Медиакафе и блогът "Бръсначът на Окам" продължават рубриката, която публикуваме всеки вторник: предоставяне по лесно четаем, но пълноценен начин на различни теории от математиката, биологията, физиката и други свързани дисциплини. Този вторник продължаваме темата с един много интересен клон от дървото на живота: екстремофилите:
Дървото на живота
Преди да поразсъждаваме за произхода на живота не е лошо да си припомним неговата класификация. 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; Схемата е от учебника по биология за 9-ти клас.
Ново царство – Archea
Тази класификация се наложило 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:
| Име | Екстремен фактор | Среда | Местообитаване | Метаболизъм |
| Термофили (Thermophile) | висока температура | геотермални извори, гейзери, подводни вулкани и "комини" | Йелоустоун, Исландия, Камчатка, Япония, Италия | метаногени, редуциращи Fe, Mo |
| Психрофили (Psychrophile) | ниска температура | вечно замръзнали почви | Арктика, Антарктида | метанотрофи, редуциращи Fe и сулфати, метаногени |
| Ацидофили (Acidophile) | ниско pH | кисели извори, около подводни вулкани | метаногени – синтезират метан от молекулен водород и въглероден диоксид | |
| Алкалофили (Alkaliphile) | високо pH | алкални извори, отпадъчни води | Невада | |
| Халофили (Halophile) | висока соленост | солени езера | Мъртво море, Солт Лейк(Юта) | |
| Анаероби | липса на кислород, при наличието на кислород някои дори умират | в чужд организъм, в скали | ||
| Пиезофили или (piezophile) | високо налягане | в Марианската падина, дълбоко под земната кора | ||
| Oligotroph | липса на хранителни вещества | |||
| Xerophile | липса на вода | |||
| Токсикофили (Toxitolerant) | високи нива на излъчвания или токсични вещества | нефтени и радиоактивни отпадъци |
Тези категории не са взаимно изключващи се, а често се комбинират като висока температура и кисели условия. Например, Picrophilus oshimae и Picrophilus torridus растят оптимално при 60оC 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 сяраНай-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 -> 2SO42– + 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 75-80oC, 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
| Екстремен фактор | Рекорд | За сравнение | ||
| Кой | Къде | Колко | ||
Висока температура | Щам "121" | 121о C | ||
Ниска температура | Cryptoendoliths | Антарктида | -5о C | |
Ниско pH (кисело) | Sulfolobus, sp Ferroplasma | pH=0.0 | нормални стойности: pH 5-8 (14 степенна скала) | |
Високо pH (алкално) | Natronobacterium, Bacillus firmus OF4, Spirochaeta americana | Моно лейк (Калифорния) | pH=12.8 | |
Соленост | Haloarcula | 33% | 9 пъти солеността на човешката кръв | |
Висока радиация или токсични вещества | Deinococcus radiodurans | в лаб. | 5 MRad | 5 000 пъти над убийствената доза за човек |
Дълбочина | Bacillus infernus (бацилът от ада) | 7 км под земната повърхност | ||
Високо налягане | Escherichia coli | 16 000 атм или 16 тона/кв. cm | живеем обикновено при около 1атм. | |
Ниско налягане (вакуум) | в лаб. | ~0 атмосфери | ||
липса на хранителни вещества | в древна пчела, в кехлибар | 25 милиона години | ||
липса на вода | ||||
Термофили – някои го предпочитат горещо
Термофилите са микроорганизми, живещи и размножаващи се в извънредно горещи среди. Те се развиват най-добре при температури между 50oC – 70oC и спират да растат, ако температура падне до 20oC. 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. Нагрята 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 ситеми, 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 |
Още за тези миниатюрни "екстремисти", може да прочетете тук: Екстремофилите – живот на ръба
За автора
