Nährstoffarm und energiehungrig. Wie das Leben in den Extremen des Sonnensystems überleben könnte
Unser wachsendes Verständnis von Extremophilen hier auf der Erde hat der Astrobiologie neue Möglichkeiten eröffnet. Wissenschaftler werfen einen weiteren Blick auf ressourcenarme Welten, die so aussahen, als könnten sie niemals Leben ernähren. Ein Forscherteam untersucht eine nährstoffarme Region Mexikos, um zu verstehen, wie Organismen in schwierigen Umgebungen gedeihen.
Die Forscher arbeiteten in einer Region Mexikos namens Cuatro Ciénegas Basin. Vor etwa 43 Millionen Jahren war das Becken ein flaches Meer, bis es vom Golf von Mexiko isoliert wurde. Es ist eine unverwechselbare Region, weil es sowohl nährstoffarm als auch die Heimat von aquatischen Mikroben mit uralten Vorfahren ist.
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 Experiment zur Nährstoffanreicherung des gesamten Ökosystems .“ Es ist in der Zeitschrift veröffentlicht eLIFE .
Die Forschung für diese Studie wurde im Cuatro-Ciénegas-Becken in der Chihuahua-Wüste in Mexiko durchgeführt. Dieses Gebiet war ursprünglich ein flaches Meer, das vor etwa 43 Millionen Jahren vom Golf von Mexiko isoliert wurde.
Bild mit freundlicher Genehmigung von Luis David Alcaraz und Valeria Souza
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 nassen 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 Leben gefördert haben“, sagte Hauptautor Okie.
Alles, was ein Organismus tut, ist mit Kosten verbunden, und Organismen gehen bei ihrer Arbeit viele Kompromisse ein. Diese Kompromisse wirken sich auf die Effizienz der biochemischen Informationsverarbeitung eines Organismus aus. Ein Organismus, der sich an eine nährstoffarme Umgebung angepasst 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 dies zu untersuchen.
Der Lagunitas-Teich im Cuatro-Cienegas-Becken von Mexiko.
Foto von Elser Lab / ASU
Associate Professor Christopher Dupont vom J. Craig Venter Institute ist leitender Autor dieser Studie. In einem Pressemitteilung , sagte Dupont: „Wir stellten die Hypothese auf, dass Mikroorganismen, die in oligotrophen (nährstoffarmen) Umgebungen vorkommen, notgedrungen auf ressourcenarme Strategien zur Replikation von DNA, Transkription von RNA und Translation von Protein angewiesen sind. Umgekehrt begünstigt eine kopiotrophe (nährstoffreiche) Umgebung ressourcenintensive Strategien.“
Das Experiment beinhaltete den Aufbau sogenannter „Mesokosmen“, Miniatur-Ökosysteme. Die Organismen wurden dann mit erhöhtem Dünger, der Stickstoff und Phosphor enthielt, gefüttert. Diese Elemente spornten das Wachstum der Mikroorganismen in den Mesokosmen an. Am Ende des Experiments untersuchten sie, wie die Organismengemeinschaft auf die erhöhten Nährstoffe im Vergleich zu den Kontrollgruppen reagierte.
In ihrer Studie konzentrierten sich die Autoren auf vier Merkmale, die die Fähigkeit eines Organismus zur Verarbeitung biologischer Informationen in seinen Zellen bestimmen:
- Vielzahl von Genen, die für die Proteinbiosynthese essentiell sind: Copiotrophe oder Organismen, die an nährstoffreiche Umgebungen angepasst sind, sollten eine größere Anzahl von Genen aufweisen, die zu höheren Wachstumsraten beitragen. Aber es gibt einen Kompromiss: Sie sind in nährstoffarmen Umgebungen im Nachteil, und ihre höheren Replikationsraten könnten ihre Wachstumseffizienz verringern.
- Genomgröße: Ein Organismus mit einem kleineren Genom benötigt weniger Ressourcen zur Replikation und hat eine geringere Zellgröße. Diese Organismen können nach einer Zeit relativen Nährstoffreichtums schneller auf nährstoffarme Bedingungen reagieren.
- Guanin- und Cytosingehalt: Guanin und Cytosin sind Nukleotid Basen. Wissenschaftler sind sich nicht ganz sicher, warum, aber Organismen mit hohen GC-Werten in ihrem Genom schneiden in ressourcenreichen Umgebungen wahrscheinlich besser ab, vielleicht weil GC „teurer“ in der Herstellung sind. Organismen mit einem niedrigeren GC-Gehalt können also in ressourcenarmen Umgebungen besser abschneiden.
- Verzerrung der Codon-Nutzung: 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 werden.
Diese Studie ist anders, weil sie alle vier dieser Merkmale untersucht, während sich frühere Studien nur auf ein oder zwei von ihnen konzentriert haben. Diese Studie untersucht auch, wie diese Eigenschaften in einer Gemeinschaft funktionieren, während frühere Studien andere Ansätze verfolgten. Wie sie in ihrer Veröffentlichung sagen: „Unsere Studie ist bemerkenswert als eines der ersten Experimente über das gesamte Ökosystem, die einbezogen wurden“.auf Experimentebene repliziert metagenomisch Einschätzungen der Community-Reaktion.“
„Diese Studie ist einzigartig und leistungsstark, weil sie Ideen aus der ökologischen Untersuchung großer Organismen aufnimmt und sie auf mikrobielle Gemeinschaften in einem gesamten Ökosystem-Experiment 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 Feldbeobachtungen, Probenahmen und routinemäßige Wasserchemie durch.
Die Ergebnisse stimmten mit der Hypothese überein: Die Mesokosmen wurden von Organismen mit größerer Kapazität dominiert, die erhöhten Nährstoffe bei der Replikation zu verwenden. Die Kontrollgruppen wurden von Arten dominiert, die biologische Informationen zu reduzierten Kosten verarbeiten konnten.
Eine Tabelle aus der Studie, die eine Verzerrung der Codon-Nutzung zeigt. Wie in ihrer Hypothese vorhergesagt, zeigten die Ergebnisse der Studie, dass die Organismen in den befruchteten Mesokosmen eine stärkere Verzerrung der Codon-Nutzung zeigten. Obwohl mehrere Codons dieselbe Aminosäure codieren können, verwendeten Organismen Codons, die Ressourcen schneller verbrauchen können, wenn mehr Ressourcen verfügbar sind. Bildquelle: Okie et al.; 2020.
„Diese Studie ist einzigartig und leistungsstark, weil sie Ideen aus der ökologischen Untersuchung großer Organismen aufnimmt und sie auf mikrobielle Gemeinschaften in einem gesamten Ökosystem-Experiment anwendet“, sagte Senior-Autor Jim Elser von der ASU School of Life Sciences. „Auf diese Weise konnten wir möglicherweise zum ersten Mal identifizieren und bestätigen, dass es grundlegende genomweite Merkmale gibt, die mit systematischen mikrobiellen Reaktionen auf den Nährstoffzustand des Ökosystems verbunden sind, unabhängig von der Artidentität dieser Mikroben.“
Die Ergebnisse dieser Studie sagen uns etwas darüber, 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 biologische Informationsverarbeitungsfähigkeiten verfügen, die wichtige Ressourcen in seiner Umgebung nutzen können. Und die Umgebungen, in denen sie sich befinden, werden bestimmen, was diese sind.
„Das ist sehr aufregend, da es darauf hindeutet, dass es Lebensregeln gibt, die allgemein für das Leben auf der Erde und darüber hinaus gelten sollten“, sagte Okie.
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