Vår voksende forståelse av ekstremofiler her på jorden har åpnet for nye muligheter innen astrobiologi. Forskere tar en ny titt på ressurssvake verdener som virket som om de aldri kunne støtte livet. Et team av forskere studerer en næringsfattig region i Mexico for å prøve å forstå hvordan organismer trives i utfordrende miljøer.
Forskerne jobbet i en region i Mexico kalt Cuatro Ciénegasbassenget. For rundt 43 millioner år siden var bassenget et grunt hav, inntil det ble isolert fra Mexicogulfen. Det er en særegen region fordi den både er næringsfattig og hjem til vannlevende mikrober med eldgamle aner.
Hovedforfatteren av den nye studien er Jordan Okei fra Arizona State University's School of Earth and Space Exploration. Tittelen på studien er "Genomiske tilpasninger i informasjonsprosessering som underbygger trofisk strategi i et hele økosystemets næringsanrikningseksperiment." Den er publisert i tidsskriftet eLIFE.
Studien fokuserer på organismens genom og grunnleggende aspekter ved den, som organismenes størrelse, måten den koder for informasjon på og tettheten av informasjon. Forskerne studerte hvordan disse egenskapene tillater en organisme å trives i et ekstremt miljø, som det ved Cuatro Ciénegas-bassenget. På noen måter er bassenget en analog for tidlig jord, eller eldgamle, våte Mars.
"Dette området er så lite i næringsstoffer at mange av dets økosystemer er dominert av mikrober og kan ha likheter med økosystemer fra tidlig jord, så vel som tidligere våtere miljøer på Mars som kan ha støttet liv," sa hovedforfatter Okie.
Det koster alt en organisme gjør, og organismer gjør mange avveininger når de driver virksomheten. Disse avveiningene påvirker effektiviteten til en organismes biokjemiske informasjonsbehandling. En organisme som har tilpasset seg og utviklet seg i et næringsfattig miljø, har kanskje ikke "investert" i evnen til å bruke store mengder ressurser på å replikere seg.
Det var teamets hypotese, og de planla eksperimenter for å undersøke den.
Førsteamanuensis Christopher Dupont fra J. Craig Venter Institute er seniorforfatter av denne studien. I en pressemelding sa Dupont “Vi antok at mikroorganismer funnet i oligotrofiske miljøer (lite næringsstoffer), av nødvendighet, vil stole på strategier med lav ressurs for replikering av DNA, transkripsjon av RNA og translasjon av protein. Motsatt favoriserer et kopiotrofisk miljø (næringsstoff) ressurskrevende strategier. ”
Eksperimentet innebar å sette opp det som kalles “mesokosmer”, miniatyrøkosystemer. Organismene ble deretter matet med høye nivåer av gjødsel som inneholder nitrogen og fosfor. Disse elementene ansporet for økt vekst i mikroorganismer inne i mesokosmene. På slutten av eksperimentet så de hvordan samfunnet av organismer responderte på de økte næringsstoffene, sammenlignet med kontrollgruppene.
I studien fokuserte forfatterne på fire egenskaper som styrer organismenes evne til å behandle biologisk informasjon i cellene:
- Multiplikasjon av gener som er essensielle for proteinbiosyntese: Copiotrophs, eller organismer tilpasset næringsrike miljøer, bør ha større antall gener som bidrar til større vekstrater. Men det er en avveining: de er i en ulempe i næringsfattige miljøer, og deres høyere replikasjonsgrad kan ende med å redusere veksteffektiviteten.
- Genstørrelse: En organisme med et mindre genom trenger færre ressurser for å replikere, og har en mindre cellestørrelse. Disse organismer kan reagere raskere på næringsfattige forhold etter en tid med relativt næring.
- Innhold av guanin og cytosin: Guanin og cytosin er nukleotidbaser. Forskere er ikke helt sikre på hvorfor, men organismer med høye GC-nivåer i genomet klarer seg sannsynligvis bedre i ressursrike miljøer, kanskje fordi GC er mer “dyre” å produsere. Så organismer med lavere GC-innhold kan gjøre det bedre i ressurssvake miljøer.
- Bias ved bruk av kodon: Kodoner er sekvenser av DNA- eller RNA-nukleotid-tripletter. Kodoner spesifiserer hvilken aminosyre som skal tilsettes neste under proteinsyntese. Flere forskjellige kodoner kan kode en aminosyre, men i et næringsrikt miljø, bør kodoner som bruker ressurser raskere være partiske overfor sine kolleger.
Denne studien er annerledes fordi den ser på alle fire av disse trekkene, mens tidligere studier har fokusert på bare en eller to av dem. Denne studien ser også på hvordan disse egenskapene fungerer i et samfunn, mens tidligere studier tok forskjellige tilnærminger. Som de sier i sin artikkel, "Studien vår er bemerkelsesverdig som et av de første hele økosystemforsøkene som involvererreplikert på eksperimentnivå metagenomiske vurderinger av samfunnets respons. ”
"Denne studien er unik og kraftig fordi den tar ideer fra den økologiske studien av store organismer og bruker dem til mikrobielle samfunn i et hel-økosystemeksperiment."
Seniorforfatter Jim Elser, ASU School of Life Sciences
Eksperimentet varte i 32 dager, og fant sted i Lagunita-dammen i Cuatro Ciénegas-bassenget. I løpet av den tiden gjennomførte forskerne feltovervåking, prøvetaking og rutinemessig vannkjemi.
Resultatene var i tråd med hypotesen: mesokosmene ble dominert av organismer med større kapasitet til å bruke de økte næringsstoffene i replikasjon. Kontrollgruppene ble dominert av arter som kunne behandle biologisk informasjon til reduserte kostnader.
"Denne studien er unik og kraftig fordi den tar ideer fra den økologiske studien av store organismer og bruker dem til mikrobielle samfunn i et hel-økosystemeksperiment," sa seniorforfatter Jim Elser fra ASUs School of Life Sciences. "Ved å gjøre det, kunne vi, for første gang, identifisere og bekrefte at det er grunnleggende genombredde trekk assosiert med systematiske mikrobielle responser på økosystemets næringsstatus, uten hensyn til artenes identitet til disse mikrobene."
Resultatene fra denne studien forteller oss noe om hvordan livet kan fungere i ekstreme og / eller næringsfattige miljøer i andre verdener. Uansett hvor en organisme er, må den ha fininnstilt biologisk informasjonsbehandlingsevne som kan dra nytte av viktige ressurser i miljøene deres. Og miljøene de befinner seg i vil avgjøre hva de er.
"Dette er veldig spennende, ettersom det antyder at det er livsregler som generelt skal være gjeldende for livet på jorden og utover," sa Okie.
Mer:
- Pressemelding: Livsregler: Fra et tjern til det hinsides
- Forskningsoppgave: Genomiske tilpasninger i informasjonsprosessering underbygger trofisk strategi i et hele-økosystem næringsberikningseksperiment
- Associated Research: Bakteriesamfunnssamling basert på funksjonelle gener snarere enn arter
