Sự hiểu biết ngày càng tăng của chúng ta về các cực đoan ở đây trên Trái đất đã mở ra những khả năng mới trong ngành sinh vật học. Các nhà khoa học đang có cái nhìn khác về các thế giới nghèo tài nguyên có vẻ như họ không bao giờ có thể hỗ trợ cuộc sống. Một nhóm các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu một khu vực nghèo dinh dưỡng của Mexico để cố gắng hiểu làm thế nào các sinh vật phát triển mạnh trong môi trường đầy thách thức.
Các nhà nghiên cứu đã làm việc tại một khu vực của Mexico được gọi là lưu vực Cuatro Ciénegas. Khoảng 43 triệu năm trước, lưu vực là một vùng biển nông, cho đến khi nó bị cô lập khỏi Vịnh Mexico. Nó có một khu vực đặc biệt bởi vì nó nuôi cả người nghèo dinh dưỡng và nhà của các vi khuẩn thủy sinh với tổ tiên xa xưa.
Tác giả chính của nghiên cứu mới là Jordan Okei từ Trường Đại học Khám phá Trái đất và Không gian của Đại học bang Arizona. Tiêu đề của nghiên cứu là thích ứng Genomic trong xử lý thông tin làm cơ sở cho chiến lược chiến thắng trong một thí nghiệm làm giàu dinh dưỡng toàn hệ sinh thái. Nó được xuất bản trên tạp chí eLIFE.
Nghiên cứu tập trung vào bộ gen của sinh vật, và các khía cạnh cơ bản của nó như kích thước của sinh vật, cách mã hóa thông tin và mật độ thông tin. Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu làm thế nào những đặc điểm đó cho phép một sinh vật phát triển mạnh trong một môi trường khắc nghiệt, giống như ở lưu vực Cuatro Ciénegas. Theo một số cách, lưu vực là một tương tự cho Trái đất sơ khai, hoặc sao Hỏa cổ đại, ẩm ướt.
Tác giả khu vực này rất nghèo chất dinh dưỡng đến mức nhiều hệ sinh thái của nó bị vi khuẩn thống trị và có thể có những điểm tương đồng với hệ sinh thái từ đầu Trái đất, cũng như môi trường ẩm ướt hơn trên sao Hỏa có thể hỗ trợ sự sống, tác giả chính của Okie nói.
Có một chi phí cho tất cả mọi thứ mà một sinh vật làm, và các sinh vật tạo ra nhiều sự đánh đổi khi họ tiến hành công việc của mình. Những sự đánh đổi này ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý thông tin sinh hóa của sinh vật. Một sinh vật thích nghi và tiến hóa trong môi trường nghèo dinh dưỡng có thể không có đầu tư trực tiếp với khả năng sử dụng một lượng lớn tài nguyên để tự tái tạo.
Đó là giả thuyết của nhóm, và họ đã nghĩ ra các thí nghiệm để điều tra nó.
Phó giáo sư Christopher Dupont từ Viện J. Craig Venter là một tác giả cao cấp của nghiên cứu này. Trong một thông cáo báo chí, Dupont cho biết, Chúng tôi đã đưa ra giả thuyết rằng các vi sinh vật được tìm thấy trong môi trường thiếu dinh dưỡng (ít dinh dưỡng), sẽ không cần thiết, dựa vào các chiến lược tài nguyên thấp để sao chép DNA, sao chép RNA và dịch mã protein. Ngược lại, một môi trường copiotrophic (chất dinh dưỡng cao) ủng hộ các chiến lược sử dụng nhiều tài nguyên.
Thí nghiệm liên quan đến việc thiết lập những gì được gọi là mesocosms, hệ sinh thái thu nhỏ. Các sinh vật sau đó được cho ăn mức phân bón cao chứa nitơ và phốt pho. Những yếu tố này thúc đẩy sự tăng trưởng trong các vi sinh vật bên trong mesocosms. Vào cuối thí nghiệm, họ đã xem xét cách cộng đồng các sinh vật phản ứng với các chất dinh dưỡng tăng lên, so với các nhóm đối chứng.
Trong nghiên cứu của họ, các tác giả tập trung vào bốn đặc điểm chi phối một sinh vật có khả năng xử lý thông tin sinh học trong các tế bào của họ:
- Sự đa dạng của các gen cần thiết cho quá trình sinh tổng hợp protein: Copiotrophs hoặc các sinh vật thích nghi với môi trường giàu dinh dưỡng, nên có số lượng gen cao hơn góp phần vào tốc độ tăng trưởng lớn hơn. Nhưng có một sự đánh đổi: họ đã gặp bất lợi trong môi trường nghèo dinh dưỡng và tốc độ sao chép cao hơn có thể làm giảm hiệu quả tăng trưởng của họ.
- Kích thước bộ gen: Một sinh vật có bộ gen nhỏ hơn cần ít tài nguyên hơn để nhân lên và có kích thước tế bào nhỏ hơn. Những sinh vật này có thể đáp ứng nhanh hơn với các điều kiện nghèo dinh dưỡng sau một thời gian dồi dào chất dinh dưỡng tương đối.
- Hàm lượng guanine và cytosine: Guanine và cytosine là các bazơ nucleotide. Các nhà khoa học không biết chính xác lý do tại sao, nhưng các sinh vật có hàm lượng GC cao trong bộ gen của chúng có khả năng làm tốt hơn trong môi trường giàu tài nguyên, có thể là do GC sản xuất nhiều hơn đắt tiền. Vì vậy, các sinh vật có hàm lượng GC thấp hơn có thể làm tốt hơn trong môi trường nghèo tài nguyên.
- Sai lệch sử dụng Codon: Codon là chuỗi các chuỗi nucleotide DNA hoặc RNA. Codons chỉ định axit amin nào sẽ thêm tiếp theo trong quá trình tổng hợp protein. Nhiều codon khác nhau có thể mã hóa một axit amin, nhưng trong môi trường giàu chất dinh dưỡng, các codon sử dụng tài nguyên nhanh hơn nên được đặt lệch so với các đối tác của chúng.
Nghiên cứu này khác nhau bởi vì nó xem xét tất cả bốn đặc điểm đó, trong khi các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào một hoặc hai trong số chúng. Nghiên cứu này cũng xem xét cách những đặc điểm này hoạt động trong một cộng đồng, trong khi các nghiên cứu trước đó có những cách tiếp cận khác nhau. Như họ nói trong bài báo của mình, nghiên cứu của chúng tôi đáng chú ý là một trong những thí nghiệm toàn hệ sinh thái đầu tiên liên quan đếnnhân rộng cấp độ thử nghiệm đánh giá metagenomic của phản ứng cộng đồng.
Nghiên cứu này là duy nhất và mạnh mẽ bởi vì nó lấy ý tưởng từ nghiên cứu sinh thái của các sinh vật lớn và áp dụng chúng cho các cộng đồng vi sinh vật trong một thí nghiệm toàn hệ sinh thái.
Tác giả cao cấp Jim Elser, Trường Khoa học Đời sống ASU
Thí nghiệm kéo dài 32 ngày và diễn ra ở ao Lagunita trong lưu vực Cuatro Ciénegas. Trong thời gian đó, các nhà nghiên cứu đã tiến hành giám sát thực địa, lấy mẫu và hóa học nước thường xuyên.
Các kết quả phù hợp với giả thuyết: mesocosms bị chi phối bởi các sinh vật có khả năng lớn hơn để sử dụng các chất dinh dưỡng tăng lên trong quá trình sao chép. Các nhóm kiểm soát bị chi phối bởi các loài có thể xử lý thông tin sinh học với chi phí giảm.
Jim Elser, tác giả cao cấp của Trường Khoa học Đời sống ASU cho biết, nghiên cứu này rất độc đáo và mạnh mẽ bởi vì nó lấy ý tưởng từ nghiên cứu sinh thái của các sinh vật lớn và áp dụng chúng cho các cộng đồng vi sinh vật trong một thí nghiệm toàn hệ sinh thái. Có lẽ, lần đầu tiên, chúng tôi đã có thể xác định và xác nhận rằng có những đặc điểm genomewide cơ bản liên quan đến phản ứng của vi sinh vật có hệ thống với tình trạng dinh dưỡng của hệ sinh thái, mà không liên quan đến danh tính loài của các vi khuẩn đó.
Kết quả của nghiên cứu này cho chúng ta biết một số điều về cách cuộc sống có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt và / hoặc nghèo dinh dưỡng ở các thế giới khác. Bất cứ nơi nào có một sinh vật, nó phải có khả năng xử lý thông tin sinh học được tinh chỉnh để có thể tận dụng các nguồn lực chính trong môi trường của chúng. Và môi trường họ tìm thấy chính mình sẽ quyết định đó là những gì.
Okie Điều này rất thú vị, vì nó cho thấy có những quy tắc của cuộc sống thường được áp dụng cho cuộc sống trên Trái đất và hơn thế nữa, theo ông Okie.
Hơn:
- Thông cáo báo chí: Quy tắc của cuộc sống: Từ một cái ao đến bên kia
- Tài liệu nghiên cứu: Thích ứng bộ gen trong xử lý thông tin làm cơ sở cho chiến lược chiến thắng trong một thí nghiệm làm giàu dinh dưỡng toàn hệ sinh thái
- Nghiên cứu liên kết: Tập hợp cộng đồng vi khuẩn dựa trên các gen chức năng chứ không phải loài
