Notre compréhension croissante des extrémophiles ici sur Terre a ouvert de nouvelles possibilités en astrobiologie. Les scientifiques examinent de nouveau les mondes pauvres en ressources qui semblaient ne jamais pouvoir supporter la vie. Une équipe de chercheurs étudie une région du Mexique pauvre en nutriments pour essayer de comprendre comment les organismes prospèrent dans des environnements difficiles.
Les chercheurs ont travaillé dans une région du Mexique appelée bassin de Cuatro Ciénegas. Il y a environ 43 millions d'années, le bassin était une mer peu profonde, jusqu'à ce qu'il soit isolé du golfe du Mexique. C’est une région particulière car elle est à la fois pauvre en nutriments et abrite des microbes aquatiques d’ascendance ancienne.
L'auteur principal de la nouvelle étude est Jordan Okei de l'École d'exploration de la Terre et de l'espace de l'Arizona State University. Le titre de l'étude est «Les adaptations génomiques dans le traitement de l'information sous-tendent la stratégie trophique dans une expérience d'enrichissement des nutriments de tout l'écosystème». Il est publié dans la revue eLIFE.
L’étude se concentre sur le génome d’un organisme et ses aspects fondamentaux comme la taille de l’organisme, la façon dont il code les informations et la densité des informations. Les chercheurs ont étudié comment ces caractéristiques permettent à un organisme de prospérer dans un environnement extrême, comme celui du bassin de Cuatro Ciénegas. À certains égards, le bassin est un analogue de la Terre primitive ou de l'ancienne Mars humide.
«Cette zone est si pauvre en nutriments que bon nombre de ses écosystèmes sont dominés par des microbes et peuvent présenter des similitudes avec les écosystèmes de la Terre primitive, ainsi qu'avec les environnements plus humides du passé sur Mars qui auraient pu soutenir la vie», a déclaré l'auteur principal Okie.
Il y a un coût pour tout ce qu'un organisme fait, et les organismes font de nombreux compromis au cours de leurs activités. Ces compromis affectent l’efficacité du traitement de l’information biochimique d’un organisme. Un organisme qui s'est adapté et a évolué dans un environnement pauvre en nutriments n'a peut-être pas «investi» dans la capacité d'utiliser de grandes quantités de ressources pour se reproduire.
C’était l’hypothèse de l’équipe, et ils ont imaginé des expériences pour l’étudier.
Le professeur agrégé Christopher Dupont de l'Institut J. Craig Venter est un auteur principal de cette étude. Dans un communiqué de presse, Dupont a déclaré: «Nous avons émis l'hypothèse que les micro-organismes trouvés dans des environnements oligotrophes (pauvres en nutriments) s'appuieraient, par nécessité, sur des stratégies à faibles ressources pour la réplication de l'ADN, la transcription de l'ARN et la traduction des protéines. Inversement, un environnement copiotrophique (riche en nutriments) favorise les stratégies à forte intensité de ressources. »
L'expérience a consisté à mettre en place ce qu'on appelle des «mésocosmes», des écosystèmes miniatures. Les organismes ont ensuite reçu des niveaux élevés d'engrais contenant de l'azote et du phosphore. Ces éléments ont stimulé une croissance accrue des micro-organismes à l'intérieur des mésocosmes. À la fin de l'expérience, ils ont examiné comment la communauté des organismes a répondu à l'augmentation des nutriments, par rapport aux groupes témoins.
Dans leur étude, les auteurs se sont concentrés sur quatre traits qui régissent la capacité d'un organisme à traiter l'information biologique dans ses cellules:
- Multiplicité des gènes essentiels à la biosynthèse des protéines: les copiotrophes, ou organismes adaptés à des environnements riches en nutriments, devraient avoir un plus grand nombre de gènes qui contribuent à des taux de croissance plus élevés. Mais il y a un compromis: ils sont désavantagés dans les environnements pauvres en nutriments, et leurs taux de réplication plus élevés pourraient finir par réduire leur efficacité de croissance.
- Taille du génome: un organisme avec un génome plus petit a besoin de moins de ressources pour se répliquer et a une taille de cellule plus petite. Ces organismes peuvent réagir plus rapidement à des conditions pauvres en nutriments après une période d'abondance relative de nutriments.
- Contenu en guanine et cytosine: la guanine et la cytosine sont des bases nucléotidiques. Les scientifiques ne savent pas exactement pourquoi, mais les organismes avec des niveaux élevés de GC dans leur génome réussissent probablement mieux dans des environnements riches en ressources, peut-être parce que les GC sont plus «chers» à produire. Ainsi, les organismes à faible teneur en GC peuvent faire mieux dans des environnements pauvres en ressources.
- Biais d'utilisation des codons: les codons sont des séquences de triplets de nucléotides d'ADN ou d'ARN. Les codons spécifient quel acide aminé ajouter ensuite lors de la synthèse des protéines. Plusieurs codons différents peuvent coder un acide aminé, mais dans un environnement riche en nutriments, les codons qui utilisent les ressources plus rapidement doivent être biaisés par rapport à leurs homologues.
Cette étude est différente car elle examine les quatre de ces traits, tandis que les études précédentes se sont concentrées sur un ou deux d'entre eux seulement. Cette étude examine également comment ces traits fonctionnent dans une communauté, alors que les études précédentes ont adopté des approches différentes. Comme ils le disent dans leur article, «Notre étude est remarquable comme l'une des premières expériences sur l'ensemble de l'écosystème à impliquerniveau d'expérience répliqué évaluations métagénomiques de la réponse communautaire.
"Cette étude est unique et puissante car elle prend des idées de l'étude écologique des grands organismes et les applique aux communautés microbiennes dans une expérience sur tout l'écosystème."
Auteur principal Jim Elser, ASU School of Life Sciences
L'expérience a duré 32 jours et s'est déroulée dans l'étang de Lagunita dans le bassin de Cuatro Ciénegas. Pendant ce temps, les chercheurs ont effectué une surveillance sur le terrain, un échantillonnage et une chimie courante de l'eau.
Les résultats étaient conformes à l'hypothèse: les mésocosmes sont devenus dominés par des organismes ayant une plus grande capacité à utiliser les nutriments accrus pour la réplication. Les groupes témoins étaient dominés par des espèces qui pouvaient traiter l'information biologique à un coût réduit.
"Cette étude est unique et puissante car elle prend des idées de l'étude écologique des grands organismes et les applique aux communautés microbiennes dans une expérience sur tout l'écosystème", a déclaré l'auteur principal Jim Elser, de la School of Life Sciences de l'ASU. «Ce faisant, nous avons pu, peut-être pour la première fois, identifier et confirmer qu'il existe des traits fondamentaux à l'échelle du génome associés aux réponses microbiennes systématiques au statut nutritionnel de l'écosystème, sans égard à l'identité de l'espèce de ces microbes.»
Les résultats de cette étude nous disent quelque chose sur la façon dont la vie pourrait fonctionner dans des environnements extrêmes et / ou pauvres en nutriments sur d'autres mondes. Où que se trouve un organisme, il doit disposer de capacités de traitement de l'information biologique affinées qui peuvent tirer parti des ressources clés de son environnement. Et les environnements dans lesquels ils se trouvent détermineront ce que c'est.
"C'est très excitant, car cela suggère qu'il existe des règles de vie qui devraient être généralement applicables à la vie sur Terre et au-delà", a déclaré Okie.
Plus:
- Communiqué de presse: Règles de vie: d'un étang à l'au-delà
- Document de recherche: Les adaptations génomiques dans le traitement de l'information sous-tendent la stratégie trophique dans une expérience d'enrichissement des nutriments de l'ensemble de l'écosystème
- Recherche associée: assemblage de la communauté bactérienne basée sur des gènes fonctionnels plutôt que sur des espèces
