Почва как сложная экосистема: биоразнообразие и современные методы исследования

Почва представляет собой сложную и динамичную экосистему, в которой обитает необычайное разнообразие жизненных форм, выходящее далеко за рамки макроскопических растений. Это сообщество включает животных, использующих почву для обитания и размножения, таких как барсуки, кроты и мелкие травоядные, а также низшие растения, например, мхи, и обширные группы беспозвоночных: жуков, пауков, клещей и дождевых червей. Критически важную часть составляет «скрытый» микроскопический мир, представленный грибами, бактериями и простейшими. Состав и разнообразие этого биологического сообщества существенно варьируются в разных типах почв, формируя уникальные и сложные живые сети, определяющие функционирование всей экосистемы.

Разнообразие микроорганизмов в почве поражает своими масштабами. Согласно современным оценкам, в почвах планеты содержится примерно в десять раз больше микробных клеток, чем во всех океанах мира. В одной горсти луговой почвы может обитать больше микроорганизмов, чем людей на Земле. Эти микробы служат не только резервуарами промышленно ценных соединений, но и играют жизненно важную роль в биогеохимических циклах и поддержании устойчивости экосистем. Коллективы организмов вступают в сложные взаимодействия — хищничество, конкуренцию, симбиоз — постоянно изменяя среду обитания и способствуя выживанию друг друга.

Понимание структуры, разнообразия и экологических функций этих микробных сообществ фундаментально для изучения жизненных стратегий, эволюции и общего функционирования наземных экосистем. Следовательно, измерение биоразнообразия почв является серьезной научной задачей. Для крупных организмов, таких как растения и многие беспозвоночные, традиционная таксономическая идентификация относительно проста. Однако для микроорганизмов этот подход сильно ограничен, что требует разработки альтернативных методов описания разнообразия в генетических и функциональных терминах.

Наше понимание микроскопических форм жизни остается неполным. Некоторые из них, например, морфологически сложные простейшие, можно различить и сосчитать под микроскопом, как показано на рисунке 8.1, где представлены грибковые спороносные структуры. Однако многие микроорганизмы, особенно бактерии, часто морфологически неразличимы. Традиционные методы культивирования на специальных питательных средах, пример которых показан на рисунке 8.2 (бактериальные колонии, выросшие из одной клетки), существенно ограничивают возможности исследования, так как позволяют вырастить лишь крошечную долю от общего микробного разнообразия.

Рис. 8.1

Рис. 8.2

Современный анализ биоразнообразия основан на прямом извлечении биологического материала из почвы. Биохимические методы, такие как анализ специфических липидов клеточных стенок, иллюстрируемый рисунком 8.3, позволяют исследователям количественно определять широкие группы микроорганизмов без их культивирования. Рисунок 8.3 демонстрирует липидный бислой и принцип газовой хроматографии для создания уникального «отпечатка пальца» микробного сообщества. Другой подход заключается в оценке функциональных характеристик через измерение того, как сообщества усваивают различные субстраты, что часто фиксируется с помощью колориметрических индикаторов, как показано на рисунке 8.4.

Рис. 8.3

Функциональный анализ, описываемый на рисунке 8.4, включает добавление гомогенизированной почвы в лунки с разными субстратами. Выделяющийся в результате микробной активности CO₂ вызывает изменение цвета специального геля. Анализируя степень этого изменения, ученые могут количественно оценить метаболические способности и различия между микробными сообществами из разных мест или подвергшихся различным воздействиям. Ферментативная активность, определяемая внутриклеточными и внеклеточными белками, служит ключевым функциональным показателем почвенного биоразнообразия.

Более продвинутые протеомные методы направлены на извлечение и разделение почвенных белков с помощью гель-электрофореза для определения их функций, хотя сложный химический состав почвы создает серьезные технические трудности. Среди всех методов прямой экстракции революционное влияние оказал анализ ДНК или РНК. Появление технологий высокопроизводительного секвенирования позволило проводить генетическое «штрихкодирование» целых сообществ, что является основой метода метагеномики. Этот подход предоставил беспрецедентные данные, указывающие на взрывное ранее неизвестное генетическое разнообразие.

Текущие оценки микробного разнообразия в почве постоянно пересматриваются в сторону увеличения и варьируются от тысяч до миллионов видов на один грамм. Учитывая это огромное количество, почва по праву считается главной зоной для новых биологических открытий, включая поиск уникальных ферментов, биологически активных соединений и генетических ресурсов. Полное описание и понимание почвенного биоразнообразия Земли представляет собой грандиозную научную задачу, имеющую глубокие последствия для устойчивого развития, медицины и биотехнологии. Интеграция молекулярных, биохимических и функциональных методов остается необходимым условием для расшифровки сложности этой критически важной среды обитания, лежащей в основе жизни на суше.

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.