Наше растущее понимание экстремофилов здесь на Земле открыло новые возможности в астробиологии. Ученые по-другому смотрят на бедные ресурсами ресурсы, которые выглядят так, будто они никогда не смогут поддерживать жизнь. Одна группа исследователей изучает регион Мексики с низким содержанием питательных веществ, чтобы попытаться понять, как организмы процветают в сложных условиях.
Исследователи работали в области Мексики, названной Бассейном Cuatro Ciénegas. Около 43 миллионов лет назад бассейн был мелким морем, пока он не стал изолированным от Мексиканского залива. Это особый регион, потому что он беден питательными веществами и является домом для водных микробов с древним происхождением.
Ведущим автором нового исследования является Джордан Окей из Школы исследования Земли и космоса при Университете штата Аризона. Название исследования: «Геномные адаптации в обработке информации лежат в основе трофической стратегии в эксперименте по обогащению питательных веществ во всей экосистеме». Он опубликован в журнале eLIFE.
Исследование посвящено геному организма и его фундаментальным аспектам, таким как размер организма, способ кодирования информации и плотность информации. Исследователи изучили, как эти характеристики позволяют организму развиваться в экстремальных условиях, например, в бассейне Cuatro Ciénegas. В некотором смысле бассейн является аналогом ранней Земли или древнего влажного Марса.
«Эта область настолько бедна питательными веществами, что во многих ее экосистемах преобладают микробы, и они могут иметь сходство с экосистемами ранней Земли, а также с более влажными средами на Марсе, которые могли поддерживать жизнь», - сказал ведущий автор Оки.
Все, что делает организм, обходится дорого, и организмы находят множество компромиссов, когда они занимаются своими делами. Эти компромиссы влияют на эффективность обработки биохимической информации организма. Организм, который адаптировался к среде с низким содержанием питательных веществ и развивался в ней, возможно, не «инвестировал» в способность использовать большое количество ресурсов для самовоспроизводства.
Это была гипотеза команды, и они разработали эксперименты, чтобы исследовать ее.
Доцент Кристофер Дюпон из Института Дж. Крейга Вентера является старшим автором этого исследования. В пресс-релизе Дюпон сказал: «Мы предположили, что микроорганизмы, обнаруженные в олиготрофных (с низким содержанием питательных веществ) средах, будут по необходимости полагаться на стратегии с низким ресурсом для репликации ДНК, транскрипции РНК и трансляции белка. И наоборот, копиотрофная (с высоким содержанием питательных веществ) среда благоприятствует ресурсоемким стратегиям ».
Эксперимент включал создание так называемых «мезокосмов», миниатюрных экосистем. Затем организмы получали повышенные уровни удобрений, содержащих азот и фосфор. Эти элементы стимулировали рост микроорганизмов внутри мезокосмов. В конце эксперимента они смотрели, как сообщество организмов реагирует на увеличение количества питательных веществ по сравнению с контрольными группами.
В своем исследовании авторы сосредоточились на четырех признаках, которые определяют способность организма обрабатывать биологическую информацию в своих клетках:
- Множественность генов, необходимых для биосинтеза белка: у копиотрофов, или организмов, приспособленных к среде, богатой питательными веществами, должно быть большее количество генов, которые способствуют большей скорости роста. Но есть компромисс: они находятся в невыгодном положении в бедных питательными веществами средах, и их более высокая скорость репликации может в конечном итоге снизить эффективность их роста.
- Размер генома. Организм с меньшим геномом нуждается в меньшем количестве ресурсов для репликации и имеет меньший размер клеток. Эти организмы могут быстрее реагировать на состояние с недостаточным содержанием питательных веществ после периода относительного избытка питательных веществ.
- Содержание гуанина и цитозина: гуанин и цитозин являются нуклеотидными основаниями. Ученые не совсем уверены, почему, но организмы с высоким уровнем GC в их геноме, вероятно, добиваются большего успеха в богатых ресурсами средах, возможно, потому, что GC более «дороги» в производстве. Таким образом, организмы с более низким содержанием GC могут добиться большего успеха в условиях ограниченных ресурсов.
- Смещение использования кодонов. Кодоны представляют собой последовательности нуклеотидных триплетов ДНК или РНК. Кодоны определяют, какую аминокислоту добавлять дальше во время синтеза белка. Несколько разных кодонов могут кодировать аминокислоту, но в среде, богатой питательными веществами, кодоны, которые используют ресурсы быстрее, должны быть смещены по сравнению с их аналогами.
Это исследование отличается тем, что рассматривает все четыре из этих черт, в то время как предыдущие исследования были сосредоточены только на одной или двух из них. В этом исследовании также рассматривается, как эти черты работают в сообществе, тогда как в предыдущих исследованиях использовались разные подходы. Как говорится в их статье: «Наше исследование заслуживает внимания как один из первых экспериментов с целой экосистемой, в котором участвуютрепликация на уровне эксперимента метагеномные оценки реакции сообщества ».
«Это исследование является уникальным и мощным, поскольку оно берет идеи из экологического исследования крупных организмов и применяет их к микробным сообществам в эксперименте с целой экосистемой».
Старший автор Джим Элсер, Школа естественных наук АГУ
Эксперимент длился 32 дня и проводился в пруду Лагунита в бассейне Куатро Сьенегас. В течение этого времени исследователи проводили полевой мониторинг, отбор проб и обычную химию воды.
Результаты соответствовали гипотезе: в мезокосмах преобладали организмы с большей способностью использовать увеличенные питательные вещества при репликации. В контрольных группах преобладали виды, которые могли обрабатывать биологическую информацию по сниженным ценам.
«Это исследование является уникальным и мощным, поскольку оно берет идеи из экологического исследования крупных организмов и применяет их к микробным сообществам в эксперименте с целой экосистемой», - сказал старший автор Джим Элсер из Школы наук о жизни АГУ. «Таким образом, мы смогли, возможно, впервые выявить и подтвердить, что существуют фундаментальные геномные признаки, связанные с систематической реакцией микробов на состояние питательных веществ в экосистеме, независимо от видовой принадлежности этих микробов».
Результаты этого исследования говорят нам о том, как жизнь может функционировать в экстремальных условиях и / или в условиях недостаточного питания в других мирах. Где бы ни находился организм, он должен иметь тонко настроенные возможности обработки биологической информации, которые могут использовать ключевые ресурсы в своей среде. И среда, в которой они окажутся, определит, что это такое.
«Это очень захватывающе, так как предполагает, что существуют правила жизни, которые в целом должны применяться к жизни на Земле и за ее пределами», - сказал Оки.
Больше:
- Пресс-релиз: Правила жизни: от пруда к запредельному
- Исследовательская работа: Геномные адаптации в обработке информации лежат в основе трофической стратегии в эксперименте по обогащению питательных веществ во всей экосистеме.
- Ассоциированные исследования: сборка бактериального сообщества на основе функциональных генов, а не видов
