Vår växande förståelse för extremofiler här på jorden har öppnat upp nya möjligheter inom astrobiologi. Forskare tittar igen på resurfattiga världar som verkade som om de aldrig kunde stödja livet. Ett team av forskare studerar en näringsfattig region i Mexiko för att försöka förstå hur organismer trivs i utmanande miljöer.
Forskarna arbetade i en region i Mexiko som kallas Cuatro Ciénegasbassängen. För cirka 43 miljoner år sedan var bassängen ett grunt hav, tills det isolerades från Mexikanska golfen. Det är en distinkt region eftersom den är både näringsfattig och hem för vattenlevande mikrober med forntida förfäder.
Huvudförfattaren till den nya studien är Jordan Okei från Arizona State University's School of Earth and Space Exploration. Studiens titel är "Genomiska anpassningar i informationsbearbetningen som ligger till grund för trofisk strategi i ett hela ekosystemets anrikningsförsök." Det publiceras i tidskriften eLIFE.
Studien fokuserar på en organisms genom och grundläggande aspekter av den, som organismens storlek, hur den kodar information och informationens täthet. Forskarna studerade hur dessa egenskaper tillåter en organisme att frodas i en extrem miljö, som den vid Cuatro Ciénegasbassängen. På vissa sätt är bassängen en analog för tidig jord, eller forntida, våta Mars.
"Detta område är så dåligt med näringsämnen att många av dess ekosystem domineras av mikrober och kan ha likheter med ekosystem från tidiga jorden, såväl som till tidigare våtare miljöer på Mars som kan ha stött liv," sade huvudförfattaren Okie.
Det finns en kostnad för allt en organism gör, och organismer gör många avvägningar när de gör sin verksamhet. Dessa avvägningar påverkar effektiviteten i organismens biokemiska informationsbehandling. En organisme som har anpassats till och utvecklats i en näringsfattig miljö kanske inte har "investerat" i förmågan att använda stora mängder resurser för att replikera sig själv.
Det var teamets hypotes, och de utformade experiment för att undersöka den.
Docent Christopher Dupont från J. Craig Venter Institute är en författare till denna studie. I ett pressmeddelande sade Dupont: ”Vi antagade att mikroorganismer som finns i oligotrofiska miljöer (med låg näringsämne), av nödvändighet, skulle förlita sig på strategier med låg resurs för replikering av DNA, transkription av RNA och translation av protein. Omvänt föredrar en kopiotrofisk miljö med mycket näringsämnen resurskrävande strategier. ”
Experimentet involverade att sätta upp de som kallas "mesokosmer", miniatyrekosystem. Organismerna matades sedan förhöjda nivåer av gödselmedel som innehöll kväve och fosfor. Dessa element väckte ökad tillväxt i mikroorganismerna inuti mesokosmerna. I slutet av experimentet såg de hur organismernas samhälle svarade på de ökade näringsämnena jämfört med kontrollgrupperna.
I sin studie fokuserade författarna på fyra egenskaper som styr en organisms förmåga att bearbeta biologisk information i sina celler:
- Mångfald av gener som är viktiga för proteinbiosyntes: Copiotrofer eller organismer anpassade till näringsrika miljöer bör ha högre antal gener som bidrar till högre tillväxthastigheter. Men det finns en avvägning: de har en nackdel i miljöer med näringsämnen och deras högre replikationsgrader kan i slutändan minska deras tillväxteffektivitet.
- Genomstorlek: En organisme med ett mindre genom behöver färre resurser för att replikera och har en mindre cellstorlek. Dessa organismer kan reagera snabbare på näringsfattiga förhållanden efter en tid med relativt näringsmängd.
- Guanin- och cytosininnehåll: Guanin och cytosin är nukleotidbas. Forskare är inte riktigt säkra på varför, men organismer med höga GC-nivåer i sitt genom gör det troligtvis bättre i resursrika miljöer, kanske för att GC är mer "dyra" att producera. Så organismer med lägre GC-innehåll kan göra det bättre i resurssvaga miljöer.
- Bias för användning av kodon: Kodoner är sekvenser av DNA- eller RNA-nukleotid-tripletter. Kodoner anger vilken aminosyra som ska läggas nästa under proteinsyntes. Flera olika kodoner kan koda en aminosyra, men i en näringsrik miljö bör kodoner som använder resurser snabbare vara partiska över sina motsvarigheter.
Denna studie är annorlunda eftersom den tittar på alla fyra egenskaperna, medan tidigare studier har fokuserat på bara en eller två av dem. Denna studie tittar också på hur dessa egenskaper fungerar i ett samhälle, medan tidigare studier tog olika tillvägagångssätt. Som de säger i sin artikel, ”Vår studie är anmärkningsvärd som ett av de första hela-ekosystemexperimenten som involverarreplikering av experimentnivå metagenomiska bedömningar av gemenskapens svar. ”
"Denna studie är unik och kraftfull eftersom den tar idéer från den ekologiska studien av stora organismer och tillämpar dem på mikrobiella samhällen i ett helekosystem-experiment."
Seniorförfattare Jim Elser, ASU School of Life Sciences
Experimentet varade i 32 dagar och ägde rum i Lagunita-dammet i Cuatro Ciénegas-bassängen. Under den tiden genomförde forskarna fältövervakning, provtagning och rutinvattenkemi.
Resultaten var i linje med hypotesen: mesokosmerna dominerades av organismer med större kapacitet att använda de ökade näringsämnena i replikering. Kontrollgrupperna dominerades av arter som kunde bearbeta biologisk information till en reducerad kostnad.
"Denna studie är unik och kraftfull eftersom den tar idéer från den ekologiska studien av stora organismer och tillämpar dem på mikrobiella samhällen i ett hel-ekosystemexperiment", sa äldre författare Jim Elser, från ASU: s School of Life Sciences. "Genom att göra det kunde vi kanske för första gången identifiera och bekräfta att det finns grundläggande genombredd drag som är förknippade med systematiska mikrobiella svar på ekosystemets näringsstatus, utan hänsyn till de mikrobernas artidentitet."
Resultaten från denna studie berättar något om hur livet kan fungera i extrema miljöer och / eller näringsfattiga miljöer i andra världar. Varhelst en organism är måste den ha finjusterade biologiska informationsbehandlingsfunktioner som kan dra nytta av nyckelresurserna i deras miljöer. Och de miljöer de befinner sig i kommer att avgöra vad de är.
"Det här är väldigt spännande, eftersom det antyder att det finns livsregler som i allmänhet bör vara tillämpliga på livet på jorden och utanför," sa Okie.
Mer:
- Pressmeddelande: Livsregler: Från en damm till det bortom
- Forskningsdokument: Genomiska anpassningar i informationsbearbetningen understödjer trofisk strategi i ett hela ekosystemets anrikningsförsök
- Associated Research: Bakteriell samlingssamling baserad på funktionella gener snarare än arter
