La nostra crescente comprensione degli estremofili qui sulla Terra ha aperto nuove possibilità in astrobiologia. Gli scienziati stanno dando un'altra occhiata a mondi poveri di risorse che sembravano non poter mai sostenere la vita. Un team di ricercatori sta studiando una regione del Messico povera di nutrienti per cercare di capire come gli organismi prosperano in ambienti difficili.
I ricercatori hanno lavorato in una regione del Messico chiamata Bacino Cuatro Ciénegas. Circa 43 milioni di anni fa, il bacino era un mare poco profondo, fino a quando non fu isolato dal Golfo del Messico. È una regione distintiva perché è povera di nutrienti e ospita microbi acquatici con antenati antichi.
L'autore principale del nuovo studio è Jordan Okei della School of Earth and Space Exploration dell'Arizona State University. Il titolo dello studio è "Gli adattamenti genomici nell'elaborazione delle informazioni sono alla base della strategia trofica in un esperimento di arricchimento dei nutrienti dell'intero ecosistema". È pubblicato sulla rivista eLIFE.
Lo studio si concentra sul genoma di un organismo e su aspetti fondamentali di esso come le dimensioni dell'organismo, il modo in cui codifica le informazioni e la densità delle informazioni. I ricercatori hanno studiato come queste caratteristiche consentano a un organismo di prosperare in un ambiente estremo, come quello del Bacino di Cuatro Ciénegas. In un certo senso, il bacino è un analogo per la Terra primitiva, o antica Marte umida.
"Questa zona è così povera di nutrienti che molti dei suoi ecosistemi sono dominati dai microbi e possono avere somiglianze con gli ecosistemi della Terra primitiva, così come con gli ambienti più umidi del passato su Marte che potrebbero aver supportato la vita", ha detto l'autore principale Okie.
C'è un costo per tutto ciò che fa un organismo e gli organismi fanno molti compromessi mentre svolgono i loro affari. Questi compromessi influenzano l'efficienza dell'elaborazione delle informazioni biochimiche di un organismo. Un organismo che si è adattato e si è evoluto in un ambiente povero di nutrienti potrebbe non aver "investito" nella capacità di utilizzare grandi quantità di risorse per replicarsi.
Questa era l'ipotesi del team e hanno ideato esperimenti per indagare su di essa.
Il professore associato Christopher Dupont dell'Istituto J. Craig Venter è autore senior di questo studio. In un comunicato stampa, Dupont ha dichiarato: "Abbiamo ipotizzato che i microrganismi trovati in ambienti oligotrofici (a basso contenuto di nutrienti) si basassero, per necessità, su strategie a bassa risorsa per la replicazione del DNA, la trascrizione dell'RNA e la traduzione delle proteine. Al contrario, un ambiente copiotrofico (ricco di nutrienti) favorisce strategie ad alta intensità di risorse. "
L'esperimento prevedeva la creazione di quelli che vengono chiamati "mesocosmi", ecosistemi in miniatura. Gli organismi sono stati quindi alimentati con elevati livelli di fertilizzanti contenenti azoto e fosforo. Questi elementi hanno stimolato un aumento della crescita dei microrganismi all'interno dei mesocosmi. Alla fine dell'esperimento hanno osservato come la comunità di organismi ha risposto all'aumento dei nutrienti, rispetto ai gruppi di controllo.
Nel loro studio, gli autori si sono concentrati su quattro tratti che regolano la capacità di un organismo di elaborare informazioni biologiche nelle loro cellule:
- Molteplicità di geni essenziali per la biosintesi delle proteine: i copiotrofi o gli organismi adattati ad ambienti ricchi di nutrienti dovrebbero avere un numero maggiore di geni che contribuiscono a maggiori tassi di crescita. Ma c'è un compromesso: sono in svantaggio in ambienti poveri di nutrienti e i loro tassi di replica più alti potrebbero finire per ridurre la loro efficienza di crescita.
- Dimensione del genoma: un organismo con un genoma più piccolo ha bisogno di meno risorse per replicarsi e ha una dimensione cellulare più piccola. Questi organismi possono rispondere più rapidamente alle condizioni povere di nutrienti dopo un periodo di relativa abbondanza di nutrienti.
- Contenuto di guanina e citosina: guanina e citosina sono basi nucleotidiche. Gli scienziati non sono esattamente sicuri del perché, ma gli organismi con alti livelli di GC nel loro genoma probabilmente fanno meglio in ambienti ricchi di risorse, forse perché i GC sono più "costosi" da produrre. Quindi gli organismi con un contenuto di GC inferiore possono fare di meglio in ambienti poveri di risorse.
- Distorsione da uso del codone: i codoni sono sequenze di triplette nucleotidiche di DNA o RNA. I codoni specificano quale aminoacido aggiungere successivamente durante la sintesi proteica. Più codoni diversi possono codificare un amminoacido, ma in un ambiente ricco di nutrienti, i codoni che utilizzano le risorse più rapidamente dovrebbero essere distorti rispetto alle loro controparti.
Questo studio è diverso perché considera tutti e quattro questi tratti, mentre gli studi precedenti si sono concentrati solo su uno o due di essi. Questo studio esamina anche come questi tratti funzionano in una comunità, mentre studi precedenti hanno adottato approcci diversi. Come si dice nel loro articolo, “Il nostro studio è degno di nota come uno dei primi esperimenti sull'ecosistema intero da coinvolgerereplicato a livello di esperimento valutazioni metagenomiche della risposta della comunità. "
"Questo studio è unico e potente perché prende spunto dallo studio ecologico di grandi organismi e li applica alle comunità microbiche in un esperimento sull'intero ecosistema".
Autore senior Jim Elser, ASU School of Life Sciences
L'esperimento è durato 32 giorni e si è svolto nello stagno di Lagunita nel bacino di Cuatro Ciénegas. Durante quel periodo i ricercatori hanno condotto monitoraggio sul campo, campionamento e chimica dell'acqua di routine.
I risultati erano in linea con l'ipotesi: i mesocosmi sono diventati dominati da organismi con una maggiore capacità di utilizzare i nutrienti aumentati nella replicazione. I gruppi di controllo erano dominati da specie che potevano elaborare informazioni biologiche a costi ridotti.
"Questo studio è unico e potente perché prende spunto dallo studio ecologico di grandi organismi e li applica alle comunità microbiche in un esperimento sull'intero ecosistema", ha affermato l'autore senior Jim Elser, della School of Life Sciences dell'ASU. "In tal modo, siamo stati in grado, forse per la prima volta, di identificare e confermare l'esistenza di tratti fondamentali a livello genomico associati a risposte microbiche sistematiche allo stato dei nutrienti dell'ecosistema, indipendentemente dall'identità delle specie di tali microbi."
I risultati di questo studio ci dicono qualcosa su come la vita potrebbe funzionare in ambienti estremi e / o poveri di nutrienti su altri mondi. Ovunque si trovi un organismo, deve disporre di capacità di elaborazione delle informazioni biologiche finemente sintonizzate che possano sfruttare le risorse chiave dei loro ambienti. E gli ambienti in cui si trovano determineranno cosa sono.
"Questo è molto eccitante, in quanto suggerisce che ci sono regole di vita che dovrebbero essere generalmente applicabili alla vita sulla Terra e oltre", ha detto Okie.
Di Più:
- Comunicato stampa: Regole di vita: da uno stagno all'aldilà
- Documento di ricerca: gli adattamenti genomici nell'elaborazione delle informazioni sono alla base della strategia trofica in un esperimento di arricchimento dei nutrienti dell'intero ecosistema
- Ricerca associata: Assemblea di comunità batterica basata su geni funzionali piuttosto che su specie
