Ekstrēmofili: dzīve ekstrēmos apstākļos, definīcija un piemēri
Ekstremofils ir organisms (dzīva radība), kas vislabāk dzīvo ekstrēmos apstākļos, kuri ir kaitīgi lielākajai daļai dzīvības uz Zemes. Tie atšķiras no organismiem, kas dzīvo parastās vietās, kurus sauc par mezofiliem vai neitrofiliem. Ekstrēmofili parasti ir mikroorganismi — baktērijas un arhejas — taču daļa eikariotu (piemēram, noteiktas sēņu vai vienšūņu sugas) var būt ekstrēmotolerantas vai pat pielāgotas specifiskām ekstrēmām nišām.
Pagājušā gadsimta 80. un 90. gados biologi atklāja, ka mikrobi var izdzīvot ekstrēmos apstākļos. Tās ir nišas, kas ir kaut kādā ziņā ekstrēmas. Tās var būt ļoti karstas vai aukstas, vai sausas, vai zem milzīga spiediena, vai ļoti sāļas vai skābas. Sarežģīti organismi, piemēram, dzīvnieki vai augi, šajās vidēs nevar dzīvot. Mūsdienās zinātnieki zina daudzus piemērus un ir spējuši aprakstīt ekstrēmofilu ekoloģiju, metabolisma ceļus un molekulārās adaptācijas.
Galvenie ekstrēmofilu veidi un piemēri
- Termofili — mīl augstu temperatūru (bieži 50–80 °C). Starp tiem ir arī hipertermofili, kas aug pie >80 °C. Piemēri: Thermus aquaticus (slavens ar Taq polimerāzi), Pyrococcus sugas.
- Psihrofil i (aukstummīļi) — pielāgoti dzīvībai ļoti zemā temperatūrā (piemēram, Arktikas un Antarktikas ledū, dziļajā okeānā).
- Halofili — nepieciešama liela sāļuma koncentrācija (piem., salinas, sāļie ezeri). Tipisks piemērs: Halobacterium sugas.
- Acidofili un alkalifili — iztur ļoti skābas vai ļoti sārmainas vides (piem., skābie karstie avoti, sālsūdeņu baseini ar augstu pH).
- Piezofili / barofili — pielāgoti augstam spiedienam, piemēram, dziļjūras hidrotermālajās atverēs vai okeāna dibenā.
- Xerofili — izdzīvo sausās, ļoti dehidratētās vidēs.
- Radiotoleranti (piem., Deinococcus radiodurans) — spēj izturēt ļoti lielas jonizējošā starojuma devas.
Molekulārās un fizioloģiskās adaptācijas
Ekstrēmofili ir attīstījuši daudzpusīgas stratēģijas, kas ļauj izdzīvot un vairoties skarbos apstākļos. Starp svarīgākajām adaptācijām ir:
- stabilas olbaltumvielas un enzimātiskas struktūras (bieži vairāk ķermeņos saistīto hidrofilu saišu, speciālas aminoskābju kompozīcijas);
- modificētas membrānas lipīdu struktūras, kas saglabā šķidrību vai stabilitāti augstā vai zemā temperatūrā;
- spēcīgas DNS remonta sistēmas un antioksidantu mehānismi, kas aizsargā no bojājumiem;
- atsauces vielas (compatibile solutes) un proteīnu šaperoni, kas aizsargā šūnas no dehidratācijas, sāļuma vai temperatūras stresa;
- metabolisma ceļi, kas izmanto neparastus enerģijas avotus — piemēram, sēra oksidēšanu, metānu vai hidrogēnu oksidāciju, vai ķīmisko vielu izmantošanu vietā, kur nav gaismas.
Vides un biotopi
Ekstrēmofili atrodami daudzveidīgās vietās:
- hidrotermālās atveres un dziļūdens avoti (dziļjūras vulkāniskās zonas);
- karstie avoti un geotermālie baseini;
- antarktiskie ledāji, sniegs un permafrosti;
- biezi sāļi ezeri, sālsbaseini un brīnūdeņi;
- skābie geotermālā ūdeņi un rūpnīcu / raktuves ar skābēšanas procesiem;
- dziļš zemes garozā vai akmeņos slēptas minerālu bagātas nišas.
Daži zinātnieki uzskata, ka dzīvība uz Zemes varētu būt sākusies hidrotermālajās atverēs dziļi zem okeāna virsmas. Tādas vides kā karstie okeāni, karstie avoti un dziļūdens hidrotermālie avoti varētu būt bijušas izplatītas arhejas eonā, apmēram pirms 3,9 miljardiem gadu. Šādos apstākļos dzīvoja agrīnās dzīvības formas. Šī hipotēze skaidro, kā ķīmiskā enerģija un minerālās virsmas varēja veicināt pirmo metabolisma un replikācijas mehānismu rašanos.
Nozīme cilvēcei un pētījumiem
Ekstrēmofili ir svarīgi vairāku iemeslu dēļ:
- biotehnoloģija — ekstrēmofilu enzīmi (piem., Taq polimerāze) tiek izmantoti laboratorijās un rūpniecībā, jo tie darbojas ekstrēmos apstākļos;
- astrobio loģija — ekstrēmofili paplašina to apstākļu spektru, kuros var rasties dzīvība, tādējādi ietekmējot meklēšanu pēc dzīvības citur Visumā;
- ekoloģija un evolūcija — ekstrēmofilu pētījumi sniedz informāciju par adaptāciju mehānismiem un agrīnajiem dzīvības procesiem;
- bioremediācija — daži ekstrēmofili var degradēt toksiskas vielas ekstremālos apstākļos, piemēram, rūpnieciskajās atkritumu vietās.
Pētīšanas metodes un izaicinājumi
Ekstrēmofilu izpēte prasa īpašus paraugus savākšanas un inkubācijas nosacījumus (augsts spiediens, augstas/zemas temperatūras, ķīmiski agresīva vide). Tradicionālā audzēšana laboratorijā var nebūt iespējama, tāpēc plaši izmanto molekulāras metodes — metagenomiku, proteomiku un bioinformātiku — lai aprakstītu kopienas, to genusus un funkcijas bez nepieciešamības izdalīt katru sugu tīrā kultūrā.
Ekstrēmofili attīsta cilvēcei gan praktiskas lietderības, gan fundamentālas zināšanas par dzīvības iespējām un robežām. To pētīšana turpina paplašināt mūsu izpratni par to, kur un kā dzīvība var pastāvēt gan uz Zemes, gan ārpus tās.
Termofili, ekstrēmofilu paveids, rada dažas no Lielā Prismatiskā avota (Yellowstone National Park) spilgtajām krāsām.
Ekstremofilu veidi
Lielākā daļa zināmo ekstrēmofilu ir mikrobi. Archaea domēnā ir labi zināmi ekstrēmofilu piemēri, taču arī dažas baktērijas ir ekstrēmofili. Kļūdaini ir lietot terminu "ekstrēmofils" attiecībā uz visiem arheoniem, jo daži no tiem ir mezofili. Ne visi ekstrēmofili ir vienšūnas: dažās ekstrēmās vidēs ir daudzšūnas.
Daži ekstrēmofili ietilpst vairākās kategorijās. Piemēram, organismi, kas dzīvo karstos iežos dziļi zem Zemes virsmas, ir gan termofīli, gan barofīli.
Acidofili
Organisms, kas vislabāk aug, ja pH līmenis ir 3 vai zemāks.
Alkalifiles
organisms, kas vislabāk aug, ja pH līmenis ir 9 vai vairāk.
Endolīti
Organisms, kas dzīvo mikroskopiskās telpās iežos, plaisās, ūdens nesējslāņos un plaisās, kuras dziļi zem zemes dzīlēm piepilda gruntsūdeņi.
Organisms, kura augšanai nepieciešama augsta sāls koncentrācija.
Hipertermofilija
Organisms, kas var labi dzīvot 80-122 °C temperatūrā, piemēram, okeāna dzīļu hidrotermālajās atverēs.
Hipolīti
Organisms, kas dzīvo akmeņos aukstajos tuksnešos.
Litoautotrofi
Organisms (parasti baktērijas), kas oglekli iegūst tikai no oglekļa dioksīda un neorganiskās oksidācijas. Tie ir ķīmolitotirofi, piemēram, Nitrosomonas europaea. Šie organismi enerģiju iegūst no minerālu savienojumiem, piemēram, dzelzs pirītiem. Tie darbojas ģeķīmiskajā apritē un pamatiežu noārdīšanā, veidojot augsni.
Metālu tolerants
Šiem organismiem nekaitē augsts šķīdumā izšķīdušo smago metālu, piemēram, vara, kadmija, arsēna un cinka, līmenis.
Oligotrofs
Organisms, kas var augt vidē, kurā ir ļoti maz barības vielu.
Osmophile
Organisms, kas var augt vidē, kurā ir daudz cukura.
Piezophile
Organisms, kas vislabāk dzīvo augsta spiediena apstākļos, piemēram, dziļi Zemes virspusē un okeāna dzīlēs.
Poliekstrēmofilija
Organisms, kas pieder vairāk nekā vienai ekstrēmofilu kategorijai.
Psihrofils/krīofils
Organisms, kas labāk aug 15 °C vai zemākā temperatūrā. Tie ir izplatīti aukstā augsnē, mūžīgā sasalumā, polārajā ledū, aukstā okeāna ūdenī un zem sniega augstkalnos.
Radioizturīgs
Organismi, kas var dzīvot ar augstu jonizējošā starojuma līmeni. Parasti tas attiecas uz ultravioleto starojumu, bet ir arī tādi organismi, kas var labot gamma starojuma radītos bojājumus.
Organisms, kas var labi dzīvot 60-80 °C temperatūrā.
Termoacidofili
Organisms, kas ir gan termofils, gan acidofils. Tas vislabāk aug 70-80 °C temperatūrā un pH 2 līdz 3.
Xerophile
Organisms, kas var augt ārkārtīgi sausās vietās, piemēram, Atakamas tuksnesī.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir ekstrēmofils?
A: Ekstrēmofils ir dzīvs organisms, kas attīstās ekstrēmās vidēs, kuras ir kaitīgas lielākajai daļai pārējās dzīvās dabas uz Zemes.
J: Ar ko ekstrēmofili atšķiras no citiem organismiem?
A: Ekstrēmofili atšķiras no citiem organismiem, kas dzīvo parastās vietās, ko sauc par mezofiliem vai neitrofiliem.
J: Kad biologi atklāja, ka mikrobi var izdzīvot ekstremālās vidēs?
A.: Biologi atklāja, ka mikrobi var izdzīvot ekstrēmās vidēs, pagājušā gadsimta 80. un 90. gados.
J: Kādi ir daži piemēri ekstrēmām vidēm, kurās mikrobi var izdzīvot?
A: Ekstrēmās vidēs, kurās mikrobi var izdzīvot, var būt ļoti karsts, auksts, sauss, liels spiediens, ļoti sāļš vai skābs.
J: Kāpēc sarežģīti organismi, piemēram, dzīvnieki vai augi, nevar dzīvot ekstrēmās vidēs?
A: Sarežģīti organismi, piemēram, dzīvnieki vai augi, nevar dzīvot ekstrēmās vidēs, jo tie nav pielāgoti izdzīvošanai šādos apstākļos.
J: Kur, pēc dažu zinātnieku domām, varētu būt sākusies dzīvība uz Zemes?
A. Daži zinātnieki uzskata, ka dzīvība uz Zemes varētu būt sākusies hidrotermālajās atverēs dziļi zem okeāna virsmas.
J: Kad bija izplatītas tādas vides kā karstie okeāni, karstie avoti un okeāna dziļūdens hidrotermālie avoti?
A: Tādas vides kā karstie okeāni, karstie avoti un okeānu dziļūdens hidrotermālās atveres būtu bijušas izplatītas arhejas eonā, apmēram pirms 3,9 miljardiem gadu.
