Жизнь развивалась в океанах гораздо дольше, чем на суше, что привело к появлению очень разнообразных океанских организмов, особенно таких, как бактерии и археи. Океанские микробы выполняют важнейшие функции, влияющие на здоровье океана и, в конечном итоге, на климат Земли. Чтобы понять разнообразие и функции морских обитателей, учёные использовали мощный метод, называемый метагеномикой, для изучения ДНК всех организмов, присутствующих в образце океанской воды одновременно.
Для этого были объединены результаты многочисленных метагеномных исследований океана, взятых из различных мест и глубинных зон мирового океана, чтобы создать глобальный геном океана, состоящий из 317,5 миллионов групп схожих генов, примерно половину из которых можно классифицировать по типам. Этот беспрецедентный объём данных может многое рассказать о разнообразных океанских средах обитания, а также может помочь исследователям ответить на многие вопросы о морских организмах и их функциях.
Океаны являются крупнейшей средой обитания в мире, которая покрывает 71% поверхности нашей планеты и содержат совершенно огромный объем воды — 1,335 млрд кубических километров, что составляет около 97% всей воды на Земле! Мировой океан также является колыбелью жизни: первые формы жизни на Земле появились в этом водном мире около 3,9 миллиардов лет назад. Именно там зародились первые формы жизни, чтобы потом завоевать сушу. Долгая история эволюции океанической жизни иллюстрируется тем фактом, что из 34 основных известных типов животных только один существует исключительно на суше (это Onychophora, своего рода червь, у которого есть ноги, а текстура тела напоминает бархат). Учитывая, как долго там развивалась жизнь, неудивительно, что океан обладает огромным биоразнообразием, большая часть которого остаётся неисследованной.
Все животные — как обитающие в океане, так и на суше — относятся к эукариотам. Организм, клетки которого содержат ядро и другие связанные с мембраной функциональные единицы, называемые органеллами. Животные, растения и грибы являются примерами эукариотов. Это означает, что каждая из их клеток имеет отдельное ядро и другие связанные с мембраной функциональные единицы, называемые органеллами. Однако на сегодняшний день самыми многочисленными организмами в океане являются прокариоты. Одноклеточный организм, не имеющий чётко выраженного ядра или органелл. Бактерии и археи являются прокариотами., океанские микробы, невидимые невооружённым глазом. Прокариоты, представляющие собой одноклеточные организмы без ядер и специализированных органелл, включают два типа организмов: бактерии, о которых вы, вероятно, слышали, и археи, с которыми вы, возможно, менее знакомы. Хотя бактерии и археи имеют много общего, одна важная особенность, которая отличает эти две группы, заключается в том, что клеточные стенки многих бактерий содержат вещество, называемое пептидогликан, образующее клеточные стенки многих бактерий, но которого полностью лишены клеточные стенки архей.
Хотя учёные знают, что в мировом океане существует более двух миллионов видов бактерий, они до сих пор мало что знают о них и других типах океанских микробов. Эти организмы чрезвычайно сложно изучать, поскольку более 99% из них невозможно вырастить в лаборатории!
Отдельные виды бактерий и архей поразительно разнообразны. Важно отметить, что у них есть много уникальных способов получения энергии. Метаболизм — это слово, обозначающее химические реакции, производящие энергию, внутри большинства клеток. В этих реакциях используются источники «пищи» для производства энергии, необходимой клеткам для роста, размножения и, как правило, для поддержания жизни. Некоторые бактерии и археи используют солнечный свет для производства энергии, в то время как другие расщепляют или трансформируют соединения, содержащие углерод, азот или серу — элементы, которые могут влиять на химию океана и которые также играют важную роль в изменении климата Земли.
Кроме того, океанские микробы могут быть источниками молекул, которые играют ключевую роль в биотехнологии. Например, белок под названием Taq-полимераза был выделен из бактерий, растущих в сверхгорячей океанской воде вблизи гидротермальных источников, похожих на глубоководные гейзеры. Этот белок теперь является важной частью обычного лабораторного теста под названием ПЦР, который используется во многих научных и медицинских исследованиях. Только из этих примеров вы можете увидеть, что, несмотря на свои крошечные размеры, океанические микробы, особенно бактерии и археи, являются критически важными обитателями океана. Что ещё более интригует, так это то, что многие океанские организмы и связанные с ними функции ещё даже не открыты. Как же учёные-биологи могут получить представление обо всех организмах, обитающих в океане — до самых маленьких и трудных для изучения прокариотов? Было бы здорово, если бы можно было просто взять образцы воды или осадков из океана и быстро проанализировать их в лаборатории, чтобы выяснить, какие виды организмов там живут и какие функции они выполняют. Что ж, благодаря новому мощному методу под названием метагеномика, исследователи теперь могут это сделать!
Каждый живой организм содержит ДНК, содержащую инструкции (гены), кодирующие структуру и функции этого организма. В совокупности все гены организма называются его геномом. Одним из основных способов изучения геномов организмов учёными (область, называемая геномикой), является секвенирование их ДНК. Секвенирование — это лабораторный метод, позволяющий учёным «читать» код ДНК. В течение многих лет секвенирование ДНК было подвержено ошибкам и являлось трудоёмким процессом, так как в каждом эксперименте исследователи могли секвенировать только короткие участки ДНК. На чтение генома организма уходило очень много времени. Например, секвенирование всего человеческого генома, получившее название «Проект генома человека», заняло 13 лет работы многих сотрудников из 20 институтов по всему миру.
Однако за последние десятилетия некоторые удивительные технические достижения в области вычислительных мощностей на выделенных серверах, не только сделали полногеномное секвенирование быстрее, проще и дешевле, но и открыли возможности для метагеномики. «Мета» означает «высший» или «за пределами», поэтому метагеномика находится «за пределами» изучения генома одного организма — это изучение объединённой генетической информации всех организмов, содержащихся в образце из окружающей среды, например, воды или почвы. Используя эти методы, учёные могут секвенировать всю ДНК в образце океанской воды, чтобы определить глобальный геном океана — все гены всех организмов в этом образце. Эта информация может рассказать людям, какие типы организмов присутствуют и какие экологически важные функции они выполняют в океанской среде обитания.
Первое метагеномное исследование океана было проведено глобальной экспедицией по отбору проб океана Sorcerer II еще в 2003–2004 годах, которая проанализировала морское планктонное сообщество. За последние 10 лет были проведены и другие экспедиции, в том числе океанская экспедиция ТАРА, которая в период с 2009 по 2013 год собрала 243 пробы из 68 точек отбора проб, в основном из верхних слоёв океана. Анализ этих образцов выявил 33,3 миллиона генов! Для понимания — геном человека содержит около 30 000 генов. Дополнительные исследования, включая экспедицию «Malaspina», расширили эти результаты, взяв пробы из других океанов, конкретных морских местообитаний и воды с различных глубин.
Важно понимать, что окружающая среда океана не одинакова от поверхности до дна — её можно разделить её на четыре уникальные зоны. Исследователи объединили огромное количество метагеномных данных из 2112 образцов океана, собранных в ходе многочисленных прошлых исследований, чтобы создать полный «каталог» глобального генома океана, получивший название «Global Ocean Gene Catalog». В этом каталоге содержится поразительное количество информации — 317,5 миллионов генных кластеров (наборов сходных генов, сгруппированных по функциям), примерно половина из которых аннотирована. Это означает, что они были классифицированы в соответствии с типом организма, к которому они принадлежат, и функциями белков, которые они кодируют.
Сосредоточив внимание на аннотированных кластерах генов — тех, которые получилось связать с определённым типом организма и о которых есть функциональная информация, было обнаружено, что во всех образцах океана 78,34% аннотированных генов принадлежали бактериям, за которыми следовали эукариоты (12,16). %), археи (6,05%) и вирусы (3,44%). Хотя гены бактерий доминировали во всех глубинных зонах, гены этих четырёх основных типов океанских организмов не были равномерно распределены во всех зонах — бентосная область и различные глубинные зоны пелагической области содержали разные пропорции каждого типа. Это неудивительно, поскольку условия в разных глубинных зонах различаются, особенно по количеству доступного света, создавая множество уникальных экологических ниш, в которых могут процветать конкретные типы организмов.
Микробный метаболизм поддерживает здоровье океанов, контролируя поток питательных веществ и энергии. Как упоминалось ранее, некоторые микробные метаболические процессы влияют на круговорот элементов (например, углерода), которые могут влиять на климат Земли. Учитывая важность микробного метаболизма, в каталоге были подробно рассмотрены гены, связанные с метаболизмом. В образцах из донной области 41,3% аннотированных кластеров генов были вовлечены в метаболические процессы по сравнению со всего лишь 25% кластеров генов из пелагических сообществ. Это говорит о том, что в этом, часто игнорируемом и недостаточно изученном регионе океана, происходит много всего!
Пятьдесят процентов этих генов принимают участие в той или иной форме метаболизма, связанного с углеродом. Молекулы, содержащие углерод (такие, как диоксид углерода и метан), являются парниковыми газами. влияющие на парниковый эффект. Некоторые бактерии и водоросли могут использовать фотосинтез для превращения диоксида в углеводы с помощью солнечного света, удаляя таким образом углекислый газ из атмосферы. Но фотосинтез — не единственный путь, которым океанские организмы усваивают углерод! Например, пути метаболизма метана не требуют света и могут функционировать в глубокой океанской и донной среде, куда свет не проникает. Некоторые из этих путей были открыты совсем недавно, и учёным ещё предстоит многое о них узнать.
Каталог генов океана состоит примерно из 163 миллионов аннотированных кластеров генов, предоставляя людям необычайное количество информации о типах организмов, живущих на различных глубинах, и функциях, которые они выполняют. Геном глобального океана — это гораздо больше, чем просто каталог множества живущих там организмов и их функций — он может углубить понимание океана и предоставить учёным «базовый уровень», на основе которого можно оценить последствия антропогенных воздействий (включая загрязнение, чрезмерный вылов рыбы и добычу полезных ископаемых с морского дна), которые могут нарушить хрупкий баланс океана.
Хотя секвенирование проводится уже достаточно долгое время, два фактора ограничивают масштаб этих исследований: технологии и стоимость. Недавние прорывы в технологиях привели к созданию более быстрых, точных и портативных систем, связанных с облачными системами для периферийных вычислений. Портативность особенно важна для исследователей океанских глубинах, поскольку портативные системы можно использовать на борту исследовательских кораблей. Эти достижения в технологии также значительно снизили стоимость работ. В прошлом учёным приходилось задавать более мелкие вопросы и тщательно выбирать, какие эксперименты по секвенированию проводить, так как это исследование было чрезвычайно дорогим. Сегодня современная и недорогая технология позволяет относительно просто собирать данные о геноме в беспрецедентных масштабах. Эти данные могут помочь учёным ответить на вопросы об огромном спектре экосистемных процессов, которые океанские организмы обеспечивают для поддержания здоровья всей планеты.