Lacurile ascund o diversitate impresionantă de organisme microscopice, însă oamenii de știință au reușit să identifice până acum doar o parte dintre formele de viață care se găsesc în apă. Chiar și analiza ADN-ului are limite: pentru a identifica un organism, cercetătorii trebuie să compare materialul genetic cu o bază de date a speciilor cunoscute, iar aceasta are încă numeroase lacune, potrivit Earth.
Un studiu recent a analizat ADN-ul provenit din 362 de lacuri și rezervoare de pe toate continentele. Cercetătorii au reconstituit aproape 20.000 de genomuri mitocondriale, însă mai puțin de unul din 20 a putut fi asociat cu un gen deja cunoscut.
Rezultatele arată cât de puține lucruri se cunosc încă despre lumea microscopică din lacuri, inclusiv din cele studiate de oamenii de știință de zeci de ani.
Studiul a fost realizat de o echipă condusă de Lucas Serra Moncadas, împreună cu Adrian-Stefan Andrei, coordonatorul grupului de cercetare în evoluție genomică microbiană de la Stația Limnologică a Universității din Zürich, Elveția.
Cercetătorii au creat astfel un catalog genetic care cuprinde mii de organisme nedocumentate până acum.
Algele toxice pot trece neobservate
„La microscop, o algă inofensivă și o rudă a sa toxică pot arăta identic. ADN-ul lor ar putea fi cheia pentru a le deosebi”, a explicat Adrian-Stefan Andrei.
Unele alge produc toxine periculoase atunci când condițiile favorizează înmulțirea lor rapidă. Aceste proliferări pot afecta grav ecosistemele acvatice și pot provoca moartea în masă a peștilor.
Un astfel de dezastru s-a produs în 2022, când o înflorire masivă a algei aurii Prymnesium parvum în râul Oder, la granița dintre Germania și Polonia, a dus la moartea a aproximativ 360 de tone de pește.
Nivelurile neobișnuit de ridicate de salinitate, seceta și concentrațiile mari de nutrienți au contribuit la apariția condițiilor care au favorizat fenomenul.
Cum au analizat cercetătorii ADN-ul din lacuri
Echipa lui Andrei a lucrat cu probe de apă. Fiecare probă a fost filtrată, iar cercetătorii au analizat simultan ADN-ul materialului reținut de filtru, fără să presupună dinainte ce organisme vor găsi.
Metoda produce un volum mare de fragmente genetice amestecate, provenite de la bacterii, virusuri și alte forme de viață din apă. Pentru a le sorta, echipa a folosit un program informatic antrenat să identifice un anumit tip de ADN. Mai exact, cel provenit din mitocondrii, structurile celulare care produc cea mai mare parte a energiei necesare funcționării celulei și care au propriul material genetic.
Dimensiunea redusă a genomului mitocondrial reprezintă un avantaj. Atunci când ADN-ul algelor și al amibelor este prezent în cantități mici într-o probă, un genom mai scurt poate fi reconstituit mai ușor decât ADN-ul mult mai amplu din nucleul celulei.
Cercetătorii au trebuit apoi să stabilească un criteriu pentru a decide când două genomuri aparțin aceleiași specii, alegând un prag de similaritate de 98,1%. Genomurile mitocondriale care ating cel puțin acest nivel sunt considerate ca aparținând aceleiași specii.
Testată pe specii cunoscute, metoda a corespuns clasificărilor existente în aproximativ 92% dintre cazuri. Prin comparație, o metodă similară, bazată pe o genă folosită frecvent în studiile ADN, a avut o concordanță de numai aproximativ 63%.
Mii de specii nu apăreau în bazele de date
Cercetătorii au analizat 3.400 de seturi de date genetice, unele disponibile public, iar altele obținute recent, provenite din lacuri aflate în 28 de țări. Unele lacuri au fost prelevate o singură dată, în timp ce altele au fost monitorizate timp de mai mulți ani.
După verificări riguroase, prin care au eliminat secvențele care nu proveneau din mitocondrii, echipa a păstrat 19.925 de genomuri, corespunzătoare unui număr de aproximativ 3.660 de specii.
Catalogul rezultat reunește astfel mii de specii din lacuri foarte diferite, identificate folosind același criteriu genetic.
RefSeq, una dintre principalele colecții de referință pentru genomuri la nivel mondial, cuprinde mult mai puține specii decât noul catalog în cazul mai multor grupuri de alge și organisme înrudite. În unele dintre aceste grupuri, atlasul cercetătorilor include de șase până la peste 20 de ori mai multe specii.
Aproximativ 750 dintre speciile identificate nu au putut fi încadrate în niciun grup cunoscut.
„Acest lucru arată cât de mari sunt încă lacunele din cunoștințele noastre. O mare parte din biodiversitatea care menține funcționarea lacurilor a rămas ascunsă și nu a fost documentată până în prezent”, a declarat Lucas Serra Moncadas.
Viața microscopică din lacuri se schimbă odată cu anotimpurile
Noul catalog le-a permis cercetătorilor să compare lacurile folosind aceleași criterii. Cele cu un nivel intermediar de nutrienți au prezentat cea mai mare diversitate, în timp ce lacurile sărace în nutrienți au avut cea mai redusă diversitate. Lacurile bogate în nutrienți s-au situat între cele două categorii.
Această distribuție corespunde unui tipar cunoscut deja de specialiștii în studiul lacurilor și susține ideea că metoda identifică diferențe reale între ecosisteme.
În interiorul aceluiași lac, însă, momentul prelevării probelor s-a dovedit important. Cercetătorii au comparat apa de la suprafață cu cea din adâncime în lacul Stechlin din Germania, care are o adâncime de 69,5 metri. Analiza a inclus probe colectate între 2012 și 2020.
Primăvara, cele două straturi de apă aveau în comun aproximativ 45% dintre specii. Vara, proporția scădea la numai 5%.
Autorii studiului pun această diferență pe seama amestecării apei în timpul primăverii, când circulația apei favorizează schimburile dintre suprafață și adâncime.
Analiza a patru lacuri germane, inclusiv Stechlin, a arătat și că apa de la suprafață găzduiește o varietate mai mare de organisme înrudite la distanță decât apa din adâncime. Diversitatea grupurilor îndepărtate evolutiv a fost cea mai mare primăvara și cea mai redusă iarna.
Ce nu pot identifica încă oamenii de știință
Metoda are și limite. Unele organisme unicelulare au mitocondrii neobișnuite sau nu au deloc astfel de structuri, ceea ce înseamnă că pot lipsi din analiză.
De asemenea, speciile rare pot să nu fie prezente în cantități suficiente pentru a permite reconstituirea genomului, iar multe dintre secvențele obținute sunt incomplete.
Nici acoperirea geografică nu este uniformă. Cele mai multe probe provin din emisfera nordică, iar cercetătorii consideră că lacurile tropicale și cele din emisfera sudică ar trebui să fie prioritare în studiile viitoare.
„De mai bine de 60 de ani, vedem doar o parte din formele de viață din lacurile și rezervoarele care furnizează apă potabilă pentru peste 180 de milioane de europeni”, a declarat Andrei.
„În curând, o singură sticlă cu apă dintr-un lac ar putea dezvălui ce organisme trăiesc acolo, ce este nou și ce se schimbă.”
Folosirea catalogului pentru a detecta o proliferare de alge toxice înainte ca aceasta să se extindă rămâne, deocamdată, un obiectiv pentru viitor, nu un rezultat demonstrat al studiului. Cercetătorii se așteaptă ca atlasul să devină tot mai util pe măsură ce vor fi analizate noi lacuri, iar bazele de date genetice vor fi completate.
Studiul a fost publicat în revista științifică Nature Communications.
