Наше новое понимание экстремофилов (организмов, способных существовать в экстремальных условиях) здесь, на Земле, открыло новые возможности в астробиологии. Ученые теперь по-другому смотрят на миры, которые до этого момента, не рассматривали в качестве потенциально обитаемых миров из-за скудных ресурсов. Одна из групп ученых изучает регион Мексики с низким содержанием питательных веществ, чтобы попытаться понять, как организмы способны выживать в данных условиях.
Ученые изучали область Мексики под названием «Cuatro Ciénegas Basin» (Бассейн Куатро-Сьенегас). Порядка 43 миллионов лет назад этот регион был частью океана, пока не стал изолированным от Мексиканского залива. Со временем это обособленное море полностью обмелело. Это место заинтересовало исследователей из-за наличия здесь древних микробов, которые смогли приспособиться к этому региону с бедными питательными веществами.
Одним из руководителей группы является Джордан Океи из Arizona State University’s School of Earth and Space Exploration. Результаты исследования опубликованы в журнале eLIFE.
Исследование посвящено геному организма и его фундаментальным аспектам, таким как размер организма, способ кодирования информации и плотность информации. Исследователи изучили, как эти характеристики позволяют организму выживать и эволюционировать в экстремальных условиях, например, в бассейне Cuatro Ciénegas. В некотором смысле бассейн является аналогом ранней Земли или древнего влажного Марса.
«Эта область настолько бедна питательными веществами, что во многих ее экосистемах преобладают микробы, и они могут иметь сходство с экосистемами ранней Земли, а также с древним влажным Марсом», - сказал ведущий автор Океи.
Организм, который адаптировался к подобной среде и развивался в ней, возможно, не «инвестировал» в способность использовать большое количество ресурсов для самовоспроизводства.
Это было одной из предположений команды, и они разработали эксперименты, чтобы изучить её.
Доцент Кристофер Дюпон из Института Дж. Крейга Вентера является старшим автором этого исследования. В пресс-релизе Дюпон сказал:
«Мы предположили, что микроорганизмы, обнаруженные в олиготрофных (с низким содержанием питательных веществ) средах, будут по необходимости полагаться на стратегии с низким ресурсом для репликации ДНК, транскрипции РНК и трансляции белка. И наоборот, копиотрофная (с высоким содержанием питательных веществ) среда благоприятствует ресурсоемким стратегиям».
Эксперимент включал создание так называемых «мезокосмов», миниатюрных экосистем. Затем организмы получали повышенные уровни удобрений, содержащих азот и фосфор. Эти элементы стимулировали рост микроорганизмов внутри мезокосмов. В конце эксперимента они посмотрели, как сообщество организмов отреагировало на увеличение количества питательных веществ по сравнению с контрольными группами.
В своем исследовании авторы сосредоточились на четырех признаках, которые определяют способность организма обрабатывать биологическую информацию в своих клетках:
- Множественность генов, необходимых для биосинтеза белка: у копиотрофов, или организмов, приспособленных к среде, богатой питательными веществами, должно быть большее количество генов, которые способствуют большей скорости роста. Но есть компромисс: они находятся в невыгодном положении в бедных питательными веществами средах, и их более высокие скорости репликации могут в конечном итоге снизить эффективность их роста;
- Размер генома. Организм с меньшим геномом нуждается в меньшем количестве ресурсов для репликации и имеет меньший размер клеток. Эти организмы могут быстрее реагировать на условия с недостаточным содержанием питательных веществ после определенного периода относительного избытка питательных веществ;
- Содержание гуанина и цитозина: гуанин и цитозин (GC ) являются нуклеотидными основаниями. Ученые не совсем уверены, почему, но организмы с высоким уровнем GC в их геноме, вероятно, добиваются большего успеха в среде, богатой ресурсами, возможно, потому что GC более «дорогой» для производства. Таким образом, организмы с более низким содержанием GC могут лучше работать в условиях ограниченных ресурсов;
- Смещение использования кодонов. Кодоны представляют собой последовательности нуклеотидных триплетов ДНК или РНК. Кодоны определяют, какую аминокислоту добавлять дальше во время синтеза белка. Несколько разных кодонов могут кодировать аминокислоту, но в среде, богатой питательными веществами, кодоны, которые используют ресурсы быстрее, должны быть смещены по сравнению с их аналогами.
Это исследование отличается тем, что рассматривает все четыре аспекта, в то время как предыдущие исследования были сосредоточены только на одном или двух из них. В этом исследовании также рассматривается, как эти черты работают в сообществе, в то время как предыдущие исследования использовали разные подходы. Как говорится в их статье:
«Наше исследование заслуживает внимания как один из первых экспериментов с целой экосистемой, включающий реплицированные метагеномические оценки реакции сообщества на уровне эксперимента».
Эксперимент продолжался порядка 32 дней и проходил в пруду Лагунитас в бассейне Куатро Сьенегас. В течение этого времени исследователи проводили полевой мониторинг и отбор проб воды.
«Это исследование является уникальным, поскольку оно берет идеи из исследования крупных организмов и применяет их к микробным сообществам в эксперименте с целой экосистемой», - сказал старший автор исследования Джим Элсер.
Результаты исследования полностью согласовались с гипотезой исследователей. В мезокосмах преобладали организмы с большей способностью использовать увеличенные питательные вещества при репликации. В контрольных группах преобладали виды, которые могли обрабатывать биологическую информацию более экономно.
Результаты этого исследования говорят нам о том, как жизнь может функционировать в экстремальных условиях или в условиях недостаточного питания на других мирах. Где бы ни находился организм, он должен обладать тонко настроенными возможностями обработки биологической информации, которые могут использовать ключевые ресурсы в своей среде.
«Это очень увлекательно, так как предполагает, что существуют правила жизни, которые в целом должны применяться к жизни на Земле и за ее пределами», - сказал Океи.