Бактерии невероятно многочисленны на поверхности Земли, от почвы до океанов. Микробная популяция окружающего нас воздуха сравнительно неизвестна, но исследовательская экспедиция под руководством ученых PolyU собирается это изменить. После почти десятилетия усилий они составили исчерпывающую карту микробов, переносимых по воздуху в мире, которая дает новое представление о том, как эти виды взаимодействуют с поверхностной средой и об их вероятных будущих изменениях.
Кубический метр «пустого» воздуха содержит 10 тыс. или более бактерий, и интерес к роли воздуха как среды обитания, а не просто канала для микробов, значительно вырос с начала пандемии. В сотрудничестве с исследователями на материке и в США группа под руководством PolyU провела около года, собирая пробы микробов в воздухе по всему миру, от уровня земли до вершин гор. Объединив свои результаты с наиболее точными глобальными данными, собранными в прошлых исследованиях, они и их партнеры по исследованиям составили первый в истории атлас глобального микробиома, переносимого по воздуху.
Атлас дает обширную информацию о микробных сообществах, плавающих над землей. Нет сомнений в том, что воздух является уникальной гаванью бактериальной жизни. Генетический анализ, проведенный командой, показал, что основные сообщества – горстка видов, которые составляют огромную долю популяции микробов – в воздухе не были такими же, как в морских или почвенных экосистемах. Несмотря на то, что воздух представляет собой свободно текущую среду, у которой, казалось, нет внутренних границ, эти основные бактериальные сообщества четко локализованы и стабильны.
Исследовательская группа проанализировала бактериальные сообщества 370 отдельных образцов твердых частиц в воздухе, собранных в 63 местах по всему миру, от уровня земли (высотой 1,5-2 м) до крыш (5-25 м) и высоких гор (5 238 м над уровнем моря), а также от густонаселенных городских центров до полярного круга, для более разнообразного охвата по высотам и географическим регионам.
Глава исследовательской группы, завкафедрой экологических наук и технологий, декан факультета строительства и окружающей среды ПолиУ, Профессор Сян-дун Ли сказал: «Мы подтвердили, что деятельность человека, безусловно, изменила структуру микробиомов в естественной окружающей среде воздуха, особенно при более высокой численности патогенных бактерий в воздухе городов. Пережив пандемию в течение трех лет, люди теперь уделяют больше внимания этому невидимому, но влиятельному микробному сообществу. Результаты исследования могут служить важным ориентиром для прогнозирования реакции планетарного микробиома и воздействия вдыхаемых микробиомов на здоровье при будущих изменениях окружающей среды».
Исследователи подсчитали, что общее количество микробов, обитающих в море или почве, в тысячи раз больше, чем в воздухе. Тем не менее, разнообразие микробов в воздухе столь же велико. Это говорит о том, что поверхностные среды обитания напрямую поставляют микробы в воздух. Вопреки предыдущим предположениям, растительность не является основным наземным источником переносимых по воздуху бактерий, а обширные участки почвы обеспечивают очень небольшую долю. Разбивающиеся волны, тряска листьев и даже частая деятельность и постоянное дыхание животных и людей являются более важными факторами бактериального обмена между поверхностью и воздухом.
Макроскопическая жизнь, особенно животные и растения, наиболее разнообразна в экваториальных районах (вспомним, например, теплые и влажные тропические леса), а ближе к полюсам ее разнообразие уменьшается. Для микробов картина более интересна – по мере продвижения от экватора разнообразие достигает максимума в средних широтах, прежде чем снова падать. Эта закономерность хорошо известна для наземных и водных микроорганизмов, но новый атлас подтверждает, что она применима и к воздушно-капельным микробиомам. Авторы предполагают, что всплеск разнообразия в средних широтах вызван более сильными источниками микробного поступления в эти регионы.
В целом, по оценкам исследователей, половина переносимых по воздуху бактерий происходит из наземных источников. В городском воздухе особенно высок уровень бактерий, связанных с человеком, как безвредных, так и патогенных. Прямая передача микробов от людей в воздух – не единственное наше воздействие на переносимый по воздуху микробный мир. Широкомасштабные процессы, такие как индустриализация, нарушают природную среду и влияют на качество воздуха. Это ослабляет «фильтрующее» влияние окружающей среды на микробную структуру, делая состав переносимых по воздуху бактерий более подверженным случайным процессам, хотя погода по-прежнему играет важную роль.
Тесная связь между современной человеческой деятельностью и окружающими нас микробами подчеркивает необходимость точного прогнозирования будущих изменений. Вдыхаемые инфекционные бактерии, которые размножаются в городах, вызывают особую озабоченность, учитывая быструю урбанизацию и наше растущее понимание воздушно-капельных инфекций благодаря исследованиям ковида. Изменение климата – еще один стимул, учитывая заметное влияние температуры на микробное богатство, как видно из атласа. Таким образом, исследование представляет собой бесценный ресурс и открывает новую важную перспективу для будущих работ в области общественного здравоохранения.
В исследовании команда PolyU сотрудничала с профессором Джеймсом М. Тидже, заслуженным профессором Университета штата Мичиган, и учеными из материкового Китая. Результаты были опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences, рецензируемом журнале Национальной академии наук США.
