ההבנה ההולכת וגוברת שלנו לגבי קיצוניות פה על כדור הארץ פתחה אפשרויות חדשות באסטרוביולוגיה. מדענים בוחנים שוב עולמות עניים במשאבים שנראו כאילו הם לעולם לא יכלו לתמוך בחיים. צוות חוקרים אחד בוחן אזור עניים מזינים במקסיקו כדי לנסות להבין כיצד אורגניזמים משגשגים בסביבות מאתגרות.
החוקרים עבדו באזור מקסיקו המכונה אגן Cuatro Ciénegas. לפני כ- 43 מיליון שנה האגן היה ים רדוד, עד שהתבודד ממפרץ מקסיקו. זהו אזור ייחודי מכיוון שהוא גם עניים מזינים וגם ביתם של חיידקים מימיים עם אבות קדומים.
המחבר הראשי של המחקר החדש הוא ג'ורדן אוקי מבית הספר לחקר כדור הארץ והחלל באוניברסיטת מדינת אריזונה. כותרת המחקר היא "עיבודים גנומיים בעיבוד מידע העומדים בבסיס אסטרטגיה טרופית בניסוי העשרה מזין של מערכת אקולוגית שלמה." זה מתפרסם בכתב העת eLIFE.
המחקר מתמקד בגנום של אורגניזם ובהיבטים בסיסיים שלו כמו גודל האורגניזם, האופן בו הוא מקודד מידע וצפיפות המידע. החוקרים בדקו כיצד מאפיינים אלו מאפשרים לאורגניזם לשגשג בסביבה קיצונית, כמו זו שבאגן Cuatro Ciénegas. במובנים מסוימים, האגן הוא אנלוגי לכדור הארץ הקדום, או מאדים קדומים ורטובים.
"אזור זה דל ברכיבים תזונתיים, עד שרבים ממערכות האקולוגיות שלו נשלטות על ידי חיידקים ועשויים להיות בעלי דמיון למערכות אקולוגיות מקדמת כדור הארץ, כמו גם לסביבות רטובות יותר במאדים אשר יתמכו בחיים", אמר הסופר הראשי אוקי.
יש עלות לכל דבר שאורגניזם עושה, ואורגניזמים מבצעים הרבה פחמים בזמן שהם מתעסקים בעסק שלהם. פשרות אלה משפיעות על יעילות עיבוד המידע הביוכימי של האורגניזם. אורגניזם שהסתגל והתפתח בסביבה דלה בחומרים מזינים עשוי לא "להשקיע" ביכולת להשתמש בכמויות גדולות של משאבים כדי לשכפל את עצמו.
זו הייתה ההשערה של הצוות, והם המציאו ניסויים לחקירה.
פרופסור חבר כריסטופר דופונט ממכון ג'יי קרייג וונטר הוא מחבר בכיר למחקר זה. בהודעה לעיתונות, דופונט אמר כי "הנחנו שהשערות שמיקרואורגניזמים שנמצאו בסביבות אוליגרופיות (בעלות תזונה נמוכה) היו, מתוך צורך, להסתמך על אסטרטגיות בעלות משאב נמוך לשכפול של DNA, שעתוק RNA ותרגום של חלבון. לעומת זאת, סביבה קופרוטרופית (מזינה גבוהה) מעדיפה אסטרטגיות עתירות משאבים. "
הניסוי כלל הגדרת מה שמכונה "מזוקוזמות", מערכות אקולוגיות זעירות. לאחר מכן הוזנו האורגניזמים לרמות גבוהות של דשן המכיל חנקן וזרחן. אותם אלמנטים דרבן צמיחה מוגברת במיקרואורגניזמים בתוך המזוקוזמות. בסוף הניסוי הם נראו כיצד קהילת האורגניזמים הגיבה לחומרים המזינים המוגברים בהשוואה לקבוצות הביקורת.
במחקרם התמקדו המחברים בארבע תכונות השולטות ביכולת של אורגניזמים לעבד מידע ביולוגי בתאים שלהם:
- ריבוי הגנים החיוניים לסינתזה ביולוגית חלבונית: קופרוטרופים או אורגניזמים המותאמים לסביבות עשירות בתזונה צריכים להיות בעלי מספר גבוה יותר של גנים התורמים לשיעורי גדילה גדולים יותר. אבל יש פיתרון: הם נמצאים בעמדת נחיתות בסביבות ירודות התזונה, ושיעורי ההעתקה הגבוהים שלהם עלולים בסופו של דבר להפחית את יעילות הצמיחה שלהם.
- גודל גנום: אורגניזם עם גנום קטן יותר זקוק למעט משאבים לשכפול, ובעל גודל תא קטן יותר. אורגניזמים אלה יכולים להגיב מהר יותר לתנאים ירודים בתזונה לאחר זמן של שפע תזונתי יחסית.
- תכולת גואנין וציטוזין: גואנין וציטוזין הם בסיסי נוקלאוטידים. מדענים לא בטוחים בדיוק מדוע, אולם אורגניזמים עם רמות GC גבוהות בגנום שלהם עשויים להסתדר טוב יותר בסביבות עשירות במשאבים, אולי מכיוון ש- GC "יקרים" יותר לייצור. אז אורגניזמים עם תוכן נמוך יותר ב- GC עשויים להצליח יותר בסביבות דלות משאבים.
- הטיית שימוש בקודון: קודונים הם רצפים של שלשות DNA או RNA נוקלאוטידים. קודונים מציינים איזו חומצת אמינו להוסיף בהמשך במהלך סינתזת חלבון. מספר קודונים שונים יכולים לקוד חומצה אמינית, אך בסביבה עשירה בתזונה, קודונים המשתמשים במשאבים מהירים יותר צריכים להיות מוטים על פני מקביליהם.
מחקר זה שונה מכיוון שהוא מסתכל על ארבע התכונות הללו, בעוד שמחקרים קודמים התמקדו רק באחד או שניים מהם. מחקר זה בודק גם כיצד תכונות אלה עובדות בקהילה, ואילו מחקרים קודמים נקטו בגישות שונות. כפי שהם אומרים במאמרם, "המחקר שלנו ראוי לציין כאחד הניסויים הראשונים במערכת האקולוגית שכללהמשוכפל ברמת הניסוי הערכות מטגנומיות של תגובת הקהילה. "
"מחקר זה הוא ייחודי ורב עוצמה מכיוון שהוא לוקח רעיונות ממחקר אקולוגי של אורגניזמים גדולים ומיישם אותם על קהילות מיקרוביאליות בניסוי של מערכת אקולוגית שלמה."
הסופר הבכיר ג'ים אלסר, בית הספר למדעי החיים של ASU
הניסוי נמשך 32 יום והתקיים בבריכת לגוניטה באגן Cuatro Ciénegas. באותה תקופה החוקרים ערכו ניטור שדה, דגימה וכימיה שגרתית של מים.
התוצאות היו בקנה אחד עם ההשערה: המזוקוזמים נשלטו על ידי אורגניזמים בעלי יכולת גבוהה יותר להשתמש בחומרים המזינים המוגברים בשכפול. קבוצות הביקורת נשלטו על ידי מינים שיכולים לעבד מידע ביולוגי בעלות מופחתת.
"מחקר זה הוא ייחודי ורב עוצמה מכיוון שהוא לוקח רעיונות ממחקר אקולוגי של אורגניזמים גדולים ומיישם אותם על קהילות מיקרוביאליות בניסוי של מערכת אקולוגית שלמה," אמר הסופר הבכיר ג'ים אלסר, מבית הספר למדעי החיים של ASU. "בכך הצלחנו, אולי לראשונה, לזהות ולאשר שיש תכונות בסיסיות בג'נום הקשורות לתגובות מיקרוביאליות שיטתיות למצב התזונתי של המערכת האקולוגית, בלי להתייחס לזהות המינים של אותם חיידקים."
תוצאות המחקר מספרות לנו משהו על האופן בו החיים עשויים לתפקד בסביבות קיצוניות ו / או דלות בחומרים מזינים בעולמות אחרים. בכל מקום בו אורגניזם נמצא, עליו להיות בעל יכולות עיבוד מידע ביולוגיות מכוונות היטב שיכולות לנצל את מקורות המפתח בסביבותיהם. והסביבות בהן הם נקלעות יקבעו מהן.
"זה מרגש מאוד, מכיוון שהוא מציע שיש כללי חיים שצריכים להחיל בדרך כלל על חיים בכדור הארץ ומחוצה לו," אמר אוקי.
יותר:
- הודעה לעיתונות: כללי חיים: מבריכה אל מעבר
- עבודת מחקר: התאמות גנומיות בעיבוד מידע מבססות אסטרטגיה טרופית בניסוי העשרה מזין של המערכת האקולוגית השלמה.
- מחקרים קשורים: הרכבה קהילתית חיידקית המבוססת על גנים תפקודיים ולא על מינים
