Mikrobiell biogeografi - Microbial biogeography
Mikrobiell biogeografi er en delmengde av biogeografi , et felt som angår fordelingen av organismer over rom og tid. Selv om biogeografi tradisjonelt fokuserte på planter og større dyr, har nyere studier utvidet dette feltet til å inkludere fordelingsmønstre for mikroorganismer . Denne utvidelsen av biogeografi til mindre skalaer - kjent som "mikrobiell biogeografi" - muliggjøres av pågående fremskritt innen genetisk teknologi.
Målet med mikrobiell biogeografi er å avsløre hvor mikroorganismer lever, hvor mye og hvorfor. Mikrobiell biogeografi kan derfor gi innsikt i de underliggende mekanismene som genererer og hindrer biologisk mangfold . Mikrobiell biogeografi muliggjør også spådommer om hvor visse organismer kan overleve og hvordan de reagerer på endrede miljøer, noe som gjør den anvendelig på flere andre felt, for eksempel forskning på klimaendringer.
Historie
Schewiakoff (1893) teoretiserte om det kosmopolitiske habitatet for frittlevende protozoer. I 1934 konkluderte Lourens Baas Becking , basert på sin egen forskning i Californias saltsjøer, samt arbeid av andre på saltsjøer over hele verden, at "alt er overalt, men miljøet velger". Baas Becking tilskrev første halvdel av denne hypotesen til sin kollega Martinus Beijerinck (1913).
Baas Becking -hypotesen om kosmopolitisk mikrobiell fordeling ville senere bli utfordret av andre verk.
Mikrobiell vs makroorganisme biogeografi
Biogeografien til makroorganismer (dvs. planter og dyr som kan sees med det blotte øye) har blitt studert siden det attende århundre. For makroorganismer ser det ut til at biogeografiske mønstre (dvs. hvilke organismesamlinger som vises på bestemte steder og tider) stammer fra både tidligere og nåværende miljøer. For eksempel lever isbjørner i Arktis, men ikke i Antarktis , mens det motsatte gjelder for pingviner ; Selv om både isbjørner og pingviner har tilpasset seg kaldt klima gjennom mange generasjoner (resultatet av tidligere miljøer), forhindrer avstanden og varmere klima mellom nord- og sørpolen disse artene fra å spre seg til den motsatte halvkule (resultatet av nåværende miljøer). Dette demonstrerer det biogeografiske mønsteret kjent som "isolasjon med geografisk avstand" som en arts begrensede evne til fysisk å spre seg over rommet (i stedet for noen selektive genetiske årsaker) begrenser det geografiske området den kan finnes over.
Biogeografien til mikroorganismer (dvs. organismer som ikke kan sees med det blotte øye, for eksempel sopp og bakterier) er et fremvoksende felt muliggjort av pågående fremskritt innen genetisk teknologi, spesielt billigere DNA -sekvensering med høyere gjennomstrømning som nå tillater analyse av globale datasett om mikrobiell biologi på molekylært nivå. Da forskere begynte å studere mikrobiell biogeografi, forventet de mangel på biogeografiske mønstre på grunn av den høye spredbarheten og store populasjonsstørrelsene til mikrober, som forventet å gjøre geografisk avstand irrelevant. Faktisk, i mikrobiell økologi, har det ofte gjentatte ordtaket av Lourens Baas Becking at "alt er overalt, men miljøet velger" kommet til å bety at så lenge miljøet er økologisk hensiktsmessig, er geologiske barrierer irrelevante. Nyere studier viser imidlertid klare bevis for biogeografiske mønstre i mikrobielt liv, som utfordrer denne vanlige tolkningen: eksistensen av mikrobielle biogeografiske mønstre bestrider ideen om at "alt er overalt", samtidig som det støtter ideen om at miljøvalg inkluderer geografi så vel som historiske hendelser som kan etterlate varige signaturer på mikrobielle samfunn.
Mikrobielle biogeografiske mønstre ligner ofte de på makroorganismer. Mikrober følger generelt velkjente mønstre som for eksempel avstandsforfall, forholdet mellom overflod og rekkevidde og Rapoports regel . Dette er overraskende gitt de mange forskjellene mellom mikroorganismer og makroorganismer, særlig størrelsen ( mikrometer vs. meter), tiden mellom generasjoner (minutter vs. år) og spredbarhet (global vs. lokal). Imidlertid eksisterer viktige forskjeller mellom de biogeografiske mønstrene til mikroorganismen og makroorganismen, og er sannsynligvis et resultat av forskjeller i deres underliggende biogeografiske prosesser (f.eks. Drift, spredning , seleksjon og mutasjon ). For eksempel er spredning en viktig biogeografisk prosess for både mikrober og større organismer, men små mikrober kan spre seg over mye større områder og med mye større hastigheter ved å reise gjennom atmosfæren (for større dyr er spredning mye mer begrenset på grunn av deres størrelse). Som et resultat kan mange mikrobielle arter finnes på både nordlige og sørlige halvkule, mens større dyr vanligvis bare finnes på en pol i stedet for begge.
Tydelige mønstre
Omvendt breddegradient mangfoldighetsgradient
Større organismer har en tendens til å vise breddegradienter i artsmangfold , med større biologisk mangfold som finnes i tropene og avtar mot mer tempererte polarområder. Derimot fant en studie om innendørs soppsamfunn at det mikrobielle biologiske mangfoldet var betydelig høyere i tempererte soner enn i tropene. Den samme studien fant at drastisk forskjellige bygninger viste samme innendørs soppsammensetning på et gitt sted, hvor likheten økte med nærhet. Til tross for menneskelig innsats for å kontrollere inneklima, ser det ut til at ytre miljøer er den sterkeste determinanten for innendørs soppsammensetning.
Bipolare breddegrader
Enkelte mikrobielle populasjoner eksisterer på motsatt halvkule og på komplementære breddegrader. Disse 'bipolare' (eller 'antitropiske') fordelingene er mye sjeldnere i makroorganismer; Selv om makroorganismer viser breddegradientgradienter, forhindrer 'isolasjon etter geografisk avstand' bipolare fordelinger (f.eks. finnes ikke isbjørner på begge polene). I kontrast viste en studie om marine overflatebakterier ikke bare en breddegradient, men også komplementaritetsfordelinger med lignende populasjoner på begge polene, noe som tyder på ingen "isolasjon etter geografisk avstand". Dette skyldes sannsynligvis forskjeller i den underliggende biogeografiske prosessen, spredning, ettersom mikrober har en tendens til å spre seg med høye hastigheter og lange avstander ved å bevege seg gjennom atmosfæren.
Sesongvariasjoner
Mikrobielt mangfold kan vise slående sesongmønstre på et enkelt geografisk sted. Dette skyldes i stor grad dvale, en mikrobiell egenskap som ikke er sett hos større dyr som gjør at mikrobiell samfunnssammensetning kan svinge i relativ mengde vedvarende arter (snarere enn faktiske arter tilstede). Dette er kjent som "frøbankhypotesen" og har implikasjoner for vår forståelse av økologisk motstandskraft og terskler for endring.
applikasjoner
Regissert panspermi
Panspermia antyder at livet kan fordeles gjennom det ytre rom via kometer , asteroider og meteoroider . Panspermia antar at livet kan overleve det harde rommiljøet, som har vakuumforhold, intens stråling, ekstreme temperaturer og mangel på tilgjengelige næringsstoffer. Mange mikroorganismer er i stand til å unngå slike stressorer ved å danne sporer eller gå inn i en tilstand av lav-metabolsk hvilemodus. Studier av mikrobiell biogeografi har til og med vist at mikroberes evne til å komme inn og vellykket komme ut av dvale når deres respektive miljøforhold er gunstige, bidrar til de høye nivåene av mikrobielt biologisk mangfold som er observert i nesten alle økosystemer . Dermed kan mikrobiell biogeografi brukes på panspermia da den forutsier at mikrober er i stand til å beskytte seg mot det harde romfartsmiljøet, vet å dukke opp når forholdene er trygge, og også dra nytte av deres dvaleevne for å forbedre biologisk mangfold uansett hvor de måtte lande.
Directed panspermia er bevisst transport av mikroorganismer for å kolonisere en annen planet . Hvis man tar sikte på å kolonisere et jordlignende miljø, kan mikrobiell biogeografi informere beslutninger om den biologiske nyttelasten til et slikt oppdrag. Spesielt viser mikrober breddegrader i henhold til Rapoports regel , som sier at organismer som lever på lavere breddegrader (nær ekvator ) finnes innenfor mindre breddegrader enn de som lever på høyere breddegrader (nær polene). Dermed vil den ideelle biologiske nyttelasten omfatte utbredte mikroorganismer med høyere breddegrad som tåler et bredere spekter av klima. Dette er ikke nødvendigvis det åpenbare valget, ettersom disse utbredte organismer også er sjeldne i mikrobielle samfunn og har en tendens til å være svakere konkurrenter når de står overfor endemiske organismer. Likevel kan de overleve i en rekke klimaer, og dermed ville de være ideelle for å leve ellers livløse jordlignende planeter med usikre miljøforhold. Ekstremofiler , selv om de er tøffe nok til å tåle rommiljøet , er kanskje ikke ideelle for rettet panspermi, siden enhver gitt ekstremofil art krever et veldig spesifikt klima for å overleve. Men hvis målet var nærmere Jorden, for eksempel en planet eller måne i vårt solsystem , kan det være mulig å velge en spesifikk ekstremofil art for det veldefinerte målmiljøet.