Vroče/hladno
Pozdravljeni v oddaji Frequenza della scienza. Kot se za jesen, ko se temperature spreminjajo iz peklenskih poletnih v ledene zimske, spodobi, bomo danes pokukali v svet ekstremofilov. V današnji oddaji predstavljamo organizme, ki poseljujejo ekstremna okolja. Na začetku oddaje se bomo posvetili tistim, ki bi uživali v vedno bolj vročih poletjih. A ker so tudi te temperature zanje prenizke, poseljujejo vulkane in podmorske vrelce. Drugo polovico pa bomo namenili mikroorganizmom, ki bi uživali v ledenih zimah, a se naseljujejo na območjih s še nižjimi temperaturami in jih zato najdemo denimo na Zemljinih polih.
Pojem ekstremofil vključuje vse organizme, tako evkarionte, bakterije kot arheje, ki naseljujejo ekstremna okolja. Bakterije in arheje so organizmi, katerih celice nimajo jedra. Arheje so podrobneje tretja domena življenja, ki vključuje organizme, sicer podobne bakterijam, katerih genetski material in metabolne poti so bolj podobni tistim, ki jih najdemo v evkariontskih celicah. Evkarionti pa so vsi organizmi s celicami, ki imajo celično jedro. Ekstremna okolja niso nujno vezana na ekstremno visoke in nizke temperature, ampak tudi na obstoj sevanj, visokih tlačnih razlik, pomanjkanje vode, razlike v kislosti ali bazičnosti okolja in slanost okolja.
Ugodni pogoji za življenje so taki, kjer ni ekstremov, kjer ne vre ali zmrzuje, kjer ni kislo kot slabo vino ali bazično kot dišeče milo. Celice se morajo namreč na ekstreme posebej prilagoditi. Ekstremofili vzbujajo polemike o samem izvoru življenja na Zemlji. So bili to prvi organizmi ali ne? Kot nam je povedala biokemičarka profesorica Jennifer Littlechild z Univerze v Exeterju v Veliki Britaniji, to vprašanje še vedno bega raziskovalni svet:
Ravno zato so ekstremofili pogosto organizmi, ki jih preučuje astrobiologija, o kateri smo v naši redakciji v preteklih oddajah že govorili. Poleg svetov onkraj Zemlje tudi naš planet skriva ekstremna okolja. Dva izmed tipov ekstremnih okolij sta ekstremno vroče in hladno okolje. Ekstremno vroča okolja naseljujejo termofili, ekstremno hladna pa psihrofili.
Za začetek smo profesorico Jennifer Littlechild z Univerze v Exeterju v Veliki Britaniji vprašali, kje najdemo termofile:
Termofili torej naseljujejo okolja, kjer se temperature gibajo med 41 in 122 stopinjami Celzija. To so na primer vulkani in hidrotermalni vrelci globoko v oceanih. Večino organizmov predstavljajo bakterije, a pogosto tudi arheje. Več o vrstah, ki naseljujejo okolja z ekstremno visokimi temperaturami, nam pove profesorica Littlechild:
Termofile lahko delimo v tri večje skupine. Poznamo preproste, ekstremne in najbolj skrajne hipertermofile, delimo pa jih, kot ste morda uganili, glede na temperaturo, pri kateri živijo. Hipertermofili tako naseljujejo okolja, kjer se temperature gibajo nad 80 stopinjami Celzija. V teh skupinah najdemo tudi fakultativne termofile, to so tiste vrste, ki lahko naseljujejo vroča okolja, a jih najdemo tudi v manj toplih okoljih.
Trenutno znana zgornja meja za obstoj živih organizmov je 122 stopinj Celzija. Nad to mejo klasične verige nukleotidov, kot sta DNA in RNA, ne obstajajo ali pa jih raziskovalci in raziskovalke še niso odkrili. DNA, RNA in proteini so ključne molekule za obstoj živega, ki jih imajo prav vsi živi organizmi. Brez njih ne moremo govoriti o življenju.
Organizmi lahko preživijo izredno vroča okolja le s prilagoditvijo lastnih molekul tako, da te svoje naloge še opravljajo. Pri termofilih morajo organizmi proteine prilagoditi tako, da delujejo pri visokih temperaturah. Lastnosti delujočih proteinov pa sta stabilnost in fleksibilnost za vezavo liganda. O tem, zakaj je pomembno, da encimi ostanejo stabilni in hkrati fleksibilni pri visokih temperaturah, in kakšne so prilagoditve na ravni proteinov ali encimov, nam pove profesorica biokemije z Univerze v Exeterju Jennifer Littlechild:
Prilagoditve encimom v termofilnih organizmih omogočajo delovanje tudi pri temperaturah, višjih od 100 stopinj Celzija. Proteini ekstremofilov so torej zelo stabilni in robustni. Večina teh proteinov sicer lahko deluje tudi pri sobni temperaturi, a je njihovo delovanje pri tem upočasnjeno in ne tako uspešno. Sledi glasbeni premor, potem pa vam predstavimo še organizme, ki jih najdemo v ekstremno hladnih okoljih.
Dobrodošli nazaj v oddaji Frequenza della scienza na 89,3 MHz. Danes govorimo o ekstremofilih. Do sedaj smo vam predstavili termofile, organizme, ki so prilagojeni na življenje v vročih okoljih. V drugem delu oddaje se odpravljamo v hladna področja Zemljine biosfere. Temperatura na teh območjih se navadno giblje v okolici ledišča, često se pa ta spusti tudi daleč pod ničlo. In čeprav se nam morda sprva zazdijo ta območja nekam odmaknjena in obskurna, nas naš drugi gost, profesor Donald Cowan z Univerze v Pretorii v Južni Afriki, opozori, da je takšnih območij bistveno več, kot si sprva mislimo. Opomni nas je tudi na nekatere pogosto spregledane hladne habitate.
Hladne habitate - tako naravne kot tiste, ki jih je s hladilnimi napravami ustvaril človek - lahko tako najdemo vsepovsod. Kot nam še pove profesor Cowan, so ti habitati tudi po svoji sestavi lahko precej pestri. V njih lahko najdemo vse od prokariontov, kot so denimo bakterije, pa vse do enostavnih evkariontov, kot so denimo kvasovke ali glive.
Skupna vsem psihrofilom je torej njihova sposobnost adaptacije na življenje pri nizkih temperaturah. A kakšne so ovire za življenje pri nizkih temperaturah? S kakšnimi težavami se morajo psihrofili spopadati, da tam obstanejo? Profesor Cowan nas sprva opozori na pristranskost pri opazovanju ekstremofilov z naše prijetno tople perspektive in nato izpostavi dve prilagoditveni oviri.
Kot je torej izpostavil profesor Cowan, sta glavni oviri dve. Prva se nanaša na kinetiko kemijskih reakcij. Te pri nizkih temperaturah potekajo občutno počasneje. Druga ovira pa je termodinamika. Organizem mora namreč pridelati oziroma iz okolice pridobiti vsaj toliko energije, da lahko vzdržuje esencialne procese življenja. Takšni so denimo popravilo molekule DNA pri poškodbi, občasna podvojitev genetske informacije in celična delitev.
Življenje, kot ga poznamo, se odvija v pretežno vodnih okoljih, zato je ena od očitnih težav, na katero morajo biti psihrofili prilagojeni, tudi zmrzal oziroma tvorba ledenih kristalov. Ti bi jih namreč lahko pri neprilagojenih, denimo človeških celicah poškodovali. Profesor Cowan nam je povedal, da so psihrofili razvili zelo različne in izvirne mehanizme za obrambo pred tovrstno nevarnostjo.
Ena izmed posledic bivanja pri nizkih temperaturah so torej tudi počasnejše kemijske reakcije. Uspešna pretvorba molekul poteka v osrčju metabolizma in tako predstavlja enega izmed pomembnejših življenjskih procesov, zato se naslednja pomembna adaptacija psihrofilov dotika encimov. Encimi so specializirane proteinske molekule, ki so odgovorne, da reakcije potekajo dovolj hitro za potrebe organizma.
Encimi, kakršne najdemo v organizmih, ki živijo pri zmernih temperaturah, ali v termofilnih organizmih pa v psihrofilih ne bi delovali dobro. Vsak encim je namreč optimiziran tako, da deluje kar najbolje pri fiziološki temperaturi organizma, v katerem se nahaja. Za uspešno delovanje encima je pomembna tako njegova struktura kot tudi njegova fleksibilnost, ti dve lastnosti pa narekujeta interakcije v molekuli encima. Kako drugačni so psihrofilni encimi, nam pojasni profesor Cowan:
Da lahko psihrofilni encimi katalizirajo reakcije pri nizkih temperaturah, morajo torej biti fleksibilnejši. Adaptivna sila evolucije je tako poskrbela, da se v molekuli encima vzpostavi manj interakcij oziroma so te šibkejše kot pri encimih v drugih organizmih.
Sledi glasbeni premor, v zaključku oddaje pa boste izvedeli, kako lahko proteine iz ekstremofilov uporabljamo v industriji in kako jih znanstvenice in znanstveniki sploh preučujejo.
Poslušate oddajo Frequenza della scienza o organizmih, ki naseljujejo okolja z ekstremno visokimi in nizkimi temperaturami. V zaključku naj poudarimo, da so redki organizmi res prilagojeni zgolj na eno lastnost okolja. Ponavadi morajo biti prilagojeni tako na vročino kot mraz, slanost ali bazičnost ter kislost okolja. Na to nas je opozorila tudi profesorica Littlechild z Univerze v Exeterju:
Ekstremofili so zanimivi tudi za industrijo. Organizmi, ki naseljujejo ekstremna okolja, imajo prilagojene proteine, tako da lahko delujejo v ekstremno vročih ali hladnih pogojih. Predvsem so zanimivi, ker so tako robustni, z njihovo uporabo pa bi se lahko izognili uporabi kemikalij, s katerimi sicer encimom omogočimo njihovo delo. Več o tovrstnih projektih nam je povedala profesorica Jennifer Littlechild z Univerze v Exeterju:
Encimi iz termofilov so torej stabilnejši in robustnejši, saj so prilagojeni na delovanje pri višjih temperaturah. Omenjene karakteristike so zelo zaželene pri industrijski uporabi, kjer lahko encimi zamenjajo tradicionalne katalizatorje. Številni termofilni encimi so tako danes aplicirani na področja biotehnologije ali uporabljani v industriji. Profesor Cowan je še posebej izpostavil enega.
V zaključku pa nam profesorica Littlechild razloži še, kakšna je prihodnost tovrstne uporabe encimov:
Kot smo spoznali v današnji oddaji, živijo ekstremofili v okoljih, kjer vladajo ekstremni pogoji. No, seveda gledano z naše perspektive. Profesorja Cowana smo zato vprašali, kako sploh preučujejo ekstremofile.
Časi romantičnih znanstvenih ekspedicij so torej žal minili. Z napredkom metod sekvencioniranja in bioinformatike se raziskovalci in raziskovalke ekstremofilov z njimi danes le redko srečajo v živo. Kot je izpostavil profesor Cowan, se današnje študije ekstremofilov zanašajo predvsem na uporabo metagenomskih pristopov. Metagnomika je veda, ki preučuje genetski material, izoliran iz nekega okoljskega vira. Za psihrofile bi takšen okoljski vzorec lahko predstavljal kos ledu s Triglavskega ledenika.
Organizmi so razvili prilagoditve na ekstremna okolja, ki jih dandanes ljudje s pridom izkoriščamo. Vsekakor pa je zanimivo vprašanje, ali ti organizmi zares naseljujejo ekstremna okolja ali jih le mi vidimo tako in smo zaradi prilagoditve življenja na okoli 20 stopinjah Celzija pristranski. Vsekakor je živi svet našel pot v življenje pri velikem razponu temperatur. A če se bo ogrevanje Zemlje nadaljevalo, nam tudi vsi izumi bioinženiringa ne bodo pomagali pri ohlajanju ali segrevanju našega planeta. Mikroorganizmom je verjetno vseeno, oni so že pripravljeni.
Ekstremno hladnih temperatur se veselita Uroš in Zarja.
Dodaj komentar
Komentiraj