Земля, вода и воздух вокруг нас полны ДНК грибов, которые ученые не могут идентифицировать
Автор: Коди Коттье
Если вы хотите открыть для себя скрытый мир новых форм жизни, вам не нужно рыскать по темным пещерам или продираться сквозь труднодоступные тропические леса. Просто посмотрите под ноги. Когда аспирантка Анна Рослинг отправилась на север Швеции, чтобы составить карту распространения определенного гриба, любящего корни, она обнаружила нечто гораздо более интригующее: многие образцы корней содержали следы ДНК неизвестных видов. Но что еще более странно, ей так и не удалось обнаружить ни одного целого организма. Когда полевой сезон закончился, у нее были лишь отдельные фрагменты генетического материала. Эти фрагменты явно принадлежали к царству грибов, но они мало что еще открывали. «Я была одержима загадкой» — вспоминает Рослинг, ныне профессор эволюционной биологии в Уппсальском университете в Швеции.
С тех пор микологи поняли, что подобные фантомы встречаются повсюду. Взгляните на участок грязи, водоем, даже на воздух, которым вы дышите, и, скорее всего, он кишит грибами, плесенью и дрожжами (или их спорами), которые никто никогда не видел. В океанских впадинах, тибетских ледниках и во всех других местах обитания исследователи регулярно обнаруживают ДНК малоизвестных грибов. Секвенировав фрагменты, они могут сказать, что имеют дело с новыми видами, тысячи из которых генетически отличаются от всех известных науке. Они просто не могут сопоставить эту ДНК с реальными организмами, растущими в мире.
Эти скользкие существа настолько распространены, что ученые называют их «темными грибами». Это сравнение со столь же неуловимыми темной материей и темной энергией, которые составляют 95 процентов нашей Вселенной и оказывают огромное влияние на все. Как и те невидимые сущности, темные грибы — это скрытые движущие силы. Ученые убеждены, что они выполняют те же жизненно важные функции, что и известные грибы, направляя поток энергии в экосистемах, расщепляя органические и перерабатывая питательные вещества. Темные грибы — яркий пример того, что биолог Э. О. Уилсон назвал «мелочами, которые управляют миром». Но их загадочный образ жизни превратился в сумасшедшую проблему для ученых, пытающихся показать, как именно они им управляют.
Таксономисты описали всего 150 000 из миллионов грибов, которые были обнаружены в результате глобальной оценки биоразнообразия, и недавние открытия показывают, что огромная часть оставшихся грибов может быть недоступна для обычного биологического исследования. «Мы даже не начали царапать поверхность», — говорит Хенрик Нильссон, миколог из Гетеборгского университета в Швеции. «Я готов поспорить, что большинство из них будут темными». Учитывая центральное место грибов в паутине жизни, которая нас поддерживает, эксперты утверждают, что мы должны лучше разбираться в них.
Все, что мы знаем о темных грибах, получено из экологической ДНК, или эДНК. Этим термином обозначают строки пар оснований — строительные блоки ДНК, которые постоянно отщепляются от всего живого. Исследователи могут проанализировать эти свободно плавающие кусочки двойной спирали, чтобы определить, какие виды грибов обитают в той или иной местности, не замечая их. Для идентификации грибов ученые используют удобный генетический маркер — внутренний транскрибируемый спейсер (ITS), состоящий из нескольких сотен пар оснований, которые быстро эволюционируют и таким образом помогают различать виды. Хотя ITS составляет лишь небольшую часть генома, исследователи могут выделить его и амплифицировать с помощью той же технологии полимеразной цепной реакции, которая используется в лабораторных тестах COVID. Если последовательность ITS достаточно сильно отличается от всех остальных в генетических базах данных, считается, что она представляет собой новый вид, независимо от того, увидят ли ученые его физическую форму или нет.
На рубеже тысячелетий секвенирование эДНК стало новым способом обнаружения видов. Ученые внезапно оказались захлестнуты «потоком данных», как написали в 2009 году Дэвид Хиббетт, миколог из Университета Кларка, и его коллеги. Этот наплыв обнажил необъятные просторы темных грибов. Сегодня, говорит Хиббетт, «наше понимание богатства грибного разнообразия действительно расширяется за счет этих темных организмов».
Каждый год исследователи натыкаются примерно на 2 000 новых грибов стандартным путем, обнаруживая их в природе или под микроскопом. Однако одно исследование эДНК может зарегистрировать в 10 раз больше темных грибов. Часто эти фрагменты являются одними из самых распространенных образцов ДНК в их экосистеме. «Мне кажется, я никогда не видел исследования по секвенированию окружающей среды, в котором было бы менее 30 процентов неизвестных» — говорит Нильссон, и обычно это соотношение гораздо выше. Иногда лишь меньшинство последовательностей ДНК можно классифицировать на сколько-нибудь значимом таксономическом уровне, сузив их от царства (в данном случае грибов) до филума, затем до класса и так далее, вплоть до вида.
Найти полноценный образец может быть непросто. Многие грибы микроскопические, даже одноклеточные, и крошечный образец биологического материала может содержать сотни видов, которые трудно выделить. Другие виды растут в виде видимых грибов и корневидных мицелиев, но они эфемерны, и поэтому их легко не заметить. Что касается выращивания организмов в лабораторной культуре, то создать подходящие условия бывает непросто. Группа чешских микробиологов недавно заявила, что «в теории нет ничего невозможного для культивирования», но микология испытывает нехватку средств и персонала, поэтому на практике наши знания о темных грибах обычно ограничиваются фрагментами ДНК.
Однако то, что мы знаем, не является тривиальным. Как сказал Рослинг, «в последовательности ДНК окружающей среды гораздо больше информации, чем просто пары оснований». Находя сходства с известными видами, микологи могут определить ближайших родственников темного гриба и на основании этого сделать много выводов о его жизненном цикле и экологической роли. Тем не менее, есть предел тому, что можно узнать, не имея полного образца, особенно если нет особо близких родственников. «Если это что-то из области фантастики» — говорит Хиббетт, — «это очень загадочно».
Возьмем, к примеру, группу грибов, ДНК которых Рослинг обнаружила в аспирантуре. Спустя годы она была ошеломлена, обнаружив, что один из них процветает в давно забытой культуре 1999 года. Это оказался первый известный представитель класса археоризомицетов, включающего сотни темных видов, обитающих в почве по всему миру. Для сравнения, млекопитающие — это тоже класс. «Есть группы такого масштаба, о которых мы не знаем», — удивляется Рослинг.
В 2011 году британский микробиолог по имени Мередит Джонс обнаружила новый филум, получивший меткое название Cryptomycota, который ранее был темным. (Для справки, класс млекопитающих является подгруппой филума Chordata.) Подобные открытия — это не просто незначительные изменения в древе жизни. Помимо того, что Cryptomycota добавила огромную ветвь на грибной ветви, она стала сенсацией, потому что в ней отсутствует волокнистое вещество хитин, которое когда-то считалось определяющей характеристикой всех грибов. С тех пор как команда Рослинг сделала свое открытие, археоризомицеты стали считаться потенциальными ключевыми видами. Если бы их не было рядом — они формируют симбиотические отношения с растениями, разлагают органические молекулы на углерод и азот, которые могут использовать другие организмы, — целые экосистемы могли бы разрушиться. Понятно, что мы не можем прочитать всю историю в ДНК, но это лишь отправная точка. Пока исследователи не найдут темные грибы или не вырастят их культуру, они будут существовать для нас в основном как большое созвездие последовательностей ITS. Микологи называют эти последовательности «штрих-кодами», поскольку они однозначно связывают генетический материал с видом. Из 10 миллионов штрих-кодов, хранящихся во всемирной базе данных DNA UNITE, многие томятся под ярлыком «неопознанные».
Надеясь пробудить интерес к этим таксономическим сиротам, Нильссон составил список «50 самых разыскиваемых грибов», представляющих самые крупные неопознанные роды, для которых есть ДНК, но нет образцов. Парочка из них уже определена, но остальные, по его мнению, не получили достаточного внимания с тех пор, как он опубликовал список в 2016 году. «Все хотят писать статьи, и вот он шанс», — говорит он. «Все данные уже собраны для вас. Идите и посмотрите, и я уверен, что вы сможете что-то найти». Нильссон имеет в виду, что это можно сделать не только в цифровом, но и в физическом виде: Записи UNITE включают географическое распределение последовательностей ДНК, так что любой желающий может поискать соответствующий вид в реальном мире.
Список не обязательно охватывает наиболее экономически или экологически значимые темные грибы, а лишь их группы, которые еще не классифицированы даже на самых высоких уровнях таксономии, таких как филум и класс. Тем не менее, когда Нильссона спрашивают о возможных преимуществах, он без труда соглашается. Например, неизведанные уголки грибной биологии могут стать источником ценных химических веществ или лекарств (пенициллин и циклоспорин, используемый для лечения отторжения органов, получены из грибов, и это только пара примеров). «Один или несколько из этих видов окажутся очень важными для человека» — говорит он.
Самое главное, что темные грибы необходимы для правильного функционирования биосферы. Они тесно переплетены с остальной природой. Чтобы сохранить их и все сложные, жизнеобеспечивающие процессы, которые они поддерживают, исследователям приходится определять их один за другим. «Улавливая это разнообразие» — говорит Рослинг, — «мы можем более обоснованно подходить к вопросам сохранения природы».
По мере развития методов работы с эДНК у микологов появляется все больше возможностей для извлечения темных секретов. Высокопроизводительное секвенирование и одноклеточная геномика, которые, как следует из названия, позволяют получить практически весь геном из одной клетки, значительно превосходят традиционное секвенирование по штрих-коду. В сочетании с передовыми технологиями сортировки и культивирования легиона клеток в образцах окружающей среды такие методы могут дать более глубокое представление о загадочном мире темных грибов. «Только представьте себе всю эту крутую химию, биологию и экологию, которая происходит», — говорит Нильссон. «Все эти взаимодействия, о которых мы не имеем ни малейшего представления. Эта мысль наполняет меня энергией».
Оригинал: Scientific American