Разложение - один из самых фундаментальных процессов на Земле, поддерживающий жизнь благодаря переработке мертвого биологического материала.
Это преобразование ресурсов имеет решающее значение для обеспечения основных функций экосистем, таких как продуктивность растений и дыхание почвы. Микробные сети лежат в основе распада органических веществ, однако их экология остается "черным ящиком", что мешает нам точно понять и смоделировать функционирование экосистем, их устойчивость и биогеохимические циклы поступления углерода и питательных веществ.
Несмотря на то, что оценки ДНК сообществ микробных разлагателей были проведены в растительной подстилке и несколько раз в останках млекопитающих, об экологии того, как микробные сообщества разлагателей собираются, взаимодействуют или функционируют в экосистеме, известно мало. Наше понимание того, как разлагаются останки животных находится в зачаточном состоянии из-за исторического внимания к растительной подстилке, которая доминирует в разлагающейся биомассе во всем мире. Тем не менее, по оценкам, 2 миллиарда тонн биомассы животных с высоким содержанием питательных веществ вносят существенный вклад в продуктивность экосистем, плодородие почвы и множество других экосистемных функций и характеристик.
Углерод и питательные вещества из трупной биомассы могут быть потреблены беспозвоночными и позвоночными животными, попасть в атмосферу в виде газа или быть метаболизированы микробами in situ или через фильтрат в окружающих почвах. Доля углерода и питательных веществ, поступающих в каждый из этих резервуаров, не имеет точных количественных характеристик и, вероятно, сильно варьирует, внося существенный вклад в каждый из них в масштабах экосистемы. В отличие от растительной подстилки, состоящей в основном из целлюлозы, разлагатели животной массы должны преимущественно расщеплять белки и липиды, что требует совершенно иного метаболического репертуара. Как микроорганизмы-разлагатели организуют процесс расщепления этих органических соединений, изучено недостаточно хорошо. Предполагается, что в случае с растительной подстилкой функциональная избыточность позволяет различным сообществам микробов собираться в любом определенном месте и выполнять сходные функции. С другой стороны, сходные члены микробного сообщества или микробные сети могут собираться на разных участках, чтобы конкурировать с другими членами сообщества и процветать за счет питательных веществ.
Недавние исследования показали, что микробное сообщество в процессе разложения трупов людей и различных млекопитающих на суше существенно изменяется во времени, что воспроизводится у разных особей и, как оказалось, в некоторой степени сходно в различных типах почвы. Эти данные свидетельствуют о возможности существования универсальных сетей микробных разлагателей, которые собираются в ответ на появление останков млекопитающих. Однако остается неясным, как влияние изменчивости окружающей среды, такой как различия в климате, географическом положении и времени года, может повлиять на процессы сборки и взаимодействия микробных разлагателей. Тем не менее, понимание и прогнозирование этой сборки важно для нашего понимания экосистем и для практического применения.
Например, профилирование микробной сукцессии, связанной с человеческими останками, может привести к созданию нового инструмента для прогнозирования посмертного интервала (PMI), который имеет критическое значение в качестве доказательства при расследовании смерти. В ходе лабораторных и полевых экспериментов в отдельных географических местах было показано, что сукцессия микробных сообществ разлагателей тесно связана с PMI с точностью, релевантной для судебно-медицинских приложений, но эти исследования не дают информации о микробной вариации в разных местах, климатах и сезонах. Следовательно, глубокое понимание того, как изменяются микробные экологические модели разложения млекопитающих и, в частности, человека, имеет решающее значение для использования и совершенствования этих важных инструментов судебной экспертизы.
Раскрытие "черного ящика" микробной экологии разложения млекопитающих или, в более общем смысле, разложения трупов может дать практические знания для инноваций в сельском хозяйстве и индустрии ухода за умершими людьми, экологии (например, события массовой гибели животных) и криминалистике, а также направить будущие исследования по разложению растений и поддержанию глобальной производительности в условиях антропогенных изменений.
В данном исследовании мы изучили 36 человеческих трупов, захороненных в трех местах и показали, что филогенетически различная междоменная микробная сеть формируется в процессе разложения, несмотря на эффекты отбора по местоположению, климату и сезону. Мы создали библиотеку метагеномов из почв, ассоциированных с трупами, и объединили ее с данными метаболомики, чтобы выявить связи между таксономией и функциями. Эта универсальная сеть микробных разлагателей характеризуется перекрестным питанием для метаболизма лабильных продуктов разложения. Ключевые бактериальные и грибковые разлагатели редко встречаются в средах, не связанных с разложением, и, по-видимому, уникальны для разложения в земле органической плоти, включая людей, свиней, мышей и крупный рогатый скот, причем насекомые, вероятно, являются важными переносчиками для ее распространения. Наблюдаемая последовательность микробных взаимодействий служит основой для создания надежного микробиологического судебно-медицинского метода, способного помочь в прогнозировании времени, прошедшего с момента смерти.
