Życie w ekstremalnych środowiskach

Planeta Ziemia – jest całkiem przytulna na całe życie, prawda? Na pierwszy rzut oka może tak, ale co z palącymi się gorącymi basenami geotermalnymi i głębokimi wodami hydrotermalnymi lub lodowato zimnymi regionami? Ziemia stawia przed życiem wiele wyzwań, ale wydaje się, że życie zawsze znajduje drogę, nawet w najbardziej zaskakujących miejscach. W tym artykule zamierzamy zbadać życie znalezione w ekstremalnych środowiskach na Ziemi i dostosować się do tych trudnych warunków.

Będziesz potrzebował lepszego płaszcza

Organizmy żyjące w ekstremalnych środowiskach są szeroko nazywane ekstremofilami. Mikroorganizmy, które mogą rosnąć i rozmnażać się w niskich temperaturach, zazwyczaj poniżej 15oC i tak niskich jak -20oC, nazywane są psychrofilami. Te środowiska są wszechobecne na Ziemi, ponieważ duża część powierzchni Ziemi doświadcza temperatur pomiędzy tym zakresem. Przykłady obejmują regiony polarne, góry i głębokie wody oceanu. Chociaż wiele ssaków żyje w tych środowiskach, ssaki mają system centralnego ogrzewania, którego nie mają inne organizmy. Oznacza to, że pomimo zmieniającej się temperatury zewnętrznej mogą utrzymywać dość stałą temperaturę wewnętrzną. A co z tymi, którzy nie mogą tego zrobić, takimi jak te mikroby?

Organizmy psychofilne mają wiele wyzwań. Jednym z głównych problemów jest spowolnienie reakcji biologicznych, ponieważ cząsteczki mają mniejszą energię kinetyczną, a enzymy stają się bardziej sztywne. Membrany również zaczynają tracić funkcję, ponieważ stają się znacznie mniej elastyczne. Drobnoustroje opracowały sprytne sposoby na pokonanie tego problemu, na przykład zmieniając skład ich błon, dodając więcej rozgałęzionych kwasów tłuszczowych, aby były bardziej elastyczne w niższych temperaturach. Mają także przystosowane do zimna enzymy, które posiadają mniej wiązań, które utrzymują je razem, ponownie czyniąc je bardziej elastycznymi, dzięki czemu działają w niskich temperaturach.

Oto lepsze lody

Dlaczego dbamy o te mikroby? Cóż, mają naprawdę fajne aplikacje, przepraszam za kalambur. Są zaskakująco powszechne w przemyśle spożywczym; Zimno zaadaptowane bakterie są często stosowane w fermentacji piwa i wina. Niektóre białka z tych psychrofili mają również potencjalne zastosowania w produkcji lodów, ponieważ mogą zmniejszyć wielkość kryształów lodu, a tym samym poprawić teksturę. Pewne typy bakterii psychrofilnych są również dodawane do wody używanej do sztucznego naśnieżania, ponieważ mogą podnieść temperaturę tworzenia śniegu.

Dosłownie marznę!

Inne organizmy, które zainteresowały się badaczami w ostatnich latach, to zwierzęta, które mogą tolerować duże ilości ich ciał, które są zamrażane, a następnie rozmrażane. Antrykotyczny mątwiak P. davidi może przeżyć ponad 80% swojego zamarzania wody i robi to, wytwarzając wysokie stężenia cukru krioprotekcyjnego zwanego trehalozą. Może także uniknąć zamrożenia przez odwodnienie i jest jednym z niewielu znanych organizmów, które mogą przeżyć nawet anhydrobiozę, czyli całkowitą utratę wody.

Istnieje kilka większych organizmów, takich jak owady, ryby i gady, które również mogą tolerować zamarzanie w pewnym stopniu, ale żadna nie przypomina drewna. Te żaby potrafią tolerować niewiarygodne dwie trzecie ich zamrożonej wody. Nie tylko to, ale w czasie tych mrozów ich serca przestają bić nawet przez kilka tygodni. Podobnie jak nicienie, żaby drzewne wytwarzają również wysokie stężenia cząsteczek krioprotektantów, takich jak glukoza i mocznik, które zmniejszają punkt zamarzania tkanki. Naukowcy zwrócili się do tych niewiarygodnych organizmów w nadziei znalezienia sposobu na zamrożenie narządów potrzebnych do przeszczepienia, aby mogły być transportowane na duże odległości do potrzebujących, bez uszkadzania tkanki.

Robi się gorąco tutaj

Większość organizmów na Ziemi żyje między 0-48oC; kilka roślin lub zwierząt może przetrwać dłużej niż górny kraniec tego zakresu. Pewnie, że ssaki mogą się trochę wachlować i trochę się pocić, ale co z organizmami, które potrafią żyć w temperaturach, powiedzmy, 100oC?

W ekstremalnym cieple, w zasadzie dzieje się przeciwnie do tego, co dzieje się w ekstremalnych zimno. Wiązania łączące białka tworzące organizm zaczynają pękać, a białko traci kształt, czyniąc go niefunkcjonalnym. Nazywa się to denaturacją; dlatego po ugotowaniu białka stają się przezroczyste i nieprzejrzyste. Zwykle dzieje się to w temperaturach powyżej 45oC. Jeśli temperatura nie jest zbyt wysoka, proces denaturacji może być odwracalny.
Kominy głębinowe

Zacznijmy od głębokowodnych odpowietrzników hydrotermalnych. Hydrotermalne otwory wentylacyjne to obszary, w których ruch płyt tektonicznych pod dnem morskim powoduje wypływanie wody w ekstremalnych temperaturach. Woda wypływa w temperaturze około 300oC, ale chłodna temperatura otaczającej wody morskiej gwałtownie obniża temperaturę. Większość zwierząt chłodzących tutaj żyje w temperaturze około 30oC, na przykład kilka krabów i krewetek. Ale istnieje kilka organizmów, które znajdują się na najwyższym poziomie. Jednym z takich przykładów jest robak Pompeii, który jest najbardziej odpornym na ciepło zwierzęciem na świecie. Robak buduje rury, w których mieszka, gdzie gorąca woda przepływa przez nią i miesza się z zimną wodą. Temperatura w podstawie rury wynosi średnio 81oC. Te otwory wentylacyjne łączą się również z życiem mikroorganizmów, w tym z licznymi gatunkami bakterii i archeowców. Ci, którzy mieszkają wokół tych otworów, zostali odizolowani od temperatury do 115oC! Organizmy te nazywane są thermophiles.

Bakteryjne wanny z hydromasażem

Innym przykładem piekącego środowiska, które jest zaskakująco bogate w mikrobiologiczne życie, są gorące źródła. Najbardziej znanym gatunkiem bakterii wyizolowanym ze źródeł w Parku Narodowym Yellowstone jest Thermophilus aquaticus, który może żyć w gorącym środowisku. Naukowcy wyizolowali z tego gatunku białko tolerowane przez ciepło zwane polimerazą taq, które jest wykorzystywane w reakcji łańcuchowej polimerazy, co umożliwia naukowcom wytwarzanie ogromnej liczby kopii DNA w krótkim okresie czasu. Jest używany w takich testach diagnostycznych i kryminalistycznych.

Więc jak robią to te oszalałe od gorąca mikroby? Wewnętrzna temperatura drobnoustroju jest taka sama jak w środowisku zewnętrznym – skoro enzymy zaczynają się denaturować w temperaturze około 45oC, jak to przezwyciężyć? Bakterie produkują enzymy tolerujące ciepło, które mają zwiększoną liczbę wiązań, które utrzymują białko razem, co czyni je bardziej sztywnymi i mniej podatnymi na denaturację. Skład tłuszczów (lipidów) błon tych ekstremofili również różni się od tych, które żyją w “normalnych” temperaturach – zawierają one więcej nasyconych kwasów tłuszczowych, które tworzą silniejsze wiązania, a zatem ponownie powodują, że są bardziej sztywne.

Nie boję się braku promieniowania

Promieniowanie jonizujące (o wysokiej energii) może być dość złą wiadomością; jest zdolny do rozbijania DNA organizmów, czasem nawet obu pasm na raz. Przykłady promieniowania jonizującego obejmują promieniowanie rentgenowskie i cząstki alfa. Chociaż organizmy posiadają maszynę do naprawy DNA, jeśli uszkodzenie jest wystarczająco złe, nie będą w stanie tego naprawić. Ale istnieje kilka ekstremalnych organizmów, które mają niesamowitą zdolność wytrzymywania szalonych ilości promieniowania.

Nasz pierwszy organizm to inny drobnoustrój – Deinococcus radiodurans. Ta twarda bakteria została odkryta w 1950 roku, podczas gdy naukowiec eksperymentował z użyciem promieniowania gamma do sterylizacji mięsa, ale ten mały człowiek zawsze zdołał przeżyć. D. radiodurany mogą tolerować 1500 kiloradów bez doświadczania mutacji. Rad jest jednostką pochłoniętej dawki promieniowania jonizującego. To około 3000 razy to, co ludzie mogą wytrzymać. Kluczem do jego odporności na promieniowanie jest DNA, które jest ciasno upakowane w pierścień, tak że fragmenty odcięte przez promieniowanie mogą być utrzymywane blisko siebie i ostatecznie ponownie połączone przez mechanizmy naprawcze.

Jest jeszcze inny dziwaczny organizm, który może wytrzymać wysoki poziom promieniowania – rotiferidae Bdelloid. Są to małe bezkręgowce, które można spotkać w siedliskach słodkowodnych, które rozmnażają się bezpłciowo. Dziwnie, DNA tych zwierząt zostaje rozbite przez wysoki poziom promieniowania, podobnie jak każdy inny organizm, ale jest w stanie zszeregować je niesłychanie dobrze z wyrafinowanymi mechanizmami naprawczymi. Ten organizm szczęśliwie żyje w strefach wolnych od promieniowania, dlaczego więc wyewoluował wydajne mechanizmy naprawcze? Naukowcy uważają, że odwodnienie i promieniowanie mogą powodować podobne problemy, w tym tworzenie reaktywnych form tlenu, które uszkadzają DNA. Ponieważ rotifer Bdelloid może również wytrzymać odwodnienie, naukowcy uważają, że odporność na promieniowanie jest tylko użytecznym efektem ubocznym.

Najtwardsze z twardych

Jest to grupa organizmów ekstremofilowe które sprawiają, że wszystkie z tych innych organizmów wyglądać bratki w porównaniu, a oni są tylko najsłodsze małe mikro-animals kiedykolwiek zobaczysz. Mówię oczywiście o tardigradach lub niedźwiedziach wodnych. Znajdziesz w nich najbardziej ekstremalne środowiska na Ziemi – pustynie, lodowce, gorące źródła, bagna, szczyty najwyższych gór i najgłębsze części oceanu. Podsumowując – są całkiem kiepskie. Mogą utracić do 99% wody w swoich ciałach i wprowadzić pełny stan ametaboliczny, który nazywa się kryptobiozą. Ale po ponownym wprowadzeniu do wody ponownie się ożywiają i mogą to zrobić z radością po wyschnięciu przez 10 lat. Rekord ma 150 lat, ale niestety ten mały żołnierz zmarł dość szybko potem, a niektórzy twierdzą, że nigdy w pełni nie reanimował.

Tardigrades może również poradzić sobie w ekstremalnych temperaturach i może przetrwać w zakresie bliskim zera do 150oC. Są również wyjątkowo odporne zarówno na promieniowanie, jak i ciśnienie i zostały wysłane w kosmos w 2007 r. Jako pierwsze zwierzęta przebadane pod kątem przeżycia w warunkach otwartej przestrzeni. Poddano ich niemal pustej przestrzeni i temu cudownemu słonecznemu i kosmicznemu promieniowaniu, ale te niesamowite misie wróciły na Ziemię niespodziewanie nietknięte. Cóż, 68% z nich to zrobiło, ale to wciąż jest niesamowita liczba, która przetrwa. Wszyscy witajcie w tardigracie.

Co więc naukowcy sądzą, że te super-organizmy posiadają, co czyni je tak odpornymi? Jedna substancja jest czymś, co już poruszyliśmy; trehaloza. Cukier ten zastępuje utracone cząsteczki wody połączone z membranami i makrocząsteczkami w komórkach, a więc pomaga chronić przed uszkodzeniami spowodowanymi przez wysuszanie.

Ten artykuł jest tylko powierzchnią niesamowicie fajnych organizmów, które żyją w ekstremalnych środowiskach na Ziemi, więc możesz odkryć jeszcze więcej w tym niesamowitym temacie!