследования эволюции жизни на Земле и потенциального существования внеземной жизни. В экологии они играют решающую роль в понимании специфических функций видов в поддержании работы экосистем при стрессе.

Однако наши знания об организмах и сообществах в этих средах остаются ограниченными, что создает настоятельную необходимость в получении дополнительной информации об их уязвимости к глобальным изменениям, включая изменение климата и антропогенное воздействие. Эта актуальность подчеркивается исследованиями, показывающими, что исчезновение одного вида может оказать непропорционально большое влияние на экосистемные процессы в условиях низкого разнообразия, характерных для экстремальных почв. Поэтому крайне важно идентифицировать виды-резиденты, определить их функциональные роли и оценить распространение в схожих условиях обитания.

Жизнь существует практически во всех средах обитания на Земле, причем некоторые организмы не просто выживают, но и активно процветают в условиях, считающихся непригодными для человека. Диапазон экстремальных условий обитания огромен: от криогенных сред типа криоконитовых ям на ледниках и вечной мерзлоты (пермафрост) до мест с экстремально высокими температурами, например пустынь, где температура может превышать +50°C. Каждая из этих сред представляет серьезные физиологические трудности, которые должны преодолевать местные формы жизни. Организмы, адаптировавшие свои стратегии роста и выживания к подобным условиям, известны как экстремофилы, что буквально означает «любящие экстрим».

Другие организмы не являются истинными экстремофилами, а скорее экстремотолерантами; они могут переживать периоды экстремальных температур или влажности на сезонной или суточной основе, но не растут и не размножаются во время этих стрессовых периодов. Биоте может быть исключительно сложно справляться с такими изменчивыми условиями, что вынуждает ее вырабатывать особые стратегии выживания или формировать устойчивые жизненные стадии (споры, цисты). Для ясности далее под экстремальной средой подразумевается любая ненарушенная наземная среда обитания, где такие параметры, как температура, влажность или давление, выходят за пределы диапазона для оптимального роста большинства организмов.

Хотя экстремальные температуры и низкая доступность воды являются основными факторами стресса, другие переменные, такие как pH, концентрация солей, осмотическое давление и радиационный фон, также оказывают решающее влияние на рост и выживание микроорганизмов. Существует множество типов экстремальных почвенных экосистем, где организмы регулярно сталкиваются с описанными абиотическими факторами. К наиболее распространенным экстремальным условиям в почвах относятся суровые температуры, низкая водообеспеченность, высокие и низкие значения pH и высокие концентрации солей (см. Таблицу 3.3).

Таблица 3.3 предоставляет систематизированные примеры экстремальных условий, мест их возникновения и характерных организмов, распространенных в этих экстремальных почвах. Важно отметить, что в самых суровых почвенных условиях обычно наблюдается высокая степень пространственной и временной гетерогенности стрессовых факторов, которые часто действуют синергетически, влияя на рост микроорганизмов и структуру сообщества. Эти экстремальные условия находят отражение в рельефе местности, геологии, климатических особенностях и характере растительного покрова, формируя сложную мозаику микроместообитаний.

Пустыни представляют собой классический пример экстремальных почвенных условий, определяемых в первую очередь глубоким дефицитом осадков. Они традиционно классифицируются как полузасушливые (<600 мм осадков в год), засушливые (<200 мм/год) или гипераридные (<25 мм/год). Пустыни встречаются не только в жарких регионах, но и в прибрежных зонах, на высокогорных плато и в полярных областях. Самые экстремальные пустынные почвы встречаются в сверхзасушливых горячих и холодных пустынях, где организмы вынуждены бороться как с острой нехваткой воды, так и с экстремальными температурами.

В пределах этих пустынь локальные погодные условия, особенности рельефа и скудная растительность оказывают значительное влияние на подземные сообщества, создавая выраженную пространственно-временную неоднородность в распределении почвенной биоты. В целом, биоразнообразие почвенных организмов имеет тенденцию к снижению по мере увеличения остроты дефицита влаги. В самых экстремальных аридных зонах разнообразие часто ограничивается лишь несколькими узкоспециализированными группами микроорганизмов и членистоногих, обладающих уникальными адаптациями к ксерическим условиям.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Rebekka Artz, The Macaulay Land Use Research Institute, UK Dimos Anastasiou, Bio4met, Greece Dominique Arrouays, L’Institut National de la Recherche Agronomique, France Ana Catarina Bastos, Cranfield University, UK Anna Bendetti, Istituto Sperimentale per la Nutrizione delle Piante

Источник: European Atlas of Soil Biodiversity

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам биологических и экологических специальностей, почвоведам, экологам-практикам, а также всем, кто интересуется основами почвенного биоразнообразия и функционирования наземных экосистем.