Nuestra creciente comprensión de los extremófilos aquí en la Tierra ha abierto nuevas posibilidades en astrobiología. Los científicos están echando otro vistazo a los mundos pobres en recursos que parecían que nunca podrían soportar la vida. Un equipo de investigadores está estudiando una región de México pobre en nutrientes para tratar de entender cómo los organismos prosperan en entornos desafiantes.
Los investigadores trabajaron en una región de México llamada la cuenca de Cuatro Ciénegas. Hace unos 43 millones de años, la cuenca era un mar poco profundo, hasta que se aisló del Golfo de México. Es una región distintiva porque es pobre en nutrientes y alberga microbios acuáticos con ancestros antiguos.
El autor principal del nuevo estudio es Jordan Okei, de la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio de la Universidad Estatal de Arizona. El título del estudio es "Las adaptaciones genómicas en el procesamiento de la información apuntalan la estrategia trófica en un experimento de enriquecimiento de nutrientes de todo el ecosistema". Se publica en la revista eLIFE.
El estudio se centra en el genoma de un organismo y en aspectos fundamentales del mismo, como el tamaño del organismo, la forma en que codifica la información y la densidad de la información. Los investigadores estudiaron cómo esas características permiten que un organismo prospere en un entorno extremo, como el de la cuenca de Cuatro Ciénegas. De alguna manera, la cuenca es un análogo para la Tierra primitiva, o el antiguo y húmedo Marte.
"Esta área es tan pobre en nutrientes que muchos de sus ecosistemas están dominados por microbios y pueden tener similitudes con los ecosistemas de la Tierra primitiva, así como con los ambientes más húmedos del pasado en Marte que pueden haber sostenido la vida", dijo el autor principal Okie.
Hay un costo para todo lo que hace un organismo, y los organismos hacen muchas compensaciones a medida que realizan sus negocios. Estas compensaciones afectan la eficiencia del procesamiento de la información bioquímica de un organismo. Es posible que un organismo que se haya adaptado y evolucionado en un entorno pobre en nutrientes no haya "invertido" en la capacidad de utilizar grandes cantidades de recursos para replicarse.
Esa era la hipótesis del equipo, e idearon experimentos para investigarlo.
El profesor asociado Christopher Dupont del Instituto J. Craig Venter es un autor principal de este estudio. En un comunicado de prensa, Dupont dijo: "Presumimos que los microorganismos encontrados en entornos oligotróficos (bajos en nutrientes) dependerían, necesariamente, de estrategias de bajos recursos para la replicación del ADN, la transcripción del ARN y la traducción de proteínas. Por el contrario, un entorno copiotrófico (alto en nutrientes) favorece las estrategias intensivas en recursos ”.
El experimento consistió en establecer lo que se llama "mesocosmos", ecosistemas en miniatura. Luego, los organismos se alimentaron con niveles elevados de fertilizante que contenía nitrógeno y fósforo. Esos elementos estimularon un mayor crecimiento en los microorganismos dentro de los mesocosmos. Al final del experimento, observaron cómo la comunidad de organismos respondía al aumento de nutrientes, en comparación con los grupos de control.
En su estudio, los autores se centraron en cuatro rasgos que gobiernan la capacidad de un organismo para procesar información biológica en sus células:
- Multiplicidad de genes esenciales para la biosíntesis de proteínas: los copiotrofos u organismos adaptados a entornos ricos en nutrientes deberían tener un mayor número de genes que contribuyan a mayores tasas de crecimiento. Pero hay una compensación: están en desventaja en entornos pobres en nutrientes, y sus tasas de replicación más altas podrían terminar reduciendo su eficiencia de crecimiento.
- Tamaño del genoma: un organismo con un genoma más pequeño necesita menos recursos para replicarse y tiene un tamaño de célula más pequeño. Estos organismos pueden responder más rápidamente a condiciones pobres en nutrientes después de un tiempo de relativa abundancia de nutrientes.
- Contenido de guanina y citosina: la guanina y la citosina son bases de nucleótidos. Los científicos no están exactamente seguros de por qué, pero los organismos con altos niveles de GC en su genoma probablemente obtengan mejores resultados en entornos ricos en recursos, tal vez porque los GC son más "caros" de producir. Por lo tanto, los organismos con menor contenido de GC pueden mejorar en entornos con pocos recursos.
- Sesgo de uso de codones: los codones son secuencias de tripletes de nucleótidos de ADN o ARN. Los codones especifican qué aminoácido agregar a continuación durante la síntesis de proteínas. Múltiples codones diferentes pueden codificar un aminoácido, pero en un ambiente rico en nutrientes, los codones que usan los recursos más rápido deben estar sesgados sobre sus contrapartes.
Este estudio es diferente porque analiza los cuatro rasgos, mientras que estudios anteriores se han centrado en solo uno o dos de ellos. Este estudio también analiza cómo funcionan estos rasgos en una comunidad, mientras que los estudios anteriores tomaron diferentes enfoques. Como dicen en su artículo, "Nuestro estudio es notable como uno de los primeros experimentos de todo el ecosistema que involucranivel de experimento replicado evaluaciones metagenómicas de la respuesta comunitaria ".
"Este estudio es único y poderoso porque toma ideas del estudio ecológico de organismos grandes y las aplica a comunidades microbianas en un experimento de ecosistema completo".
Autor principal Jim Elser, ASU School of Life Sciences
El experimento duró 32 días y tuvo lugar en el estanque Lagunita en la cuenca de Cuatro Ciénegas. Durante ese tiempo, los investigadores realizaron monitoreo de campo, muestreo y química del agua de rutina.
Los resultados estuvieron en línea con la hipótesis: los mesocosmos fueron dominados por organismos con mayor capacidad para usar los nutrientes aumentados en la replicación. Los grupos de control estaban dominados por especies que podían procesar información biológica a un costo reducido.
"Este estudio es único y poderoso porque toma ideas del estudio ecológico de organismos grandes y las aplica a comunidades microbianas en un experimento de ecosistema completo", dijo el autor principal Jim Elser, de la Facultad de Ciencias de la Vida de ASU. "Al hacerlo, pudimos, quizás por primera vez, identificar y confirmar que existen rasgos fundamentales del genoma asociados con respuestas microbianas sistemáticas al estado de los nutrientes del ecosistema, sin tener en cuenta la identidad de las especies de esos microbios".
Los resultados de este estudio nos dicen algo sobre cómo podría funcionar la vida en ambientes extremos y / o pobres en nutrientes en otros mundos. Dondequiera que esté un organismo, debe tener capacidades de procesamiento de información biológica finamente ajustadas que puedan aprovechar los recursos clave en sus entornos. Y los entornos en los que se encuentren determinarán cuáles son esos.
"Esto es muy emocionante, ya que sugiere que existen reglas de vida que deberían ser generalmente aplicables a la vida en la Tierra y más allá", dijo Okie.
Más:
- Comunicado de prensa: Reglas de vida: del estanque al más allá
- Documento de investigación: Las adaptaciones genómicas en el procesamiento de la información apuntalan la estrategia trófica en un experimento de enriquecimiento de nutrientes de todo el ecosistema.
- Investigación asociada: ensamblaje de la comunidad bacteriana basado en genes funcionales en lugar de especies
