

Para ilmuwan melakukan penelitian mereka di mata air panas Taman Nasional Yellowstone, yang juga merupakan rumah bagi musim semi prismatik yang digambarkan di sini. (Pandora Pictures/Shutterstock)
Pendeknya
- Para ilmuwan yang mempelajari mikroba di mata air panas Yellowstone telah menemukan bagaimana kehidupan kuno mungkin bertahan ketika Bumi memiliki sedikit oksigen. Dengan membandingkan dua pegas dengan kadar oksigen yang berbeda, mereka menemukan bahwa mikroba menggunakan protein khusus untuk mengekstraksi energi dari lingkungan mereka, menyesuaikan strategi mereka berdasarkan sumber daya yang tersedia.
- Studi ini berfokus pada dua mata air panas: pegas keong (oksigen rendah, sulfida tinggi) hanya menampung 3-4 jenis mikroba, sedangkan pegas gurita (oksigen lebih tinggi, sulfida rendah) mendukung sekitar 15 jenis yang berbeda. Perbedaan keragaman ini menunjukkan bagaimana peningkatan kadar oksigen dapat mendukung bentuk kehidupan yang lebih bervariasi.
- Tiga spesies mikroba utama yang ditemukan di kedua pegas menunjukkan kemampuan beradaptasi yang luar biasa, mengalihkan strategi kelangsungan hidup mereka berdasarkan ketersediaan oksigen. Ini menunjukkan bentuk kehidupan awal mungkin memiliki fleksibilitas yang sama selama peristiwa oksidasi hebat Bumi 2,4 miliar tahun yang lalu, ketika atmosfer planet ini berubah secara dramatis.
Bozeman, Mont. – – Miliaran tahun yang lalu, Bumi tidak dapat dikenali. Itu adalah planet miskin oksigen yang memusuhi sebagian besar bentuk kehidupan modern. Saat ini, di perairan yang mendahului mata air panas bumi Taman Nasional Yellowstone, para ilmuwan telah menemukan mikroba yang mungkin mengungkapkan bagaimana kehidupan selamat dari kondisi awal yang keras itu. Sebuah studi baru dari Montana State University menunjukkan bagaimana organisme kuno ini beradaptasi dengan lingkungan yang mencerminkan hari -hari awal planet kita.
Peristiwa oksidasi yang hebat menandai momen penting dalam sejarah Bumi. Sekitar 2,4 miliar tahun yang lalu, atmosfer planet kita berubah dari hampir tidak ada oksigen menjadi mengandung sejumlah besar gas vital ini. Suasana saat ini adalah sekitar 20% oksigen, tetapi secara historis, kadar oksigen sangat rendah sehingga hampir tidak terdeteksi oleh instrumen modern. Pergeseran dramatis ini membentuk kembali kehidupan di bumi, tetapi pertanyaan tetap tentang bagaimana organisme bertahan selama transisi ini.
Studi yang diterbitkan di Komunikasi Alammengungkapkan jawaban di tempat yang tidak mungkin – perairan super panas dari mata air panas Yellowstone. Dalam lingkungan yang ekstrem ini, di mana suhu mencapai 190 derajat Fahrenheit (88 ° C), mikroba modern menunjukkan strategi kelangsungan hidup yang dapat mencerminkan yang digunakan oleh bentuk kehidupan paling awal di Bumi.
Tim peneliti berfokus pada dua mata air panas spesifik di Cekungan Geyser Bawah Yellowstone: Conch dan Octopus Springs. Sementara mata air ini memiliki banyak karakteristik, mereka berbeda dalam satu aspek penting: kimia mereka. Conch Spring mengandung tingkat tinggi sulfida terlarut dan hampir tidak ada oksigen, menciptakan kondisi yang mirip dengan atmosfer awal Bumi. Octopus Spring memiliki kadar oksigen yang lebih tinggi dan sangat sedikit sulfida, mewakili lingkungan yang lebih modern.


“Ketika oksigen mulai meningkat di lingkungan, termofil ini kemungkinan penting dalam asal -usul kehidupan mikroba,” kata penulis studi William P. Inskeep, dalam sebuah pernyataan. “Ada evolusi organisme yang memanfaatkan oksigen. Octopus memiliki lebih banyak oksigen, dan tentu saja, ada lebih banyak organisme aerobik di sana. Lingkungan ini memiliki karakter yang berbeda. ”
Di dalam mata air ini, para peneliti menemukan struktur luar biasa yang disebut “streamer,” formasi yang terlihat yang menyerupai tanaman rumput laut kecil. Streamer ini menempel pada batuan dan permukaan lain di dalam pegas, mengembangkan filamen yang melambai dalam arus cepat. Sementara struktur ini terlihat serupa di kedua mata air, mereka menampung komunitas mikroba yang sangat berbeda.
Dalam lingkungan miskin oksigen Conch Spring, para peneliti menemukan komunitas khusus hanya 3-4 jenis mikroba yang berbeda. Organisme ini telah mengembangkan adaptasi luar biasa yang memungkinkan mereka untuk bertahan hidup dengan oksigen minimal, termasuk protein khusus yang disebut reduktase oksigen afinitas tinggi. Protein ini dapat secara efektif menangkap dan menggunakan oksigen bahkan ketika ada dalam konsentrasi yang sangat rendah.
Situasi di Octopus Spring mengungkapkan cerita yang berbeda. Perairannya yang lebih kaya oksigen mendukung sekitar 15 jenis mikroorganisme, menunjukkan bagaimana peningkatan kadar oksigen dapat meningkatkan keragaman biologis. Mikroba ini telah mengembangkan berbagai strategi untuk produksi energi, mengambil keuntungan dari ketersediaan oksigen yang lebih tinggi di lingkungan mereka.


Terlepas dari perbedaan mereka, kedua pegas berbagi tiga spesies mikroba utama: Thermocrenis, PyrobaculumDan Caldipriscus. Silsilah kuno ini menunjukkan kemampuan beradaptasi yang luar biasa, mengubah strategi kelangsungan hidup mereka berdasarkan sumber daya yang tersedia. Dengan mempelajari gen -gen yang diekspresikan mikroba ini di lingkungan yang berbeda, para peneliti memperoleh wawasan tentang bagaimana kehidupan awal mungkin beradaptasi ketika atmosfer Bumi berubah.
Penelitian ini mewakili lebih dari dua dekade penyelidikan ilmiah di Taman Nasional Yellowstone. Lokasi Montana State University di Ekosistem Yellowstone yang lebih besar memberikan peluang unik untuk penelitian ini.
“Akan sangat sulit untuk mereproduksi eksperimen semacam ini di laboratorium; Bayangkan mencoba membuat aliran air panas dengan jumlah oksigen dan sulfida yang tepat. Dan itulah yang sangat menyenangkan tentang mempelajari lingkungan ini. Kita dapat melakukan pengamatan ini dalam kondisi geokimia yang tepat yang perlu diperkuat oleh organisme ini, ”kata Inskeep, yang telah melakukan penelitian di Yellowstone sejak 1999.
Kemampuan mikroorganisme ini untuk beradaptasi dengan kadar oksigen yang berbeda menunjukkan fleksibilitas kehidupan yang luar biasa. Penelitian ini menunjukkan bagaimana organisme dapat mengembangkan berbagai strategi untuk bertahan hidup dalam kondisi yang menantang, dari menggunakan protein khusus hingga membentuk komunitas yang kompleks.
Kehadiran spesies mikroba yang serupa di kedua pegas, terlepas dari kadar oksigen yang berbeda, menunjukkan bahwa bentuk kehidupan awal mungkin memiliki kemampuan beradaptasi yang luar biasa. Fleksibilitas ini akan sangat penting selama peristiwa oksidasi yang hebat, karena organisme yang diperlukan untuk beradaptasi dengan peningkatan kadar oksigen di atmosfer Bumi.
“Mungkin tampak berlawanan dengan intuisi untuk memahami kehidupan yang kompleks dengan mempelajari sesuatu yang sederhana, tetapi itulah yang harus dimulai,” kata penulis studi Mensure Dlakić, seorang profesor di Departemen Mikrobiologi dan Biologi Sel. “Kamu harus berpikir untuk memahami di mana kita sekarang.”
Penelitian ini berkontribusi pada pemahaman kita tentang bagaimana kehidupan berkembang dan beradaptasi dengan perubahan lingkungan. Sementara mata air panas modern tidak dapat mereplikasi kondisi kuno Bumi dengan sempurna, mereka memberikan wawasan yang berharga tentang strategi yang mungkin digunakan oleh bentuk kehidupan awal. Temuan ini membantu menyatukan teka -teki kompleks evolusi kehidupan di bumi dan dapat menginformasikan pencarian kita untuk kehidupan di planet lain.
Ringkasan Kertas
Metodologi
Tim peneliti mengumpulkan sampel dari kedua pegas selama hampir satu dekade, melakukan analisis terperinci dari komunitas mikroba menggunakan pengurutan DNA dan RNA untuk memahami potensi genetik dan aktivitas aktualnya. Mereka menggunakan mikroskop elektron untuk memeriksa struktur fisik komunitas -komunitas ini dan melakukan analisis geokimia yang luas untuk mengkarakterisasi kondisi lingkungan mata air. Studi jangka panjang ini, didukung oleh peluang National Science Foundation untuk mempromosikan pemahaman melalui program sintesis, memungkinkan para peneliti untuk mengamati pola dan perubahan dari waktu ke waktu.
Hasil
Studi ini mengungkapkan bahwa sementara kedua mata air mengandung spesies inti yang serupa, aktivitas metabolisme mereka berbeda secara dramatis berdasarkan sumber daya yang tersedia. Dalam kondisi oksigen rendah, mikroba mengekspresikan gen untuk reduktase oksigen afinitas tinggi, sedangkan di lingkungan oksigen yang lebih tinggi, mereka menggunakan jalur enzimatik yang berbeda. Penelitian ini juga menunjukkan bagaimana organisme ini dapat beralih antara berbagai strategi metabolisme tergantung pada kondisi lingkungan.
Batasan
Studi ini berfokus hanya pada dua mata air panas di Yellowstone, yang mungkin tidak mewakili semua variasi yang mungkin dari lingkungan tersebut. Selain itu, sementara penelitian ini memberikan wawasan tentang kehidupan kuno, organisme modern telah berkembang selama miliaran tahun dan mungkin tidak secara sempurna mewakili rekan -rekan kuno mereka.
Diskusi dan takeaways
Penelitian ini memberikan bukti bahwa kehidupan awal bisa berkembang di lingkungan oksigen rendah menggunakan strategi yang sama dengan yang diamati di mata air panas ini. Studi ini juga menunjukkan kemampuan beradaptasi yang luar biasa dari kehidupan mikroba dan kemampuannya untuk mengoptimalkan strategi kelangsungan hidup berdasarkan sumber daya yang tersedia.
Pendanaan dan pengungkapan
Penelitian ini didukung oleh peluang National Science Foundation untuk mempromosikan pemahaman melalui program sintesis dan Montana State University. Studi ini dilakukan di bawah izin penelitian Layanan Taman Nasional di Taman Nasional Yellowstone.
Informasi publikasi
Studi ini, berjudul “Proses pernapasan hipertermofil awal yang berevolusi dalam komunitas mikroba geotermal sulfid dan oksigen rendah,” diterbitkan di Komunikasi Alam Pada tanggal 2 Januari 2025. Tim peneliti termasuk para ilmuwan dari Departemen Sumber Daya Tanah dan Lingkungan Universitas Negeri Montana, Institut Biologi Termal, Departemen Kimia dan Biokimia, dan Departemen Mikrobiologi dan Biologi Sel.