لقد فتح فهمنا المتزايد للمتطرفين هنا على الأرض إمكانيات جديدة في علم الأحياء الفلكية. يلقي العلماء نظرة أخرى على عوالم تفتقر إلى الموارد والتي بدت وكأنهم لا يستطيعون دعم الحياة. يدرس فريق من الباحثين منطقة فقيرة بالمغذيات في المكسيك لمحاولة فهم كيفية ازدهار الكائنات الحية في بيئات صعبة.
عمل الباحثون في منطقة في المكسيك تسمى حوض كواترو سينيجاس. قبل حوالي 43 مليون سنة ، كان الحوض بحرًا ضحلًا ، حتى أصبح معزولًا عن خليج المكسيك. إنها منطقة مميزة لأنها فقيرة بالمغذيات وموطن للميكروبات المائية ذات الأصول القديمة.
المؤلف الرئيسي للدراسة الجديدة هو جوردان أوكي من كلية استكشاف الأرض والفضاء بجامعة ولاية أريزونا. عنوان الدراسة هو "التكييفات الجينية في معالجة المعلومات تدعم الاستراتيجية الغذائية في تجربة تخصيب المغذيات في النظام الإيكولوجي بأكمله." نشر في مجلة eLIFE.
تركز الدراسة على جينوم الكائن الحي ، والجوانب الأساسية منه مثل حجم الكائن الحي ، والطريقة التي يشفر بها المعلومات ، وكثافة المعلومات. درس الباحثون كيف تسمح هذه الخصائص للكائن الحي بالازدهار في بيئة قاسية ، مثل تلك الموجودة في حوض كواترو سينيجاس. في بعض النواحي ، يكون الحوض نظيرًا لأرض الأرض المبكرة ، أو المريخ القديم الرطب.
قال المؤلف الرئيسي أوكي: "هذه المنطقة فقيرة جدًا في المغذيات لدرجة أن العديد من نظمها البيئية تهيمن عليها الميكروبات وقد تتشابه مع النظم البيئية من الأرض المبكرة ، وكذلك البيئات الرطبة السابقة على كوكب المريخ والتي ربما تكون قد دعمت الحياة".
هناك تكلفة على كل شيء يفعله الكائن الحي ، والكائنات الحية تُجري العديد من المقايضات أثناء ممارستها لأعمالها. تؤثر هذه المقايضات على كفاءة معالجة المعلومات البيوكيميائية للكائن الحي. إن الكائن الحي الذي تكيف مع بيئة فقيرة بالمغذيات وتطور فيها ربما لم "يستثمر" في القدرة على استخدام كميات كبيرة من الموارد لتكرار نفسه.
كانت هذه هي فرضية الفريق ، واستنبطوا التجارب للتحقيق فيها.
الأستاذ المشارك كريستوفر دوبون من معهد J. Craig Venter مؤلف كبير لهذه الدراسة. قال دوبونت في بيان صحفي: "افترضنا أن الكائنات الحية الدقيقة الموجودة في بيئات قليلة التغذية (منخفضة المغذيات) ستعتمد ، بالضرورة ، على استراتيجيات منخفضة الموارد لتكرار الحمض النووي ، ونسخ الحمض النووي الريبي ، وترجمة البروتين. على العكس من ذلك ، فإن البيئة ذات المغذيات العالية (المغذيات العالية) تفضل استراتيجيات كثيفة الموارد. "
تضمنت التجربة إعداد ما يسمى "mesocosms" ، النظم البيئية المصغرة. ثم تم تغذية الكائنات الحية بمستويات مرتفعة من الأسمدة التي تحتوي على النيتروجين والفوسفور. حفزت هذه العناصر زيادة النمو في الكائنات الحية الدقيقة داخل mesocosms. في نهاية التجربة ، نظروا في كيفية استجابة مجتمع الكائنات الحية للعناصر الغذائية المتزايدة ، مقارنة بالمجموعات الضابطة.
في دراستهم ، ركز المؤلفون على أربع سمات تحكم قدرة الكائنات الحية على معالجة المعلومات البيولوجية في خلاياها:
- تعدد الجينات الضرورية لعملية التخليق الحيوي للبروتين: يجب أن يكون للكائنات المتغيرة ، أو الكائنات الحية المكيفة مع البيئات الغنية بالمغذيات ، أعدادًا أكبر من الجينات التي تساهم في معدلات نمو أكبر. ولكن هناك مفاضلة: فهي في وضع غير مؤاتٍ في البيئات الفقيرة بالمغذيات ، ويمكن أن تؤدي معدلات التكرار الأعلى لها إلى تقليل كفاءة النمو.
- حجم الجينوم: يحتاج الكائن ذي الجينوم الأصغر إلى موارد أقل للتكرار ، وله حجم خلية أصغر. يمكن لهذه الكائنات الحية أن تستجيب بسرعة أكبر للظروف التي تفتقر إلى المغذيات بعد فترة من وفرة المغذيات النسبية.
- محتوى الجوانين والسيتوزين: يعد الجوانين والسيتوزين من القواعد النوكليوتيدية. العلماء ليسوا متأكدين تمامًا من السبب ، لكن الكائنات الحية ذات مستويات GC العالية في جينومها من المحتمل أن تكون أفضل في البيئات الغنية بالموارد ، ربما لأن إنتاج GC أكثر تكلفة. لذا فإن الكائنات ذات المحتوى المنخفض من GC قد تعمل بشكل أفضل في البيئات الفقيرة بالموارد.
- انحياز استخدام الكودون: الكودونات هي سلاسل من توزيعات ثلاثية من الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي. يحدد Codons أي حمض أميني يضاف بعد ذلك أثناء تخليق البروتين. يمكن لكودونات مختلفة متعددة ترميز حمض أميني ، ولكن في بيئة غنية بالمغذيات ، يجب أن تكون الكودونات التي تستخدم الموارد بشكل أسرع متحيزة على نظيراتها.
تختلف هذه الدراسة لأنها تنظر إلى كل هذه السمات الأربعة ، بينما ركزت الدراسات السابقة على واحدة أو اثنتين فقط. تبحث هذه الدراسة أيضًا في كيفية عمل هذه السمات في المجتمع ، في حين اتخذت الدراسات السابقة مناهج مختلفة. كما يقولون في ورقتهم ، "دراستنا جديرة بالملاحظة كواحدة من أولى تجارب النظام الإيكولوجي الكاملة التي تنطوي عليهاتكرار على مستوى التجربة تقييمات metagenomic لاستجابة المجتمع. "
"هذه الدراسة فريدة وقوية لأنها تأخذ الأفكار من الدراسة البيئية للكائنات الكبيرة وتطبقها على المجتمعات الميكروبية في تجربة النظام البيئي بأكمله."
المؤلف الكبير جيم إلسر ، كلية علوم الحياة بجامعة ولاية أريزونا
استمرت التجربة 32 يومًا ، وتمت في بركة لاغونيتا في حوض كواترو سيينيجاس. خلال تلك الفترة ، أجرى الباحثون مراقبة ميدانية وأخذ عينات وكيمياء المياه الروتينية.
كانت النتائج متماشية مع الفرضية: أصبحت الكائنات الحية المسيطرة على mesocosms ذات قدرة أكبر على استخدام العناصر الغذائية المتزايدة في التكاثر. سيطرت على مجموعات المراقبة الأنواع التي يمكنها معالجة المعلومات البيولوجية بتكلفة مخفضة.
قال المؤلف الكبير جيم إلسر من كلية علوم الحياة في جامعة ولاية أريزونا الأمريكية: "هذه الدراسة فريدة وقوية لأنها تأخذ أفكارًا من الدراسة البيئية للكائنات الحية الكبيرة وتطبقها على المجتمعات الميكروبية في تجربة النظام البيئي بأكمله". "من خلال القيام بذلك ، تمكنا ، ربما للمرة الأولى ، من تحديد وتأكيد وجود سمات أساسية على نطاق الجينوم مرتبطة بالاستجابات الميكروبية المنهجية لحالة مغذيات النظام الإيكولوجي ، بغض النظر عن هوية الأنواع لتلك الميكروبات."
نتائج هذه الدراسة تخبرنا شيئًا عن الكيفية التي يمكن أن تعمل بها الحياة في البيئات المتطرفة و / أو الفقيرة بالمغذيات في عوالم أخرى. أينما كان الكائن الحي ، يجب أن يكون لديه قدرات معالجة معلومات بيولوجية محسنة بدقة يمكنها الاستفادة من الموارد الرئيسية في بيئاتها. والبيئات التي يجدون أنفسهم فيها ستحدد ما هي تلك.
قال أوكي: "هذا مثير للغاية ، لأنه يوحي بوجود قواعد للحياة يجب أن تنطبق بشكل عام على الحياة على الأرض وما بعدها".
أكثر:
- بيان صحفي: قواعد الحياة: من البركة إلى ما بعدها
- ورقة بحثية: التعديلات الجينية في معالجة المعلومات تدعم الاستراتيجية الغذائية في تجربة تخصيب المغذيات في النظام الإيكولوجي بالكامل
- البحوث المرتبطة: تجمع المجتمع البكتيري على أساس الجينات الوظيفية بدلاً من الأنواع
