Mikroben werfen in Breiten- und Höhenlagen ein neues Licht auf die Vielfalt des Lebens

Mikroben werfen in Breiten- und Höhenlagen ein neues Licht auf die Vielfalt des Lebens
Anonim

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Mikrobielle Biologen, darunter Jessica L. Green von der University of Oregon, denken möglicherweise nicht an Jimmy Buffetts Musik aus dem Jahr 1977, aber sie ändern ihre Einstellung zur evolutionären Vielfalt auf der Erde, von ozeanischen Breiten zu Gebirgshöhen.

In zwei kürzlich von der National Science Foundation finanzierten Veröffentlichungen in den Proceedings der National Academy of Sciences zeigen Green und Kollegen, dass die Temperatur und nicht die Produktivität in erster Linie den Reichtum an Bakterienvielfalt in den Ozeanen und das Leben von Pflanzen und Mikroorganismen bestimmt Die Höhe in den Rocky Mountains mag nahe sein, aber nicht genau an dem, was Biologen seit Jahren theoretisieren.

Der schwedische Naturforscher und Botaniker Carl Linnaeus, der Vater der Taxonomie, der 1778 starb, schlug vor, dass der Planet bis auf Paradise Island am Äquator einst von Ozeanen bedeckt war und dass alle Organismen von der Insel auftauchten und als Wasser zurückgingen. Mehr als ein Jahrhundert später schrieb der Mikrobiologe Lourens GM Bass Becking in den 1930er Jahren, dass "alles überall ist, aber die Umwelt wählt".

"Was mich interessiert", sagte Green, Professor für Biologie und Mitglied des UO-Zentrums für Ökologie und Evolutionsbiologie, "ist, dass sich die Gründer dieser Disziplinen das Gleiche vorgestellt haben: Dass Sie diese breite Streuung aller Organismen haben dass jeder zufällig studierte und dass sie die Erdoberfläche besiedelten, je nachdem, ob die Umgebung für sie geeignet war. "

In den letzten zehn Jahren hat die mikrobielle Biologie mithilfe molekularer Techniken alles verändert, sagte Green in einem Interview über die beiden PNAS-Papiere und einem ausführlichen Überblick über die mikrobielle Biogeographie in der Ausgabe des Magazins Science vom 23. Mai. Sie war Hauptautorin des Wissenschaftspapiers.

"Früher konnten Biologen nur die Artenvielfalt von Mikroben untersuchen, die in einer Petrischale kultiviert werden konnten. Wir wissen jetzt, dass der größte Teil des mikrobiellen Lebens nicht in Gefangenschaft gehalten werden kann. Jetzt haben wir die Möglichkeit, DNA aus der zu gewinnen." Umwelt und versuchen, verschiedene Arten oder taxonomische Gruppen mit genetischem Material zu charakterisieren, damit unser Feld absprengen kann. "

Dennoch fügte sie hinzu: "Wir fangen gerade an, die Oberfläche dieser Muster zu zerkratzen."

Green war unter mehreren Co-Autoren an einem Projekt beteiligt, das vom Biologen Jed A. Fuhrman von der University of Southern California geleitet und im Mai in PNAS veröffentlicht wurde.

Unter Verwendung von Proben von Meeresbakterien, die über 15 Jahre an 57 Orten auf der ganzen Welt gesammelt und in Arten oder taxonomische Einheiten unterteilt wurden, fanden die Forscher am Äquator doppelt so viele Mikroben wie an den Polen. Insbesondere fanden sie heraus, dass Proben aus kälteren Gewässern noch viele Bakterienarten enthielten, was darauf hindeutet, dass die Produktivität, die durch Licht durch Photosynthese erzeugt wird, wenig Einfluss auf die Diversität hat.

Die Wärme diktierte eine solche Vielfalt, folgerten die sieben Mitautoren, ließen jedoch die Möglichkeit offen, dass die Kinetik des Metabolismus in Bezug auf die Temperatur immer noch mit der Photosynthese zusammenhängt. "Was wir fanden", sagte Green, "war, dass der Diversitätsgradient mehr mit der Temperatur korrelierte als mit der primären Produktivität."

Was die Berge angeht, so hat die traditionelle Weisheit, beginnend mit Linnaeus, gesagt, dass die Vielfalt der Tier- und Pflanzenwelt am tiefsten ist und mit dem Aufstieg abnimmt. Während dieses Szenario beobachtet wurde, taucht ein zweites Szenario auf, das eine Buckelform mit einer Vielfalt auf seiner Höhe direkt über den Ausläufern aufweist.

In einem Artikel, der am 12. August in einer PNAS-Sonderpublikation (dem "Sackler Colloquium: Im Licht der Evolution - Biodiversität und Aussterben") veröffentlicht wurde, haben Green als Hauptforscher und fünf Kollegen Diversitätsmuster einer Kombination aus Pflanzen und Mikroben dokumentiert Das Leben konzentriert sich auf Blütenpflanzen und bodenreiche Säurebakterien in den Rocky Mountains in Colorado. Sie fanden signifikante Unterschiede unter Verwendung einer Kombination aus klassischen taxonomischen und phylogenetischen Ansätzen.

Pflanzengemeinschaften wurden weniger phylogenetisch gruppiert als mikrobielles Leben, da Proben von fünf Standorten entnommen wurden, die sich über 24 Meilen von 8.071 Fuß auf 11.089 Fuß erhöhten. Je höher sie stiegen, desto geringer wurde der Artenreichtum in der Pflanzenwelt, aber bei Mikroben stellten die Forscher eine Buckelform des Artenreichtums fest, als sie die Hänge hinaufgingen.

Ihr Fazit: "Aus unserer Studie haben wir gesehen, dass die Selektion der Umwelt eine größere Rolle zu spielen scheint und für Mikroben wichtiger ist als für Pflanzen", sagte Green.

Der Trick für die Forschung, sagte sie, betraf den Maßstab, aus dem die Proben gezogen wurden. Pflanzen wurden aus einem Quadratmeter großen Quadranten gesammelt, während Mikroben aus Bodenkernen entnommen wurden. "Sie müssen vorsichtig mit den Schlussfolgerungen sein, die Sie ziehen", sagte Green. "Bei einem Höhenunterschied von 2.000 Metern zum Beispiel ist der räumliche Maßstab im Verhältnis zur Körpergröße einer Pflanze sehr viel größer, wenn man bedenkt, wie das Universum für eine Mikrobe aussieht."

Diese räumliche Betrachtung, sagte sie, veranlasste ihr Team, sich eher auf die Vielfalt der Säurebakterien zu konzentrieren als auf eine Vielzahl von Mikroben, die in jedem Bereich vorhanden sind. Dies ermöglichte den Forschern, sich auf Muster innerhalb eines mikrobiellen Stammes zu konzentrieren.

"Diversitätsmuster an Berghängen werden seit Hunderten von Jahren hauptsächlich an Pflanzen und Tieren untersucht", sagte Green. "Doch Mikroben sind die verschiedensten Organismen auf der Erde, und sie sind wirklich wichtig für die Funktionsweise von Ökosystemen. Unsere Studie legt das erste Höhengradientenmuster für Mikroben fest. Wir haben festgestellt, dass Mikroben ein ähnliches Diversitätsmuster aufweisen Was wurde für Pflanzen und Tiere untersucht, aber das Muster unterscheidet sich von dem, was Sie für Pflanzen in den Rocky Mountains sehen, und es ist viel zu tun, um zu verstehen, warum Mikroben möglicherweise ein anderes Muster für die biologische Vielfalt aufweisen. "

Es könnte darauf hinauslaufen, eine gute Vergleichstechnik zu finden, sagte sie. "Ich glaube nicht, dass sich Mikroben von Pflanzen und Tieren in biologischer Hinsicht grundlegend unterscheiden. Ich denke, wir haben nicht herausgefunden, wie wir sie auf analoge Weise untersuchen können."

Quelle: Universität von Oregon