Kasvava ymmärryksemme ekstremofiileistä täällä maan päällä on avannut uusia mahdollisuuksia astrobiologiassa. Tutkijat tarkastelevat jälleen luonnonvarojen köyhää maailmaa, joka näytti siltä kuin he eivät voisi koskaan tukea elämää. Yksi tutkijaryhmä tutkii ravintoainevajeaa Meksikon aluetta yrittää ymmärtää, kuinka organismit menestyvät haastavissa ympäristöissä.
Tutkijat työskentelivät Meksikon alueella, jota kutsutaan Cuatro Ciénegasin vesistöalueeksi. Noin 43 miljoonaa vuotta sitten valuma-alue oli matala meri, kunnes se eristyi Meksikonlahdesta. Se on erottuva alue, koska se on sekä ravintoainevajaista että asuu vesimikrobille, joilla on muinaisia esi-isiä.
Uuden tutkimuksen pääkirjailija on Jordan Okei Arizonan osavaltion yliopiston maapallon ja avaruuden tutkimuskoulusta. Tutkimuksen otsikko on ”Genomiset mukautukset tietojenkäsittelyssä tukevat troofista strategiaa koko ekosysteemin ravinteiden rikastamiskokeessa.” Se julkaistaan eLIFE-lehdessä.
Tutkimuksessa keskitytään organismin genomiin ja sen perustavanlaatuisiin näkökohtiin, kuten organismin koko, tapa, jolla se koodaa tietoa, ja tiedon tiheys. Tutkijat tutkivat, kuinka näiden ominaisuuksien avulla organismi voi menestyä äärimmäisessä ympäristössä, kuten Cuatro Ciénegas -alueella. Joillakin tavoin vesistöalue on analoginen aikaisen Maan tai muinaisen, märän Marsin kanssa.
"Tämä alue on ravinteista niin köyhä, että monissa sen ekosysteemeissä hallitsevat mikrobit ja että sillä voi olla samankaltaisuuksia ekosysteemeihin varhaisesta maasta samoin kuin Marsin aikaisempaan kosteampaan ympäristöön, joka on saattanut tukea elämää", sanoi pääkirjailija Okie.
Kaikesta organismin tekemä kustannus maksaa, ja organismit tekevät monia kompromisseja liiketoiminnansa aikana. Nämä kompromissit vaikuttavat organismin biokemiallisen tietojenkäsittelyn tehokkuuteen. Organismi, joka on sopeutunut ravintoainevajaaseen ympäristöön ja kehittynyt siihen, ei ehkä ole “investoinut” kykyyn käyttää suuria määriä resursseja itsensä replikointiin.
Se oli ryhmän hypoteesi, ja he suunnittelivat kokeita tutkiakseen sitä.
Apulaisprofessori Christopher Dupont J. Craig Venter -instituutista on tämän tutkimuksen vanhempi kirjoittaja. Lehdistötiedotteessa Dupont sanoi: "Olemme hypoteesineet, että oligotrofisissa (vähäravinteisissa) ympäristöissä löydettävät mikro-organismit luottaisivat välttämättä vähävaraisiin strategioihin DNA: n kopiointiin, RNA: n transkriptioon ja proteiinin translaatioon. Sitä vastoin kopiotrofinen (runsaasti ravintoaineita sisältävä) ympäristö suosii resurssiintensiivisiä strategioita. ”
Kokeeseen sisältyy niin kutsuttujen mesokosmien miniatyyreisten ekosysteemien perustaminen. Organismeille annettiin sitten korkeat määrät lannoitetta, joka sisälsi typpeä ja fosforia. Nämä elementit vauhdittivat mesokosmien sisällä olevien mikro-organismien lisääntynyttä kasvua. Kokeen lopussa he katsoivat, kuinka organismien yhteisö reagoi lisääntyneisiin ravintoaineisiin verrattuna kontrolliryhmiin.
Kirjoittajat keskittyivät tutkimuksessaan neljään piirteeseen, jotka hallitsevat organismien kykyä prosessoida biologista tietoa soluissaan:
- Valkuaisaineiden biosynteesille välttämättömien geenien moninaisuus: Kopiotrofeissa tai organismeissa, jotka ovat sopeutuneet ravintoainepitoiseen ympäristöön, tulisi olla suurempi määrä geenejä, jotka edistävät suurempaa kasvua. Mutta siinä on kompromissi: he ovat epäedullisessa asemassa ravintoainevajeissa ympäristöissä, ja niiden korkeampi replikaationopeus voi lopulta vähentää niiden kasvutehokkuutta.
- Genomikoko: Organismi, jolla on pienempi genomi, tarvitsee vähemmän resursseja replikoitumiseen, ja sen solukoko on pienempi. Nämä organismit voivat reagoida nopeammin ravinteiden huonoihin olosuhteisiin ravinteiden suhteellisen runsauden jälkeen.
- Guaniini- ja sytosiinipitoisuus: Guaniini ja sytosiini ovat nukleotidiemäksiä. Tutkijat eivät ole aivan varmoja miksi, mutta organismit, joiden genomin korkea GC-taso on, tekevät todennäköisesti paremmin resurssirikkaissa ympäristöissä, ehkä siksi, että GC: n tuottaminen on "kalliimpaa". Joten organismit, joilla on alhaisempi GC-pitoisuus, voivat toimia paremmin luonnonvarojen köyhissä ympäristöissä.
- Kodonin käytön ennakkoarvio: kodonit ovat DNA- tai RNA-nukleotiditriokolonnien sekvenssejä. Kodonit määrittävät, minkä aminohapon lisätään seuraavaksi proteiinisynteesin aikana. Useat eri kodonit voivat koodata aminohappoa, mutta ravinteisessa ympäristössä kodonit, jotka käyttävät resursseja nopeammin, tulisi olla puolueelliset kuin vastaavat.
Tämä tutkimus on erilainen, koska siinä tarkastellaan kaikkia näitä neljää ominaisuutta, kun taas aiemmissa tutkimuksissa on keskitytty vain yhteen tai kahteen niistä. Tutkimuksessa tarkastellaan myös näiden ominaisuuksien toimivuutta yhteisössä, kun taas aikaisemmissa tutkimuksissa lähestymistapa oli erilainen. Kuten he sanovat paperissaan, ”Tutkimuksemme on huomionarvoinen yhtenä ensimmäisistä koko ekosysteemikokeistakokeilutaso toistettu yhteisön vastauksen metagenomiset arviot. ”
"Tämä tutkimus on ainutlaatuinen ja voimakas, koska se vie ideoita suurten organismien ekologisesta tutkimuksesta ja soveltaa niitä mikrobiyhteisöihin koko ekosysteemikokeessa."
Vanhempi kirjailija Jim Elser, ASU: n biotieteiden yksikkö
Koe kesti 32 päivää, ja se tapahtui Lagunitan lampissa Cuatro Ciénegas -alueella. Tuona aikana tutkijat suorittivat kenttäseurantaa, näytteenottoa ja rutiininomaista vesikemiaa.
Tulokset olivat hypoteesin mukaisia: mesokosmeja hallitsivat organismit, joilla on suurempi kyky käyttää lisääntyneitä ravintoaineita replikaatiossa. Kontrolliryhmiä hallitsivat lajit, jotka pystyivät käsittelemään biologista tietoa alennetuin kustannuksin.
"Tämä tutkimus on ainutlaatuinen ja voimakas, koska se vie ideoita suurten organismien ekologisesta tutkimuksesta ja soveltaa niitä mikrobiyhteisöihin koko ekosysteemikokeessa", kertoi vanhempi kirjailija Jim Elser ASU: n biotieteiden korkeakoulusta. "Tekemällä niin, pystyimme ehkä ensimmäistä kertaa tunnistamaan ja vahvistamaan, että ekosysteemien ravinnetilan systemaattisissa mikrobivasteissa liittyy perustavanlaatuisia genomin laajuisia piirteitä, ottamatta huomioon näiden mikrobien laji-identiteettiä."
Tämän tutkimuksen tulokset kertovat meille jotain siitä, kuinka elämä voi toimia äärimmäisissä ja / tai ravintoainevajeissa ympäristöissä muissa maailmoissa. Missä tahansa organismissakin on, sillä on oltava hienosäädetty biologisen tiedon käsittelykyky, joka voi hyödyntää ympäristönsä tärkeimpiä resursseja. Ja ympäristöt, joihin he joutuvat, määräävät mitä ne ovat.
"Tämä on erittäin jännittävää, koska se viittaa siihen, että on olemassa elämän sääntöjä, joita tulisi yleisesti soveltaa elämään maapallolla ja sen ulkopuolella", sanoi Okie.
Lisää:
- Lehdistötiedote: Elämän säännöt: Lammasta ylhäältä
- Tutkimusdokumentti: Geenimuutokset tietojenkäsittelyssä tukevat troofista strategiaa koko ekosysteemin ravinteiden rikastamiskokeessa
- Yhdistetty tutkimus: Bakteerikokoonpano, joka perustuu funktionaalisiin geeneihin eikä lajeihin
