Z pomocą doświadczonego zespołu nurków podwodnych jaskiniowych badacze z Northwestern University stworzyli najbardziej kompletną jak dotąd mapę społeczności drobnoustrojów żyjących w zanurzonych labiryntach pod półwyspem Jukatan w Meksyku.
Chociaż poprzedni badacze pobrali próbki wody i drobnoustrojów z wejść do jaskiń i łatwo dostępnych zapadlisk, zespół kierowany przez Northwestern dotarł do głębokich, ciemnych korytarzy nieoświetlonych wód, aby lepiej zrozumieć, co może przetrwać w tym wyjątkowym podziemnym królestwie.
Po przeanalizowaniu próbek naukowcy zauważyli system bogaty w różnorodność, zorganizowany w odrębne wzorce. Podobnie jak w stereotypowej stołówce w szkole średniej, społeczności drobnoustrojów w systemie jaskiń mają tendencję do skupiania się w dobrze określonych klikach. Ale jedna rodzina bakterii (Comamonadaceae) zachowała się jak popularny motyl społeczny – pojawiając się na prawie dwóch trzecich „stołów w stołówce”. Odkrycia wskazują, że Comamonadaceae stanowią ekologiczną podporę szerszej społeczności.
Wyniki badania opublikowano pod koniec ubiegłego tygodnia (2 listopada) w czasopiśmie Applied and Environmental Microbiology.
„To z pewnością najbardziej ekspansywne badanie mikrobiologiczne w tej części świata” – stwierdziła Magdalena R. Osburn z Northwestern, która kierowała badaniem. „Są to niezwykle wyjątkowe próbki podziemnych rzek, które są szczególnie trudne do uzyskania. Na podstawie tych próbek udało nam się zsekwencjonować geny populacji drobnoustrojów żyjących w tych miejscach. Ten podziemny system rzeczny zapewnia wodę pitną milionom ludzi. A zatem cokolwiek stanie się ze społecznościami drobnoustrojów, ludzie mogą to potencjalnie odczuć.”
Ekspert w dziedzinie geobiologii Osburn jest profesorem nadzwyczajnym nauk o Ziemi i planetach w Weinberg College of Arts and Sciences w Northwestern. Absolwent Northwestern Matthew Selensky kierował tym projektem w ramach swojej rozprawy doktorskiej, gdy był doktorantem w laboratorium Osburna. Współautorka badania Patricia Beddows, profesor nauk o Ziemi i planet w Weinberg, poprowadziła wyprawę nurkową do jaskiń i wykorzystała swoje dziesięciolecia doświadczenia w pracy w tych jaskiniach. Inni współautorzy Northwestern to Andrew Jacobson, profesor nauk o Ziemi i planetach oraz była studentka Karyn DeFranco, która skupiła się na geochemii.
Rozległa warstwa wodonośna węglanowa Jukatanu, położona głównie w południowo-wschodnim Meksyku, jest usiana licznymi zapadliskami prowadzącymi do złożonej sieci podwodnych jaskiń. Sieć podwodna, w której występuje zróżnicowany, choć niedostatecznie zbadany mikrobiom, obejmuje obszary wody słodkiej, morskiej i ich mieszanin. System obejmuje również różne strefy – od czarnych jak smoła, głębokich dołów bez bezpośrednich otworów na powierzchnię, po płytsze zapadliska mieniące się światłem słonecznym.
„Platforma Jukatan to w zasadzie szwajcarski ser przewodów jaskiniowych” – powiedział Osburn. „Byliśmy ciekawi, które drobnoustroje występują razem, gdy spojrzymy na cały system, a które drobnoustroje występują w jednym «sąsiedztwie»”.
Aby zbadać to pytanie, zespół nurków jaskiniowych zebrał 78 próbek wody z 12 różnych miejsc w systemie jaskiń w pobliżu wybrzeża Karaibów w Quintana Roo w Meksyku. Zbiór próbek obejmował system Xunaan Ha na północnym krańcu, śródlądowe i przybrzeżne części systemu Sac Actun (w tym charakterystyczny dół o głębokości 60 metrów) aż do systemu Ox Bel Ha na południu.
W laboratorium nurkowym przekształconym w laboratorium naukowe badacze odfiltrowali komórki z każdej próbki i przeanalizowali ich skład chemiczny. Następnie w Northwestern zidentyfikowali społeczności drobnoustrojów poprzez sekwencjonowanie ich DNA. Następnie Selensky opracował nowy program obliczeniowy do przeprowadzania analizy sieci na zbiorze danych. Powstałe sieci pokazały, które gatunki zwykle żyją razem. W przypadku każdego miejsca badacze wzięli pod uwagę kontekst środowiskowy każdej społeczności drobnoustrojów, w tym typ jaskini (jaskinia lub kanał), system jaskiń, odległość od wybrzeża Karaibów, geochemię i położenie w słupie wody.
Naukowcy odkryli, że choć woda z Zatoki Meksykańskiej wpływa do warstwy wodonośnej Jukatanu, mikrobiom tej warstwy znacznie różni się od mikrobiomu pobliskiego morza. Mikrobiomy różnią się także w całym systemie jaskiń – od jaskini do jaskini i od płytkiej wody do głębokiej wody.
„Społeczności drobnoustrojów tworzą odrębne nisze” – powiedział Osburn. „Istnieje różna obsada postaci, które wydają się poruszać, w zależności od tego, gdzie spojrzysz. Ale kiedy spojrzysz na cały zbiór danych, istnieje podstawowy zestaw organizmów, które wydają się odgrywać kluczowe role w każdym ekosystemie”.
Osburn i jej zespół odkryli, że Comamonadaceae, rodzina bakterii zwykle występujących w systemach wód gruntowych, żyła w kilku niszach. Odkryli także, że głęboki, przypominający dół lej krasowy z otworem powierzchniowym (umożliwiającym wnikanie światła słonecznego) zamieszkuje najwięcej zbiorowisk drobnoustrojów – podzielonych na warstwy odrębnych nisz w całym słupie wody.
„Wygląda na to, że Comamonadaceae pełni nieco inną rolę w różnych częściach warstwy wodonośnej, ale zawsze odgrywa główną rolę” – powiedział Osburn. „W zależności od regionu ma innego partnera. Comamonadaceae i jej partnerzy mają prawdopodobnie pewien wzajemny metabolizm, być może dzielący się pożywieniem”.