Czy zastanawialiście się kiedyś, jak szeroko rozpowszechnione jest życie na samej Ziemi? Wystarczy uważniej przyjrzeć się najmniejszym stworzeniom – bakteriom, aby odkryć niesamowite możliwości przystosowawcze do różnych warunków środowiska. Nawet na naszej gościnnej błękitnej planecie znajdują się miejsca, w których niejeden człowiek miałby problemy z utrzymaniem się przy życiu.

 

Organizmy na Ziemi wykształciły wiele różnych mechanizmów, które pozwoliły im przystosować się do bardzo nieprzyjaznych środowisk. Wiemy, że my sami jesteśmy wynikiem długiej ewolucji, ale ewoluowały nie tylko organizmy wyższe. Mikroorganizmy można spotkać niemal w każdym zakątku świata. Drobnoustroje, które przystosowały się do życia w skrajnie trudnych warunkach, nazywamy ekstremofilami. Są to na przykład bardzo wysokie i niskie temperatury, ciśnienia czy pH. Gdzie żyją tak niesamowicie odporne stworzenia?

 

Tereny od gorących po najzimniejsze

Pierwszymi odkrytymi ekstremofilami były bakterie termofilne, które zasiedlały środowiska o wysokich temperaturach – Thomas D. Brock z Uniwersytetu Wisconsin-Madison zidentyfikował na terenie Parku Narodowego Yellowstone gatunek bakterii, którą obecnie nazywa się Thermus aquaticus, a która żyje w bardzo wysokich temperaturach (powyżej 70oC). W kategoriach wysokich temperatur znanym obecnie rekordzistą jest bakteria Pyrolobus fumarii – nie potrafi przetrwać w temperaturze poniżej 90oC. Optymalna temperatura, w której prowadzi wszystkie procesy życiowe (temperatura wzrostu), wynosi 106oC, natomiast maksymalnie potrafi żyć nawet w 113oC (czyli w temperaturze wyższej niż temperatura wrzenia wody!). Z tego powodu zaliczona została do hipertermofili – one w przeciwieństwie do termofili nie są zdolne do życia poniżej 60oC. Podobne do niej mikroorganizmy znajdują się w wielu miejscach na świecie. Obszary morskie zasiedlane przez termofile to zwykle różne hydrotermalne systemy zlokalizowane zarówno w płytkich, przybrzeżnych regionach, jak i w głębiach oceanów, często przy aktywnych górach podwodnych. Na lądzie termofile można znaleźć w gorących źródłach czy w okolicach aktywnych wulkanów. Opisano 80 gatunków organizmów hipertermofilnych.

Przeciwne do termofili wymagania temperaturowe wykazują psychrofile – mikroorganizmy, które rosną w niskich temperaturach, a ich optimum temperaturowe przypada poniżej 20oC. Większość terenów na Ziemi jest chłodnych: od oceanów (około 5oC), przez wysokie góry, aż po górne partie atmosfery. Nawet średnia temperatura planety wynosi zaledwie około 15oC. Oprócz tego skrajnie niskie temperatury znoszą organizmy w morskim lodzie i zmarzlinach gleb. Wśród psychrofilnych mikroorganizmów największą grupę tworzą bakterie, np. z gatunku Pseudomonas czy Vibrio.

 

Lubiące kwas

Inną liczną grupę ekstremofili stanowią organizmy rozwijające się w bardzo niskim bądź bardzo wysokim pH. Pierwsze z nich, zwane organizmami acydofilnymi, wykazują zdolność do życia w środowiskach o pH poniżej 3. Wśród wszystkich znanych acydofili wyróżnia się archeon Ferroplasma (archeony to drobne jednokomórkowce, które są bliżej spokrewnione z eukariotami niż z bakteriami właściwymi), znaleziony w odpływie kwasu z kopalni w Górach Żelaznych w Kalifornii. Środowisko, z którego został wyizolowany, charakteryzuje się wartościami pH około 0 (podobne do stężonego kwasu siarkowego).

Upodobania przeciwne do acydofili mają alkalofile – organizmy rozwijające się w środowiskach o bardzo wysokich wartościach pH (powyżej 9), ale nie rosnące albo rosnące słabo w warunkach o pH neutralnym. Najbardziej naturalnym środowiskiem występowania bakterii alkalofilnych są sodowe pustynie i jeziora. Takie jeziora, np. Magadi w Kenii, to najbardziej stabilne środowiska o pH około 11-12.

 

Egzotyczne przypadki

Ciekawym przystosowaniem cieszą się bakterie zwane endolitami. Bardzo ciężkie warunki, które panują w Suchych Dolinach McMurdo (jest to jeden z największych regionów pozbawionych lodu na Antarktydzie), spowodowały, że mikroorganizmy zasiedliły miejsca osłonięte przed ciężkimi warunkami zewnętrznymi i kolonizują wolne przestrzenie w skałach piaskowców. Do ich przedstawicieli można zaliczyć liczne porosty i cyjanobakterie.

Dostępność wody to kolejna ważna cecha środowiska, w którym rozwija się życie. Organizmy żyjące w środowiskach suchych i z ograniczoną dostępnością wody nazywa się kserofilnymi. Dobre warunki dla ich rozwoju panują w słonych jeziorach, gdzie ilość dostępnej wody określają rozpuszczone w niej sole.

 

Najstarsze

Niezwykłą grupę organizmów żyjących na Ziemi stanowią cyjanobakterie, zwane także sinicami. Już ich klasyfikacja sprawiała pewne problemy. Dawniej, na podstawie powierzchownych cech – na przykład zdolności do przeprowadzania procesu fotosyntezy – sinice zaliczano do glonów. Obecnie wiadomo, że są bakteriami. Jednym z aspektów, z powodu których ten rodzaj mikroorganizmów zasłużył na zainteresowanie, jest ich długa historia istnienia na Ziemi. Można je nazwać „żywymi skamieniałościami”, ponieważ ich zapis kopalny pochodzi sprzed około 3,5 mld lat, czyli z ery prekambryjskiej, kiedy młoda Ziemia dopiero się tworzyła, a surowe warunki środowiska stanowiły wyzwanie dla istniejących form życia. Zaczęły się rozwijać, kiedy atmosfera zawierała niewielkie ilości tlenu i ozonu, który w większej ilości mógłby je chronić przed szkodliwym promieniowaniem UV. Od tamtej pory ewoluowały równolegle ze swoim środowiskiem, na które same wywierały wpływ.

Jako organizmy autotroficzne produkowały tlen w procesie fotosyntezy, przez co jego stężenie w atmosferze rosło. Sinice bez przerwy przystosowywały się do zmian i nowych warunków, nie tracąc przy tym możliwości i umiejętności już wcześniej zdobytych. W ten sposób mogły jednocześnie zasiedlać nowe tereny i nie opuszczać już skolonizowanych. Przetrwały na Ziemi miliardy lat, bez przerwy ewoluując i dostosowując się do zmiennego środowiska, co uczyniło z nich organizmy bardzo uniwersalne, zdolne do życia w najróżniejszych, często ekstremalnych warunkach. Ich wszechobecność i zasiedlenie prawie wszystkich terenów na Ziemi to kolejna cecha wyróżniająca te bakterie. Ich szeroki zakres tolerancji na różne parametry środowiska łatwo zaobserwować na przykładzie Chroococcaceae i Oscillatoriaceae, które można znaleźć w wielu miejscach na Ziemi. Zamieszkują środowiska o różnym stopniu oświetlenia – od bardzo jasnych do prawie całkowitych ciemności, w wodach o różnym stopniu zasolenia – od wód słodkich (zasolenie poniżej 0,001%) po solanki (zasolenie 100-200%), o różnym pH – od kwaśnych gorących źródeł (pH około 4) po jeziora alkaliczne (pH 11), o różnym stężeniu tlenu (poniżej 0,01% do 100%) lub dwutlenku węgla (od 0,001% do 40%), różnej wilgotności – są nawet znajdowane na najsuchszej pustyni na świecie, Atakamie.

 

Czekać w uśpieniu…

W ciężkich warunkach do życia niektóre bakterie wytwarzają specjalne formy przetrwalne, o większej odporności na szkodliwe działanie czynników środowiska. Do takich form należą przede wszystkim przetrwalniki (zwane inaczej endosporami), produkowane m.in. przez laseczki z rodzajów Bacillus i Clostridium, konidia promieniowców Actinomycetales, miksospory bakterii śluzowych Myxobacteriales czy cysty Azotobacter. Bakteryjne endospory, podobnie jak miksospory, wykazują wyjątkową oporność nie tylko na podwyższoną temperaturę, ale również na suszę i promieniowanie UV. Umożliwiają im przeżycie w warunkach abiotycznych, np. przy braku pokarmu czy nieodpowiednim pH.

Jak widać, małe i niepozorne mikroorganizmy nie tylko potrafią żyć w warunkach, które my, jako ludzie, uznalibyśmy za przynajmniej szkodliwe. W sytuacjach kryzysowych, kiedy żyć się nie da, zapadają w swojego rodzaju letarg i trwają dalej. Czy w związku z tym mają większe szanse przetrwania na naszej planecie w obliczu katastrof?

 

Artykuł autorstwa Joanny Marii Więckowskiej ukazał się w Miesięczniku Studentów Politechniki Wrocławskiej ŻAK.