Orienteringskurs
Astrobiologi
Del 7
Atmosfären och livet under jordens ungdom
Multicellulära organismer uppkom bara 600-700 miljoner
år före nutiden
Prokaryoter under jordens ungdom
Extrema miljöer och habitat
Extrema miljöer
är fientliga mot mänskligt liv och därför troddes att vara obeboliga
för andra organismer
Extrema habitat
är mijöer med en begränsad mångfåldighet och frånvaro av några
viktiga grupper av organismer (definition av Brock)
Toleranslagen av V. Shelford (1913): Observation av organismer
limiteras av abiotiska faktorer (temperatur, salinitet etc.). Ett
maximum och minimum av dessa värden existera för alla organismer.
Extremofiler studeras intensivt sedan 70-talet (rymdmisioner)
Vad definieras som extrem miljö (antropocentrisk) ?
Växt och överlevande
Ibland kan organismer hålla ut extrema förhållanden för ett kort tid
(utan att växa)
Produktion av sporer och cystor: ibland unicellulär tillstånd,
produceras av plantor och svampar
ibland vilotillstånd, där cellen har en skyddsskorpa som adapteras
för att motstå hettan, torkan och andra ofördelaktiga
förhållanden
Problem: steriliseringsmetoder
kunde vara
otillräckliga för
vissa extremofiler
Cyst av Balantidium coli
Sporer av mjältbrandbacillen
Bildning av sporer
Levnadscykel av Balantidium coli
Extrema miljöer på jorden
Subglaciala sjöar
Heta källor
Saltsjöar
Hydrothermal vents
Atacama-öken
Djupt hav
Arter av extremofiler
Acidofiler
- kan trivs i miljöer med mycket
laga pH-värden
- måste hålla neutral cytoplasma
- har ibland proteiner med
en massa syra aminosyror
(t. ex. med 2 COOH grupper)
“Vinägermoder”
Acetobacter aceti
Inlagring av K+
(ersätter H+ och
omvänder potential)
Strategier av acidofiler
Speciellt H+- ogenomträngliga membraner
DNA-reparaturmekanismer
Kemisk nedbrytning
av syremolekyler
Inlagring av
protonfångare
Utpumpning
av H+
Flera transportenheter
för viktiga substanser
- Acidofiler har ofta inverterat (positivt innanför cellen)
potential
Acidotoleranta
- Bakterier som kolonisera den mänskliga tarmen måste först
passerar magen (pH värde 1-3)
- vissa acidofiler har förmåga att extrahera metaller från
malm
- avlopp av gruvor och metallverk har ofta låg pH värde.
Acidofiler kan användas för att samla giftiga metaller
Gruvavlopp i Ungern
Kolerabazillus
Acidotoleranta
- Bakterier kan ibland oxidera
sulfid till sulfat
- i stark syrliga miljöer leder
det till bildning av svavelsyra
- kan lösa tungmetallmineralier
och spridda tungmetaller i
vatten
Alkalifiler
Alkalifiler
- lever i sodasjöar, kan tolerera mycket höga pH-värden
- kan pumpa protoner genom membraner i cytoplasma med
hjälp av speciella proteiner
- vissa producera viktiga enzymer för tvättmedelindustrin
s. k. extremozymer
funkar under extrema
förhållanden används
for framställlning av
“stone-washed jeans”
- Clostridium paradoxum
ett exempel
Soda lake, San Bernardino Country
Strategier av alkalifiler
- inpumpning av natrium, sedan utbyte av Na+ och H+
Problem: ATP-syntes funkar med inslussning av H+
- inpumpning av protoner
- cellmebraner som är
negativt laddade
(stötar iväg OH-joner)
- basiska aminosyror
i proteiner
“Övre stinksjön” (Oberer Stinkersee)
Burgenland, Österrike
Endoliter
Endoliter
- lever i små porer i stenar, till ett djup av 3km
- måste hålla ut tryck och värme !
- löser näringsämnen från omgivningen med hjälp av
sekreterad syre eller
lever på lösta
näringsämnen
- förökning långsamt
(1 celldelningng per
100 år)
Endolitisk cyanobakterium
Arter av endoliter
- Kasmoendoliter i klyfter av sten (kasm = klyfta)
- Kryptoendoliter i hål i porösa bergarter
- Euendoliter penetrerar aktiv i sten
Mikrober på stenyter kallas nu ofta för
epiliter
- finns bland olika mikrober: bakterier,
arkéer
- ibland flera kilometer under jordytan
- vattencirkulation kunde vara viktig
för vissa endoliter
Arter av extremofiler
Halofiler
- kan leva i stora saltkoncentrationer
(5 gånger som i Stilla havet)
- Problem: vattenförlust genom osmos
- Strategier:
a)inlagring av stora
mängder av joniska
förbindelser (kompatibla lösta substanser)
b)inpumpning av kalium
i cytoplasma
c) inlagring av sockrer
(energiintensiv)
Döda havet
Na+ ut K+ in !
Halococcus salifodinae, en arké
i salt från Perm
Saltsedimenter från Perm
(Salzburg)
Haloarkéer
- behöver faktiskt en saltkoncentration av 2mol/l (förstörs
i normalt vatten)
- kan leva i saturerad saltlösning
- Astrobiologiskt intresse (vatten på Mars är mycket
saltrikt)
- speciella virus (halovirus) har specialiserat sig på dem
- enzymer oftast kraftigt färgade
- ibland finns det samma halofiler i
långt separerade områden
Halococcus salifodinae
Halofyter
- högre plantar som lever i saltiga områden
- obligatoriska, fakultativa och indifferenta
halofyter finns
Olika strategier:
- blockad av natriumjoner i roten, sällan
i övre delar av plantan
- utsondring av salt genom saltkörtlar
eller salthår som kastas
Glasört
- avkastning av hela plantdelar
- retranslokation (Transport av salt tillbaka
till roten)
- sukkulens (sparning av saltvatten i
cellvakuoler)
Strandaster
Termofiler
Hypertermofiler
- upptäcktes i heta källor i Yellowstone
National Park
- idag 50 arter kända
- behöver minst 90o C het vatten
- vissa kan klara 130o C
- flera G-C par i proteinkoderande
Sekvenser av DNA’
- membransubstanser ofta värmeresistenta tetraeterstrukturer
- mer kompakt proteinstruktur
“Old Faithful”
- en 3-grupp av baser i
RNA kodera en aminosyra
i färdiga protein
- 1 start (AUG) 3-stop
kodoner
- 43 = 64 möjligheter, men
bara 20 aminosyror
- flera möjligheter
att kodera en aminosyra, i termofiler föredras coder med C och G
2 H-broar
3 H-broar
H-bro
Grand Prismatic Spring (Yellowstone)
Användning av termofiler
- snabb förökning av DNA
- i forensisk och medicinisk
användning
- små prov (blod) räcker
- enzymet ökar aktivitet
med temperaturen
- från Thermus aquaticus
Psychrofiler
- lever i subglaciära sjöar, i arktisk mark och på snöområden, och
i djup hav 50 % av jordens vatten har 1-4 oC
- utveckla proteiner som verka som frostskyddsmedel
- ”obligatoriska” psychrofiler dör vid temperaturer som
överstiga 20oC, ”fakultativa” kan klara 40oC
- kan trivas vis -20oC
- orsakar ”vattenmelonsnö”
- industriell användning
för frysmat och
tvättmedel för kallt
vatten
Vattenmelonsnö
Optimala temperaturregioner av mikroväxt
Varför gränser ?
Piezofiler
- kan hålla ut mycket höga tryck
- har hittats på bottnen av Stilla havet (tryck 1170 bar)
- problem: cellmembraner blir vaxiga och
ogenomträngliga för näringsämnen
(inga problem med proteiner)
- lever i mörkret, och mycket UVkänsliga (saknar reparationsmekanism för DNA)
- Moritella yayanosii kan inte gror
vid tryck mindre än 500 bar
Moritella yayanosii
Arter av extremofiler
Radioresistanta
- kan hålla ut 30 000 Gy av joniserande strålning (en människa
maximal 10-20 Gy (1Gy = 1J/kg absorberad dos)
- har ofta snabba DNA reparationsmekanismer (reparation av dubbelsträng, återuppbyggning av kromosomer)
- äger flera kopior av genomen
- ackumulerar mangan som
antioxidant (mot H2O2)
- Deinococcus radiodurans
kan utstå kyla, strålning,
torka polyextremofil
“Conan the bacteria”
Deinococcus radiodurans
Extremofiler
Xerofiler
- kan leva i torra områden
- Exempel: jäst
Astrobiologisk intresse i extremofiler
- under jordens ungdom var förhållanden extrema
- extremofiler är nyttiga för bedömning av möjligheten av liv
på andra planeter
Rekordhållare bland extremofilerna
Fysikokemiska toleransnivåer för mikrober
________________________________________________
Faktor
Nedre toleransnivå
Övre toleransnivå
__________________________________________________________
Temperatur
- 12 oC
(Psychrofila
bakterier)
> 114 oC
(Svavelreducerande
bakterier vid 1000 atm;
svaveloxiderare i djupsjö thermal vents
pH
0
(Thiobacillus thiooxidans; Picrophilus)
13
(Plectonema nostocorum)
Fysikokemiska toleransnivåer för mikrober
_______________________________________________
Faktor
Nedre toleransnivå
Övre toleransnivå
_________________________________________________________
Salinitet
0
Saturerad lösning
(Hyphomicrobium)
(>30% NaCl):
Dunaliella; obligatoriskt
halolifila bakterier och
archaea
Hydrostatisk 0
1400 atm
tryck
(Olika mikroorganismer)
(baro/piezofila
bakterier och archaea)
Ioniserande
strålning
Kosmisk bakgrund
(olika mikrober)
0.4 Mrad (endosporer)
3 Mrad: Deinococcus
Livets träd
Arkeér
- tre arter: extrema halofiler, extrema termofiler och metanogener
- kunde vara de första organismer
Acidianus infernus
Extremofiler
- Mikroorgamismer trivs i extrema miljöer som ansågs att vara
fientliga mot liv.
- Extrema omgivningar karaktisereas av fysikaliska parametrar
- mångfalden kan vara mindre än i moderata områden
- extremofiler kunde utstå med förhållanden i rymden (kyla,
strålning, torka)
- transfer av liv
- Problem för rymdmissioner (kontamination)
