Nasze rosnące zrozumienie ekstremofilów na Ziemi otworzyło nowe możliwości w astrobiologii. Naukowcy ponownie przyglądają się światom ubogim w zasoby, które wyglądały, jakby nigdy nie były w stanie utrzymać życia. Jeden zespół naukowców bada region Meksyku ubogi w składniki odżywcze, aby spróbować zrozumieć, w jaki sposób organizmy rozwijają się w trudnych warunkach.
Naukowcy pracowali w regionie Meksyku zwanym Cuatro Ciénegas Basin. Około 43 milionów lat temu basen był płytkim morzem, dopóki nie został odizolowany od Zatoki Meksykańskiej. Jest to region charakterystyczny, ponieważ jest ubogi w składniki odżywcze i żyje w nim drobnoustroje wodne o starożytnym pochodzeniu.
Głównym autorem nowego badania jest Jordan Okei z School of Earth and Space Exploration w Arizonie. Tytuł badania brzmi: „Adaptacje genomowe w przetwarzaniu informacji stanowią podstawę strategii troficznej w eksperymencie wzbogacania składników odżywczych w całym ekosystemie”. Jest opublikowany w czasopiśmie eLIFE.
Badanie koncentruje się na genomie organizmu i jego podstawowych aspektach, takich jak rozmiar organizmu, sposób, w jaki koduje informacje oraz gęstość informacji. Naukowcy badali, w jaki sposób te cechy pozwalają organizmowi rozwijać się w ekstremalnym środowisku, takim jak w Cuatro Ciénegas Basin. W pewnym sensie basen jest analogiem dla wczesnej Ziemi lub starożytnego mokrego Marsa.
„Obszar ten jest tak ubogi w składniki odżywcze, że wiele jego ekosystemów jest zdominowanych przez drobnoustroje i może mieć podobieństwa do ekosystemów z wczesnej Ziemi, a także do wcześniejszych wilgotniejszych środowisk na Marsie, które mogły wspierać życie”, powiedział główny autor Okie.
Wszystko, co robi organizm, wiąże się z pewnymi kosztami, a organizmy dokonują wielu kompromisów, gdy prowadzą działalność. Te kompromisy wpływają na wydajność przetwarzania informacji biochemicznych organizmu. Organizm, który przystosował się i ewoluował w środowisku ubogim w składniki odżywcze, mógł nie „zainwestować” w zdolność do wykorzystywania dużych ilości zasobów do replikacji.
Taka była hipoteza zespołu i opracowali eksperymenty, aby to zbadać.
Profesor nadzwyczajny Christopher Dupont z J. Craig Venter Institute jest starszym autorem tego opracowania. W komunikacie prasowym Dupont powiedział: „Postawiliśmy hipotezę, że mikroorganizmy występujące w środowiskach oligotroficznych (o niskiej zawartości składników odżywczych) z konieczności polegałyby na strategiach o niskim zużyciu zasobów w zakresie replikacji DNA, transkrypcji RNA i translacji białka. I odwrotnie, środowisko kopiotroficzne (o wysokiej zawartości składników odżywczych) preferuje strategie wymagające dużych zasobów. ”
Eksperyment obejmował utworzenie tak zwanych „mezokosmów”, miniaturowych ekosystemów. Organizmy były następnie karmione podwyższonym poziomem nawozu zawierającego azot i fosfor. Te pierwiastki stymulowały wzrost mikroorganizmów w mezokosmosie. Pod koniec eksperymentu sprawdzili, jak społeczność organizmów reaguje na zwiększone składniki odżywcze, w porównaniu do grup kontrolnych.
W swoich badaniach autorzy skupili się na czterech cechach rządzących zdolnością organizmu do przetwarzania informacji biologicznej w komórkach:
- Wielość genów niezbędnych do biosyntezy białek: kopiotrofy lub organizmy przystosowane do środowisk bogatych w składniki odżywcze powinny mieć większą liczbę genów, które przyczyniają się do szybszego wzrostu. Ale istnieje kompromis: są niekorzystne w środowiskach ubogich w składniki odżywcze, a ich wyższy wskaźnik replikacji może w efekcie obniżyć ich efektywność wzrostu.
- Rozmiar genomu: Organizm o mniejszym genomie potrzebuje mniej zasobów do replikacji i ma mniejszy rozmiar komórki. Organizmy te mogą szybciej reagować na warunki ubogie w składniki odżywcze po czasie względnej obfitości składników odżywczych.
- Zawartość guaniny i cytozyny: Guanina i cytozyna są zasadami nukleotydowymi. Naukowcy nie są do końca pewni, dlaczego, ale organizmy z wysokim poziomem GC w genomie prawdopodobnie lepiej sobie radzą w środowiskach bogatych w zasoby, być może dlatego, że GC są droższe w produkcji. Tak więc organizmy o niższej zawartości GC mogą działać lepiej w środowiskach ubogich w zasoby.
- Błąd w używaniu kodonów: Kodony są sekwencjami tripletów nukleotydowych DNA lub RNA. Kodony określają, który aminokwas należy dodać podczas syntezy białka. Wiele różnych kodonów może kodować aminokwas, ale w środowisku bogatym w składniki odżywcze kodony, które szybciej zużywają zasoby, powinny być stronnicze w stosunku do swoich odpowiedników.
To badanie jest inne, ponieważ analizuje wszystkie cztery z tych cech, podczas gdy poprzednie badania koncentrowały się tylko na jednej lub dwóch z nich. W tym badaniu analizuje się także, jak te cechy działają w społeczności, podczas gdy poprzednie badania obejmowały różne podejścia. Jak mówią w swoim artykule: „Nasze badanie jest godne uwagi jako jeden z pierwszych eksperymentów obejmujących cały ekosystemreplikowane na poziomie eksperymentu oceny metagenomiczne reakcji społeczności. ”
„To badanie jest wyjątkowe i potężne, ponieważ bierze pomysły z badań ekologicznych dużych organizmów i stosuje je do społeczności mikroorganizmów w eksperymencie całego ekosystemu.”
Starszy autor Jim Elser, ASU School of Life Sciences
Eksperyment trwał 32 dni i miał miejsce w stawie Lagunita w dorzeczu Cuatro Ciénegas. W tym czasie naukowcy przeprowadzili monitorowanie w terenie, pobieranie próbek i rutynową chemię wody.
Wyniki były zgodne z hipotezą: mezokosmosy zostały zdominowane przez organizmy o większej zdolności do wykorzystania zwiększonych składników odżywczych w replikacji. Grupy kontrolne były zdominowane przez gatunki, które mogły przetwarzać informacje biologiczne przy obniżonych kosztach.
„To badanie jest wyjątkowe i potężne, ponieważ bierze pomysły z badań ekologicznych dużych organizmów i stosuje je do społeczności mikroorganizmów w eksperymencie całego ekosystemu” - powiedział starszy autor Jim Elser z School of Life Sciences ASU. „W ten sposób mogliśmy, być może po raz pierwszy, zidentyfikować i potwierdzić, że istnieją podstawowe cechy genomowe związane z systematyczną reakcją drobnoustrojów na status składników odżywczych w ekosystemie, bez względu na tożsamość gatunkową tych drobnoustrojów.”
Wyniki tego badania mówią nam coś o tym, jak życie może funkcjonować w ekstremalnych i / lub ubogich w składniki odżywcze środowiskach na innych światach. Gdziekolwiek znajduje się organizm, musi mieć precyzyjnie dostrojone możliwości przetwarzania informacji biologicznej, które mogą wykorzystywać kluczowe zasoby w ich środowisku. A środowiska, w których się znajdą, określą, jakie są.
„Jest to bardzo ekscytujące, ponieważ sugeruje, że istnieją reguły życia, które powinny mieć ogólne zastosowanie do życia na Ziemi i poza nią”, powiedział Okie.
Więcej:
- Informacja prasowa: Zasady życia: od stawu do zaświatów
- Artykuł badawczy: Adaptacje genomowe w przetwarzaniu informacji stanowią podstawę strategii troficznej w eksperymencie wzbogacania składników odżywczych w całym ekosystemie
- Powiązane badania: Zgromadzenie społeczności bakteryjnej oparte na genach funkcjonalnych, a nie gatunkach
