A Földön az extrémofilek növekvő megértése új lehetőségeket nyitott meg az asztrobiológiában. A tudósok újabb pillantást vetnek az erőforrás-szegény világokra, amelyek úgy tűnt, mintha soha nem tudnák támogatni az életet. Az egyik kutatócsoport Mexikó tápanyag-szegény régióját tanulmányozza annak megértése érdekében, hogy az organizmusok miként fejlődnek kihívásokkal teli környezetben.
A kutatók Mexikó egyik Cuatro Ciénegas-medence nevű régiójában dolgoztak. Körülbelül 43 millió évvel ezelőtt a medence sekély tenger volt, amíg el nem izolálódott a Mexikói-öböltől. Különleges régió, mivel tápanyag-szegény és ősi őseivel rendelkező vízi mikrobák otthona.
Az új tanulmány vezető szerzője Jordan Okei az Arizonai Állami Egyetem Föld- és Űrkutatási Iskolájából. A tanulmány címe: „Az információfeldolgozásban alkalmazott genomi adaptációk támasztják alá a trofikus stratégiát egy teljes ökoszisztéma tápanyag-dúsító kísérletben.” Ezt az eLIFE folyóiratban tették közzé.
A tanulmány egy szervezet genomjára és annak alapvető szempontjaira összpontosít, például a szervezet méretére, az információ kódolásának módjára és az információ sűrűségére. A kutatók azt vizsgálták, hogy ezek a tulajdonságok miként teszik lehetővé a szervezetnek a szélsőséges környezetben való virágzását, mint például a Cuatro Ciénegas-medencében. Bizonyos értelemben a medence analóg a korai Föld vagy az ősi, nedves Mars számára.
"Ez a terület annyira tápanyag-tartalmú, hogy sok ökoszisztémájában mikrobák uralkodnak, és hasonlóságok lehetnek az ökoszisztémákkal a korai Földtől, valamint a Mars korábbi nedves környezetével, amelyek támogatták az életet" - mondta Okie vezető szerző.
Mindent meg kell fizetni, amit egy szervezet csinál, és az organizmusok sok kompromisszumot csinálnak, amikor üzleti tevékenységüket folytatják. Ezek a kompromisszumok befolyásolják a szervezet biokémiai információfeldolgozásának hatékonyságát. Előfordulhat, hogy egy szervezet, amely alkalmazkodott a tápanyagszegény környezethez és fejlődött ki abban a helyzetben, hogy nagy mennyiségű erőforrást használjon önmaga replikálására.
Ez volt a csapat hipotézise, és kísérleteket dolgoztak ki annak vizsgálatára.
Christopher Dupont, a J. Craig Venter Intézet egyetemi docens, a tanulmány vezető szerzője. Dupont sajtóközleményében elmondta: „Feltételeztük, hogy az oligotróf (alacsony tápanyagú) környezetben található mikroorganizmusok szükségszerűen kevés forrású stratégiákra támaszkodnak a DNS replikációjára, az RNS transzkripciójára és a fehérje transzlációjára. Ezzel szemben egy kopiotróf (magas tápanyagú) környezet az erőforrás-igényes stratégiákat részesíti előnyben. ”
A kísérlet magában foglalta az úgynevezett „mezokoszmusok”, miniatűr ökoszisztémák felállítását. Ezután az organizmusokat megnövekedett nitrogén- és foszfortartalmú műtrágya táplálékkal táplálták. Ezek az elemek serkentik a mezokoszmákban levő mikroorganizmusok növekvő növekedését. A kísérlet végén megvizsgálták, hogyan reagál a szervezetek közössége a megnövekedett tápanyagokra, összehasonlítva a kontroll csoportokkal.
Tanulmányaikban a szerzők négy olyan tulajdonságra összpontosítottak, amelyek szabályozzák az organizmusok képességét biológiai információk feldolgozására a sejtekben:
- A fehérjék bioszintéziséhez nélkülözhetetlen gének sokszínűsége: A kopiotrófoknak, vagy a tápanyagban gazdag környezethez adaptált szervezeteknek nagyobb számú gént kell tartalmazniuk, amelyek hozzájárulnak a nagyobb növekedési sebességhez. De van egy kompromisszum: hátrányos helyzetben vannak a tápanyagszegény környezetben, és magasabb replikációs arányuk csökkentheti növekedési hatékonyságukat.
- Genomméret: Egy kisebb genommal rendelkező szervezetnek kevesebb erőforrásra van szüksége a replikációhoz, és kisebb sejtmérettel rendelkezik. Ezek az organizmusok gyorsabban reagálhatnak a tápanyagszegény körülményekre a tápanyagok relatív bőségének időtartama után.
- Guanin és citozin tartalom: A guuanin és a citozin nukleotid bázisok. A tudósok nem tudják pontosan, miért, de a genomjukban magas GC-szintű szervezetek valószínűleg jobban teljesítenek erőforrásban gazdag környezetben, talán azért, mert a GC előállítása „drágább”. Tehát az alacsonyabb GC-tartalmú organizmusok jobban teljesítenek erőforrás-szegény környezetben.
- Kodonhasználati torzítás: A kodonok a DNS vagy RNS nukleotid hármasai szekvenciái. A kodonok meghatározzák, mely aminosavat kell hozzáadni a következő fehérje szintézis során. Számos különböző kodon kódolhatja az aminosavat, de tápanyagban gazdag környezetben az erőforrásokat gyorsabban használó kodonokat el kell torzítani társaik felett.
Ez a tanulmány annyiban különbözik, hogy mind a négy tulajdonságot vizsgálja, míg a korábbi tanulmányok ezek közül csak egyre vagy kettőre koncentráltak. Ez a tanulmány azt is megvizsgálja, hogy ezek a tulajdonságok hogyan működnek egy közösségben, míg a korábbi tanulmányok eltérő megközelítést alkalmaztak. Mint mondják papírjukban: „Vizsgálatunk figyelemre méltó, mivel az egyik első teljes ökoszisztéma-kísérletkísérleti szint replikált a közösségi válasz metagenomikus értékelése. ”
"Ez a tanulmány egyedülálló és hatalmas, mivel ötleteket vesz át a nagy organizmusok ökológiai vizsgálatából, és alkalmazza azokat a mikrobiális közösségekre egy teljes ökoszisztéma-kísérlet során."
Jim Elser, az ASU Élettudományi Iskola vezető szerzője
A kísérlet 32 napig tartott, és a Cuatro Ciénegas-medence Lagunita tavacskájában zajlott. Ezen idő alatt a kutatók terepi megfigyelést, mintavételt és rutinszerű vízkémiai vizsgálatokat végeztek.
Az eredmények összhangban álltak a hipotézissel: a mezokoszmák olyan szervezetek domináltak, amelyek nagyobb képességgel bírnak arra, hogy a megnövekedett tápanyagokat felhasználják a replikációban. A kontrollcsoportokban olyan fajok domináltak, amelyek csökkentett költségekkel tudják feldolgozni a biológiai információkat.
"Ez a tanulmány egyedülálló és hatalmas, mivel a nagy organizmusok ökológiai vizsgálatából származó ötleteket veszi át, és azokat egy egész ökoszisztéma-kísérletben alkalmazza a mikrobiális közösségekre" - mondta Jim Elser, az ASU Élettudományi Iskolájának vezető szerzője. "Ezzel valószínűleg első ízben tudtuk felismerni és megerősíteni, hogy vannak alapvető genetikai vonások, amelyek az ökoszisztéma tápanyag-állapotának szisztematikus mikrobiológiai válaszaival járnak, tekintet nélkül az említett mikrobák faj-azonosságára."
A tanulmány eredményei elárulnak valamit arról, hogy az élet hogyan működhet más világok szélsőséges és / vagy tápanyagszegény környezetében. Bárhol is van egy szervezet, rendelkeznie kell finoman beállított biológiai információfeldolgozási képességekkel, amelyek kihasználhatják a környezetükben rejlő kulcsfontosságú erőforrásokat. És azok a környezetek, amelyekben találják magukat, meghatározzák, hogy mi ezek.
"Ez nagyon izgalmas, mivel azt sugallja, hogy vannak olyan életszabályok, amelyeket általában alkalmazni kell a Földön és azon túl is." - mondta Okie.
Több:
- Sajtóközlemény: Az élet szabályai: A tó felől a túlsóig
- Kutatási cikk: A genomi adaptációk az információfeldolgozásban a trofikus stratégia alapját képezik egy egész ökoszisztéma tápanyag-dúsító kísérletében
- Kapcsolódó kutatás: A baktériumok közösségének összeállítása funkcionális gének, nem fajok alapján
