Екстремофилите - живот на ръба

Дървото на живота

През 18-ти век, шведският ботаник Карл Линей поставя основите на таксономията - дял от биологията, занимаващ се с класификацията на организмите. Той ги разделя на две големи групи - царства Plantae (растения) и Animalia (животни).

Роберт Уитъкър през 1969г предлага пет царства: Plantae, Animalia, Fungi (гъби), Protista (първаци) и Monera. Царство Monera се състои от бактерии (същински бактерии и цианобактерии - синьозелени водорасли) - малки клетки без ядра и органели.

В зависимост от структурата и функционирането, всички клетки могат да се разделят на два класа :

– прокариоти – клетки без ядра;

– еукариоти - клетки с ядра;

Ново царство - Archea

Наложило се тази класификация да се преразгледа след откриването на архибактериите - Archaea.

През 1977 г. американският биохимик Карл Воуз (Woese) широко оповестил в едно свое изследване, че е открил първата форма на живот. В горещите (65-70° С) извори на Йелоустоун той намерил микроорганизми, които поглъщат въглероден диоксид и водород и отделят метан. Те изглеждали като бактерии, докато д-р К. Воуз и колегите му от университета в Илинойс не изучили тяхното ДНК и не се уверили, че това е принципно нова отделна група Archaea. Клетките им са сходни, от една страна, с прокариотите, а от друга – с еукариотите.

Това е новия вид на филогеничното дърво. Схема: kennislink.nl

Въпреки името си - архе значи древен, археите все пак не са първите организми, а заедно с бактериите имат общ прародител - вероятно т.н. LUCA (Last Universal Common Ancestor) - последния универсален общ прародител. Много е вероятно той да е имал хранителните навици на археите - молекулен водород и съединения на сярата - все вещества, продукти от вулканична дейност във времена, когато органичните вещества са били рядкост в биосферата.

Белтъчни домени

Молекулярните изследвания днес показват древното разделение между бактериите и археите. И двете групи нямат ядрена мембрана и следователно са прокариоти, но археите имат сходство с еукариотите (клетки с ядро) в някои свойства на генетичната си система

В последните две десетилетия учените, анализирайки топологията на самата белтъчна молекула, открили, че тя образува вътре в себе си по-малки белтъчни структури - домени, всяка със специфична функция.

От изследванията било установено, че почти половината от белтъчните домени на еукариотите са наследени от прокариотни предшественици:

• От бактериите - домени, свързани с метаболизма и със сигнално-регулаторни системи
• От археите - най-важните домени, свързани с информационите процеси на ядрото - (репликация, транскрипция, транслация).

Екстремофилите - живот на ръба

Но най-удивителната способност на археите е тази, че живеят в най-враждебните (от наша гледна точка) среди, които е възможно да са подобни тези на ранната Земя, затова името екстремофили се използва като синоним за археи. Учените ги откриват в най-необичайни и опасни места на Земята:

Тези категории не са взаимно изключващи се, а често се комбинират като висока температура и кисели условия. Например, Picrophilus oshimae и Picrophilus torridus растaт оптимално при 60^оC когато pH е 0.7 (Schleper et al., 1995).

Метаболизъм

Това, което прави от екстремофилите подходящи кандидати за първи организми на Земята е начинът им на хранене. Те използват екзотична (за нашите представи) храна, но затова пък първичната възстановителна атмосфера на младата Земя е съдържала всичко необходимо за тях: въглероден диоксид, метан, амоняк, сероводород и пр. неприятни газове за повечето сегашни видове.

Сред археите няма паразити - те са хемоавтотрофи, т.е. получават енергията си от окисляването на неорганични химични вещества.

• Метаногени (създаващи метан), е възможно да са били първите организми. За метаногенезата няма нужда от кислород:

CO₂ + H₂ = CH₄ + H₂O + енергия.

Methanopyrus kandleri - расте при 80-100оC , под 2 000 m около "черните комини" в Калифорнийския залив. Снимка: MicrobeWiki	Methanosarcina acetivorans - анаеробни метаногени, образуващи многоклетъчни колонии в стомаха на чифтокопитни (крави, овце, кози) и в хора. Снимка: MicrobeWiki

• Метанотрофи - при конкретни условия някои метаногени могат да се преобърнат и да започнат да поглъщат метан - да станат метанотрофи.
• Археи, използващи сяра - Най-добре изучени са археите от рода Sulfolobus, разред Sulfolobales. Те са аеробни организми. Използват като източник на енергия H₂S и/или S⁰, които окисляват до H₂SO₄ (сярна киселина), понижавайки pH до 1 и по-ниско.

2S + 3O₂ + 2H₂O -> 2SO₄^2– + 4H⁺

Някои видове Sulfolobus могат да окисляват не само S⁰, но и Fe²⁺, а също и метални сулфиди.

Някои бактерии имат кристали магнетит, образуващи вътре в клетката някакво подобие на компасна стрелка. Тя им помага да се ориентират и да се спуснат по-ниско от зоната, наситена с опасния за тях кислород. Те също са привлечени от струпвания на желязо, за чието окисление се изразходва излишъка от кислород. В най-древните утаечни пластове се съдържат гигантски залежи слоисти железни руди, при образуването на които са приели участие бактериеподобни организми.

Йелоустоун - на лов за Sulfolobus. Температурата е 75-80^oC, pH 2-3. Снимка: Dr. Ken Stedman

• халофилите - любителите на пресолените езера фотосинтезират, но не използват хлорофил, а друг пигмент (основно руберин), който оцветява колониите им от розово до червено.

Таблица на рекордите

Термофили - някои го предпочитат горещо

Термофилите са микроорганизми, живеещи и размножаващи се в извънредно горещи среди. Те се развиват най-добре при температури между 50^oC - 70^oC и спират да растат, ако температура падне до 20^oC. Срещат се в геотермални извори, гейзери (в Йелоустоун, Исландия, Камчатка, Япония), около подводни вулкани.

Термофили (ръждивите петна) в Порцелановото езеро. Намира се в басейна на гейзера Норис в Йелоустоун. най-горещия в парка, а pH е такова, че разтваряло гвоздеи. Снимка: Siar Anthranir	Йелоустоун - извора Утринна слава. Жълтият пръстен е от бактерии - термофили. Снимка: acidcow.com

Подводните "пушачи"

Черните комини (Black smokers) са вид хидротермални извори на средна дълбочина 2100 метра на дъното на Атлантически и Тихи океан. Нагрятата от подземната магма през цепнатини в земната кора, горещата минерална вода се издига на черни облаци и затопля леденостудената вода, образувайки комин от кристализиралите, разтворени в нея минерали, предимно сулфиди. Водата, извираща от черните димящи дупки, е 400о C, но не кипи заради високото налягане, което е над 250 атм (черни комини има и в Марианската падина). Тя е също извънредно кисела, често има pH под 2.8 (pH приблизително на оцета). Въпреки това "черните гейзери" са станали центрове на цели екосистеми. Идеята, че животът се е появил именно около такива места, привлича все повече привърженици. Снимка: NOAA

Methanococcus jannaschii

Methanococcus jannaschii бил изолиран в 1983г в морските дълбини около термален извор тип бял комин (white smoker) край бреговете на Байа, Калифорния. Той е метаноген, термофил, строго анаеробен и се развива нормално на приблизително около 2400 m под морското ниво, където налягането е около 230 атмосфери (Bult et al., 1996). Methanococcus jannaschii е първата архибактерия, чиито геном е разчетен през 1996г.

Снимка: MicrobeWiki

Без храносмилателна система

И поредната сензация около подводните комини: открити са морски червеи, без храносмилателна система. Те имат достатъчно развита нервна и кръвоносна системи, но нямат нито уста, нито стомах. Учените на Института по океанология към РАН разгадали загадката: червеите от клас вестиментифера (Vestimentifera), били в симбиоза с бактерии, окисляващи сероводород, а енергията, която се освобождава при този химичен процес, се използва за синтез на органични вещества. Съществуването на вестиментиферите дава надежда, че животът е възможен и на планети далече от Слънцето за сметка на вулканичната активност. Спътниците на Юпитер, Йо и Европа са покрити с дебел слой лед, но имат мощни вулкани, около които може да съществува примитивен, а може би и не толкова примитивен живот, основан на хемосинтезата. Източник - Riftia pachyLinka, Kevin Zelnio

Снимка: Deep Sea News

Хипертермофили - Някои го предпочитат горещо

Снимка: ©Science

А има и хипертермофили, предпочитащи температури над 100oC. Доскоро температурен рекорд за живот бил 113о и принадлежал на микроорганизъм, наречен Pyrolobus fumarii от вулканичен остров в Италия. В списание "Science", бр. от 15 август, 2003г, Казем Кашефи (Kazem Kashefi) и Дерек Лавли (Derek Lovley) от университета в Масачузетс съобщават, че са намерили близo до дълбоководен вулкан в Тихи океан микроб, който живее и се размножава при температура 130о C. Нарекли го "Щам 121" ("Strain 121"), защото това е стандартната температура за стерилизация. Куриозно е, че новия вид поставен в херметичен автоклав (за да не се изпарява водата), не само не бил унищожен, а след 24 часа броя на микробите бил удвоен.

Снимка: ©Science

Снимка: ©Science

Казем Кашефи смята, че щамът "121" преобразува железен окис (ръжда) в минерален магнетит. Според него способността да се редуцира желязото е вероятно характеристика на общия прадядо на археите и бактериите и благодарение на нея са отложени голяма част от рудните залежи. Утайката в лявата проба съдържа магнетит (привлича се от магнит) и е продукт от дишането на щама "121", дясната е контролна. Източник: membrana.ru

Ацидофили и алкалофили

Най-често земните и водните системи имат pH между 5 и 8, и могат да се приемат за неутрални (pH 7 е неутрално; по-ниско от 7 е кисело, над 7 - алкално).

Ацидофилите са микроорганизми, които могат да живеят в кисели среди (pH 1 - 5). Забележителен член на тази общност е Thermoplasma acidophilum, архибактерия без клетъчна стена - термофил: оптимална температура 59°, оптимална киселинност — pH 1-2. Има най-малкия от всички известни геноми. Някои изследователи смятат, че предците на Т. acidophilum са взели участие при създаването на еукариотната клетка, ставайки неин ядрено-цитоплазмен компонент.

Имайте пред вид, че разтворът, в който живеят тези организми, попадайки на кожата на човек, неизбежно предизвиква силно изгаряне, а на дреха образува дупка.  

"Тримата Буда" са горещи извори в Сиера Невада. Колектив от Университета в Джорджия - Chuanlun Zhang, Christopher Romanek, Gary Mills и Juergen Wiegel изследват червените петна, които се оказват микроорганизми - археите-алкалофили Crenarchaeota. Те растат в среда над pH 8 и над 60 градуса C.

Източник: Diversity, function, and biogeochemical consequences of chemolithoautotrophic Archaea in Nevada hot springs, George Rice. Снимка: bio.utexas.edu  

Марк Твен

Марк Твен се е изказал за алканото езеро Моно Лейк, че е "почти чиста луга" и че в него няма "нищо, което да прави живота желателен". 125 години по-късно, учените доказали, че това езеро всъщност кипи от разнообразен микробен живот.

Снимка: НАСА

НАСА откри алтернативен живот, основан на арсена (препечатка от cosmos.bg)

НАСА съобщава, че е възможно да съществуват организми с по-различна биохимия от досега известната. Открита е бактерия, която може да използва арсен (As) вместо фосфор (P)! Откритието е публикувано в последния брой на "Сайънс Експрес".

Този уникален организъм, щам CFAJ-1, може да расте на хранителна среда, съдържаща арсен, вместо фосфор! Photo credit : NASA

Според Cветослав Александров - от сайта Космос.бг. През последните два дни изтече информация, че НАСА предстои да обяви на света нещо изключително. Бяха публикувани какви ли не теории - че НАСА е открила чуждоземен разум, че НАСА е открила живот на спътник на Сатурн. Нищо подобно! Оказа се единствено, че НАСА е открила арсениев живот, но тук, на Земята.

Но това откритие преобърна основни познания, които сме учили в училище от учебниците по биология! За какво става въпрос?

Всички сме изучавали в училище, че живите организми са изградени от шест основни биогенни елемента - въглерод (С), водород (Н), азот (N), кислород (О), фосфор (P) и сяра (S). Съвсем доскоро се считаше, че тези елементи са задължителни за всеки един жив организъм. Всички останали предположения се считаха за прекалено смели или прекалено налудничави или прекалено абсурдни. Някои смели мечтатели считаха, че въглеродът може да бъде заместен от силиций (Si) и такива организми могат да съществуват на горещи планети като Венера. Научно-фантастичният писател Иван Ефремов пък има повест, озаглавена "Сърцето на Змията". В нея се разказва за хора от друга планета, които са абсолютно идентични на земните - с тази разлика, че в клетките им не присъства елементът кислород, а той е заместен от флуор (F). Тези хора от повеста дишат флуориста атмосфера и пият флуорист водород вместо вода. И никога не успяват да се сближат със земните жители.

Но за пръв път НАСА съобщава, че е възможно да съществуват организми с по-различни от биогенните елементи. Открита е бактерия, която може да използва арсен (As) вместо фосфор (P)! Откритието е публикувано в последния брой на "Сайънс Експрес".

Фосфорът е централен елемент в биохимията на организмите на Земята. Той присъства в молекулата аденозин трифосфат ( АТФ ), която съдържа макроергични връзки и е основен енергиен преносител. Фосфорът е част от скелета на РНК и ДНК, структурите, които пренасят генетичната информация.

Арсенът се намира точно под фосфора в Менделеевата таблица и щом е от същата група, логично е да се предположи, че двата елемента имат сходни химични свойства. И разбира се, че това е така! Все пак арсенът е до някаква степен различен, че може да наруши цели метаболитни пътища и да причини отравяне при поглъщане. Наполеон Бонапарт, великият френски политик, е загинал от отравяне с арсен. От друга гледна точка в науката отдавна са известни организми (бактерии), които могат да "дишат" в атмосфера с арсен.

Но тук става въпрос за нещо съвсем различно, което граничи по-скоро с идеите на Иван Ефремов. Новооткритият организъм може да включва арсена си като тухличка на живота. Протеини, които са изградени от арсен. ДНК и РНК, които са изградени не от фосфор, а от арсен. Точно за това става тук.

Новооткритият организъм представлява бактерия, щам CFAJ-1, член на общата група Gammaproteobacteria. В лабораторни условия учените успешно култивирали организма на хранителна среда, която е богата на арсен, но е бедна на фосфор. Когато учените напълно премахнали фосфора, бактерията продължила да расте!

Но голямото откритие настъпило, когато била изследвана биохимията на новооткрития щам CFAJ-1. Резултатът бил потресаващ. Арсенът се срещал като съставна част на ДНК, протеините и клетъчните мембрани!

"Идеята за организми с алтернативна биохимия на живота е отдавна позната в научната фантастика", съобщи Карл Пилчър, директор на астробиологичния институт на НАСА към центъра Еймс. "До този момент жива форма, използваща арсен, беше само известна на теория, но ние вече знаем със сигурност, че има такъв живот в езерото Моно".

Несъмнено това откритие е голямо. То разчупва представите ни за това какво е живот. Как ли изглежда животът на други планети? Дали там има живи организми, които използват метаболизъм като нашия? Или той е различен, алтернативен?

В криогените камери на ледовете на Антарктида

За да се приеме хипотезата за панспермия е необходимо да е докаже възможността за свръхдълга анабиоза, и това било потвърдено от учените С.С. Абизов и М.В. Иванов. Изследвайки ледовете на Антарктида с възраст около 400 000 г., те намерили жизнеспособни след дългата анабиоза клетка. Днес вече е известно, че има организми, способни да се съхранят след 5–7 млн г. анабиоза при температури от -2,4 до -57°С (необходимо е да отбележим, че "космическите" температури са близки до абсолютната нула и са около 3–5° по Kелвин).

Джурасик парк-4

ДНК на динозаври - не, но бактерии - да, при това цели и живи. Вляво виждате кехлибар на 25-45 милиона години. От стомаха на тази пчела, "запечатана" в кехлибара, Раул Кано (Raul Cano) успява да отдели и съживи древна бактерия. За да отстрани естествените съмнения, че бактериалните спори могат да преживеят така дълго, той изгубил три години на опити и тествания преди да публикува своето откритие.

Раул Кано твърди, че е "възкресил" от 30 до 40 вида бактерии от древни спори, най-вече близки на вид, широко разпространен днес - Bacillus thuringiensis използван за биологично управление на насекомите. И още нещо удивително: нов модел деление на клетката- асиметрично. Източник: The Why Files

С. Жмур и колегите му открили в древни (на около 1.8 милиарда години) керити микроорганизми, консервирани с битумно вещество и което е много важно - биомаркери, което означава, че може да са се съхранили ДНК и РНК.

Източник: Знание-сила

Високо, високо, високо

М. Харис, Нарликар, Викрамасингх и колектив вземат въздушни образци на 41 km над Хайдерабад, Индия - по-високо от тропосферата. Изолирани са два вида бактерии и един гъби (Bacillus simplex , Staphylococcus pasteuri и Engyodontium album съответно). Експериментът изключва лабораторно заразяване и по това време не е имало никакви вулканични изригвания - единствен начин земни частици да достигнат такава височина. Източник: astrobiology.cf.ac.uk

Лунния стопаджия

Бактериите Streptococcus mitis, са случайно изпратени на Луната на Surveyor 3 през 1967г., лесно се възстановили след като били върнати на Земята 31 месеца по-късно от астронавтите на Аполо-12. Източник: Space Science News

ДНК оцелява в екстремните условия на космоса

През ноември 2014г. в списание PLoS ONE се съобщава, че ДНК проби успяват да издържат на високото ускорение по време на изстрелването на ракета, по време на космическия полет и при изключително високата температура по време на повторното навлизане в атмосферата при кацането.

"Бяхме напълно изненадани - казват двама от авторите на изследването, професор Оливър Улрих и д-р Кора Тийл, от Университета в Цюрих. - Първоначално ние замислихме този експеримент като тест за стабилността на биомаркери по време на космически полет. Никога не сме очаквали материалът ДНК да оцелее непокътнат и да възстанови функционалната си активност."

Източник: PLoS ONE

Deinococcus radiodurans - шампионът на екстремистите

През 1956 г Артър Андерсон (Arthur W. Anderson), сътрудник на Орегонската селскостопанска опитна станция (Agricultural Experiment Station) е открил странна бактерия, изследвайки методи за консервиране на храна. Излязло, че да се убие Deinococcus radiodurans, както нарекъл уникалния организъм, въобще не е лесно. По-късно е открита в басейните, в които се охлаждат контейнерите с гориво за ядрените реактори.

В земна лаборатория Deinococcus radiodurans (D. rad) издържат при екстремни нива радиация до 1.5 милиона рада (500 рада са смъртоносни за хората), екстремни температури, обезводняване и въздействие на генотоксични химически реактиви, свръхустойчива на окисляване, йонизация и ултравиолетово излъчване. Източник: Michael Daly (Uniformed Services University of the Health Sciences)

Deinococcus radiodurans, всъщност страда от радиацията, точно както всеки друг жив организъм: високото ниво радиация разрушава хромозомите му. Обаче дейнококусът има странна и съвършенно уникална за земните живи организми способност: да сглобяват хромозомите си обратно, да възстановяват своята ДНК само за 48 часа. През 1998 г. геномът му бил разшифрован, но механизмът на възстановяване на хромозомите до началото на 2002-ра останал загадка. Микробиолози от университета в Луизиана открили, че причината била в гена DR0167, който не се среща в никой друг земен организъм. Източник:НАСА

Анатолий Павлов и колегите му от института Йофе в Санкт-Петербург облъчили с огромна доза гама-лъчи, убиваща 99,9% от популацията на друга бактерия-екстремофил - Escherichia coli. Повторили опита си 44 пъти, като за последния опит била необходима доза, 50 пъти по-голяма от тази на първия сеанс.

На Земята, по мнението на Павлов, дозата, получавана при всеки такъв сеанс, може да се натрупа само за милиони и стотици милиони години. А тъй като животът на Земята съществува само от около 3.8 милиарда години, Павлов счита, че никой от земните организми не е имал време за да изработи такава устойчивост.

Но затова пък на Марс, казва Павлов, такива обеми радиация може да се натрупат само за няколко стотици хиляди години. Според руските учени дейнококите биха могли да възникнат на Марс, а на Земята да попаднат в резултат на сблъсъка на "Червената планета" с някакво голямо небесно тяло, "избило" от повърхността на Марс фрагменти, в които има микроби.

Източник: membrana.ru

На Марс?

Европейската мисия Марс Express (2004 г.), открила следи от метан в атмосферата на Марс и някои астробиолози мислят, че този метан може да е страничен продукт от дейността на екстремофили - метаногени, а и вече познаваме организъм, който би преживял марсианските условия.

Източник: Guide to the wildest life on Earth - LiveScience - MSNBC

Панорама на Марс: липса на вода, кислород, но на някои не им и трябва.

През 2001г неуробиологът от Университета в Калифорния Джоузеф Милър заявява, че NASA е получила доказателства за живот на Марс още преди четвърт век, просто тогава никой не ги е разбрал.

При анализ на фрагмент от марсианска почва били открити особени отделяния на газ - въглероден диоксид. Според Милър, това не бил продукт на химически реакции в марсианската почва, а продукт на жизнената дейност на микроорганизми. Когато загрели почвата до 160^oC, отделянето на CO₂ престанало, което, по мнението на Милър, означавало, че тези микроорганизми просто загинали от прегряване.

Източник: membrana.ru

На Венера?

Венера е най-близо до Земята, а също и сходна по размери и маса. Но температурата на повърхността й е около +500^oС, и близостта до Слънцето не е основната причина за това, а парниковия ефект на масивната й плътна атмосфера, пълна с отровни за почти всяка земна форма на живот съединения. Според някои еколози Венера е нагледна демонстрация на това, какво ни чака.

Кацналият на повърхността на Венера през 1982 г. спускаем апарат на съветската станция Венера 13 проработи само малко над два часа, успявайки да направи няколко снимки.

Възможно ли е да има нещо живо на тази неприятна планета? Защо не? Учените не само допускат това, но и може би са намерили косвени, а може би и преки доказателства за съществуването на някакви микроорганизми във венерианската атмосфера.

Анализирайки данните от съветските станции "Венера" и от американските сонди Pioneer Venus и Magellan, изследователите отрили едно много странно явление:

В атмосферата на Венера, в едни и същи зони се появява водороден сулфид и серен диоксид. Тези газове реагират един с друг, затова заедно е невъзможно да се наблюдават, освен ако някой не ги произвежда в промишлени количества. Не по-малко странно е почти пълното отсъстствие на въглероден оксид (CO) в атмосферата на Венера. Някой може би го "прибира"?

Сътрудниците на Тексаския Университет Дирк Шулц-Макух (Dirk Schulze-Makuch) и Луи Ъруин (Louis Irwin) предположили, че в атмосферата на Венера има микроорганизми, които свързват серния диоксид с въглероден оксид, а може би и водороден сулфид или карбонилов сулфид. По този начин се държат и някои от древните бактерии на Земята - археите-екстремофили.

Източник: membrana.ru

Отново за панспермията

С други думи, практиката потвърждава: микроорганизмите в запечатано, консервирано състояние (спори) са способни да се запазят за свръхдълго време и при крайно неблагоприятни условия. А това означава, че не е изключено да могат да бъдат донесени на нашата планета с помощта на метеорити или комети.

Източници:

Extremophile, Biology Daily
Extreme Diversity – Soap Lake – From the strange waters of Soap Lake come unique forms of life, Washington State University Magazine
Microbes, Microbes Everywhere 
Sulfolobus solfataricus, Dr. Ken Stedman
Life in Extreme Environments-Some Like it Hot 
Microbial Life in Acidic Environments, Mindy Richlen
About Microbial Extremes, Microbial Life
Microbial Life in Alkaline Environments, Sarah Bordenstein
Riftia pachyLinka, Kevin Zelnio
World’s Hottest Microbe: Loving Life in Hell, Nancy Touchette
Mag het wat heter?
Найден микроорганизм, питающийся железом в 120-градусную жару 
Diversity, function, and biogeochemical consequences of chemolithoautotrophic Archaea in Nevada hot springs, George Rice
Functional Activity of Plasmid DNA after Entry into the Atmosphere of Earth Investigated by a New Biomarker Stability Assay for Ballistic Spaceflight Experiments Cora S. Thiel , Svantje Tauber, Andreas Schütte, Burkhard Schmitz, Harald Nuesse, Ralf Moeller, Oliver Ullrich

Още по темата

18/03/2015

Земята

Създаден е каталог на цветовете за търсене на извънземен живот

18/03/2015

Животът

Теория за панспермията. Истории от "някъде там".