Vores voksende forståelse af ekstremofile her på Jorden har åbnet nye muligheder inden for astrobiologi. Forskere kigger endnu en gang på ressourcefattige verdener, der så ud som om de aldrig kunne støtte livet. Et team af forskere studerer en næringsfattig region i Mexico for at prøve at forstå, hvordan organismer trives i udfordrende miljøer.
Forskerne arbejdede i en region i Mexico kaldet Cuatro Ciénegas-bassinet. For omkring 43 millioner år siden var bassinet et lavt hav, indtil det blev isoleret fra Mexicogolfen. Det er et karakteristisk område, fordi det både er næringsfattigt og hjem til akvatiske mikrober med oldtidsfader.
Ledende forfatter af den nye undersøgelse er Jordan Okei fra Arizona State University's School of Earth and Space Exploration. Undersøgelsens titel er "Genomiske tilpasninger i informationsbearbejdning understøtter trofisk strategi i et hele økosystemets næringsberigelseseksperiment." Det er offentliggjort i tidsskriftet eLIFE.
Undersøgelsen fokuserer på en organismes genom og grundlæggende aspekter af den som organismeens størrelse, den måde, den koder information og informationens densitet på. Forskerne studerede, hvordan disse egenskaber tillader en organisme at trives i et ekstremt miljø, som ved Cuatro Ciénegas-bassinet. På nogle måder er bassinet en analog til den tidlige jord eller gamle, våde Mars.
”Dette område er så fattigt med næringsstoffer, at mange af dets økosystemer domineres af mikrober og kan have ligheder med økosystemer fra den tidlige jord, såvel som tidligere vådere miljøer på Mars, der kan have understøttet liv,” sagde hovedforfatter Okie.
Der er en omkostning for alt, hvad en organisme gør, og organismer foretager mange afvekslinger, når de handler om deres forretning. Disse kompromitteringer påvirker effektiviteten af en organismes biokemiske informationsbehandling. En organisme, der har tilpasset sig og udviklet sig i et næringsfattigt miljø, har muligvis ikke "investeret" i evnen til at bruge store mængder ressourcer til at replikere sig selv.
Det var holdets hypotese, og de udtænkte eksperimenter for at undersøge den.
Lektor Christopher Dupont fra J. Craig Venter-instituttet er en forfatter til denne undersøgelse. I en pressemeddelelse sagde Dupont “Vi antagede, at mikroorganismer, der findes i oligotrofiske miljøer (med lav næringsstof), ud af nødvendighed ville stole på strategier med lav ressource til replikation af DNA, transkription af RNA og translation af protein. Omvendt favoriserer et copiotrofisk miljø (højt næringsstof) ressourceintensive strategier. ”
Eksperimentet involverede opsætning af, hvad der kaldes “mesokosmer”, miniature økosystemer. Organismerne blev derefter fodret med forhøjede niveauer af gødning indeholdende nitrogen og fosfor. Disse elementer ansporede til forøget vækst i mikroorganismerne inde i mesokosmerne. I slutningen af eksperimentet så de ud, hvordan organismenes samfund reagerede på de øgede næringsstoffer sammenlignet med kontrolgrupperne.
I deres undersøgelse fokuserede forfatterne på fire træk, der styrer en organisms evne til at behandle biologisk information i deres celler:
- Multiplikation af gener, der er essentielle for proteinbiosyntesen: Copiotrophs eller organismer tilpasset til næringsrige miljøer, bør have et større antal gener, der bidrager til større vækstrater. Men der er en afvejning: de er i en ulempe i miljøer, der har fattige næringsstoffer, og deres højere replikationsgrad kan ende med at reducere deres væksteffektivitet.
- Genstørrelse: En organisme med et mindre genom har brug for færre ressourcer til at replikere og har en mindre cellestørrelse. Disse organismer kan reagere hurtigere på næringsfattige forhold efter en tid med relativ næringsstofforekomst.
- Guanin- og cytosinindhold: Guanin og cytosin er nukleotidbaser. Forskere er ikke helt sikre på hvorfor, men organismer med høje GC-niveauer i deres genom klarer sig sandsynligvis bedre i ressourcerige miljøer, måske fordi GC er mere ”dyre” at fremstille. Så organismer med lavere GC-indhold klarer sig måske bedre i ressourcefattige miljøer.
- Bias til brug i kodon: Kodoner er sekvenser af DNA- eller RNA-nukleotid-tripletter. Kodoner specificerer, hvilken aminosyre der skal tilsættes næste under proteinsyntese. Flere forskellige kodoner kan kode en aminosyre, men i et næringsrige miljø bør kodoner, der bruger ressourcer hurtigere, være partiske over deres modparter.
Denne undersøgelse er forskellig, fordi den ser på alle fire af disse træk, mens tidligere undersøgelser kun har fokuseret på en eller to af dem. Denne undersøgelse ser også på, hvordan disse træk fungerer i et samfund, hvorimod tidligere undersøgelser indgik forskellige tilgange. Som de siger i deres artikel, ”Vores undersøgelse er bemærkelsesværdig som en af de første hele-økosystemeksperimenter, der involveredegentaget eksperimentniveau metagenomiske vurderinger af samfundsrespons. ”
"Denne undersøgelse er unik og kraftfuld, fordi den tager ideer fra den økologiske undersøgelse af store organismer og anvender dem til mikrobielle samfund i et hel-økosystemeksperiment."
Seniorforfatter Jim Elser, ASU School of Life Sciences
Eksperimentet varede i 32 dage og fandt sted i Lagunita-dammen i Cuatro Ciénegas-bassinet. I løbet af den tid gennemførte forskerne feltovervågning, prøveudtagning og rutinemæssig vandkemi.
Resultaterne var i tråd med hypotesen: mesokosmas blev domineret af organismer med større kapacitet til at bruge de forøgede næringsstoffer i replikation. Kontrolgrupperne blev domineret af arter, der kunne behandle biologisk information til en reduceret pris.
"Denne undersøgelse er unik og kraftfuld, fordi den tager ideer fra den økologiske undersøgelse af store organismer og anvender dem til mikrobielle samfund i et hel-økosystemeksperiment," sagde seniorforfatter Jim Elser fra ASU's School of Life Sciences. "Ved at gøre det var vi måske for første gang i stand til at identificere og bekræfte, at der er grundlæggende genombreddeegenskaber, der er forbundet med systematiske mikrobielle reaktioner på økosystemets næringsstofstatus, uden at tage hensyn til artenes identitet på disse mikrober."
Resultaterne af denne undersøgelse fortæller os noget om, hvordan livet kan fungere i ekstreme og / eller næringsfattige miljøer på andre verdener. Uanset hvor en organisme er, skal den have finjusterede biologiske informationsbehandlingsfunktioner, der kan drage fordel af de vigtigste ressourcer i deres miljøer. Og de miljøer, de befinder sig i, vil afgøre, hvad de er.
”Dette er meget spændende, da det antyder, at der er livsregler, der generelt skal være gældende for livet på Jorden og derover,” sagde Okie.
Mere:
- Pressemeddelelse: Livsregler: Fra en dam til det hinsides
- Forskningsdokument: Genomiske tilpasninger i informationsbehandling understøtter trofisk strategi i et hele-økosystemets næringsberigelseseksperiment
- Associeret forskning: Bakteriel samfundssamling baseret på funktionelle gener snarere end arter
