Pengertian kita yang semakin meningkat mengenai ekstremofil di Bumi telah membuka kemungkinan baru dalam astrobiologi. Para saintis melihat kembali dunia miskin sumber yang nampaknya tidak pernah dapat menyokong kehidupan. Satu pasukan penyelidik sedang mengkaji wilayah Mexico yang kekurangan nutrien untuk cuba memahami bagaimana organisma berkembang dalam persekitaran yang mencabar.
Para penyelidik bekerja di wilayah Mexico yang disebut Cuatro Ciénegas Basin. Kira-kira 43 juta tahun yang lalu, lembangan itu adalah laut yang cetek, hingga terpencil dari Teluk Mexico. Ini adalah kawasan yang khas kerana miskin nutrien dan rumah mikroba akuatik dengan keturunan kuno.
Pengarang utama kajian baru itu adalah Jordan Okei dari Sekolah Bumi dan Penerokaan Angkasa Arizona State University. Judul kajian ini adalah "Penyesuaian genom dalam pemprosesan maklumat menyokong strategi trofik dalam eksperimen pengayaan nutrien keseluruhan-ekosistem." Ia diterbitkan dalam jurnal eLIFE.
Kajian ini memfokuskan pada genom organisma, dan aspek asasnya seperti ukuran organisma, cara ia menyandikan maklumat, dan kepadatan maklumat. Para penyelidik mengkaji bagaimana ciri-ciri tersebut membolehkan organisma berkembang dalam persekitaran yang melampau, seperti yang ada di Cuatro Ciénegas Basin. Dalam beberapa cara, lembangan adalah analog untuk Bumi awal, atau Mars basah, kuno.
"Kawasan ini sangat miskin nutrien sehingga banyak ekosistemnya didominasi oleh mikroba dan mungkin memiliki persamaan dengan ekosistem dari awal Bumi, serta lingkungan basah di Mars yang lalu yang dapat menyokong kehidupan," kata penulis utama Okie.
Terdapat kos untuk semua yang dilakukan oleh organisma, dan organisma membuat banyak pertukaran semasa menjalankan perniagaan mereka. Pengurangan ini mempengaruhi kecekapan pemprosesan maklumat biokimia organisma. Organisme yang telah beradaptasi dan berkembang dalam lingkungan yang kekurangan nutrien mungkin tidak "melabur" dalam kemampuan untuk menggunakan sejumlah besar sumber daya untuk meniru dirinya sendiri.
Itu adalah hipotesis pasukan, dan mereka membuat eksperimen untuk menyiasatnya.
Profesor Madya Christopher Dupont dari J. Craig Venter Institute adalah pengarang kanan kajian ini. Dalam siaran akhbar, Dupont mengatakan, "Kami membuat hipotesis bahawa mikroorganisma yang terdapat dalam lingkungan oligotrofik (rendah nutrien) akan, pada dasarnya, bergantung pada strategi sumber rendah untuk replikasi DNA, transkripsi RNA dan terjemahan protein. Sebaliknya, persekitaran kopiotrofik (nutrien tinggi) menyokong strategi intensif sumber daya. "
Eksperimen ini melibatkan penyediaan apa yang disebut "mesokosma," ekosistem miniatur. Organisma kemudian diberi makan baja yang mengandungi nitrogen dan fosfor. Unsur-unsur tersebut mendorong peningkatan pertumbuhan mikroorganisma di dalam mesokosma. Pada akhir eksperimen mereka melihat bagaimana komuniti organisma bertindak balas terhadap peningkatan nutrien, berbanding dengan kumpulan kawalan.
Dalam kajian mereka, penulis memfokuskan pada empat sifat yang mengatur kemampuan organisma memproses maklumat biologi dalam sel mereka:
- Banyaknya gen yang penting untuk biosintesis protein: Copiotrophs, atau organisma yang disesuaikan dengan persekitaran yang kaya nutrien, harus mempunyai bilangan gen yang lebih tinggi yang menyumbang kepada kadar pertumbuhan yang lebih besar. Tetapi ada pertukaran: mereka berada pada kerugian dalam lingkungan yang kekurangan nutrien, dan kadar replikasi mereka yang lebih tinggi akhirnya dapat mengurangkan kecekapan pertumbuhan mereka.
- Ukuran genom: Organisma dengan genom yang lebih kecil memerlukan sumber yang lebih sedikit untuk ditiru, dan mempunyai ukuran sel yang lebih kecil. Organisma ini dapat bertindak balas dengan lebih cepat terhadap keadaan kekurangan nutrien setelah masa nutrien yang banyak.
- Kandungan guanin dan sitosin: Guanin dan sitosin adalah asas nukleotida. Para saintis tidak begitu pasti mengapa, tetapi organisma dengan tahap GC yang tinggi dalam genomnya mungkin lebih baik dalam persekitaran yang kaya dengan sumber daya, mungkin kerana GC lebih "mahal" untuk dihasilkan. Oleh itu, organisma dengan kandungan GC yang lebih rendah mungkin lebih baik di persekitaran yang kekurangan sumber.
- Bias penggunaan kodon: Kod adalah urutan triplet nukleotida DNA atau RNA. Kodon menentukan asid amino mana yang akan ditambahkan seterusnya semasa sintesis protein. Pelbagai kodon yang berlainan dapat membuat kod asid amino, tetapi dalam persekitaran yang kaya nutrien, kodon yang menggunakan sumber lebih cepat harus berat sebelah dengan rakan sejawatnya.
Kajian ini berbeza kerana melihat keempat-empat sifat tersebut, sementara kajian sebelumnya hanya memfokuskan pada satu atau dua daripadanya. Kajian ini juga melihat bagaimana sifat-sifat ini berfungsi dalam komuniti, sedangkan kajian sebelumnya mengambil pendekatan yang berbeza. Seperti yang mereka katakan dalam makalah mereka, "Kajian kami patut diperhatikan sebagai salah satu eksperimen keseluruhan-ekosistem pertama yang melibatkanperingkat eksperimen direplikasi penilaian metagenomik tindak balas masyarakat. "
"Kajian ini unik dan kuat kerana mengambil idea dari kajian ekologi organisma besar dan menerapkannya pada komuniti mikroba dalam eksperimen keseluruhan-ekosistem."
Pengarang Kanan Jim Elser, ASU School of Life Sciences
Eksperimen ini berlangsung selama 32 hari, dan berlangsung di kolam Lagunita di Cuatro Ciénegas Basin. Pada masa itu para penyelidik melakukan pemantauan lapangan, pengambilan sampel dan kimia air rutin.
Hasilnya sejajar dengan hipotesis: mesokosmos dikuasai oleh organisma dengan keupayaan yang lebih besar untuk menggunakan peningkatan nutrien dalam replikasi. Kumpulan kawalan didominasi oleh spesies yang dapat memproses maklumat biologi dengan kos yang rendah.
"Kajian ini unik dan kuat kerana mengambil idea dari kajian ekologi organisma besar dan menerapkannya pada komuniti mikroba dalam eksperimen keseluruhan-ekosistem," kata pengarang kanan Jim Elser, dari Sekolah Sains Hayat ASU. "Dengan berbuat demikian, kami mungkin, mungkin untuk pertama kalinya, mengenal pasti dan mengesahkan bahawa terdapat ciri-ciri genomewide yang berkaitan dengan tindak balas mikroba sistematik terhadap status nutrien ekosistem, tanpa memperhatikan identiti spesies mikroba tersebut."
Hasil kajian ini memberitahu kita tentang bagaimana kehidupan dapat berfungsi di persekitaran yang melampau dan / atau kekurangan nutrien di dunia lain. Di mana sahaja organisma, ia mesti mempunyai kemampuan pemprosesan maklumat biologi yang dapat disesuaikan dengan baik yang dapat memanfaatkan sumber utama dalam persekitarannya. Dan persekitaran yang mereka dapati akan menentukan keadaannya.
"Ini sangat menggembirakan, kerana ini menunjukkan ada aturan hidup yang semestinya berlaku untuk kehidupan di Bumi dan seterusnya," kata Okie.
Lagi:
- Siaran Akhbar: Peraturan hidup: Dari kolam ke seberang
- Kertas Penyelidikan: Penyesuaian genom dalam pemprosesan maklumat menyokong strategi trofik dalam eksperimen pengayaan nutrien keseluruhan ekosistem
- Penyelidikan Bersekutu: Perhimpunan komuniti bakteria berdasarkan gen berfungsi dan bukannya spesies
