Η αυξανόμενη κατανόησή μας για τους ακροφίλους εδώ στη Γη έχει ανοίξει νέες δυνατότητες στην αστροβιολογία. Οι επιστήμονες ρίχνουν μια άλλη ματιά στους κόσμους με φτωχούς πόρους που φαινόταν ότι δεν μπορούσαν ποτέ να στηρίξουν τη ζωή. Μία ομάδα ερευνητών μελετά μια περιοχή με φτωχή θρεπτικά συστατικά στο Μεξικό για να προσπαθήσει να καταλάβει πώς οι οργανισμοί ευδοκιμούν σε δύσκολα περιβάλλοντα.
Οι ερευνητές εργάστηκαν σε μια περιοχή του Μεξικού που ονομάζεται Cuatro Ciénegas Basin. Πριν από περίπου 43 εκατομμύρια χρόνια, η λεκάνη ήταν μια ρηχή θάλασσα, μέχρι να απομονωθεί από τον Κόλπο του Μεξικού. Είναι μια ξεχωριστή περιοχή, επειδή είναι φτωχή σε θρεπτικά συστατικά και φιλοξενεί υδρόβια μικρόβια με αρχαία καταγωγή.
Ο κύριος συγγραφέας της νέας μελέτης είναι ο Jordan Okei από τη Σχολή Γης και Διαστημικής Εξερεύνησης του Κρατικού Πανεπιστημίου της Αριζόνα. Ο τίτλος της μελέτης είναι «Οι γονιδιωματικές προσαρμογές στην επεξεργασία πληροφοριών υποστηρίζουν την τροφική στρατηγική σε ένα πείραμα εμπλουτισμού θρεπτικών συστατικών σε ολόκληρο το οικοσύστημα». Δημοσιεύεται στο περιοδικό eLIFE.
Η μελέτη επικεντρώνεται στο γονιδίωμα ενός οργανισμού και σε θεμελιώδεις πτυχές του όπως το μέγεθος του οργανισμού, τον τρόπο που κωδικοποιεί τις πληροφορίες και την πυκνότητα των πληροφοριών. Οι ερευνητές μελέτησαν πώς αυτά τα χαρακτηριστικά επιτρέπουν σε έναν οργανισμό να ευδοκιμήσει σε ένα ακραίο περιβάλλον, όπως αυτό στο Cuatro Ciénegas Basin. Κατά κάποιο τρόπο, η λεκάνη είναι ένα ανάλογο για την πρώιμη Γη, ή τον αρχαίο, υγρό Άρη.
«Αυτή η περιοχή είναι τόσο φτωχή σε θρεπτικά συστατικά που πολλά από τα οικοσυστήματά της κυριαρχούνται από μικρόβια και μπορεί να έχουν ομοιότητες με τα οικοσυστήματα από την πρώιμη Γη, καθώς και με προηγούμενα υγρά περιβάλλοντα στον Άρη που μπορεί να έχουν υποστηρίξει τη ζωή», δήλωσε ο επικεφαλής συγγραφέας Okie.
Υπάρχει ένα κόστος για ό, τι κάνει ένας οργανισμός και οι οργανισμοί κάνουν πολλές ανταλλαγές καθώς πηγαίνουν στην επιχείρησή τους. Αυτές οι αντισταθμίσεις επηρεάζουν την αποτελεσματικότητα της επεξεργασίας βιοχημικών πληροφοριών ενός οργανισμού. Ένας οργανισμός που έχει προσαρμοστεί και εξελιχθεί σε ένα περιβάλλον που δεν έχει θρεπτικά συστατικά μπορεί να μην έχει «επενδύσει» στην ικανότητα να χρησιμοποιεί μεγάλες ποσότητες πόρων για να αναπαράγεται.
Αυτή ήταν η υπόθεση της ομάδας και σχεδίασαν πειράματα για να την διερευνήσουν.
Ο αναπληρωτής καθηγητής Christopher Dupont από το Ινστιτούτο J. Craig Venter είναι ανώτερος συγγραφέας αυτής της μελέτης. Σε ένα δελτίο τύπου, ο Dupont είπε: «Υποθέσαμε ότι οι μικροοργανισμοί που βρίσκονται σε ολιγοτροφικά περιβάλλοντα (χαμηλής περιεκτικότητας σε θρεπτικά συστατικά) θα βασίζονταν, αναγκαστικά, σε στρατηγικές χαμηλών πόρων για την αντιγραφή του DNA, τη μεταγραφή του RNA και τη μετάφραση της πρωτεΐνης. Αντιστρόφως, ένα copiotrophic (υψηλής θρεπτικής ουσίας) περιβάλλον ευνοεί στρατηγικές υψηλής έντασης πόρων. "
Το πείραμα περιελάμβανε τη δημιουργία των λεγόμενων «μεσοκοσμών», μικροσκοπικά οικοσυστήματα. Οι οργανισμοί στη συνέχεια τροφοδοτήθηκαν με αυξημένα επίπεδα λιπάσματος που περιείχαν άζωτο και φωσφόρο. Αυτά τα στοιχεία ώθησαν την αύξηση των μικροοργανισμών μέσα στους μεσόκοσμους. Στο τέλος του πειράματος εξέτασαν πώς η κοινότητα των οργανισμών ανταποκρίθηκε στα αυξημένα θρεπτικά συστατικά, σε σύγκριση με τις ομάδες ελέγχου.
Στη μελέτη τους, οι συγγραφείς εστίασαν σε τέσσερα χαρακτηριστικά που διέπουν την ικανότητα των οργανισμών να επεξεργάζονται βιολογικές πληροφορίες στα κύτταρα τους:
- Πολλαπλάσια γονίδια απαραίτητα για τη βιοσύνθεση των πρωτεϊνών: Τα Copiotrophs, ή οργανισμοί προσαρμοσμένοι σε περιβάλλοντα πλούσια σε θρεπτικά συστατικά, θα πρέπει να έχουν μεγαλύτερο αριθμό γονιδίων που συμβάλλουν σε μεγαλύτερους ρυθμούς ανάπτυξης. Αλλά υπάρχει μια αντιστάθμιση: βρίσκονται σε μειονεκτική θέση σε περιβάλλοντα που δεν έχουν θρεπτικά συστατικά και τα υψηλότερα ποσοστά αναπαραγωγής τους θα μπορούσαν να καταλήξουν να μειώσουν την αποτελεσματικότητά τους για ανάπτυξη.
- Μέγεθος γονιδιώματος: Ένας οργανισμός με μικρότερο γονιδίωμα χρειάζεται λιγότερους πόρους για αναπαραγωγή και έχει μικρότερο μέγεθος κυττάρου. Αυτοί οι οργανισμοί μπορούν να ανταποκριθούν ταχύτερα σε συνθήκες φτωχής θρεπτικών συστατικών μετά από μια περίοδο σχετικής αφθονίας θρεπτικών συστατικών.
- Περιεκτικότητα σε γουανίνη και κυτοσίνη: Η γουανίνη και η κυτοσίνη είναι νουκλεοτιδικές βάσεις. Οι επιστήμονες δεν είναι ακριβώς σίγουροι γιατί, αλλά οι οργανισμοί με υψηλά επίπεδα GC στο γονιδίωμά τους πιθανότατα κάνουν καλύτερα σε περιβάλλοντα πλούσια σε πόρους, ίσως επειδή το GC είναι πιο «ακριβό» στην παραγωγή. Έτσι, οι οργανισμοί με χαμηλότερη περιεκτικότητα σε GC μπορεί να έχουν καλύτερη απόδοση σε περιβάλλοντα που δεν διαθέτουν πόρους.
- Μεροληψία χρήσης κωδικονίων: Τα κωδικόνια είναι αλληλουχίες νουκλεοτιδίων νουκλεοτιδίων DNA ή RNA. Τα κωδικόνια καθορίζουν ποιο αμινοξύ θα προσθέσει στη συνέχεια κατά τη σύνθεση πρωτεϊνών. Πολλά διαφορετικά κωδικόνια μπορούν να κωδικοποιήσουν ένα αμινοξύ, αλλά σε ένα περιβάλλον πλούσιο σε θρεπτικά συστατικά, τα κωδικόνια που χρησιμοποιούν πόρους γρηγορότερα θα πρέπει να είναι προκατειλημμένα έναντι των ομολόγων τους.
Αυτή η μελέτη είναι διαφορετική επειδή εξετάζει και τα τέσσερα από αυτά τα χαρακτηριστικά, ενώ προηγούμενες μελέτες έχουν επικεντρωθεί μόνο σε ένα ή δύο από αυτά. Αυτή η μελέτη εξετάζει επίσης πώς λειτουργούν αυτά τα χαρακτηριστικά σε μια κοινότητα, ενώ προηγούμενες μελέτες υιοθέτησαν διαφορετικές προσεγγίσεις. Όπως λένε στην εφημερίδα τους, «Η μελέτη μας είναι αξιοσημείωτη ως ένα από τα πρώτα πειράματα ολόκληρου του οικοσυστήματος που περιελάμβανανεπαναλήφθηκε σε επίπεδο πειράματος μεταγονιδιωματικές αξιολογήσεις της κοινοτικής απόκρισης. "
«Αυτή η μελέτη είναι μοναδική και ισχυρή επειδή παίρνει ιδέες από την οικολογική μελέτη μεγάλων οργανισμών και τις εφαρμόζει σε μικροβιακές κοινότητες σε ένα πείραμα ολόκληρου του οικοσυστήματος.»
Ανώτερος συγγραφέας Jim Elser, ASU School of Life Sciences
Το πείραμα διήρκεσε 32 ημέρες και πραγματοποιήθηκε στη λίμνη Lagunita στη λεκάνη Cuatro Ciénegas. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου οι ερευνητές πραγματοποίησαν επιτόπια παρακολούθηση, δειγματοληψία και ρουτίνα χημείας νερού.
Τα αποτελέσματα ήταν σύμφωνα με την υπόθεση: οι μεσόκοσμοι κυριαρχούνταν από οργανισμούς με μεγαλύτερη ικανότητα να χρησιμοποιούν τα αυξημένα θρεπτικά συστατικά σε αντιγραφή. Οι ομάδες ελέγχου κυριαρχούσαν από είδη που μπορούσαν να επεξεργαστούν βιολογικές πληροφορίες με μειωμένο κόστος.
«Αυτή η μελέτη είναι μοναδική και ισχυρή επειδή παίρνει ιδέες από την οικολογική μελέτη μεγάλων οργανισμών και τις εφαρμόζει σε μικροβιακές κοινότητες σε ένα πείραμα ολόκληρου του οικοσυστήματος», δήλωσε ο ανώτερος συγγραφέας Jim Elser, από τη Σχολή Επιστημών Ζωής της ASU. «Με αυτόν τον τρόπο, καταφέραμε, ίσως για πρώτη φορά, να αναγνωρίσουμε και να επιβεβαιώσουμε ότι υπάρχουν θεμελιώδη χαρακτηριστικά γονιδιωματικής που σχετίζονται με συστηματικές μικροβιακές αποκρίσεις στην κατάσταση των θρεπτικών συστατικών του οικοσυστήματος, χωρίς να λαμβάνεται υπόψη η ταυτότητα των ειδών αυτών των μικροβίων».
Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης μας λένε κάτι για το πώς μπορεί να λειτουργήσει η ζωή σε περιβάλλοντα ακραίας και / ή φτωχής θρεπτικών συστατικών σε άλλους κόσμους. Όπου και αν είναι ένας οργανισμός, πρέπει να έχει βελτιωμένες δυνατότητες επεξεργασίας βιολογικών πληροφοριών που μπορούν να επωφεληθούν από βασικούς πόρους στο περιβάλλον τους. Και τα περιβάλλοντα που βρίσκονται θα καθορίσουν ποια είναι αυτά.
«Αυτό είναι πολύ συναρπαστικό, καθώς υποδηλώνει ότι υπάρχουν κανόνες της ζωής που θα πρέπει γενικά να ισχύουν για τη ζωή στη Γη και πέρα από αυτήν», δήλωσε ο Okie.
Περισσότερο:
- Δελτίο Τύπου: Κανόνες ζωής: Από μια λίμνη προς τα έξω
- Ερευνητικό έγγραφο: Οι γονιδιωματικές προσαρμογές στην επεξεργασία πληροφοριών υποστηρίζουν την τροφική στρατηγική σε ένα πείραμα εμπλουτισμού θρεπτικών ουσιών σε ολόκληρο το οικοσύστημα
- Associated Research: Συγκέντρωση βακτηριακών κοινοτήτων που βασίζεται σε λειτουργικά γονίδια και όχι σε είδη
