معلومة

العلاقة بين حجم البكتيريا ودرجة الحرارة؟

العلاقة بين حجم البكتيريا ودرجة الحرارة؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

أنا ، أقوم ببحث في تدهور الكربون العضوي الكلي (TOC) في مرشح BAC (الكربون النشط بيولوجيًا) لمعالجة المياه الرمادية. في الآونة الأخيرة ، بدأت أتساءل عما إذا كانت هناك علاقة بين حجم البكتيريا ودرجة الحرارة. إذا كان أي شخص يعرف أي ورقة بحثية أو أجرى بحثًا بنفسه / بنفسها حيث تم التحقق من هذه العلاقة ، فسيكون ذلك مفيدًا للغاية.

شكرا لك مقدما.


هناك علاقة سلبية بين درجة حرارة النمو وحجم الجينوم بدائيات النوى ، والتي قد تكون مدفوعة باختيار حجم خلية أصغر بشكل عام في البيئات الأكثر دفئًا. السبت وآخرون.، 2013 تقديم مناقشة جيدة:

تميل الخلايا الأصغر إلى امتلاك جينومات أصغر في كل من بدائيات النوى وحقيقيات النوى أحادية الخلية (Shuter et al. 1983 ؛ Lynch 2007) ، لأسباب غير مفهومة تمامًا (ولكن انظر Dill et al. 2011). يشير هذا الارتباط إلى أن حجم الخلية والجينوم مرتبطان وظيفيًا ، بحيث يؤدي التغيير التطوري في أحدهما إلى تغيير تطوري في الآخر. افترضت الدراسات السابقة أن تقليل حجم الخلية يمكن أن يكون مفيدًا ، إما لتحسين نسبة السطح إلى الحجم لامتصاص العناصر الغذائية النادرة (Dufresne et al. 2005 ؛ Giovannoni et al. 2005 ؛ Moya et al. 2009) ، أو لتقليل الافتراس من قبل العاثيات أو العاثيات (Yooseph et al. 2010). وبالمثل ، نتوقع أن البكتيريا التي تتكيف مع درجة الحرارة المرتفعة يمكن أن تخضع للاختيار لصالح حجم خلية أصغر ، الأمر الذي يتطلب أيضًا حجمًا أصغر للجينوم بغض النظر عن محتوى الجين.


حجم الجسم وثراء الأنواع

ال ثراء حجم الجسم والأنواع التوزيع هو نمط يتم ملاحظته في طريقة توزيع الأصناف على نطاقات مكانية كبيرة. عدد الأنواع التي تظهر صغر حجم الجسم بشكل عام يتجاوز بكثير عدد الأنواع ذات الأجسام الكبيرة. لطالما سعى علم البيئة الكلي إلى فهم الآليات التي تكمن وراء أنماط التنوع البيولوجي ، مثل نمط ثراء حجم الجسم والأنواع.

لوحظ هذا النمط لأول مرة بواسطة هاتشينسون وماك آرثر (1959) ، [1] ويبدو أنه ينطبق بشكل جيد على نطاق واسع من الأصناف: من الطيور والثدييات إلى الحشرات والبكتيريا (مايو ، 1978 [2] براون ونيكوليتو ، 1991 [3]) وبطنيات الأقدام في أعماق البحار (ماكلين ، 2004 [4]). ومع ذلك ، فإن انتشارها في كل مكان لم يحسم بعد. تركز معظم الدراسات على توزيع الكسور التصنيفية للأنواع غير المتفاعلة إلى حد كبير مثل الطيور أو الثدييات ، وتستند هذه المقالة في المقام الأول إلى تلك البيانات.


الفصل الثاني - بيولوجيا البكتيريا

يركز هذا الفصل على بيولوجيا البكتيريا المنتشرة على نطاق واسع في الطبيعة. البكتيريا هي كائنات حية صغيرة للغاية لا يمكن رؤيتها بالعين المجردة. بالإضافة إلى تمكين رؤية شكل البكتيريا بسهولة أكبر ، تساعد البقع في تقسيم البكتيريا إلى مجموعات. تم العثور على بعض أنواع البكتيريا التي تحتوي على حبيبات داخل السيتوبلازم. يعتقد أن هذه تمثل المواد الغذائية الاحتياطية. الهياكل المهمة الأخرى التي يمكن العثور عليها في بعض البكتيريا هي الأسواط. تنتج بعض البكتيريا خلال تاريخ حياتها بنية بكتيرية مهمة أخرى. تم تطوير العديد من الوسائط الخاصة من قبل علماء البكتيريا لأغراض معينة. تم تصميم بعضها ، المعروف باسم الوسائط الانتقائية ، لإيقاف نمو بعض أنواع البكتيريا ولكن للسماح بنمو تلك التي ترغب في عزلها. سلالة من البكتيريا تنمو بشكل أفضل عند درجة حرارة خاصة بتلك السلالة المعينة. هذا يعتمد بشكل أساسي على درجة حرارة الموطن الذي يعيش فيه عادة.


النمو والتكاثر

تشمل المتطلبات الأساسية للنمو ما يلي:

  • الإمداد بالمغذيات المناسبة
  • مصدر للطاقة
  • ماء
  • درجة حرارة مناسبة
  • درجة الحموضة المناسبة
  • المستويات المناسبة (أو غياب) الأكسجين

العناصر الغذائية

على الرغم من أن بكتيريا معينة تستخدم عادة مجموعة محدودة من المركبات ، يمكن للبكتيريا كمجموعة استخدام مجموعة واسعة من المركبات كمواد مغذية:

  • السكريات والكربوهيدرات
  • أحماض أمينية
  • ستيرول
  • كحول
  • الهيدروكربونات
  • الميثان
  • ملح غيرعضوي
  • نشبع

طاقة

التغذية الضوئية مقابل البكتيريا الكيميائية

  • ضوئي - الطاقة المشتقة من مصدر الضوء
  • التغذية الكيميائية - يتم الحصول على الطاقة من خلال معالجة المواد الكيميائية من البيئة

ماء

  • 80٪ من كتلة البكتيريا النموذجية عبارة عن ماء
  • الماء ضروري للنمو والتكاثر
  • تتحمل البكتيريا المختلفة التجفيف (النقص الشديد في الماء) بدرجات مختلفة

درجة حرارة

  • النمو يحدث بسرعة أكبر في درجة حرارة النمو المثلى لبكتيريا معينة (وتنخفض مع ارتفاع درجة الحرارة أو خفضها من هذا المستوى الأمثل)
  • بالنسبة لأي بكتيريا ، هناك نوع الحد الأدنى و أقصى درجة الحرارة التي لا يتم بعدها دعم النمو

محبة للحرارة بكتيريا

  • الأمثل درجة حرارة النمو & gt45 & degC
  • تحدث في أكوام السماد والينابيع الساخنة وفتحات قاع المحيط الحرارية المائية
  • بيروديكتيوم تتمتع بدرجة حرارة نمو مثالية تبلغ 105 درجة مئوية

ميسوفيليك بكتيريا

  • الأمثل درجات حرارة النمو بين 15 و 45 درجة مئوية
  • تعيش في مجموعة واسعة من الموائل
  • نظرًا لأن جسم الإنسان هو 37-42 درجة مئوية ، فإن البكتيريا المسببة للأمراض البشرية ميسوفيليس

سيكروفيلك بكتيريا

  • الأمثل عند 15 درجة مئوية أو أقل
  • درجة حرارة لا تقل عن 0 درجة مئوية أو أقل
  • أقصى درجة حرارة 20 درجة مئوية
  • تحدث في البحار القطبية
  • تنمو معظم البكتيريا على النحو الأمثل بالقرب من درجة الحموضة المحايدة (7.0)
  • حامضة يكون الرقم الهيدروجيني الأمثل مع أكثر حمضية (اسيدوفيلوم ثيرموبلازما، الموجودة في الينابيع الساخنة ، تفضل الأس الهيدروجيني 0.8-3 ، ولن تنمو عند درجة الحموضة المحايدة)
  • قلويات لديك الأمثل في نطاقات الأس الهيدروجيني (القلوية) الأعلى (Exiguobacterium aurantiacum، الموجود في البحيرات القلوية الطبيعية ، يفضل الرقم الهيدروجيني 8.5-9.5)

الأكسجين

  • البكتيريا التي يجب ويطلق على الأكسجين للنمو نموذج تعهد
  • البكتيريا التي يمكن أن تنمو فقط في غياب من الأكسجين تلزم اللاهوائية (على سبيل المثال البيئة المعزولة عن الغلاف الجوي مثل طين النهر وداخل الأمعاء ، على سبيل المثال)
  • يطلق على البكتيريا التي تنمو عادة في وجود الأكسجين ، والتي يمكن أن تنمو في غيابه اللاهوائية الاختيارية
  • على العكس من ذلك ، تسمى البكتيريا التي تنمو بشكل لا هوائي ، ولكن يمكنها أن تنمو في وجود الأكسجين ، الاختيارية ايروبس

أيونات غير عضوية

تحتاج جميع البكتيريا إلى تركيزات منخفضة من بعض الأيونات غير العضوية لتقوم بوظائفها ، على سبيل المثال

  • الحديد من أجل السيتوكرومات (استقلاب الطاقة) ، وبعض الإنزيمات
  • المغنيسيوم لاستقرار جدار الخلية
  • المنغنيز والنيكل في الإنزيمات الأيضية
  • التركيزات العالية عادة ما تمنع النمو (على سبيل المثال ، تم استخدام الملح في الحفاظ على لحم الخنزير ولحم البقر وسمك القد)
  • بعض البكتيريا ، الهالوفيل، تنمو فقط في وجود تركيزات عالية من أملاح معينة (مثل كلوريد الصوديوم). هالوباكتيريا تنمو فقط في وجود 3-4 مولار كلوريد الصوديوم. هذه الكمية من الملح ضرورية للحفاظ على بنية جدار الخلية والتجمعات الجزيئية الداخلية (مثل الريبوسومات).

النمو في خلية واحدة (على سبيل المثال الإشريكية القولونية - عصية سالبة الجرام)

تسمى دورة الأحداث التي تنمو فيها الخلية وتنقسم إلى خليتين ابنتيتين دورة الخلية.

& مثل النمو البطيء & quot

الشكل 2.2.1:تكرار للنمو البطيء

  • يبدأ النسخ المتماثل في مكان محدد على الكروموسوم - ال الأصل أو & quotori & quot المنطقة.
  • أثناء & quotsomal Growth & quot ، تحتوي كل خلية ابنة جديدة على كروموسوم واحد بالضبط ، لأن جولة جديدة من تكرار الكروموسومات لا تبدأ إلا بعد الانتهاء من انقسام الخلية

يمكن اعتبار دورة انقسام الخلية بمثابة تسلسل خطي لـ ثلاث فترات: أنا, ج و د

  • ج هي الفترة التي يحدث خلالها تكاثر الكروموسومات
  • د هي الفترة التي يتكون فيها الحاجز ، و يحدث انقسام الخلية في نهاية د فترة
  • أنا هي الفترة بين كل بداية متتالية لتكرار الكروموسومات

بالنسبة لنوع النمو البطيء أعلاه ، تكون العلاقة بين هذه الفترات الثلاث كما يلي:

الشكل 2.2.2:فترات دورة الخلية للنمو البطيء

& quot النمو السريع & quot

الشكل 2.2.3:النسخ المتماثل للنمو السريع

الشكل 2.2.4:دورة الخلية للنمو السريع

  • كل خلية ابنة لها ما يعادل حوالي 1 و frac12 كروموسومات
  • في النمو السريع بكتريا قولونية خلايا ج الفترة حوالي 42 دقيقة و د حوالي 25 دقيقة.
  • أقصى وقت مضاعفة لـ بكتريا قولونية حوالي 20 دقيقة
  • & مثلواسطة& quot: أي مادة صلبة أو سائلة معدة خصيصا لنمو البكتيريا
  • & مثلحضاره& quot: وسط سائل أو صلب يحتوي على بكتيريا نمت (أو تنمو) في هذا الوسط أو عليه
  • & مثلحضانة& quot: عملية الحفاظ على درجة حرارة معينة (و / أو ظروف أخرى مرغوبة) لنمو البكتيريا
  • & مثلالتلقيح& quot: العملية الأولية لإضافة الخلايا إلى الوسيط

النمو على وسط صلب

  • محلول سائل من المغذيات زائد 1٪ أجار (الشكل المفضل لـ جيلو في قارة اسيا. عديد السكاريد المستخرج من الأعشاب البحرية على عكس الغربي جيلو وهو بروتين مستخرج من حوافر حيوانات المزرعة الكبيرة) يشكل وسطًا صلبًا

وصفة وسائط صلبة نموذجية (1 لتر). يُطلق على وسائل الإعلام هنا اسم & quotLuria Broth & quot أو & quotLB & quot. سميت على اسم أحد العلماء الذين طورها (ليس & quotDr. Broth & quot).

  • مستخلص الخميرة 5 جم (أحماض نووية ، عوامل مساعدة ، أملاح غير عضوية ، كربوهيدرات)
  • الهضم التجريبي للكازين (بروتين الحليب) 10 جم (الببتيدات والأحماض الأمينية)
  • كلوريد الصوديوم 10 جم (ملاحظة: التركيز النهائي هو بالتالي 0.17 م ، أو قريب من فسيولوجي)
  • أجار 10 جم
  • الماء (رفع الحجم حتى 1.0 لتر)
  • الأوتوكلاف ، صب في طبق بتري ، اتركه يبرد

ستنقسم الخلية البكتيرية الفردية وتصبح في النهاية كتلة مرئية من الخلايا تُعرف باسم أ مستعمرة

إذا تم ملء الوسائط الصلبة بعدد كبير من الخلايا بدلاً من خلية واحدة ، نمو متكدس أو أ العشب من البكتيريا ستكون مرئية

الشكل 2.2.5:النمو على وسط صلب

& quot؛ تسليط & quot؛ لوحات الوسائط الصلبة

  • يمكن إدخال البكتيريا إلى وسط صلب بواسطة أداة نقل معقمة ، مثل حلقة سلكية (سلك نيتشروم) ، أو عود أسنان مُعقم ، والذي تم غمسه في مزرعة بكتيرية
  • يحتوي مثل هذا النقل بالآلاف من الخلايا البكتيرية الفردية
  • من المستحسن أن تنمو مستعمرات من خلايا فردية وليس من عدد كبير من السكان

يتم ذلك لتجنب الاستيلاء على السلالة من قبل المرتددين المحتملين من النوع البري

  • & quotstreaking & quot هي طريقة لعزل الخلايا الفردية للنمو على وسط صلب من تلقيح يحتوي في الأصل على آلاف الخلايا

الشكل 2.2.6:تسليط الضوء

النمو في الوسط السائل

  • لا أجار
  • استخدم دورق مخروطي أو مخمر
  • إذا لزم الأمر ، تهوية ، تهيج
  • سيتم تشتيت النسل في جميع أنحاء الوسط (الانتشار أو الحركة)
  • مع زيادة كثافة الخلية ، تصبح الوسائط كثيف
  • عدد الخلايا المرسومة مقابل الوقت سوف ينتج عنه منحنى النمو

الشكل 2.2.7:منحنى النمو في وسط سائل

  • & مثلمرحلة التأخر& quot بعد أن تتأقلم الخلايا مع البيئة الجديدة (درجة الحرارة والمغذيات وما إلى ذلك)
  • & مثلتسجيل المرحلةتكيفت & quot الخلايا وتنقسم بمعدل ثابت (أي الحد الأقصى للأنواع في ظل ظروف معينة من درجة الحرارة ، ودرجة الحموضة ، والمغذيات ، والأكسجين ، وما إلى ذلك)
  • & مثلمرحلة ثابتة& quot ؛ يتوقف نمو الخلايا عند استنفاد العناصر الغذائية و / أو تراكم النفايات في الوسائط
  • & مثلمرحلة الموت& quot يتناقص عدد الخلايا الحية (الخلايا الحية) في مزرعة المرحلة الثابتة (عادة بسبب سمية منتجات النفايات)

يمكن مراقبة كثافة الخلية بسهولة باستخدام امتصاص الضوء المرئي (عادة عند 600 نانومتر)

الشكل 2.2.8:منحنى كثافة الخلية

ستؤدي الوسائط المختلفة إلى معدلات نمو مختلفة وكثافات مختلفة في الطور الثابت

  • سيكون للوسائط المتعددة التفاعلية أوقات مضاعفة قصيرة (& lt1.0 ساعة) وستؤدي إلى زيادة كثافة الخلايا في المرحلة الثابتة
  • سيظهر الحد الأدنى من الوسائط نموًا بطيئًا (مرات مضاعفة

الهضم الأنزيمي للكازين (بروتين الحليب)

كثافة المرحلة الثابتة (أ600)

دعونا نلقي نظرة على بعض البيانات الأولية من ثقافة E. coli التي تنمو في المخمر. تم تسجيل الامتصاصية عند 600 نانومتر على فترات زمنية مختلفة:

منحنى النمو يبدو كالتالي:

الشكل 2.2.9:منحنى نمو العينة

من أجل حساب الوقت المضاعف ، نحتاج إلى معرفة منطقة منحنى النمو التي يوجد بها النمو لوغاريتمي. يمكننا تقييم ذلك عن طريق رسم بيانات الامتصاص على لوغاريتمي (log10) مقياس. في هذه الحالة ، ستبدو بياناتنا كما يلي:

الشكل 2.2.10:نموذج لمنحنى النمو اللوغاريتمي

في هذه الحالة ، يبدو أن البيانات تحتوي على فترة تأخير أولية تليها نمو لوغاريتمي حتى حوالي 400 دقيقة ، ثم يتباطأ المعدل. وبعبارة أخرى ، فإن السجل10 يبدو المنحنى خطيًا خلال الفترة الزمنية من 100 إلى 400 دقيقة أو نحو ذلك.

يمكننا تحديد وقت المضاعفة بسهولة عن طريق إعادة تعبئة البيانات خلال هذه الفترة وتحويل A600 الدخول2 القيم.

الشكل 2.2.11:عينة لog2 منحنى النمو

إذا رسمنا خطًا مستقيمًا يمر بهذه النقاط ، فسيعطينا الميل معدل تغير السجل2 أ600 القيم كدالة للوقت:

الشكل 2.2.12: إليصلح inear لعينة السجل2 منحنى النمو


ربما يكون حجم الجسم هو الخاصية الأساسية للكائن الحي ويرتبط بالعديد من السمات البيولوجية ، بما في ذلك الوفرة. تمت دراسة العلاقة بين الوفرة وحجم الجسم على نطاق واسع في محاولة لتحديد شكل العلاقة وفهم العمليات التي تولدها. ومع ذلك ، فقد أعيق التقدم بسبب الحقيقة التي لا تحظى بالتقدير الكافي بأن هناك أربع علاقات متميزة ، ولكنها مترابطة ، بين الحجم والوفرة والتي غالبًا ما يتم الخلط بينها في الأدبيات. هنا ، نقوم بمراجعة هذه الأنماط الأربعة والتمييز بينها ، ومناقشة الروابط بينها. نحن نجادل بأن الفهم التركيبي للعلاقات بين الحجم والوفرة سينتج من تحليلات أكثر تفصيلاً للأنماط الفردية ومن دراسة متأنية لكيفية ولماذا ترتبط الأنماط.

نحن نستخدم ملفات تعريف الارتباط للمساعدة في تقديم وتحسين خدماتنا وتخصيص المحتوى والإعلانات. من خلال الاستمرار فإنك توافق على استخدام ملفات تعريف الارتباط .


العلاقة بين البكتيريا والعوالق النباتية خلال قنديل البحر العملاق Nemopilema nomurai تتفتح في نظام بيئي بحري معتدل قليل التغذية

تم فحص الوفرة البكتيرية ، وهيكل مجتمع العوالق النباتية والمعايير البيئية لدراسة العلاقات بين البكتيريا والعوالق النباتية خلال قنديل البحر العملاق Nemopilema nomurai تزهر في وسط البحر الأصفر خلال عام 2013. N. nomurai ظهر في يونيو ، وزاد في أغسطس ، ووصل إلى ذروته وبدأ في التدهور في سبتمبر 2013. وأظهرت النتائج أن الفوسفات كان من الممكن أن يكون عنصرًا غذائيًا رئيسيًا لكل من العوالق النباتية والبكتيريا في يونيو ، لكنه تغير إلى النترات في أغسطس وسبتمبر. غيرت تركيبة العوالق النباتية زيادة كبيرة في زيادة الكتلة الحيوية النسبية للبيكو-العوالق النباتية ، بينما انخفض حجم العوالق النباتية الأخرى بشكل ملحوظ خلال ازدهار قنديل البحر. في يونيو ، لوحظ وجود علاقة إيجابية كبيرة بين الكلوروفيل أ التركيز والوفرة البكتيرية (ص=0.67, ص& lt0.001 ، ن= 34). أثناء تفشي قنديل البحر في أغسطس ، لم يكن هناك ارتباط كبير بين العوالق النباتية والبكتيريا (ص=0.11, ص& GT0.05 ، ن= 25) ولكن العلاقة (ص=0.71, ص& lt0.001 ، ن= 31) مع تدهور قنديل البحر في سبتمبر. في أغسطس ، احتلت العوالق النباتية صغيرة الحجم الطبقة المختلطة في المحطات البحرية ، بينما تم توزيع البكتيريا بالتساوي تقريبًا بشكل عمودي. الكلوروفيل أ زاد التركيز بشكل كبير من (0.42 ± 0.056) ميكروغرام / لتر في يونيو إلى (0.74 ± 0.174) ميكروغرام / لتر في أغسطس ، بينما زادت الوفرة البكتيرية بشكل طفيف. بالإضافة إلى ذلك ، أشار صافي إنتاج المجتمع السلبي إلى أن التنفس المجتمعي لم يتم تحديده بالكامل من خلال الإنتاجية الأولية المحلية في أغسطس. أشارت هذه النتائج إلى أن ازدهار قنديل البحر يحتمل أن يؤثر على اقتران العوالق النباتية والبكتيريا في النظم البيئية البحرية.


ربط قواعد التفاعل لمعدل النمو وحجم الجسم

توضح النظريات الموجودة بوضوح أن معايير التفاعلات الخاصة بالعمر والحجم عند النضج يجب أن تتأثر بشدة بمعدلات الإنتاج خلال مرحلة التطور. عند تحسين تاريخ الحياة ، تم افتراض مسارات محددة للنمو إما لأنها تعكس الأنماط التي لوحظت في الطبيعة أو أنها تبسط التحليلات (على سبيل المثال ، انظر Stearns and Koella [1986] أو Berrigan and Charnov [1994]). تعتمد معايير التفاعل الأمثل على افتراضات حول الحساسية الحرارية لمسارات النمو هذه. بدلاً من ذلك ، يمكن نمذجة النمو على أنه نتاج تخصيص الطاقة بين الوظائف المتنافسة (Perrin and Sible ، 1993 Kozlowski ، 1992). في نماذج تخصيص الطاقة ، لا يزال معيار التفاعل الأمثل يعتمد على معدلات امتصاص الطاقة في جميع مراحل تطور الجنين (Kozlowski وآخرون.، 2004). إذا كان الاستيعاب حساسًا جدًا لدرجة الحرارة ، فيجب أن تكون التأثيرات الحرارية على الشيخوخة أو النفوق الخارجي أكثر تطرفًا لتفضيل الأحجام الأصغر في درجات الحرارة المرتفعة (Kindleman وآخرون.، 2001 الشكل 3). لذلك ، تعتبر التأثيرات الحرارية والقياسية على الإنتاج افتراضات رئيسية في جميع نماذج تطور تاريخ الحياة.

على الرغم من أن القيود المادية على الإنتاج قد لعبت دورًا رئيسيًا في المحاولات السابقة لشرح قاعدة حجم درجة الحرارة ، إلا أن الأدلة التجريبية لهذه القيود لا تزال مثيرة للجدل. تضع بعض خطط الجسم قيودًا واضحة على معدلات اكتساب الطاقة والاستيعاب في حجم معين (Sebens، 1987 Twombly and Tisch، 2000) ، ولكن هذه القيود مؤقتة لأنه يمكن التحايل عليها من خلال التعديلات التطورية للسلوك وعلم وظائف الأعضاء وعلم التشكل. جادل بعض علماء الأحياء بشكل مقنع بأن النمو التفاضلي ناتج عن تخصيص الطاقة للنمو والتكاثر بدلاً من القيود المادية على الإنتاج (راجعه كوزلوفسكي وآخرون.، 2004). علاوة على ذلك ، تدعم الأدلة المقارنة والتجريبية بقوة الرأي القائل بأن النمو هو شكل من أشكال الأداء الفسيولوجي الذي تتطور علاقته بدرجة الحرارة عن طريق الانتقاء الطبيعي (Huey and Kingsolver، 1989 Angilletta وآخرون.، 2002). تختلف الحساسيات الحرارية لمعدل النمو بشكل كبير داخل الأنواع وفيما بينها بين الرخويات والمفصليات والأسماك ، وتؤدي الزيادة في درجة الحرارة البيئية بمقدار 10 درجات مئوية إلى زيادة بمعدل ضعفين إلى ستة عشر ضعفًا في معدل النمو (انظر الجدول 1 والمراجع الإضافية في Angilletta ودنهام ، 2003). لذلك ، لا يمكن اعتبار التأثيرات التماثلية والحرارية على معدل النمو قيودًا على تاريخ الحياة.

النهج الأفضل هو النظر في معايير التفاعلات الحرارية لمعدل النمو والحجم عند النضج في سياق معيار التفاعل التنموي (المعنى Schlichting و Pigliucci ، 1998). معيار التفاعل التنموي (الشكل 5) هو وظيفة متعددة المتغيرات تربط تأثير درجة الحرارة على معدل النمو (سمة قابلة للتغير) بحجم الجسم المحدد للعمر (سمة ثابتة). على هذا النحو ، فإنه يوفر بعدًا جينيًا لدراسة العلاقات بين حجم درجة الحرارة. من خلال التركيز في وقت واحد على تطور معايير التفاعل الحراري لمعدل النمو والحجم عند النضج ، يتجنب المرء الافتراضات غير الضرورية حول القيود المفروضة على النمو الشائعة بين النظريات الحالية. علاوة على ذلك ، فإن نمذجة تطور معيار التفاعل التنموي يجبر المرء على مواجهة العوامل التي يتم تجاهلها بشكل شائع في نماذج تطور تاريخ الحياة ، بما في ذلك أدوار بعض القيود الوظيفية وعدم التجانس الحراري في تطور معايير التفاعل الحراري.

القيود الوظيفية على معايير التفاعل الحراري

القيود الوظيفية ، أو المفاضلات (المعنى Arnold ، 1992) ، له تأثير كبير على تطور معيار رد الفعل التنموي. نظرًا لأن النمو يتحدد بمعدلات الاستحواذ والاستيعاب والتخصيص ، يمكن أن تغير الحرارة الخارجية معدلات نموها من خلال آليات عديدة (على سبيل المثال ، انظر باين ، 2004). تتضمن كل آلية مقايضة معينة من شأنها أن تؤثر على ملاءمة الكائن الحي (Angilletta وآخرون.، 2003). على سبيل المثال ، يمكن أن تنمو الحرارة الخارجية بشكل أسرع من خلال تخصيص جزء أكبر من طاقتها المتاحة للنمو. نظرًا لأن هذه الزيادة في معدل النمو ستحدث على حساب وظائف الآخرين ، فإن الفرد سيعاني من انخفاض في الصيانة أو النشاط أو التكاثر (Stearns، 1992 Zera and Harshman، 2001). بدلاً من ذلك ، يمكن أن تنمو الحرارة الخارجية بشكل أسرع من خلال الحصول على طاقة إضافية ، وهذه الاستراتيجية ستلغي الحاجة إلى تحويل الموارد من الوظائف المتنافسة ، ولكنها من المحتمل أن تزيد من خطر الافتراس أو التطفل (Werner and Anholt ، 1993 Gotthard ، 2000). أخيرًا ، يمكن أن تنمو الحرارة الخارجية بشكل أسرع من خلال التخصص الحراري ، والذي يتضمن تغييرات في علم وظائف الأعضاء التي تحدد الكفاءة التي يتم بها استيعاب الموارد واستخدامها للنمو. ومع ذلك ، فإن التخصص من شأنه أن يزيد معدل النمو في بعض درجات الحرارة بينما يقلل معدل النمو في درجات حرارة أخرى (بينيت ولنسكي ، 1999 ياماهيرا وكونوفر ، 2002).

تؤكد نظريات التطور الحالية على بعض المفاضلات بينما تتجاهل البعض الآخر. تؤكد النماذج المصممة لشرح تطور العمر والحجم عند النضج على المفاضلات التي تنشأ عن تخصيص الطاقة للوظائف المتنافسة (Kozlowski ، 1992 Heino and Kaitala ، 1999) ، ولكن تم أيضًا مراعاة المفاضلات الناشئة عن الحصول على الموارد من أجل النمو ( جوتهارد ، 2001). على حد علمنا ، لم يتم النظر في المفاضلات المتعلقة بكل من الاستحواذ والتخصيص في وقت واحد ، وقد تم تجاهل المفاضلات المتعلقة بالتخصص الحراري تمامًا من قبل مؤرخي الحياة. وبالمثل ، فإن النماذج المصممة لشرح تطور معايير التفاعل الحراري للأداء الفسيولوجي ، مثل معدل النمو ، تؤكد على المفاضلات الناشئة عن التخصص الحراري ولكنها تتجاهل المقايضات الناشئة عن الاستحواذ والتخصيص (Huey and Kingsolver، 1993 Gilchrist، 1995). تشير ثروة من الأدلة المقارنة والتجريبية إلى أن جميع أنواع المقايضات الثلاثة تلعب أدوارًا مهمة في تشكيل معايير التفاعل الحراري (راجعها Angilletta وآخرون.، 2003). لذلك ، سيحتاج المنظرون إلى دمج هذه القيود الوظيفية في نظرية عامة لعلاقات حجم درجة الحرارة.

التركيز على التباين الطبيعي (المشترك)

تعتمد معايير التفاعل الحراري الأمثل لمعدل النمو على التباين الزمني في درجة حرارة البيئة والطريقة التي يساهم بها النمو في اللياقة. إذا كان النمو يساهم بشكل إضافي في اللياقة ، فإن المتخصصين الحراريين مفضلون في معظم أنماط التباين الزمني في درجة حرارة البيئة العامة ، ويفضل فقط في البيئات التي تختلف فيها درجة الحرارة بشكل كبير بين الأجيال وقليلًا خلال الأجيال (جيلكريست ، 1995). تمشيا مع هذا الاستنتاج ، يُفضل الاختصاصيون الحراريون إذا تغيرت درجة حرارة البيئة بشكل منهجي مع مرور الوقت (Huey and Kingsolver ، 1993). وبالتالي ، فإن كلا الاختلافين داخل الأجيال وفيما بينها يحددان معيار التفاعل الأمثل إذا كان النمو يساهم بشكل إضافي في اللياقة. إذا كان النمو مرتبطًا بالتسامح الحراري (وبالتالي يساهم بشكل مضاعف في اللياقة) ، فإن معيار التفاعل الحراري يتأثر أكثر بالتباين خلال الأجيال أكثر من الاختلاف بين الأجيال ، ويفضل المتخصصون الحراريون في البيئات الثابتة ويفضل المتخصصون الحراريون في البيئات المتغيرة (Lynch و Gabriel ، 1987). يمكن أيضًا تفضيل التأقلم مع معيار التفاعل الحراري إذا كانت البيئة تختلف مكانيًا أو زمنيًا (Gabriel and Lynch ، 1992). نظرًا لأن نمط الاختلاف البيئي يحدد كيفية عمل الانتقاء الطبيعي على معيار التفاعل الحراري لمعدل النمو ، فإن المهمة المهمة لعلماء الأحياء هي توصيف هذه الأنماط ودمجها في النظريات المصممة لفهم العلاقات بين درجة الحرارة وحجمها.

يمكن أن يؤدي التباين بين درجة الحرارة والمتغيرات البيئية الأخرى أيضًا إلى تشكيل معيار التفاعل التنموي. يمكن أن تكون درجة الحرارة المرتفعة بمثابة إشارة موثوقة لزيادة الموارد وبالتالي تشير إلى فرصة النمو السكاني (Atkinson وآخرون.، 2003). من ناحية أخرى ، إذا كانت درجات الحرارة المرتفعة مرتبطة عادة بندرة الموارد ، فقد لا تتحقق الطبيعة المحتملة للنمو الملحوظ في المختبر. يمكن أن يرتبط ارتفاع درجات الحرارة أيضًا بمخاطر أكبر للوفاة من خلال التغيرات في كثافة ونشاط الحيوانات المفترسة (على سبيل المثال ، انظر لامبيرت ، 1989). إذا كانت درجة الحرارة تتناسب مع وفرة الفرائس أو الحيوانات المفترسة بطريقة معينة ، فإن الانتقاء الطبيعي سيفضل معايير التفاعل التي تتمتع بأكبر قدر من الملاءمة في ظل هذه الظروف. هذه النقطة مهمة بشكل خاص لأن النظرية تتنبأ بأن زيادة الافتراس يجب أن يكون لها تأثيرات مباشرة وغير مباشرة على الحجم عند النضج (Abrams and Rowe ، 1996) التأثير المباشر هو انخفاض في الحجم لأن معدلات الوفيات المرتفعة تفضل النضج المبكر ، في حين أن التأثير غير المباشر هو زيادة في الحجم لأن الافتراس يقلل المنافسة بين الأنواع على الموارد. نظرًا لأن الموارد غالبًا ما تكون محدودة بطبيعتها ، فقد يتوقع المرء أن تتشكل معايير رد الفعل التنموي من خلال التأثيرات المباشرة وغير المباشرة للافتراس. يمكن لكسر التباين الطبيعي بين درجات الحرارة وتوافر الغذاء ومخاطر الافتراس أن يخلق حالة لا تحدث أبدًا في الطبيعة ، مما قد يؤدي إلى تفسير خاطئ للنتائج (برناردو ، 1998). الطريقة التي تتفاعل بها هذه المتغيرات لتحديد معايير التفاعل الحراري لمعدل النمو والحجم عند النضج (على سبيل المثال ، انظر Weetman and Atkinson، 2002) قد لا يكون له معنى إذا تجاهل المرء التباين الطبيعي. في الوقت الحالي ، لا نعرف سوى القليل جدًا عن هذا التباين في معظم مجموعات الحرارة الخارجية مما يشير إلى حاجة واضحة إلى إيلاء المزيد من الاهتمام للسياق الطبيعي الذي تطورت فيه العلاقات بين حجم درجة الحرارة.


علم الأحياء KS3 / 4: الحجم والحرارة

برايان كوكس: & # x27 تعتمد احتياجات الحيوانات والسلوكيات التي تعرضها جزئيًا على حجمها. العلاقة بين الحجم ومساحة السطح لها أهمية خاصة. هذه هي الخفافيش الجنوبية المنحنية ، وهي واحدة من أندر أنواع الخفافيش في أستراليا. كل مساء ، يخرجون بالآلاف من هذا الكهف & # x27

BRIAN COX: & # x27 من أجل التغذية. & # x27

بريان كوكس: & # x27 عندما نمت هذه الخفافيش بالكامل ، يبلغ طولها خمسة سنتيمترات ونصف فقط وتزن حوالي 18 جرامًا. بسبب حجمها ، فإنها تواجه صراعًا مستمرًا للبقاء على قيد الحياة. & # x27 الآن ، نستخدم كاميرا حرارية هنا للنظر إلى الخفافيش ، ويمكنك أن ترى أنها تظهر على شكل خطوط عبر السماء ،

بريان كوكس: إنها تبدو مشرقة مثلي ، وهذا & # x27s لأنها & # x27 هي نفس درجة الحرارة مثلي تقريبًا. هم & # x27re المعروفة باسم endotherms. هم & # x27re الحيوانات التي تحافظ على درجة حرارة أجسامهم. وهذا يتطلب الكثير من الجهد. يجب أن تأكل هذه الخفافيش شيئًا مثل ثلاثة أرباع وزن جسمها كل ليلة ،

بريان كوكس: يذهب الكثير من هذه الطاقة للحفاظ على درجة حرارتها. & # x27 كما هو الحال مع جميع الكائنات الحية ، تأكل الخفافيش لتوفير الطاقة اللازمة لعملية التمثيل الغذائي. على الرغم من أنهم ، مثلنا ، يعانون من ارتفاع في درجة حرارة الجسم عندما يكونون نشيطين ، فإن الحفاظ على الدفء يمثل تحديًا كبيرًا ، بسبب حجمهم. & # x27

بريان كوكس: & # x27 تفقد الخفافيش الحرارة في الغالب من خلال سطح أجسامها ، ولكن بسبب القوانين البسيطة التي تحكم العلاقة بين مساحة سطح الجسم وحجمه الصغير يخلق مشكلة. & # x27 لذا دعونا ننظر إلى كتلنا مرة أخرى ، ولكن هذه المرة لمساحة السطح في الحجم. هنا & # x27s شيء كبير.

بريان كوكس: إنها & # x27s مصنوعة من ثماني كتل ، لذا حجمها ثماني وحدات. ومساحة سطحه اثنان ، في اثنين على كل جانب ، بحيث يكون مضروبًا في ستة وجوه هو 24. إذن مساحة السطح إلى الحجم هي 24 إلى ثمانية

برايان كوكس: وهي 3 إلى 1.

بريان كوكس: الآن ، انظر إلى هذا الشيء الأصغر. هذه كتلة واحدة ، لذا فإن الحجم # x27s هو وحدة واحدة.

بريان كوكس: تبلغ مساحة سطحه واحدًا تلو الآخر بواحد وست مرات ، لذا فهو ستة أضعاف.

بريان كوكس: إذن تبلغ مساحة سطح هذا الجهاز ستة إلى واحد.

بريان كوكس: إذن ، بينما تنتقل من كبير إلى صغير ،

بريان كوكس: تزداد مساحة السطح إلى نسبة الحجم. & # x27 الحيوانات الصغيرة ، مثل الخفافيش ، لها مساحة كبيرة مقارنة بحجمها. نتيجة لذلك ، تفقد الحرارة بشكل طبيعي بمعدل مرتفع جدًا. للمساعدة في تعويض تكلفة فقدان الكثير من الطاقة على شكل حرارة ، تضطر الخفافيش إلى الحفاظ على معدل مرتفع من التمثيل الغذائي. & # x27

بريان كوكس: & # x27 يتنفسون بسرعة ، ويتسارع قلبهم الصغير ، وعليهم أن يأكلوا كمية كبيرة. & # x27 لذا ، يؤثر حجم الخفاش & # x27s بوضوح على السرعة التي يعيش بها حياته. & # x27 في جميع أنحاء العالم الطبيعي ، فإن الحجم الذي تتمتع به له تأثير عميق على معدل التمثيل الغذائي ، أو سرعة حياتك. & # x27 الحيوانات الكبيرة

بريان كوكس: مساحة سطحها أصغر بكثير إلى نسبة الحجم من الحيوانات الصغيرة وهذا يعني أن معدل فقدها للحرارة أقل بكثير. وهذا يعني أن هناك فرصة للحيوانات الكبيرة. لا يتعين عليهم تناول الكثير من الطعام للبقاء دافئين ، وبالتالي يمكنهم تحمل معدل التمثيل الغذائي المنخفض.

بريان كوكس: الآن ، هناك & # x27s واحدة أخيرة من كل هذه القوانين التي أظن أنك & # x27ll تهتم بها أكثر من أي شيء آخر. وهذا هو: هناك علاقة قوية بين معدل الأيض الخلوي الفعال للحيوان ، وعمره. بمعنى آخر ، كلما كبرت الأشياء ، تميل إلى العيش لفترة أطول.

يستكشف البروفيسور برايان كوكس العلاقة بين حجم جسم الكائن الحي ومعدل الأيض.

ويوضح أن الحيوانات الصغيرة لديها نسبة سطح أكبر إلى الحجم مقارنة بالحيوانات الأكبر حجمًا. هذا يعني أنهم يفقدون الحرارة بمعدل أسرع بكثير.

لمكافحة هذا ، تُجبر الحيوانات الصغيرة على الحفاظ على معدل أيض عالٍ ، للحفاظ على درجة حرارة ثابتة للجسم ، ينبض قلبها بوتيرة أسرع وتتنفس بشكل أسرع ، لأن مثل هذه الحيوانات الصغيرة لا تميل إلى العيش لفترة طويلة.

هذا المقطع من سلسلة عجائب الحياة.

ملاحظات المعلم

يمكن استخدام هذا المقطع للنظر في كيفية تحديد حجم الحيوان لمعدل الأيض ، والذي بدوره يحدد مدى عمره. يمكن تحديد ذلك من خلال توفير بيانات عن الحيوانات بحيث يمكن حساب مساحة سطحها إلى نسبة الحجم ويمكن تحديد الارتباط أو التنبؤ به بناءً على مدى عمره.

ملاحظات المناهج

سيكون هذا المقطع مناسبًا لتدريس علم الأحياء في KS3 و KS4 / GCSE في إنجلترا وويلز وأيرلندا الشمالية و SQA National 3/4/5 في اسكتلندا.


نتائج ومناقشة

النوع ثنائي القطب هو تصنيف يحدث في كلا القطبين ولا يحدث في خطوط العرض المتداخلة (الشكل 2).أ). قارنا أعداد الأصناف الموزعة ثنائي القطب المرصودة مقابل أعداد الأصناف الموزعة ثنائية القطب المتوقعة بناءً على نموذج فارغ. لتقييم النموذج الفارغ ، استخدمنا عملية عشوائية متكررة لمصفوفة للحصول على العدد المتوقع من الأصناف الموزعة ثنائية القطب. بدءًا من الأصناف حسب مصفوفة العينة لمثيلات حدوث الأصناف في عينة (أي ، التهم) ، قامت عملية التوزيع العشوائي بتبديل التعداد بين الأصناف والعينات دون استبدال ، مع الاحتفاظ بثبات عدد التهم لكل عينة والوفرة المطلقة لـ كل نوع في جميع العينات. تم التحكم في هذه العملية من أجل تصميم العينات ووفرة الأصناف ، وعادت النتائج المتوقعة إذا كان السكان لديهم تشتت غير محدود وخالية من ضغوط الاختيار. من المحتمل أن يلعب الاختيار البيئي دورًا مهمًا في هيكلة مجموعات الميكروبات البحرية ، ولكن من خلال المقارنة الاستراتيجية للتوقعات والملاحظات الفارغة عبر التدرجات البيئية ، يمكننا استخدام هذا الحد الأدنى من التوقعات الفارغة لتسليط الضوء على الأهمية النسبية للحد من التشتت والاختيار. من خلال مقارنة السكان في بيئات متشابهة بشكل انتقائي بشكل متزايد على مسافات كبيرة بشكل متزايد ، يمكن للمرء أن يميز بين التوزيعات التي تم إنشاؤها بموجب مبدأ BB ، والنموذج الذي يلعب فيه التشتت المحدود دورًا (أي أن كل شيء ليس في كل مكان ، وتختار البيئة).

الأنماط الجغرافية الحيوية العالمية غير العشوائية للبكتيريا البحرية السطحية. (أ) رسم تخطيطي لتوزيع الأصناف ثنائية القطب ، حيث توجد الأصناف فقط فوق المناطق شبه الاستوائية على جانبي خط الاستواء. طاولة (حق) يقارن الأصناف الموزعة ثنائي القطب المرصودة مقابل الأنواع المتوقعة. (ب) رسم تخطيطي لتوزيع الأصناف المزدوجة. يتم عرض عدد الأصناف المزدوجة المرصودة والمتوقعة ونسبة الأصناف المزدوجة الملاحظة إلى المتوقعة في الرسم البياني (حق). (ج) رسم توضيحي تخطيطي لتوزيع الأصناف غير المتكافئة في نصف الكرة الأرضية ، حيث تظهر الأصناف فقط فوق خط عرض حدودي في نصف الكرة الأرضية المحدد. The numbers of observed, expected, and the ratio of observed-to-expected hemisphere-asymmetrical taxa are shown in the graph (حق). All expected numbers of taxa and ص values were obtained from null-simulation (i.e., random-distribution) based matrix randomization processes with 1,000 iterations.

Linear regression statistics on median latitudinal ranges and latitude, and median SST ranges and SST

We first summarized the distributions of bipolar distributed taxa in a collection of 1,000 shuffled matrices at latitudinal increments of 5° above 55°. The numbers of observed bipolar distributed taxa at absolute values of 55° and 60° fell within the expected bipolar distributed taxon values from the null model (Fig. 2أ). In contrast, we observed fewer bipolar-distributed taxa (Table S1 provides their taxonomy) at absolute latitudes 65° or 70° than expected, consistent with a biogeographical pattern characterized by limited dispersal (Fig. 2أ). This pattern of increasing divergence from expectation as environments became more distant and more selectively similar was a consistent feature in our results.

Our observed bacterial bipolarity led us to measure whether “paired-taxon” distributions also deviated from the null model. Under our definition, a paired taxon is one that occurred in both hemispheres at or higher than an absolute boundary latitude, without regard to the taxon’s occurrence between these latitudes. By this definition, all bipolar taxa at each boundary latitude are paired taxa, but many paired taxa are not bipolar taxa. First, we counted the numbers of observed paired taxa at latitudinal increments of 5° above 20°, and then compared this number to the number of expected paired taxa by using the same iterative matrix randomization process described earlier. At all examined latitudes, we observed significantly fewer paired taxa than expected under the null model (Fig. 2ب). The ratios of observed to expected paired taxa decreased sharply from 0.35 to 0.11 toward higher boundary latitudes (Fig. 2ب, red line). This incremental divergence from 1:1 in the ratio of observed to expected paired taxa as habitats became further apart and more selectively similar suggested an increasing barrier to dispersal over increasing latitudinal distance.

We also explored a hemisphere-asymmetrical taxon distribution (Fig. 2ج), whereby taxa only occurred poleward of an absolute boundary latitude in one hemisphere and were excluded from other latitudes. After using the same iterative matrix randomization process, we observed more hemisphere-asymmetrical taxa than expected under the null hypothesis. If one assumes that environmental characteristics of the two hemispheres at similar latitudes are comparable (Fig. S1), this result suggested that tropical/subtropical provinces may serve as barriers to dispersal of marine microbial taxa. Also, we noted that the ratio of observed to expected hemisphere-asymmetrical taxa diverged strongly from one with increasing boundary latitude (Fig. 2ج). This pattern diverged from expectations under the BB tenet and further supported the notion that as distances between selectively similar habitats increase, dispersal between them is increasingly rare.

Our study is one of few (20 ⇓ ⇓ –23) that address large-scale gradients in diversity. The observations of a latitudinal gradient in bacterial diversity (22, 23) with higher latitudes being less diverse than lower latitudes (Fig. 3 and Dataset S1) reinforce the concept that bacteria display biogeographical patterns (24). Interestingly, the Southern hemisphere exhibited a steeper diversity gradient than did the Northern hemisphere (Fig. 3). Recently, Ghiglione et al. (25), found a nonsignificant latitudinal gradient in bacterial diversity however, our more comprehensive dataset supported a significant latitudinal gradient. Variability in the slope of latitudinal diversity gradients (26) in the Southern vs. the Northern hemisphere also supported hemisphere-asymmetrical distributions, suggesting that the tropics may serve as a barrier to bacterial dispersal.

A latitudinal gradient in marine epipelagic bacterial diversity. We calculated bacterial richness by using parametric methods implemented in the CatchAll program (44). Pearson correlation ص values were between natural log-transformed estimated richness values and absolute latitudes. A similar correlation was obtained with richness estimation with normalized datasets (subsampling to minimum numbers of reads). Our correlation values between latitude and estimated richness were also similar to those from previous amplified ribosomal intergenic spacer analysis results (23) with 100 data points at 57 locations (Pearson ص = −0.422).

We looked over latitudinal range sizes to see if the Rapoport rule (27) explained the observed bacterial latitudinal diversity gradient. By measuring each OTU's latitudinal range size (i.e., the ranges between the northernmost latitude and southernmost latitude where an OTU occurred), we found that overall bacterial latitudinal ranges conformed to the Rapoport rule (i.e., narrower median latitudinal taxon range sizes occurred at lower absolute latitudes than at higher absolute latitudes Fig. 4 and Fig. S2). Closer inspection of latitudinal range sizes of individual OTUs by phylum (or, in the case of Proteobacteria, by class), revealed that bacterial OTUs belonging to the phylum Bacteroidetes, Cyanobacteria, and the α-, β-, and γ-classes of Proteobacteria showed that OTUs in these groups have broader habitat ranges at higher latitudes than those compared with lower latitudes (Fig. 4, Fig. S2, and Table 1). OTUs assigned to Firmicutes, Chlamydiae, Chloroflexi, Planctomycetes, and ɛ-Proteobacteria, however, did not conform to the Rapoport rule, showing less significant or nonsignificant correlations between latitudinal range and latitude (Fig. 4, Fig. S2, and Table 1). Some genera of Chloroflexi and Firmicutes are capable of forming spores, and therefore it is possible that these taxa may passively (or stochastically) disperse as propagules. The oceans are fully connected through thermohaline circulation on the time scale of ∼1,000 to 2,700 y (28), and, therefore, if these propagules can remain viable during that time period, the few spore-forming taxa may truly disperse globally, even through environments hostile to their reproductive success.

Limited bacterial latitudinal ranges by taxonomic group. Relationship between bacterial latitudinal range sizes and latitude to test conformation to the Rapoport rule. Each point represents a median latitudinal range for each sample with taxa of a given taxonomy (ن = numbers of taxa used in the calculation “slope” indicates slope of linear regression).

These phylum- or class-level differences in the latitudinal range sizes of OTUs implicate characteristics such as morphology, size, and fitness to new environments, as drivers for new colonization via dispersal, extinction (i.e., narrow-range taxa possess higher extinction rates), and, ultimately, biogeographical patterns. Obviously, phylum and class taxonomic levels were coarse groupings to examine however, it is noteworthy that trends of bacterial latitudinal range sizes deviated by even these taxonomic groupings and thus finer taxonomic levels such as species-specific groupings may yield further insights.

OTUs in abundant taxa—for instance, α- and γ-Proteobacteria in the epipelagic zone—tended to distribute more widely across datasets and had broader latitudinal range sizes however, not all abundant OTUs exhibited broad latitudinal range sizes (Fig. S3). We hypothesize that very abundant bacteria may migrate to or emigrate from adjacent regions through passive transport (19, 29). Thus, latitudinal gradients in diversity and latitudinal range size differences of OTUs by phylum (or class) or by abundance suggest nonuniform bacterial distributions and dispersal capability (30) driven by passive processes or by fine-scale sensitivity to different environmental factors.

We also measured temperature range sizes of OTUs along with temperature to test how contemporary environmental factors related to bacterial distribution patterns. Temperature range sizes often mirrored latitudinal range sizes as a result of strong correlations between temperature and absolute latitude (Fig. S1), with some exceptions i.e., bipolar-distributed taxa had broad latitudinal and narrow temperature range sizes. Bacteria at higher temperatures (likely at lower absolute latitudes) exhibited narrower median temperature ranges than those at lower temperature (likely at higher absolute latitudes Fig. 5 and Fig. S4). Temperature range sizes of OTUs in Actinobacteria, Bacteroidetes, Deferribacteres, and Verrucomicrobia did not correlate with temperature gradients even though their latitudinal range sizes conformed to the Rapoport rule (Table 1). This discrepancy, conformation to the Rapoport rule with no correlation between temperature range sizes and temperature (i.e., Bacteroidetes, Cyanobacteria Figs. 4 and 5), suggested that latitudinal distances (dispersal limitation as a component of deterministic processes) and current environmental conditions (species sorting) are bona fide factors that affect contemporary bacterial biogeography.

Limited bacterial temperature ranges by taxonomic group. Relationship between bacterial temperature range sizes and temperature to see if broader mean temperature range sizes were measured in colder locations than in moderate or warmer locations. Each point represents the median temperature range for each dataset with taxa of a given taxonomy (ن = numbers of taxa used in the calculation “slope” indicates slope of linear regression).

We suggest that contemporary environmental factors and historical events, including dispersal limitation, drive the biogeography of epipelagic marine bacteria. The driving forces for current epipelagic marine bacterial biogeography likely include environmental differences, e.g., in temperature and water mass composition (31), but also likely include differential dispersal, e.g., connectivity among communities as a result of ocean currents and physical barriers such as the landlocked nature of the Arctic Ocean. A recent study (25) suggested that environmental selection is the primary driver in differentiating epipelagic bacterial community composition between polar regions, that is, the environmental differences between the Arctic and Southern Ocean. However, here we demonstrate that stochastic processes likely play a role in global bacterial biogeography (32, 33). Our data show that observations become increasingly divergent from expectations with increasingly selectively similar but increasingly distant environments this strongly suggests that dispersal limitation is playing an important role before environmental selection is making a difference. Our data also have important implications for microbial allopatric speciation (34) among bipolar species separated by a tropical barrier even though they exist in the high connectivity of the epipelagic zone. Understanding microbial distributions has important implications for climate change, as microbes drive major biogeochemical cycles (35) in the oceans. A growing concern is that increases in water temperature in temperate and polar provinces could lead to the decline of microbial diversity restricted to colder temperatures, including so-called bipolar species. Therefore, perturbations in microbial biogeography may serve as sentinels to irreversible change in the environment, particularly the global ocean.


Climate change could affect symbiotic relationships between microorganisms and trees

Some fungi and bacteria live in close association, or symbiosis, with tree roots in forest soil to obtain mutual benefits. The microorganisms help trees access water and nutrients from the atmosphere or soil, sequester carbon, and withstand the effects of climate change. In exchange, they receive carbohydrates, which are essential to their development and are produced by the trees during photosynthesis.

More than 200 scientists from several countries, including 14 from Brazil, collaborated to map the global distribution of these root symbioses and further the understanding of their vital role in forest ecosystems. They identified factors that determine where different kinds of symbionts may emerge and estimated the impact of climate change on tree-root symbiotic relationships and hence on forest growth.

They concluded that the majority of ectomycorrhizal trees will decline by as much as 10% if emissions of carbon dioxide (CO2) proceed unabated until 2070, especially in cooler parts of the planet. Ectomycorrhizae are a form of symbiotic relationship that occurs between fungal symbionts and the roots of various plant species.

The authors of the study, featured on the cover of the May 16 issue of طبيعة سجية, included Brazilian researchers Carlos Joly and Simone Aparecida Vieira, both professors at the University of Campinas (UNICAMP) and coordinators of the São Paulo Research Foundation - FAPESP Research Program on Biodiversity Characterization, Conservation, Restoration and Sustainable Use, as well as plant ecologist Luciana Ferreira Alves, now at the University of California, Los Angeles (UCLA) in the United States.

"We've long known that root-microorganism symbiosis is key to enable certain tree species to survive in areas where the soil is very poor and nutrients are released slowly by the decomposition of organic matter. The mapping survey helps us understand the distribution of these relationships worldwide and the factors that determine them," Vieira told.

The researchers focused on mapping three of the most common groups of tree-root symbionts: arbuscular mycorrhizal fungi, ectomycorrhizal fungi, and nitrogen-fixing bacteria. Each group comprises thousands of species of fungi or bacteria that form unique partnerships with different tree species.

Thirty years ago, botanist David Read, Emeritus Professor of Plant Science at the University of Sheffield in the United Kingdom and a pioneer of symbiosis research, drew maps to show locations around the world where he thought different symbiotic fungi might reside based on the nutrients they provide to fuel tree growth.

Ectomycorrhizal fungi provide trees with nitrogen directly from organic matter, such as decaying leaves, so Read proposed that these fungi would be more successful in forests with cooler and drier seasonal climates, where decomposition is slow and leaf litter is abundant.

In contrast, Read argued, arbuscular mycorrhizal fungi should dominate in the tropics, where tree growth is limited by soil phosphorus and the warm, wet climate accelerates decomposition.

More recently, research by other groups has shown that nitrogen-fixing bacteria seem to thrive most in arid biomes with alkaline soil and high temperatures.

These hypotheses have now become testable thanks to the data gathered from large numbers of trees in various parts of the globe and made available by the Global Forest Biodiversity Initiative, an international consortium of forest scientists.

In addition to Joly and Vieira, the Brazilian members of GFBI include Pedro Henrique Santin Brancalion and Ricardo Gomes César, researchers at the University of São Paulo (USP) UNICAMP's Gabriel Dalla Colletta Daniel Piotto, Federal University of Southern Bahia (UFSB) André Luis de Gasper, University of Blumenau (FURB) Jorcely Barroso and Marcos Silveira, Federal University of Acre (UFAC) Iêda Amaral and Maria Teresa Piedade, National Institute of Amazon Research (INPA) Beatriz Schwantes Marimon, University of Mato Grosso (UNEMAT) and Alexandre Fadigas de Souza, Federal University of Rio Grande do Norte (UFRN).

In recent years, GFBI-affiliated researchers have built a database comprising information from more than 1.1 million forest plots and have inventoried 28,000 tree species. They surveyed actual trees located in over 70 countries on every continent except Antarctica.

The inventories also contain information on soil composition, topography, temperature and carbon storage, among other items.

"The plots inventoried by researchers linked to BIOTA-FAPESP are located in areas of Atlantic rainforest, including the northern coast of São Paulo State, such as Caraguatatuba, Picinguaba, Cunha and Santa Virgínia, and the southern coast of the state, such as Carlos Botelho and Ilha do Cardoso," Joly said. "We also inventoried a substantial part of the Amazon region via projects in collaboration with other groups."

Data on the locations of 31 million trees from this database, along with information on the symbionts associated with them, were fed by the GFBI team into a computer algorithm that estimated the impacts of climate, soil chemistry, vegetation and topography, among other variables, on the prevalence of each type of symbiosis.

The analysis suggested that climate variables associated with organic decomposition rates, such as temperature and moisture, are the main factors influencing arbuscular mycorrhizal and ectomycorrhizal symbioses, while nitrogen-fixing bacteria are likely limited by temperature and soil acidity.

"Climate changes occurring in the Northern Hemisphere may displace ectomycorrhizal fungi to other regions, leading to a drastic reduction in the density of these symbiotic relationships or their total loss," Vieira said.

"This can affect nutrient cycling and above all carbon fixation, which depends on these symbiotic associations if forest vegetation is to absorb nutrients that are scarce or not available in the requisite form."

Effects of climate change

To gauge the vulnerability of global symbiosis levels to climate change, the researchers used their mapping survey to predict how symbioses may change by 2070 if carbon emissions continue unabated.

The projections indicated a 10% reduction in ectomycorrhizal fungi and hence in the abundance of trees associated with these fungi, corresponding to 60% of all trees.

The researchers caution that this loss could lead to more CO2 in the atmosphere because ectomycorrhizal fungi tend to increase the amount of carbon stored in the soil.

"CO2 limits photosynthesis, and an increase in atmospheric carbon could have a fertilization effect. Faster-growing plant species may be able to make better use of this rise in CO2 availability in the atmosphere than slower-growing plants, potentially leading to species selection. However, this remains to be seen," Joly said.

The researchers are also investigating the likely impact of increased atmospheric CO2 and global warming on plant development. Plants must expend more resources on respiration in a warmer climate, so photosynthesis will accelerate. What the net outcome of this growth effect will be is unclear, according to the researchers.

"These questions regarding tropical forests are still moot. Continuous monitoring of permanent forest plots will help us answer them," Joly said.

About São Paulo Research Foundation (FAPESP)

The São Paulo Research Foundation (FAPESP) is a public institution with the mission of supporting scientific research in all fields of knowledge by awarding scholarships, fellowships and grants to investigators linked with higher education and research institutions in the State of São Paulo, Brazil. FAPESP is aware that the very best research can only be done by working with the best researchers internationally. Therefore, it has established partnerships with funding agencies, higher education, private companies, and research organizations in other countries known for the quality of their research and has been encouraging scientists funded by its grants to further develop their international collaboration. You can learn more about FAPESP at http://www. fapesp. br/ en and visit FAPESP news agency at http://www. agencia. fapesp. br/ en to keep updated with the latest scientific breakthroughs FAPESP helps achieve through its many programs, awards and research centers. You may also subscribe to FAPESP news agency at http://agencia. fapesp. br/ subscribe.

تنصل: AAAS و EurekAlert! ليست مسؤولة عن دقة النشرات الإخبارية المرسلة إلى EurekAlert! من خلال المؤسسات المساهمة أو لاستخدام أي معلومات من خلال نظام EurekAlert.


شاهد الفيديو: Bakterije nisu krive-Zapaljenje i visoka temperatura tela su naš blagoslov (كانون الثاني 2023).