В основе процесса разложения трупов лежит консервативная междоменная микробная сеть, несмотря на переменные условия окружающей среды (аннотация)В основе процесса разложения трупов лежит консервативная междоменная микробная сеть, несмотря на переменные условия окружающей среды
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.
