Морские дрейфующие организмы: Междисциплинарное исследование раскрывает разнообразие планктона
Океанический планктон — это дрейфующие организмы морского мира. Он включает водоросли, животных, бактерий и протистов, которые находятся во власти приливов и течений. Многие из них микроскопические, хотя другие, например медузы, могут достигать относительно больших размеров.
Десятилетиями исследователей озадачивало, почему разнообразие океанического планктона намного выше ожидаемого. Как правило, в любом образце из океана присутствует множество редких видов планктона и небольшое число обильных видов. Исследователи из Окинавского института науки и технологий (OIST) опубликовали статью в Science Advances, в которой объединили математические модели с метагеномикой и морской наукой, чтобы выяснить возможную причину этого.
«Годами ученые задавались вопросом, почему в океане так много видов», — сказал профессор Симоне Пиголотти, возглавляющий Отдел биологической сложности OIST. Он объяснил, что течения могут переносить планктон на очень большие расстояния, поэтому он, казалось бы, не ограничен в расселении. Это предполагало бы, что фактором, определяющим видовое разнообразие, является предпочтение экологической ниши — то есть один вид вытеснит все остальные, если среда ему наиболее подходит, что приводит к сообществам всего с несколькими, но очень обильными видами.
«Наше исследование проверило теорию о том, что океанические течения способствуют видовому разнообразию не потому, что помогают планктону расселяться, а потому, что они фактически могут ограничивать расселение, создавая барьеры», — сказал профессор Пиголотти. «В отличие от этого, в образцах из озер, где течения слабые или отсутствуют, мы обнаружили больше обильных видов, но меньше видов в целом».
На первый взгляд это может показаться нелогичным. Но хотя течения и переносят планктон из одной области в другую, они также препятствуют его переходу на другую сторону течения. Таким образом, эти течения снижают конкуренцию и вынуждают каждый вид планктона сосуществовать с другими видами, хотя и в небольших количествах.
Сочетание ДНК-тестов с математическими моделями
Более века экологи измеряли разнообразие, подсчитывая количество видов (например, птиц или насекомых) на заданной территории. Это позволяло им находить соотношение обильных и редких видов. Сегодня эта задача упрощена благодаря как количественному моделированию, способному предсказывать распределение видов, так и метагеномике — вместо простого подсчета видов исследователи могут эффективно собрать всю ДНК в образце.
«Простой подсчет количества видов в образце очень трудоемок», — сказал профессор Том Бургиньон, возглавляющий Отдел эволюционной геномики OIST. «С развитием технологий секвенирования мы можем провести всего один тест и получить несколько тысяч последовательностей ДНК, которые дают хорошую оценку планктонного разнообразия».
В этом исследовании ученых особенно интересовали протисты — микроскопические, обычно одноклеточные планктонные организмы. Группа создала математическую модель, которая с помощью симуляций учитывала роль океанических течений в определении генеалогии протистов. Они не могли симулировать сообщество протистов на уровне ДНК, потому что особей было бы огромное количество. Вместо этого они симулировали особей в заданном образце из океана.
Чтобы выяснить, насколько близкородственны особи и принадлежат ли они к одному виду, исследователи «заглянули» в прошлое. «Мы создали траекторию, уходящую на сто лет назад», — сказал профессор Пиголотти. «Если две особи происходили от общего предка в масштабе времени нашей симуляции, мы классифицировали их как один вид».
Конкретно они измеряли количество видов и количество особей на вид. Модель симулировалась с океаническими течениями и без них. Как и предполагали исследователи, она показала, что наличие океанических течений вызывает резкий рост числа видов протистов, но снижение количества особей на вид.
Чтобы подтвердить результаты этой модели, исследователи затем проанализировали наборы данных из двух исследований водных протистов. Первый набор содержал последовательности ДНК океанических протистов, второй — пресноводных. Они обнаружили, что в среднем океанические образцы содержали больше редких видов и меньше обильных видов и в целом имели большее количество видов. Это согласовывалось с предсказаниями модели.
«Наши результаты подтверждают теорию о том, что океанические течения положительно влияют на разнообразие редких водных протистов, создавая эти барьеры», — сказал профессор Пиголотти. «Проект был очень междисциплинарным. Сочетая теоретическую физику, морскую науку и метагеномику, мы пролили новый свет на классическую проблему экологии, имеющую значение для морского биоразнообразия».