Jak działają ekstremofile

Jakie jest Twoje idealne środowisko? Słonecznie, 72 stopnie Fahrenheita (22 stopnie Celsjusza) i lekka bryza? Co powiesz na życie w prawie wrzącej wodzie , która jest tak kwaśna, że ​​przeżera metal? Albo mieszkać w błotnistej, beztlenowej zupie o wiele bardziej słonej niż jakikolwiek ocean? Jeśli jesteś ekstremofilem , może to brzmieć idealnie.

Ekstremofile to organizmy żyjące w „ekstremalnych” środowiskach. Nazwa, po raz pierwszy użyta w 1974 roku w artykule naukowca RD MacElroya, dosłownie oznacza ekstremalną miłość [źródło: Townsend ]. Te wytrzymałe stworzenia są niezwykłe nie tylko ze względu na środowisko, w którym żyją, ale także dlatego, że wiele z nich nie mogło przetrwać w rzekomo normalnym, umiarkowanym środowisku. Na przykład, mikroorganizm Ferroplasma acidiphilum potrzebuje dużej ilości żelaza, aby przeżyć, ilości, która zabiłaby większość innych form życia. Podobnie jak inne ekstremofile, F. acidiphilum może przypominać starożytność na Ziemikiedy większość organizmów żyła w trudnych warunkach, podobnych do tych, które preferują obecnie niektóre ekstremofile, czy to w głębinowych kanałach, gejzerach czy odpadach nuklearnych.

Ekstremofile to nie tylko bakterie [źródło: Science Resource Education Center ]. Pochodzą ze wszystkich trzech gałęzi systemu klasyfikacji trzech domen: Archaea, Eubacteria i Eukaroyta. (W dalszej części zajmiemy się taksonomią). Tak więc ekstremofile to zróżnicowana grupa, a niektórzy zaskakujący kandydaci – na przykład drożdże – kwalifikują się do członkostwa. Nie zawsze nazywa się ich również ekstremofilami. Na przykład halofil jest tak nazwany, ponieważ rozwija się w bardzo słonym środowisku.

Odkrycie ekstremofili, które rozpoczęło się w latach 60., skłoniło naukowców do ponownej oceny, jak zaczęło się życie na Ziemi. Głęboko pod ziemią znaleziono wiele rodzajów bakterii, obszar wcześniej uważany za martwą strefę (z powodu braku światła słonecznego ), ale obecnie postrzegany jako wskazówka dotycząca pochodzenia życia. W rzeczywistości większość bakterii na planecie żyje pod ziemią [źródło: BBC News ].

Te wyspecjalizowane, żyjące w skale ekstremofile nazywane są endolitami (wszystkie podziemne bakterie są endolitami, ale niektóre endolity to organizmy niebakteryjne). Naukowcy spekulują, że endolity mogą wchłaniać składniki odżywcze przemieszczające się przez żyły skalne lub utrzymywać się na nieorganicznej materii skalnej. Niektóre endolity mogą być genetycznie podobne do najwcześniejszych form życia, które rozwinęły się około 3,8 miliarda lat temu. Dla porównania, Ziemia ma około 4,5 miliarda lat, a organizmy wielokomórkowe rozwinęły się stosunkowo niedawno w porównaniu do jednokomórkowego, mikrobiologicznego życia [źródło: Dreifus ].

W tym artykule przyjrzymy się, jak ekstremofile pomagają w poszukiwaniu początków życia; dlaczego ekstremofile są przydatne w nauce przemysłowej i dlaczego ekstremofile mogą prowadzić nas do życia na innych planetach. Najpierw przyjrzyjmy się klasyfikacji ekstremofili.

1. Klasyfikowanie ekstremofili
2. Ekstremalne środowiska
3. Wykorzystanie Thermus Aquaticus i innych ekstremofili do pracy
4. Panspermia i astrobiologia

Co roku naukowcy odkrywają i nazywają tysiące nowych gatunków. W ostatnich latach mikroorganizmy stanowiły ważną część tego ogromnego wzrostu odkrywania gatunków. Na całej planecie zidentyfikowano ponad 2 miliony gatunków, ale niektórzy eksperci spekulują, że może istnieć 100 milionów lub więcej [źródło: Thompson ].

Ale znalezienie nowych gatunków to coś więcej niż nazywanie ich i katalogowanie. A do porównywania żywych stworzeń nic nie przebije dobrego systemu klasyfikacji. Dwie najpopularniejsze w użyciu metody to pięć królestw i trzy systemy domen. Utworzone pod koniec lat sześćdziesiątych pięć królestw dzieli życie na Monerę, królestwo prokariontów (komórek pozbawionych jąder i organelli związanych z błoną), które obejmują bakterie, a także cztery królestwa eukariotyczne (komórki z jądrami i organellami związanymi z błoną): Protista , Grzyby, Plantae i Animalia.

Przez krótki czas wydawało się, że pięć królestw dobrze służy naukowcom. Jednak w latach 70. naukowiec Carl Woese postanowił klasyfikować organizmy na podstawie różnic genetycznych, a nie różnic w wyglądzie. Kiedy Woese rozpoczął starania o klasyfikację, zauważył, że istnieją różnice między niektórymi typami organizmów, które wcześniej były grupowane razem jako bakterie, ponieważ wszystkie były prokariotami. Woese odkrył, że bakterie i ta inna, wcześniej niezidentyfikowana grupa organizmów prawdopodobnie oddzieliły się od wspólnego przodka miliardy lat temu. Myśląc, że te inne organizmy zasługują na swoją własną kategorię, podzielił królestwo prokariontów Monera na archebakterie (zwane później archeonami ) i eubakterie. Jego trzecia domena była zarezerwowana dla eukarii . Wyjaśnimy te terminy za sekundę.

Woese odkrył, że wiele archeonów było ekstremofilami i uznał ten fakt za dowód ich starożytnego pochodzenia („archea” oznacza starożytne). Archaea to zróżnicowana grupa organizmów z własnym unikalnym typem rRNA, innym niż bakterie. (rRNA wytwarza polipeptydy, które pomagają w tworzeniu białek). W wielu przypadkach archeony ekstremofili wykształciły mechanizmy związane z ich błonami komórkowymi , aby chronić je przed wrogim środowiskiem.

Druga domena eubakterii, oznaczająca „prawdziwe bakterie”, to prokariota, które rozwinęły się później niż archeony. Te bakterie to typy, które powodują choroby.

Szeroka trzecia domena Woese, eukariota, obejmuje wszystko, co ma jądro i może być podzielone na królestwa, takie jak protista, grzyby, plantae i animalia. Niektóre eukarionty radzą sobie również dobrze w ekstremalnych środowiskach.

Badanie tych metod klasyfikacji może wywołać pewne zamieszanie i debatę — który system jest lepszy? - ale mogą również naświetlić niektóre ważne różnice między ekstremofilami a innymi organizmami.

Zanim przyjrzymy się kilku środowiskom, które preferują ekstremofile, oto lista dodatkowych nazw używanych do klasyfikacji określonych typów ekstremofili:

Na poprzedniej stronie wspomnieliśmy o halofilach i endolitach. Istnieją również metanogeny, z których niektóre żyją w jelitach krów i jako produkt uboczny wytwarzają metan. Ekstremofile tolerujące toksynę radzą sobie dobrze w wysoce toksycznych warunkach, takich jak naładowany promieniowaniem obszar wokół miejsca jądrowego w Czarnobylu.

Jaki jest sens?

Carl Woese nazwał systemy klasyfikacji „arbitralnymi”, ale przyznał, że pomagają one zrozumieć, w jaki sposób żywe istoty są ze sobą powiązane [źródło: The Why Files ]

Środowisko nazywane jest ekstremalnym tylko w odniesieniu do tego, co jest normalne dla ludzi, ale dla ekstremofila ich ulubione środowisko jest „normalne”. Poza Ziemią warunki, które umożliwiają ludziom życie, są prawdopodobnie rzadkie. Z kolei tak zwane środowiska ekstremalne i zamieszkujące je ekstremofile mogą być bardziej powszechne. Tutaj na Ziemi wiele czynników może sprawić, że miejsce zostanie oznaczone jako „ekstremalne”, w tym:

Pamiętaj również, że te czynniki mogą czasami być ekstremalne na dwa sposoby – np. bardzo gorąco lub bardzo zimno, bardzo kwaśne lub silnie zasadowe. Większość organizmów, które widzimy lub napotykamy, żyje w temperaturach od 41 stopni Fahrenheita (5 stopni Celsjusza) do 104 stopni Fahrenheita (40 stopni Celsjusza), ale ekstremalne życie wykryto w reaktorach jądrowych, pingwinach guano, wulkanach , praktycznie beztlenowych strefach , niezwykle słone obszary, takie jak Wielkie Jezioro Słone w Utah oraz w układzie pokarmowym wielu zwierząt, w tym owadów [źródło: Science Education Resource Center ]. W jednym przypadku znaleziono bakterie zakopane w lodzie Alaski. Kiedy lód się roztopił, bakterie, które były uśpione przez dziesiątki tysięcy lat, wznowiły działalność, jakby nic się nie stało.

Jezioro Untersee na Antarktydzie jest doskonałym przykładem ekstremalnego środowiska. Woda jest przepełniona metanem i ma wysoce zasadowe pH, porównywalne z detergentem do prania [źródło: NASA ]. Naukowcy NASA są szczególnie zainteresowani jeziorem, ponieważ jego odrębne środowisko – dużo metanu i niskie temperatury – może być podobne do innych ciał planetarnych, takich jak księżyc Jowisza Europa [źródło: NASA ].

Ludzie preferują pH od 6,5 do 7,5, ale kwasofile rozwijają się w miejscach, w których poziom pH wynosi od 0 do 5. Ludzki żołądek faktycznie należy do tej kategorii, a w naszych ciałach żyje kilka ekstremofili. Ogólnie rzecz biorąc, acidofile przeżywają w kwaśnym środowisku, wzmacniając błony komórkowe . Niektóre wytwarzają biofilmy (kolonie mikroorganizmów, które agregują, tworząc śluzowate, pozakomórkowe filmy ochronne) lub kwasy tłuszczowe, które chronią ich błony komórkowe. Inni mogą regulować swoje wewnętrzne pH, aby utrzymać je na bardziej umiarkowanym poziomie około 6,5.

Ekstremofile w wysoce zasadowych środowiskach potrafią również regulować wewnętrzne pH i mają enzymy, które mogą wytrzymać skutki wysokiej zasadowości. Jednym z takich ekstremofili jest Spirochaeta americana , bakteria żyjąca w osadach błotnych kalifornijskiego jeziora Mono, której odkrycie ogłoszono w maju 2003 roku. S. americana potrzebuje alkalicznego pH od 8,0 do 10,5 i jest beztlenowa, niezdolna do życia tlen. Ten ekstremofil jest jednym z 14 znanych krętków. Krętki lubią siarkowe złogi błota i nie są uzależnione od tlenu. Na przykład Spirochaeta thermophila żyje w pobliżu głębinowych kominów hydrotermalnych.

Błoto Mono Lake jest alkaliczne o pH 10, bardzo słone i wypełnione siarczkami. Jezioro stało się w ten sposób, ponieważ jest jeziorem końcowym - woda wpływa, ale nie wypływa. Gdy woda odparowuje, chemikalia i minerały pozostają, stając się wysoce skoncentrowane. Inne formy życia zadomowiły się w Mono Lake, między innymi krewetki solankowe, glony i gatunek muchy, która potrafi tworzyć dla siebie pęcherzyki powietrza, które pozwalają mu podróżować pod wodą. Jezioro jest również bogate w mikroskamieniałości drobnych organizmów.

Wiele innych godnych uwagi ekstremalnych środowisk również jest gospodarzem dla ekstremofili. W wielu gejzerach na całym świecie, w tym na Syberii, w gorących basenach i otworach wentylacyjnych żyją ekstremofile. W Stanach Zjednoczonych Park Narodowy Yellowstone ma tysiące gejzerów, źródeł i innych elementów geotermalnych o różnych poziomach temperatury, kwasowości i siarki oraz z wieloma rodzajami ekstremofili. Rio Tinto, rzeka w Hiszpanii, jest pełna metali ciężkich, ponieważ region był gospodarzem operacji wydobywczych od tysięcy lat. Podobnie, w Iron Mountain w północnej Kalifornii woda jest tak naładowana metalami ciężkimi i kwasami (produktami ubocznymi wydobycia), że może zjeść przez metalową łopatę w ciągu dnia. Ale nawet tutaj, głęboko w podziemnych kopalniach, drobnoustrojom z domen archeonów i eubakterii udaje się przeżyć złomowo,

Co to jest pH?

Kwasowość mierzy się pod względem pH: 0 jest najbardziej kwaśne, a 14 jest najbardziej zasadowe lub zasadowe.

­­­­

W latach sześćdziesiątych dr Thomas Brock, biolog, badał bakterie w gorących źródłach Parku Narodowego Yellowstone, kiedy natknął się na coś bezprecedensowego. Bakterie żyjące w okolicy rozwijały się w niezwykle wysokich temperaturach. Nowo nazwany Thermus aquaticus żył w wodzie o temperaturze prawie 212 stopni Fahrenheita (100 stopni Celsjusza) – praktycznie wrzącej.

T. aquaticus stały się podstawą dwóch przełomowych odkryć w biologii. Okazało się, że są to pierwsze archeony. (Pamiętaj, że archeony to zróżnicowana grupa organizmów z własnym unikalnym typem rRNA, innym niż bakterie.) Co równie istotne, ten ekstremofil wyprodukował enzym znany jako polimeraza TAQ , który znalazł zastosowanie przemysłowe w PCR (reakcje łańcuchowe polimerazy). PCR pozwala naukowcom zreplikować fragment DNA miliardy razy w ciągu kilku godzin, a bez tego procesu prawie wszystkie prace wymagające replikacji DNA, od kryminalistyki po testy genetyczne, nie byłyby możliwe.

Inne ekstremofile okazały się przydatne w zastosowaniach badań przemysłowych i medycznych, choć prawdopodobnie żaden z nich nie był tak duży jak T. aquaticus . Naukowcy zbadali co najmniej jednego ekstremofila, który wytwarza białko podobne do tego występującego u ludzi. Białko to wydaje się odgrywać rolę w różnych chorobach autoimmunologicznych i stanach, takich jak zapalenie stawów. Enzymy z alkalifili są wykorzystywane do produkcji detergentów do prania i zmywania naczyń. Służą również do usuwania sierści ze skór zwierzęcych. Inny alkalifil z Yellowstone jest używany do produkcji papieru i przetwarzania odpadów, ponieważ wytwarza białko, które rozkłada nadtlenek wodoru.

NASA bada ekstremofila, Deinococcus radiodurans , który jest wyjątkowo odporny na promieniowanie. Ten mikrob może wytrzymać dawki promieniowania o 500 procent wyższe niż śmiertelne dla ludzi [źródło: Biello ]. Co ciekawe, promieniowanie faktycznie rozbija DNA drobnoustroju na kawałki. Ale w wielu przypadkach DNA może się ponownie złożyć i znów działać normalnie. Osiąga to poprzez zrzucanie uszkodzonych części DNA, używając specjalnego enzymu do przyłączenia dobrego DNA do innych wciąż zdrowych fragmentów DNA, a następnie tworząc komplementarne fragmenty, aby związać się z tymi nowo utworzonymi długimi nićmi DNA. Zrozumienie, w jaki sposób D. radioduransczy to może pozwolić naukowcom przywrócić do życia martwe komórki. Dla NASA wykorzystanie tej odporności na DNA może dostarczyć wskazówek do budowy lepszych skafandrów kosmicznych lub statków kosmicznych.

Na następnej stronie rozważymy, w jaki sposób badania ekstremofilów zmieniły poszukiwania przez naukowców życia poza Ziemią .

­

Uczenie się od najlepszych

Bakteria E. coli ma mechanizmy odporności na działanie kwasu podobne do niektórych ekstremofili acidofilnych.

Panspermia to idea, według której prymitywne formy życia mogą podróżować między planetami i przetrwać podróż. Dla niektórych panspermia reprezentuje możliwe pochodzenie życia na Ziemi , ponieważ mikroby z innych planet mogły się tu przybyć i działać jako przodkowie wszystkich późniejszych rozwijających się gatunków. Koncepcja ta jest często wyśmiewana jako nierealistyczna i spekulacyjna, ale kilka ostatnich badań dodało panspermii większej wiarygodności.

Jedno z badań wykazało, że niektóre niesporczaki , mikroskopijne ośmionożne bezkręgowce, były w stanie przeżyć po spędzeniu 10 dni wystawionych na działanie kosmosu i promieniowania słonecznego . W ramach różnych innych wysiłków badawczych naukowcy odkryli, że organizmy sklasyfikowane jako bakterie, porosty i zwierzęta bezkręgowe przetrwały przynajmniej pewien czas spędzony w próżni kosmicznej. Pewna ochrona przed promieniowaniem, na przykład przebywanie na skale, wydaje się pomagać organizmom przetrwać podróż. Ale gdziekolwiek wylądują, ci kosmiczni podróżnicy potrzebują środowiska, które pozwoli im żyć i rozwijać się.

Więc mając na uwadze te idee, czy można uczciwie powiedzieć, że my, ludzie, możemy być kosmitami ? Jedna z popularnych teorii panspermii głosi, że ziemskie życie powstało na Marsie, który około 4,5 miliarda lat temu był o wiele bardziej przyjazny dla życia niż nasza planeta [źródło: Britt ]. Ponadto późne ciężkie bombardowanie, okres licznych uderzeń asteroid w Ziemię i Marsa , mogło sprowadzić życie na Ziemię około 4 miliardów lat temu. Ale jeśli to prawda – a wielu naukowców tak nie sądzi – życie prawie na pewno nie pochodzi z innych układów słonecznych lub gwiazd . Odległości są nadal uważane za zbyt duże, aby życie mogło przetrwać.

Zamiast dość naciąganej teorii, takiej jak panspermia, odpowiedzi na nasze początki mogą pochodzić z astrobiologii , badania życia we wszechświecie. Astrobiologia w dużej mierze opiera się na badaniu ekstremofili, ponieważ wierzy, że formy życia poza Ziemią mogą znajdować się w ekstremalnych środowiskach. Ale astrobiologia to nie tylko poszukiwanie życia w innych częściach wszechświata. Bada również podstawowe pytania o pochodzenie życia, środowiska sprzyjające życiu, jak życie się rozwija i granice tego, co życie może tolerować.

Centralnym elementem astrobiologii jest poszukiwanie pierwotnego przodka wszystkich żywych istot na Ziemi, różnie określanego jako Ostatni Uniwersalny Wspólny Przodek (LUCA), Ostatni Wspólny Przodek (LCA) lub Cenancestor. Naukowcy uważają, że LUCA był ekstremofilem, który żył ponad 3 miliardy lat temu w surowym, beztlenowym środowisku. Mimo to naukowcy debatują również nad tym, co było wcześniej, cofając się w czasie od organizmów opartych na DNA (takich jak ludzie i LUCA), przez organizmy oparte na RNA, wreszcie do pierwszego żywego organizmu (FLO).

Ale to poszukiwanie kieruje nas ku jeszcze bardziej podstawowym pytaniom: mianowicie, czym jest życie? (W związku z tym pomysłem zastanów się: czy jesteśmy 10 lat od sztucznego życia? i czy szukamy kosmitów w niewłaściwych miejscach? ) Czy życie to tylko wiązka aminokwasów? Podobnie, kiedy dokładnie Ziemia przeszła ze świata chemicznego do biologicznego? Czy życie może się replikować? Coś, co może ewoluować? W badaniu tych pytań o to, skąd pochodzimy, ekstremofile, ci dziwni ocaleni z naszej przeszłości, z pewnością będą częścią ekscytującej przyszłości biologii.

Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o ekstremofilach, poszukiwaniu życia na innych planetach i innych powiązanych tematach, przejrzyj linki na następnej stronie.

Powiązane artykuły

Więcej świetnych linków

­