BIOLOGIJA

Dr Ana Paunović

Život u ekstremnim uslovima

Crveni sneg sa mirisom lubenice

U jednom meksičkom pećinskom sistemu koji je toliko lep, ali i vreo pa ima dva nadimka: „raj“ i „pakao“, naučnici su otkrili oblik života zarobljen u kristalu, najverovatnije starom 50.000 godina. Da li će neki organizam i sa koliko uspešnosti rasti i razmnožavati se u određenoj sredini, zavisi od njegove ekološke valence. Ekološka valenca je veličina kolebanja ekoloških faktora (temperature, kiseonika, svetlosti...), u čijim je granicama moguć opstanak i život mikroorganizama. Organizmi sa širokom ekološkom valencom su eurivalentni organizmi, dok su organizmi sa uskom ekološkom valencom stenovalentni organizmi.

Uobičajna predstava o živom svetu naše planete smešta ga u relativno uzan i poznat okvir uslova sredine određene temperature, pritiska, kiselosti... Međutim, raste interesovanje i za grupu organizama koji se mogu naći u uslovima koji su na prvi pogled potpuno nespojivi sa idejom života u njima. Takve organizme nazivamo ekstremofili. Ekstremofili su organizmi koji imaju sposobnost rasta i razmnožavanja u nepovoljnim uslovima spoljašnje sredine. Prvi ekstremofili su otkriveni tridesetih godina prošlog veka ali, zbog teškoća u gajenju i izolovanju nisu odmah došli u fokus pažnje naučnika, jer je ekstremne uslove teško ostvariti i održati stabilnim u laboratorijama.
Postoje brojne klase ekstremofila, od kojih svaka odgovara određenom aspektu životne niše koje se drastično razlikuju od uobičajenih, tzv. mezofilnih uslova. Čest je slučaj da se organizmi mogu svrstati u nekoliko kategorija. Na primer, organizam koji živi na dnu okeana može biti istovremeno i psihrofilan - što znači da mu je optimalna temperatura rasta niža od 15°C - i barofilan - uspeva da raste u uslovima velikog pritiska. Barofilni organizmi se nazivaju još i piezofilnim (po grčkoj reči koja znači “ljubitelj pritiska”).
Temperatura je jedan od najznačajnijih faktora životne sredine. Sa porastom temperature, hemijske i enzimske reakcije odigravaju se sve brže i rast postaje sve brži. Međutim, iznad određenih temperatura proteini, nukleinske kiseline i druge ćelijske komponente mogu trajno da se oštete.U ovoj grupi postoje organizmi koji žive u ekstremno toplim i ekstremno hladnim staništima. U ekstremno topla staništa ubrajaju se: vrela, hidrotermalni izvori, vulkanska staništa, fumarole i gejziri, dok u ekstremno hladna spadaju: antarktička jezera, led u polarnim regionima, okeani, pećine i ledena polja.

Termofili pod vrelim suncem

Termofili su organizmi čiji se optimum rasta nalazi između 45 i 80°C. Mogu se naći u geotermalno aktivnim regionima, ali i na različitim mestima poput tresetišta i komposta, gde truljenje biljnog materijala prouzrokuje visoke temperature. Većina termofila pripadaju domenu Arhea, ali su poznate i bakterije, pa čak i višećelijski organizmi koji opstaju u ovim uslovima, kao što je na primer vrsta Thermus aquaticus. DNK ove vrste, nađena u vrućim izvorima Jeloustoun parka, omogućava umnožavanje izuzetno malih količina DNK.
Među insektima, pustinjski mrav (Cataglyphis bicolor) je stanovnik vrelih staništa. Ovaj insekt traga za hranom čak i kada mu je telesna temperatura iznad 50 °C, što ga čini jednom od najotpornijih bića na toplotu koje hoda Zemljom. Njegove duge noge drže telo iznad vrućeg pustinjskog peska, gde temperature mogu biti i za deset stepeni veće. Najzanimljivija od svega je ipak njegova strategija lova. Pustinjski mrav koji naseljava Saharu jedini je mrav koji nastavlja da traga za hranom kada temperatura pređe iznad 45 stepeni. Pod vrelim suncem, mravi traže leševe drugih mrava i insekata koji nisu mogli da izdrže vrelinu.
Termofili koji imaju optimum rasta iznad 80°C se nazivaju hipertermofili. Hipertermofili žive na vrelim zidovima hirdotermalnih izvora u okeanima i zahtevaju temperature od minimum 90 °C za opstanak. Najizdržljiviji do sada otkriven hipertermofil naziva se “soj 121”. On je u stanju da duplira broj jedinki tokom 24 sata, na 121°C.

Psihrofili (kriofili) svuda gde je hladno

Psihrofili su organizmi čija je optimalna temperatura rasta niža od 15°C. Veći deo ove grupe čine Arhee, poneka alga gljiva, ali i insekt. Široko su rasprostranjeni na površini planete, kao i u okeanskim dubinama. Mogu se naći u atmosferi, u dubinama okeana, u planinskim predelima, arktičkim zemljištima, arktičkom ledu, glečerima itd. Od posebnog su interesa za astrobiologiju jer je na većina svetova, gde postoji teorijska pretpostavka mogućnosti života, temperatura veoma niska. Od interesa su i istraživačima koji se bave geohemijskim procesima.
Jedna od zanimljivijih pojava uzrokovana psihrofilima je crveni tzv. „lubeničasti“ sneg, koji može da se zapazi 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 kojem je ova pojava dobila ime.
Crvena pljosnata buba (Cucujus clavipes puniceus) je severnoamerička buba koja pokriva prostor od Severne Karoline do arktičkog kruga. Zbog toga je razvila sposobnost izbegavanja smrzavanja. Jedinke mogu da prežive temperature i do -58 °C, a njihove larve mogu da izdrže čak i hladnije temperature - od oko -100 stepeni, bez smrzavanja. Da bi to postigle, ove bube akumuliraju proteine i glicerol - šećerasti alkohol koji je baza mnogih antifriz proizvoda - u svojim tkivima dok usporavaju svoj metabolizam i ulaze u stanje dehidriranja kako bi izbegle da budu zamrznute. Dehidriranje uvećava koncentracije proteina i glicerola i, u isto vreme, smanjuje količinu vode koja je izložena mrazu.
Među kičmenjacima, šumske žabe na Aljasci su, verovatno, najotpornije na zimu. Oni mogu da budu zamrznute i do sedam meseci. Naučnici sa Univerziteta na Aljasci otkrili su da su vodozemci preživeli sve te mesece, podvrgnuti prosečnoj temperaturi od -14,6°C, uključujući i najnižu, od -18 stepeni. U divljini, temperatura se menja, tako da žabe koje se nalaze u stanju hibernacije počinju da se odmrzavaju, a potom ponovo smrzavaju kako padne noć - što im pomaže da bolje talože glukozu. Zapravo, žabe su toliko efikasne u regulisanju ciklusa smrzavanja-odmrzavanja da provode više vremena zamrznute nego što je moguće da smrznuta hrana ostane bezbedna za jelo.

Uticaj pH vrednosti i soda-jezera

Kiselost i alkalnost su stresni faktori koji se često sreću u prirodi. Kiseli izvori i vulkanska vrela mogu imati pH između 1 i 2, dok kisela zemljišta imaju pH vrednosti 3-4. Suprotno tome, alkalno tlo ima pH oko 9, alkalna jezera do pH 10, dok površina betona dostiže pH od čak 11.
Pošto većina životnih sredina ima neutralnu pH, koja se kreće između 5 i 9, najveći broj mikroorganizama ima svoj pH optimum unutar ovih granica, a samo je nekoliko sposobno da raste i razvija se izvan ovih ograničenja. Okruženja sa visokom kiselošću mogu da budu rezultat geohemijskih aktivnosti (kao što su stvaranje sumpornih gasova u hidrotermalnim izvorima i nekim vrelima) kao i metaboličkih aktivnosti određenih organizama. Organizmi koji uživaju u kiselim sredinama pronađeni su u udubljenjima nastalim posle miniranja rudnika uglja.

Ovi ekstremofili ne mogu da podnesu povišenu kiselost unutar svojih ćelija, gde bi ona uništila važne molekule kao što je DNK pa preživljavaju tako što uspevaju da zadrže kiselinu van ćelija. Ali, defanzivni molekuli koji obezbeđuju ovu zaštitu, kao i oni koji dolaze u direktan kontakt sa okolinom, moraju da imaju sposobnost da deluju u ekstremnoj kiselosti.
Organizmi koji vole alkalne sredine nastanjuju zemljišta koja su bogata ugljenikom i takozvana soda-jezera, kojih ima u Egiptu, Africi i zapadnoj Americi. Iznad pH od 8, određeni molekuli, uglavnom oni sačinjeni od RNK, kidaju se. I ovi ekstremofili opstaju tako što neutrališu svoje okruženje, a njihovi ekstremozimi su locirani na ili blizu površine ćelija, kao i u spoljnim sekrecijama. Neki od ovih mikroorganizama mogu da prežive na pH 13, a normalno rastu na pH između 10 i 11.

Halofili trpe milionima godina

Organizmi kojima je za rast i razvoj potrebna povećana koncentracija soli nazivaju se halofili. Mogu se naći u slanim lagunama, solanama, naslagama isušenih jezera, itd. U njih većinom spadaju bakterije ali i neke više biljke. Halofilni mikroorganizmi predstavljaju grupu izuzetno starih i rasprostranjenih mikroorganizama, sa mehanizmima preživljavanja koji još uvek nisu rastumačeni. Dok većina organizama u prisustvu veliku količine soli umiru, halofili u ovim uslovima rastu i napreduju.
Poznato je nekoliko mehanizama pomoću kojih oni ovo postižu,a najčešći je onaj u kojem ovi mikroorganizmi transportuju unutar ćelije veliku količinu kalijuma, koji se „suprotstavlja“ osmotskom pritisku soli iz okoline. Ovi organizmi mogu da prežive uslove potpune suše tokom perioda koji se mere milionima godina.

Određen 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, isto kockastog oblika.

Crni dimnjaci puni života

U istočnom Pacifiku, krajem sedamdesetih godina prošlog veka, otkriven je jedan od najbizarnijih poznatih ekosistema. Uz pomoć vozila za duboko ronjenje, uočeno je postojanje podvodnih gejzira, koji su nazvani „crni dimnjaci”. Ove kamenite formacije su mesta gde se vruća 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 formacije dobile naziv. 
Na iznenađenje naučnika, u okruženju u kojem se temperatura kreće od blizu 0 do 400 °C, na ogromnim pritiscima do 500 bara i u potpunom mraku pronađen je izuzetno plodan, i raznovrstan ekosistem. Ovaj ekosistem je prvi koji je u potpunosti nezavisan od Sunčeve svetlosti i toplote. Osim velikog broja specifičnih mikroorganizama, pronađene su školjke, puževi i krabe.
Dvadesetak godina kasnije, u jednom od ovim sistema pronađen je tzv. pompejski crv (Alvinella pompejana). Ovo biće 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. Zasad nije razjašnjeno kako ovaj organizam podnosi toliku temperaturnu razliku. Pretpostavlja se da mu u tome pomaže neobičan omotačod bakterijskih filamenata, koji možda ima ulogu u izolaciji.
Nedavno je ovom crvu “dodeljena titula“ najizdržljivijeg kompleksnog organizma na planeti. Većinu vrsta koje se mogu naći u blizini crnih dimnjaka nije moguće naći na drugim mestima na planeti, kao što su: crveni crv dužine 3 m, bez sistema za varenje, ili račić sa jedinstvenim organom koji mu omogućava detekciju toplote što ga vodi do hranljivih materija.

Dr Ana Paunović

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"