Бръсначът на Окам: Екстремофилите – живот на ръба

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:

ИмеЕкстремен фактор СредаМестообитаванеМетаболизъм
Термофили (Thermophile)висока температурагеотермални извори, гейзери, подводни вулкани и "комини"Йелоустоун, Исландия, Камчатка, Япония, Италияметаногени, редуциращи Fe, Mo
Психрофили (Psychrophile)ниска температуравечно замръзнали почвиАрктика, Антарктидаметанотрофи, редуциращи Fe и сулфати, метаногени
Ацидофили (Acidophile)ниско pHкисели извори, около подводни вулкани метаногени – синтезират метан от молекулен водород и въглероден диоксид
Алкалофили (Alkaliphile)високо pHалкални извори, отпадъчни водиНевада 
Халофили (Halophile)висока соленостсолени езераМъртво море, Солт Лейк(Юта) 
Анаеробилипса на кислород, при наличието на кислород някои дори умиратв чужд организъм, в скали  
Пиезофили или (piezophile)високо наляганев Марианската падина, дълбоко под земната кора  
Oligotrophлипса на хранителни вещества   
Xerophileлипса на вода   
Токсикофили (Toxitolerant)високи нива на излъчвания или токсични веществанефтени 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: MicrobeWikiMethanosarcina 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 РекордЗа сравнение
КойКъдеКолко 
Висока температура
Щам "121" 121о C 
Ниска температура
CryptoendolithsАнтарктида-5о C 
Ниско pH (кисело)
Sulfolobus, sp Ferroplasma pH=0.0нормални 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 radioduransв лаб.5 MRad5 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. cmживеем обикновено при около 1атм.
Ниско налягане (вакуум)
 в лаб.~0 атмосфери
липса на хранителни вещества
 в древна пчела, в кехлибар25 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 AnthranirЙелоустоун – 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 ZelnioСнимка: Deep Sea News

Хипертермофили – Някои го предпочитат горещо

Снимка: ©ScienceА 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: ©ScienceКазем 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

Вашият коментар