Люди столетиями пытались открыть и описать биологическое разнообразие Земли во всей полноте. Учёные и натуралисты каталогизировали виды со всех континентов и океанов, от глубин земной коры до высочайших гор, от самых дальних джунглей до самых населённых городов. Результаты этого огромного труда расширяют знания об эволюции — о существующих формах живого, моделях его поведения, о том, откуда всё появилось.
До недавнего времени считалось, что нашу планету населяет почти 10 миллионов видов (107). И хотя цифра немалая, данная оценка основывается только на тех видах, которые можно увидеть невооружённым глазом.
А как насчёт более мелких видов, таких как бактерии, археи, протисты или грибы? В совокупности эти микробные таксоны — самые многочисленные, широко распространившиеся и наиболее эволюционировавшие формы жизни на планете.
Каков их вклад в глобальное биологическое разнообразие? По данным последних исследований можно полагать, что Земля служит домом для невероятного количества — целого триллиона (1012) видов. Если это так, то огромный труд по изучению биоразнообразия Земли охватил только до 0,001% всех видов на Земле.
Оценка микробного разнообразия даже в самых обыкновенных местах обитания предоставляет уникальный набор задач. Более века учёные идентифицировали микробов, культивируя их в чашках Петри, а затем характеризуя свойства клеток по их физиологии — устойчивости к температуре, потребляемым ими субстратам, вырабатываемым ими ферментам. При таком подходе многообразие существенно недооценивается. Во-первых, выращивать подавляющее большинство микроорганизмов сложно. Во-вторых, неродственные виды микробов могут функционировать похоже и различить их почти невозможно.
В середине 1990-х всё больше микробиологов стало отходить от методов культивирования в пользу определения организмов напрямую, секвенируя ДНК, выделенную из океанической воды, с поверхности листьев, из болотных отложений или биоплёнки внутри душевой лейки. За последнее десятилетие методы анализа генома существенно усовершенствованы, миллионы отдельных микробов можно проанализировать за один раз. С помощью такого высокопроизводительного метода нам удалось узнать, что в одном грамме сельскохозяйственной почвы обычно содержится более 10000 видов. Нам стало известно, что почти 10 триллионов клеток бактерий составляют человеческий микробиом. Эти микробы не только помогают своему хозяину усваивать питательные вещества, но также являются продолжением его иммунной системы.
Если мы отвлечёмся от себя, то увидим, что микробы есть в коре Земли, её атмосфере, по всей глубине океана и в айсбергах. В общей сложности приблизительное количество микробных клеток на Земле — примерно нониллион (1030), цифра за гранью воображения, превышающая предположительное количество звёзд во Вселенной. Естественно, отсюда возникает вопрос — а сколько видов вообще может быть?
Составлены длиннющие списки видов почти для каждой экосистемы Земли, при этом каждый год обнаруживается почти 20000 видов животных и растений. Большинство открываемых видов — насекомые, но нередко сообщается о грызунах, рыбах, рептилиях и даже приматах. И хотя они вызывают интерес как у биологов, так и у публики; список известных видов растений и животных растёт примерно на 2% в год, вероятно, что мы приближаемся к почти полной переписи этих организмов на планете.
В микробном мире всё иначе. Несколько лет назад только в одном водоносном горизонте в Колорадо учёные обнаружили 35 типов бактерий. Тип — большая группа, в которой состоят тысячи, десятки тысяч, или, в случае микробов, даже миллионы родственных видов. Типы, обнаруженные в этом горизонте, составляют около 15% от всех ранее обнаруженных типов бактерий на Земле.
Итак, мы находимся на вершине айсберга в отношении описания разнообразия микробной биосферы.
В идеале необходимо согласие по поводу того, что называть видом, если мы хотим оценить глобальное биоразнообразие. У растений и животных под видом обычно понимается группа организмов, способных спариваться и производить жизнеспособное потомство. Это определение не подходит для микробов, поскольку размножаются они в основном бесполым путём, получая новые гены от близкородственных организмов с помощью процесса, известного как «горизонтальный перенос генов».
Тем не менее существуют способы категоризации организмов на основании общих предков, о которых можно узнать из генетических данных. Наиболее широко используемый способ описания микробных таксонов — сравнение генетических последовательностей рибосомных РНК (рРНК). Ген участвует в построении рибосом, молекулярных машин, необходимых для синтеза белков у всех форм жизни. Сравнивая сходства в последовательностях, учёные способны установить группы таксонов без необходимости выращивать их, или мучительно охарактеризовывать их физиологию или клеточную структуру. Одной из многих оговорок, связанных с такой классификацией микробных таксонов является тот факт, что при этом, действительное количество видов скорее всего недооценивается.
Если это так, то недавний прогноз, что Земля может служить домом для целых 1012 видов фактически может быть консервативной оценкой, несмотря на невероятность этой величины.
Зачем вообще считать и изучать эту мелочь? Более полные данные о микробах Земли имеют практическое значение и способны улучшить качество жизни. Среди неоткрытых видов могут быть те, что дадут нам топливо для удовлетворения растущего спроса на энергию, новые культуры для питания нашего быстрорастущего населения (см. Микробные пищевые продукты для улучшения здоровья человека и планеты), лекарства против старых и новых болезней.