Unser wachsendes Verständnis von Extremophilen hier auf der Erde hat neue Möglichkeiten in der Astrobiologie eröffnet. Wissenschaftler werfen einen weiteren Blick auf ressourcenarme Welten, die so aussahen, als könnten sie das Leben niemals unterstützen. Ein Forscherteam untersucht eine nährstoffarme Region Mexikos, um zu verstehen, wie Organismen in herausfordernden Umgebungen gedeihen.
Die Forscher arbeiteten in einer Region Mexikos namens Cuatro Ciénegas Basin. Vor ungefähr 43 Millionen Jahren war das Becken ein flaches Meer, bis es vom Golf von Mexiko isoliert wurde. Es ist eine unverwechselbare Region, da es sowohl nährstoffarm als auch die Heimat von aquatischen Mikroben mit uralten Vorfahren ist.
Der Hauptautor der neuen Studie ist Jordan Okei von der School of Earth and Space Exploration der Arizona State University. Der Titel der Studie lautet „Genomische Anpassungen in der Informationsverarbeitung untermauern die trophische Strategie in einem Nährstoffanreicherungsexperiment für das gesamte Ökosystem.“ Es wurde in der Zeitschrift eLIFE veröffentlicht.
Die Studie konzentriert sich auf das Genom eines Organismus und grundlegende Aspekte davon wie die Größe des Organismus, die Art und Weise, wie er Informationen codiert, und die Informationsdichte. Die Forscher untersuchten, wie diese Eigenschaften es einem Organismus ermöglichen, in einer extremen Umgebung wie der im Cuatro Ciénegas-Becken zu gedeihen. In gewisser Weise ist das Becken ein Analogon für die frühe Erde oder den alten, feuchten Mars.
"Dieses Gebiet ist so nährstoffarm, dass viele seiner Ökosysteme von Mikroben dominiert werden und Ähnlichkeiten mit Ökosystemen der frühen Erde sowie mit früheren feuchteren Umgebungen auf dem Mars aufweisen, die möglicherweise das Leben unterstützt haben", sagte der Hauptautor Okie.
Alles, was ein Organismus tut, kostet etwas, und Organismen machen viele Kompromisse, wenn sie ihre Geschäfte machen. Diese Kompromisse wirken sich auf die Effizienz der biochemischen Informationsverarbeitung eines Organismus aus. Ein Organismus, der sich an eine nährstoffarme Umgebung angepasst hat und sich in dieser entwickelt hat, hat möglicherweise nicht in die Fähigkeit „investiert“, große Mengen an Ressourcen zu verwenden, um sich selbst zu replizieren.
Das war die Hypothese des Teams und sie entwickelten Experimente, um sie zu untersuchen.
Associate Professor Christopher Dupont vom J. Craig Venter Institute ist ein leitender Autor dieser Studie. In einer Pressemitteilung sagte Dupont: „Wir stellten die Hypothese auf, dass Mikroorganismen, die in oligotrophen (nährstoffarmen) Umgebungen gefunden werden, notwendigerweise auf ressourcenarmen Strategien zur Replikation von DNA, Transkription von RNA und Translation von Protein beruhen würden. Umgekehrt begünstigt eine kopiotrophe (nährstoffreiche) Umgebung ressourcenintensive Strategien. “
Das Experiment umfasste den Aufbau sogenannter „Mesokosmen“, Miniaturökosysteme. Die Organismen wurden dann mit erhöhten Mengen an Dünger gefüttert, der Stickstoff und Phosphor enthielt. Diese Elemente trieben ein erhöhtes Wachstum der Mikroorganismen innerhalb der Mesokosmen an. Am Ende des Experiments untersuchten sie, wie die Organismengemeinschaft im Vergleich zu den Kontrollgruppen auf die erhöhten Nährstoffe reagierte.
In ihrer Studie konzentrierten sich die Autoren auf vier Merkmale, die die Fähigkeit eines Organismus bestimmen, biologische Informationen in seinen Zellen zu verarbeiten:
- Vielzahl von Genen, die für die Proteinbiosynthese essentiell sind: Copiotrophe oder Organismen, die an nährstoffreiche Umgebungen angepasst sind, sollten eine höhere Anzahl von Genen aufweisen, die zu höheren Wachstumsraten beitragen. Aber es gibt einen Kompromiss: Sie sind in nährstoffarmen Umgebungen benachteiligt, und ihre höheren Replikationsraten könnten letztendlich ihre Wachstumseffizienz verringern.
- Genomgröße: Ein Organismus mit einem kleineren Genom benötigt weniger Ressourcen für die Replikation und hat eine kleinere Zellgröße. Diese Organismen können nach einer Zeit relativer Nährstoffhäufigkeit schneller auf nährstoffarme Bedingungen reagieren.
- Guanin- und Cytosingehalt: Guanin und Cytosin sind Nukleotidbasen. Wissenschaftler sind sich nicht ganz sicher, warum, aber Organismen mit hohen GC-Werten in ihrem Genom schneiden in ressourcenreichen Umgebungen wahrscheinlich besser ab, möglicherweise weil die Herstellung von GC „teurer“ ist. Organismen mit niedrigerem GC-Gehalt können daher in ressourcenarmen Umgebungen besser abschneiden.
- Codon Usage Bias: Codons sind Sequenzen von DNA- oder RNA-Nukleotidtripletts. Codons geben an, welche Aminosäure während der Proteinsynthese als nächstes hinzugefügt werden soll. Mehrere verschiedene Codons können eine Aminosäure codieren, aber in einer nährstoffreichen Umgebung sollten Codons, die Ressourcen schneller verbrauchen, gegenüber ihren Gegenstücken voreingenommen sein.
Diese Studie ist anders, weil sie alle vier dieser Merkmale untersucht, während sich frühere Studien nur auf ein oder zwei von ihnen konzentriert haben. In dieser Studie wird auch untersucht, wie diese Merkmale in einer Gemeinschaft funktionieren, während frühere Studien unterschiedliche Ansätze verfolgten. In ihrer Arbeit heißt es: „Unsere Studie ist als eines der ersten Experimente mit dem gesamten Ökosystem bemerkenswertexperimentell repliziert metagenomische Bewertungen der Reaktion der Gemeinschaft. “
"Diese Studie ist einzigartig und leistungsstark, da sie Ideen aus der ökologischen Untersuchung großer Organismen aufgreift und sie in einem Ganz-Ökosystem-Experiment auf mikrobielle Gemeinschaften anwendet."
Leitender Autor Jim Elser, ASU School of Life Sciences
Das Experiment dauerte 32 Tage und fand im Lagunita-Teich im Cuatro Ciénegas-Becken statt. Während dieser Zeit führten die Forscher Feldüberwachung, Probenahme und routinemäßige Wasserchemie durch.
Die Ergebnisse stimmten mit der Hypothese überein: Die Mesokosmen wurden von Organismen dominiert, die in der Lage waren, die erhöhten Nährstoffe bei der Replikation zu nutzen. Die Kontrollgruppen wurden von Arten dominiert, die biologische Informationen zu reduzierten Kosten verarbeiten konnten.
"Diese Studie ist einzigartig und leistungsstark, da sie Ideen aus der ökologischen Untersuchung großer Organismen auf mikrobielle Gemeinschaften in einem Ganz-Ökosystem-Experiment überträgt", sagte der leitende Autor Jim Elser von der School of Life Sciences der ASU. "Auf diese Weise konnten wir vielleicht zum ersten Mal feststellen und bestätigen, dass es grundlegende genomweite Merkmale gibt, die mit systematischen mikrobiellen Reaktionen auf den Nährstoffstatus des Ökosystems verbunden sind, ohne Rücksicht auf die Artenidentität dieser Mikroben."
Die Ergebnisse dieser Studie sagen etwas darüber aus, wie das Leben in extremen und / oder nährstoffarmen Umgebungen auf anderen Welten funktionieren könnte. Wo immer sich ein Organismus befindet, muss er über fein abgestimmte Fähigkeiten zur Verarbeitung biologischer Informationen verfügen, die wichtige Ressourcen in seiner Umgebung nutzen können. Und die Umgebungen, in denen sie sich befinden, bestimmen, um welche es sich handelt.
"Das ist sehr aufregend, da es darauf hindeutet, dass es Lebensregeln gibt, die allgemein auf das Leben auf der Erde und darüber hinaus anwendbar sein sollten", sagte Okie.
Mehr:
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- Forschungsbericht: Genomische Anpassungen in der Informationsverarbeitung untermauern die trophische Strategie in einem Experiment zur Nährstoffanreicherung im gesamten Ökosystem
- Assoziierte Forschung: Zusammenbau von Bakteriengemeinschaften basierend auf funktionellen Genen und nicht auf Arten
