Život u ekstremima

Ekstremofili su organizmi koji imaju sposobnost(ili čak neohodnost) rasta i razmnožavanja u nepovoljnim uslovima spoljne sredine, koji su u većini slučajeva smatrani nekompatibilni sa životom.

Prvi ekstremofili su otkriveni još 30-ih godina prošlog veka, ali zbog teškoća u gajenju i izolovanju nisu došli u fokus pažnje naučnika do 70-ih godina.

Uopšteno govoreći, ekstremne uslove je teško ostvariti i održati stabilnim u laboratorijama. (Ne)sposobnost „prebacivanja “ ovih fascinantnih stvorenja u laboratoriju je trenutno najveća prepreka napretku znanja.

Postoji mnogo klasa ekstremofila, od kojih svaka odgovara odredjenom aspektu životne niše koji se drastično razlikuje od uobičajenih, tzv mezofilnih uslova. Mnogi organizmi se mogu svrstati u više kategorija. Tako, na primer, organizam koji živi na dnu okeana može biti istovremeno i psihrofilan i barofilan.

Molekularne adaptacije

Kolonija endolita-ekstremofila koji žive u steni

Postavlja se pitanje kako ekstremofili uspevaju da prežive u datim uslovima. Koje su to adaptacije koje im omogućavaju da recimo, prežive radijaciju hiljadama puta veću od one koja može da ubije čoveka? Ispostavlja se da svi ovi organizmi imaju specijalno adaptirane gradivne molekule, koji su na različite načine u stanju da se nose sa spoljnom sredinom. Tako, na primer, psihrofilni organizmi imaju membrane sa više nezasićenih masnih kiselina, što omogućava veću fluidnost membrane na hladnoći. Proteini termofila imaju ceo niz adaptacija koje povećavaju rigidnost i stabilnost molekula i omogućavaju im funkcionisanje pri povišenim temperaturama.Njih karakteriše redundantnost kodona, povećana upotreba pozitivno naelektrisanih i aromatičnih ostataka, smanjenje polarnih neutralnih ostataka aminokiselina itd. Neka od ovih rešenja su od velikog značaja za čoveka, zbog potencijalne primene u industriji, o čemu će kasnije biti više reči.

Termofili

Termofili se formalno definišu kao organizmi koji imaju optimum rasta na temperaturama izmedju 45 i 80°C. Većina termofila(kao i većina ekstremofila) pripadaju domenu Arhea, ali su poznate i bakterije, pa čak i višećelijski organizmi koji opstaju u ovim uslovima.

Thermus aquaticus

Termofili se mogu naći u različitim geotermalno aktivnim regionima, kao što su vrući izvori(poput onih u Jeloustoun parku) ili hidrotermalni izvori u dubini okeana. Sem toga, mogu se naći na različitim mestima poput komposta ili tresetišta, gde truljenje biljnog materijala prouzrokuje visoke temperature. Termofili koji imaju optimum rasta iznad 80°C se nazivaju hipertermofili.

Najizdržljiviji do sada otkriveni hipertermofili žive na vrelim zidovima hirdotermalnih izvora u okeanima i zahtevaju temperature od minimum 90 °C za opstanak. Najizdržljiviji hiperternofil je skoro otkriveni Soj 121, koji je u stanju da duplira broj jedinki u populaciji tokom 24 sata u autoklavu, na 121°C(otud i ime)

Psihrofili

Chlamydomonas nivalis

Psihrofili su organizmi čija je optimalna temperatura rasta niža od 15°C. Kao i većinu ekstgremofila, glavninu ove grupe čine Arhee, ali se može naći i poneka alga gljiva, a i insekt. Sredine koje naseljavaju su široko rasprostranjenje na površini planete, kao i u okeanskim dubinama. Mogu se naći u planinskim i arktičkim zemljištima, u atmosferi, u dubinama okeana, arktičkom ledu, glečerima itd. Od posebnog su interesa za astrobiologiju, iz jednostavnog razloga što je na većina svetova gde postoji teorijska osnova da se pretpostavi prisustvo života temperatura jako niska. Sem toga, od interesa su i istraživačima koji se bave geohemijskim procesima. Jedna od zanimljivijih pojava uzrokovana psihrofilima je tzv. „lubeničasti sneg“, koji s zapaža u planinskim predelima širom sveta. U pitanju je pojava pri kojoj dolazi do padanja snega različitih nijansi crvene boje, sa slabim mirisom lubenice. Ispostavilo se da boju izaziva vrsta psihrofilne alge Chlamydomonas nivalis, koja uzrokuje i miris po kom je ova pojava dobila ime.

Halofili

Lubenièasti sneg

Jedna od najzanimljivijih grupa ekstremofila su svakako halofili. U pitanju su organizmi kojima je za rast i razvoj potrebna povećana koncentracija soli. Mogu se naći u slanim lagunama, naslagama isušenih jezera, solanama itd. Predstavljaju grupu izuzetno starih i rasprostranjenih mikroorganizama, sa vrlo sofisticiranim mehanizmima preživljavanja koji nisu u potpunosti shvaćeni. Dok većina organizama u prisustvu veliku količine soli umire(što je, izmedju ostalog, i razlog zašto usoljeno meso, ili npr. slanina mogu toliko dugo da stoje bez kvarenja) halofili u ovim uslovima rastu i napreduju. Poznato je nekolko mehanizama pomoću kojih oni ovo postižu ,a najčešći je onaj u kom ovi mikroorganizmi transportuju unutar ćelije veliku količinu kalijuma, koji se„suprotstavlja“ osmotskom pritisku soli iz okoline. Zanimljivo je da ovi organizmi mogu da prežive uslove potpune suše tokom izuzetno dugih vremenskih perioda, koji se mere milionima godina. Sem toga, odredjen broj vrsta je stekao vrlo zanimljivu adaptaciju- oni su u stanju da kokristališu sa molekulima soli, koji su oblika kocke, i njihove ćelije su, radi smanjenja pritiska, takodje kockastog oblika.

Crni dimnjaci

Solana sa populacijom halofila

1977. godine u Istočnom Pacifiku je otkriven jedan od najbizarnijih poznatih ekosistema. Uz pomoć jednog od najpoznatijih vozila za duboko ronjenje, podmornice Alvin, uočeno je postojanje podvodnih gejzira, koji su nazvani crni dimnjaci. Ove kamenite formacije su mesta gde se pregrejana voda koja dospeva ispod Zemljine kore vraća nazad u okean. Pri prolasku kroz Zemljinu koru voda rastvara i nosi sa sobom veliku količinu rastvorenih minerala, u najvećoj meri sulfida, koji grade crne čestice, od kojih se i sastoji karakterističan crni dim, po kom su ove geološke formacije dobile ime. Temperatura vode koja kulja iz ovih „tornjeva“ može doseći i 400°C.

Crni dimnjaci

Suprotnom svim očekivanjima, u ovakvom okruženju, gde se temperatura kreće od blizu 0 do 400 stepeni, na ogromnim pritiscima (500bar) i u potpunom mraku pronadjen je izuzetno plodan, raznovrstan ekosistem, koji je i prvi ekosistem u potpunosti nezavistan od Sunčeve svetlosti i toplote. Osim velikog broja karaktertističnih mikroorganizama, pronadjene su i školjke, puževi i krabe sa specifičnim adaptacijama koje su im omogućile opstanak u ovim, ekstremnim uslovima. Dvadesetak godina kasnije, u jednom od ovim sistema pronadjen je i takozvani pompejski crv . Ovaj stvor je jednim svojim krajem pričvršćen za crni dimnjak i nalazi se na temperaturi od oko 80°C, dok je drugi kraj u vodi, na 20°C. Ni danas nije jasno kako ovaj organizam može da podnese toliku temperaturnu razliku(poredjenja radi, normalna temperatura čoveka je oko 36.5°C, kada poraste preko 43°, dolazi do smrti!). Pretpostavlja se da mu u tome pomaže neobičan „ogrtač“ od bakterijskih filamenata koji možda ima ulogu u izolaciji.

Pompejski crv

Nedavno je ovom crvu dodeljena „titula“ najizdržljivijeg kompleksnog organizma na planeti. Videćemo da je titula dodeljeena –preuranjeno! Većina vrsta koje se mogu naći u blizini crnih dimnjaka nije moguće naći nigde drugde na planeti , kao što su crveni crv dužine 3 metra bez sistema za varenje, ili račić sa jedinstvenim organom koji mu omogućava detekciju toplote i vodi ga do nutrijenata.

Šampioni

Šampioni medju ekstremofilima su svakako 2 stvora, jedan mikroorganizam i jedna višećelijska životinja iz razdela Ecdysozoa, kom pripadaju i insekti, pauci i stonoge. U pitanju su Deinococcus radiodurans i tzv. Tardigrade.

Deinococcus radiodurans je mikroorganizam koji od skora po Ginosovoj knjizi rekorda (istina, ne preterano naučna referenca) nosi titulu najizdržljivijeg mikroorganizma. Osim „standardnih“ osobina, kao što su otpornost na pritisak, temperaturu i izuzetno kiselu sredinu, ova bakterija ima sposobnost preživljavanja jonizujućeg zračenja koja je 5000 puta jače od onog koje može da ubije čoveka! Ova količina zračenja je dovoljna da dovede do potpune dezintegracije molekula DNK, ali to ne smeta ovom organizmu da u roku od 24 sata bude u mogućnosti da se dalje deli i raste bez oštećenja!

Verovatno najfascinantniji organizmi kada pričamo o ekstremnim uslovima sredine su organizmi iz filuma Tardigrade. Ovi organizmi, koji se zbog specifičnog načina kretanja nazivaju i vodeni medvedi su u stanju da prežive potpunu desikaciju tokom 10 godina, do 150°C, pritiske od nekoliko stotina atmosfera. Verovatn najfascinantniji podatak je onaj da su Tardigade uspele da prežive 10 dana izloženosti potpunom vakumu i strahovito intenzivnoj radijaciji u otvorenom svemiru!

Dalja istraživanja ovih organizama će, nadajmo se, dati dalje smernice čovečanstvu o tome kako da pristupu problemima dugoročnih svemirskih putovanja i zaštiti od zračenja, koji su u trenucima obnove svemirskih programa koji za cilj imaju Mars i Mesec izuzetno aktuelni.

Implikacije i aplikacije

Astrobiologija je nauka koja se bavi teorijama nastanka, raspodele, prirode i budućnosti života u univerzumu. Kao specifično multidisciplinarno polje, ona objedinjuje astronome, ekologe, mikrobiloge, geohemičare, planetarne naučnike, filozofe i biohemičare u potrazi za životom na drugim planetama. Ekstremofili su posebni interesantni astrobiolozima zato što su mnogi od ovih organizama sposobni za preživljavanje u sredinama koje su slične onim za koje pretpostavljamo da postoje na pojedinim nebeskim telima. Na primer, Mars ima regione dubokog podzemnog permafrosta koji bi mogao da pruži utočište endolitskim zajednicama. Okeani Jupiterovog meseca Evrope bi takodje mogli da sadrže živa bića, naročito oko hidrotermalnih izvora na dnu okeana, a za koje se pretpostavlja da imaju sličnosti sa Zemaljskim crnim dimnjacima.

Osim ovih, relativno dalekih i neopipljivih, neki od stvari koje smo naučili od ekstremofila su od izuzetne praktične, svakodnevne koristi.

Enzimi izolovani iz nekih ekstremofila su našli veliku primenu u biotehnološkoj industriji, i u stanju sa da podnesu uslove koji bi doveli do denaturacije enzima iz većine „normalnih“ organizama.

Većina čitalaca je imala prilike da vidi neku od forenzičkih serija(o čemu je ranije bilo reči). Sva muka i intriga oko uzorkovanja DNK bi bila besmislena bez upotrebe posebnog enzima, Taq DNK polimeraze iz termofilne vrste Thermus Aquaticus, koja je nadjena u vručim izvorima Jeloustoun parka i koja omogućava umnožavanje strahovito malih količina DNK koji se mogu naći, recimo, na mestu zločina. Osim toga, enzimi iz ekstremofila su našli primenu u industriji hrane i lekova, koriste se za uklanjanje naftnih mrlja, kao i hemijske sinteze.

Može se zaključiti da su ekstremofili već zauzeli bitno mesto u nauci današnjice. Uzevši u obzir sve teškoće koji su povezani za uzgojem , izolacijom i ispitivanjem ovih organizama, kao i potencijalne primene koji sežu do granica naučne fantastike, ne sumnjam da su prava otkrića tek pred nama.