<< HABITABILNOST EKSTRATERESTRIJALNIH PLANETA – 3. DEO
Habitabilnost ekstrasolarnih planeta - S A D R Ž A J
EKSTREMOFILI U NEHABITABILNIM USLOVIMA EGZOPLANETA
U potrazi za ekstrasolarnim životnim sredinama, istražuju se zvezde sa habitabilnim zonama. One se definišu prisutnošću raznih uslova na koje je ljudski organizam navikao. Međutim, postoje organizmi kojima ti uslovi nisu potrebni da bi živeli, rasli i prilagodili se svojoj okolini. U tom slučaju ti organizmi određuju habitabilnost neke planete na kojoj žive. Kada se uzme u obzir da postoje organizmi koji mogu da prežive pod uslovima koji su smrtonosni za čoveka, ova slika habitabilnosti se menja. Tako ni u našem Sunčevom sistemu nije isključeno da postoje živi organizmi koji se nalaze na drugim planetama ili satelitima. Ti organizmi su verovatno mikrobi. Ali na mnogim starijim ekstraterestrijalnim planetama, ovakvi organizmi su imali vremena da se razviju i veoma je moguće da su dostigli nivo inteligencije, kako je mi na Zemlji definišemo, možda u drugom obliku i sa drugom prilagodljivošću.
Astrobiologija je polje koje se bavi istraživanjem prirode i budućnosti života u svemiru. Poseban predmet interesovanja je istraživanje ekstremofila i koliko vrsta organizama preživljavaju u okolinama koje imaju uslove slične onima koji vladaju na drugim planetama. Kako podzemni okean na Jupiterovom satelitu Evropi, tako i hidrotermalni izvori, pa čak i izuzetno neprijateljska Venera, mogu da budu naseljeni ovim organizmima. Ekstremofili žive u vrelim vodama gejzera, ispod kilometrima debelog sloja leda, u najjačim kiselinama, pod ogromnim pritiskom na dnu okeana ili radioaktivnom otpadu. Oni žive i rastu pod uslovima koji su dugo vremena važili za sterilne i apsolutno neprijateljske za život. Za sada ne postoji ni jedan prostor, a da ga neka vrsta ekstremofila nije naselila.
SLIKA 01
Nekoliko primera neprijateljskih mesta za život na Zemlji:
JEZERO MONO – To je veliko, plitko i slano jezero u Kaliforniji, okrug Mono. Ono je nastalo pre vise od pola miliona godina kao termalno jezero i nema izlaz na okean. Zbog toga se u jezeru nakupljaju rastvorene soli, pa je ono veoma alkalno i slano. U ovom jezeru živi GFAJ-1, bakterija ekstremofil koja ima sposobnost metabolizovanja otrovnog elementa arsena. U njemu su takođe prisutni alkalofilni, halofilni i anaerobični organizmi.
SLIKA 02 Jezero Mono
ALKALNO JEZERO u istočnoj Siera Nevadi – Na slici dole je prikazano alkalno jezero sa mekanom, želatinoznim pokrivačem od mikroba koji žive u ovoj, za njih pogodnijoj, sredini.
SLIKA 03 Alkalno jezero
ALKALNI GEJZER, Oktopus spring u Nacionalnom parku Jelouston, USA, poseduje drenažne kanale koji se pružaju kao pipci u zagrljaju hobotnice. Voda teče iz izvora sa temperaturom od oko 95° C do odliva kanala, gde se hladi na 83° C. Oko njega nastaju šareni tepisi mikroba, među kojima je cijanobakterija i zelene sumporne bakterije.
SLIKA 04 Oktopus spring
KISELA REKA Rio Tinto u južnoj Španiji poseduje izuzetno visoku kiselost. Boja vode je nastala uglavnom prisustvom sulfidnih minerala. Osim toga je puna teških metala. U ovoj sredini živi vise vrsta ekstremofila.
SLIKA 05 Rio tinto
Rezistentnost ekstremofila je još uvek tajna za naučnike, pre svega pitanje kako su ekstremofili razvili svoje sposobnosti prilagođavanja. Do skoro su postojale dve grane carstva živih organizama. Otkrićem ekstremofila, dodata je još jedna grana. Postoje razne vrste ekstremofilnih organizama, a klasifikacija se bazira na uslovima u kojima oni preživljavaju. Do sada su poznate sledeće kategorije:
ACIDOFILI su organizmi koji su optimalno prilagođeni na nisku pH-vrednost (3 i nize). Acidofilni organizmi se nalaze, između ostalog, u vulkanskom tlu, gde je pH-vrednost između 2 i 3, u otpadnim vodama industrijske obrade metala, gde je pH-vrednost 1, dok gljivice rastu najčešće u okolinama koje imaju pH-vrednost oko 5. U biotehnologiji se acidofilni mikroorganizmi, kao na primer bakterije mlečne kiseline i sirćete kiseline, koriste za proizvodnju organskih kiselina i namirnica, kao i za konzerviranje namirnica i pročišćavanje rude (na slici ispod).
SLIKA 06 Acidofili
pH-vrednost je aktivnost vodonikovih jona (H+) u nekom rastvoru. Za čistu vodu pH-vrednost je 7. To znaci, da je rastvor neutralan, jer se u njemu nalazi isti broj H+ i OH+ jona sa jednakim koncentracijama od 1×10−7 mol/L. Na tabeli ispod mogu da se vide pH-vrednosti različitih proizvoda, kako bi se dobila predstava u kakvim uslovima opstaju ovi mikroorganizmi. S obzirom da na Veneri vladaju veoma nepogodni uslovi za čoveka, gde ne bi ni jedan sekund uspeo da opstane, moguće je da tamo postoje neki od ovih organizama, pa cak postoji i mogućnost da su se ti jednoćelijski organizmi možda razvili u višećelijske organizme.
SLIKA 07
ALKALIFILI su organizmi koji su optimalno prilagođeni na visoku pH-vrednost (9 i vise). Alkalifilni organizmi se pojavljuju najčešće u visoko bazičnim biotopima, kao sto je tlo bogato ugljenikom i alkalnim jezerima. Najpoznatiji predstavnik alkalifila je cijanobakterija iz vrste spirulina.
SLIKA 08 Filamenti cijanobakterije
Neke Alkalifilne bakterije su u stanju da promene svoju okolinu, tako sto neutralni medijum alkalizuju ili visokoalkalni medijum ukisele i time optimiraju pH-vrednost za svoj rast. Njihovi ekstracelularno izbačeni enzimi imaju svoj optimum u jako alkalnoj oblasti. Takvi enzimi imaju u industriji praškova za pranje važan tehnički značaj.
SLIKA 09 Cijanobakterije gde zuta „biljka“ pokazuje tipicne deficite azota
ANAEROBI su organizmi kojima nije neophodan kiseonik za rast. Takav organizam može da ima negativnu reakciju ili cak da ugine u prisustvu kiseonika, jer bolje izvršava svoje telesne funkcije u odsustvu kiseonika. Anaerobni organizam može da bude jednoćelijski ili višećelijski (poput metazoa ili kompleksnijih organizama kao sto su crvi iz dubokog mora).
SLIKA 10 Anaerobni crvi
Pojedini paraziti (npr. Trichinella spiralis) imaju anaerobnu respiraciju u inficiranim ćelijama. Većinu anaerobnih mikroba sačinjavaju bakterije. Obligativni anaerobi mogu da koriste fermentaciju ili anaerobnu respiraciju. Aerotolerantni organizmi su strogo fermentativni. U prisustvu kiseonika, fakultativni anaerobi koriste aerobnu respiraciju; dok u odsustvu kiseonika, neki od njih vrše fermentaciju, a neki anaerobnu respiraciju.
SLIKA 11 Loricifera
BAROFILIsu organizmi koji mogu da prežive visok hidrostaticki pritisak na dnu okeana Takođe se nazivaju i Piecofili. Organizam Spirilium ima generaciono vreme od 4-13 sati na pritisku od 500 bari
i 2°C. Međutim, na pritisku od jednog bara, generaciono vreme se povecava na 72-96 sati.
SLIKA 12 Termokokus barofilus
Fakultativne barofilne bakterije kao sto je termokokus barofilus mogu da prepoznaju promene pritiska i da reaguju svojim ćelijama. Obligativnim barofilnim bakterijama je potreban visok pritisak da bi mogle da rastu. Takva vrsta bakterija (Sevanela bentika), je pronađena na dubini od 11.000 metara i njoj je potrebno 800 bari da bi mogla da raste. Međurim, Ksenofiforea izdržava pritisak i do 1.000 bari.
SLIKA 13
Barofilni organizmi tolerišu ili niske temperature koje vladaju na ovim dubinama ili žive u blizini vulkanski aktivnih oblasti na temperaturina od 85 °C.
Napomena: Normalan pritisak na nadmorskoj visini iznosi oko jedan bar. Posebno trenirani ronioci mogu da izdrže do maksimalno 10 (+/-) bari.
ENDOLITI su organizmi koji žive u unutrašnjosti stena i to su bakterije. Endoliti žive litotropno, što znaci da energiju koja im je potrebna za život, dobijaju pretvaranjem anorganskih jedinjenja stena u kojima žive. Primer: sumporna, manganska i jedinjenja gvožđa, a u pojedinim slučajevima i minerala urana, arsena i drugih.
Pored toga, postoje FOTOTROFNI ENDOLITI, dakle oni koji vrše fotosintezu. To nije suprotnost, jer Sunčeva svetlost može da prodre u određene stene do nekoliko milimetara duboko. Posebno kristali kvarca, kao sto su granit ili peščar, omogućavaju fotosintezu u unutrašnjosti stena. Najčešći fototropni endoliti su neki lišajevi i cijanobakterije, kao sto je krokokidiopsis.
SLIKA 14 Krokodiopsis
Veliki znacaj imaju bakterije koje oksidiraju gvožđe i sumpor, jer su gvožđe i sumpor veoma često pojavljuju u Zemljinoj kori. Osim toga, mnogi minerali su jedinjenja sumpora. Cesti minerali gvožđe-sumpora su, pirit i markasit. Ove bakterije mogu da pod aerobnim uslovima oksidiraju gvožđe i sumpor. Pri tome, mikroorganizmi uvek konkurisu sa spontanom hemijskom reakcijom. Ali, oni poseduju enzime, koji ove reakcije u ćeliji ubrzavaju tako sto snize energiju. Zbog toga su endoliti odgovorni za brzo trošenje i koroziju.
SLIKA 15 Endolitna čipka
Iz najdubljih mina na svetu su izolovane nepoznate bakterije i danas se smatra da je duboka biosfera još neistražen životni prostor Zemlje, koji sadrži ogromnu biomasu naše planete u obliku mikroorganizama. Oni sporo rastu jer bazični redoks procesi daju malo energije, međutim, zanimljivo je da endoliti, kao jedini organizmi, mogu da žive potpuno bez Sunčeve energije. Mnogi su u stanju da rastu autotropno, što znači da vezuju ugljendioksid iz svoje okoline i produciraju organsku supstancu samo uz pomoć hemijske energije iz anorganskih jedinjenja. Teoretski bi ovakvi organizmi mogli da postoje i na drugim nebeskim telima.
Prelaz od endolitskih živih organizama prema organizmima na tlu je često jednostavan. Izolacija i karakterozovanje endolita je često teško, jer se oni pojavljuju samo u malim ćelijastim slojevima, sporo rastu i imaju određene potrebe za okolinom, na primer temperaturu, pH-vrednost, sastav minerala i koncentraciju kiseonika.
HALOFILI su organizmi koji su se prilagodili životu u slanim okolinama. Solju se ne smatra samo kuhinjska so, nego i svaka druga mineralna so. Halofilni organizmi su toliko prilagođeni slanim koncentracijama, da prestanu da rastu ili umiru, kada količina slanosti opadne ispod jedne određene granice. Prema stepenu prilagođavanja, razlikuju se, slabi, moderatni i ekstremni halofili. Njihovom sposobnošću da se prilagode i jačim koncentracijama soli, cini ih ekološkom nišom koja naseljava slane biotope.
SLIKA 16 Artemia salina, poznata i kao morski majmun je halofil koji živi na mestima sa visokim koncentracijama soli.
Tipicno za sve životne prostore sa povišenim salinitetom je reducirana vodena aktivnost. Voda je ovde vezana kroz slane rastvore i može da se održava samo putem specijalnog prilagođavanja ćelija u telu. Uz to, visoke koncentracije jona deluju lose na procese metabolizma. Takve okoline su, na primer, slana mora, slana udubljenja iz kojih je tečnost isparila, obale, ali i male površine kao sto su pustinjske biljke. Količina soli u tim oblastima varira i može da dostigne i do 30% kuhinjske soli. Slani sastav pojedinih mesta može da se veoma razlikuje: Ako je salinitet bogat natrijumhloridom, onda su mnoga altalasohalina mora bogata kalcijumom, magnezijumom i karbonatom. U tom slučaju su to takozvana soda-mora i njihova visoka pH-vrednost dovodi do toga da su organizmi koji tu žive alkalifilni ili alkalitolerantni. Pri tome može salinitet da se stalno ili iznenada promeni, na primer, prilikom isušivanja jednog jezera ili kod snažnih padavina.
SLIKA 17 Halofilni organizmi
Ako je koncentracija soli u nekoj okolini organizma visa ili niza od one u telu, to uvek vodi prilagođavanju, jer različite koncentracije žele uvek da se izjednače. Samo voda može između unutrašnjosti ćelija i okoline da difundira, tako da slani joni mogu samo teško da prevaziđu membrane ćelija. To dovodi do sledeće situacije: ako je koncentracija soli u okolini niza, voda difundira u ćeliju. To je, na primer, slučaj u “slatkoj vodi”, okolina je hipoosmotična. Međutim, ako je koncentracija viša, organizam gubi vodu. To je, na primer, slučaj u slanim jezerima, tu je okolina hiperosmotična. U oba slučaja dolazi do promene koncentracije soli u unutrašnjosti organizma. Ali, životni procesi su naviknuti na stalnu mogućnost prisutnosti vode i time na određene koncentracije soli koja je vezana u ćelijama. Skoro svi organizmi regulišu aktivno svoju unutrašnju koncentraciju soli. Kod nekih jednoćelijskih organizama su pronađene neobični i do sada jedinstveni oblici ćelija, naime trouglaste i četvorouglaste ćelije.
SLIKA 18 Trouglaste i četvorouglaste ćelije
Ekstremni halofilni jednoćelijski organizmi žive u slanim morima, solanama ili usoljenim namirnicama za jelo. Čak i u zasićenom slanom rastvoru (5 mol/l NaCl), određene vrste mogu da žive, ali rastu sporo. Ovi mikroorganizmi žive uglavnom aerobno, hemoorganotrofno ili fototrofno, što znači da imaju fotosintezu. Neki od ovih fototrofnih organizama mogu da koriste svetlost putem bakteriorodopsina za transport protona prema napolje. Tako nastali gradient protona može preko ćelijske membrane da se koristi za ATP-sintezu. Ovaj proces je jednostavan i verovatno je poreklo fotosinteze.
SLIKA 19 Halokokus – Ekstremni halofil
Fototorfni halofilni jednocelijski organizmi su uzrok za intenzivnu boju slanih i sodnih mora. Pigmenti ovih organizama imaju tako jaku koncentraciju, da prolaze skoro ceo lanac ishrane: oni daju boju halofilnim rakovima koji se hrane mikroorganizmima, a zatim i flamingosima koji jedu ove rakove. Ekstremni biotopi su siromašni vrstama. To važi i za mesta sa visokim koncentracijama soli.
SLIKA 20
HETEROTROFIsu organizmi koji imaju sposobnost da iz organskih materija uzimaju ugljene hidrate koji su im potrebni za život. Tako su, na primer, gljive heterotrofni organizmi, jer se hrane ugljenim hidratima i uspevaju u mraku. Heterotrofija je dovela do različitih oblika zajedničkog života organizama različitih vrsta sa razlicitim stepenima međusobne zavisnosti. Kod komenijalizma, jedan od dva partnera ima značajne koristi, dok drugi partner nema vidljivu štetu. Kod mutualizma, partnerstvo je korisno za oba partnera. Kod Antagonizma, koristi ima samo jedan partner, dok drugi ima manju ili veću, nekad smrtonosnu štetu.
SLIKA 21 Heterotrofi
HIPOLITIsu fotosintetićki ekstremofili koji žive ispod stena na klimatski ekstremnim pustinjama, kao što su Kornvolska i Devon ostrva u Kanadskom Arktiku. Ispod stena su zaštićeni od grubog ultravioletnog zračenja, vetra i ispiranja. Stene Kornvolskih i Devonskih ostrva su 95% naseljene hipolitima. Na njima se vide hipoliti kao 10 cm široke zelene trake.
SLIKA 22 Traka hipolita
Takođe su otkriveni hipoliti koji žive u kristalima i najčešće naseljavaju providni kvarc tako sto ga penetriraju i naseljavaju svoje kolonije u njemu.
SLIKA 23 Hipoliti u kvarcu
KAPNOFILI su mikroorganizmi koji rastu u prisustvu visoke koncentracije ugljendioksida. Neki kapnofili mogu da imaju metabolizam koji funkcioniše samo sa ugljendioksidom, dok su drugi samo prilagođeni ovim uslovima. Na primer, sposobnost kapnofila da tolerišu (ili koriste) količinu kiseonika koja je u njihovom okruženju može da varira i nije od ključnog značaja za opstanak. Vrste kampilobakter su bakterijski kapnofili koji se lakše prepoznaju, jer su mikroaerofilni organizmi koji mogu da rastu u visokoj koncentraciji ugljen dioksida dok je prisutna mala količina slobodnog kiseonika. Nivo ugljendioksida u Zemljinoj atmosferi je oko pet stotina puta manja od kiseonika. Obligatni anaerobni kapnofili su mikrobi koji će umreti u prisustvu kiseonika bez obzira na odnos koncentracije ugljendioksida u njihovoj okolini i obično dobijaju energiju kroz anaerobno disanje ili biohemijskom fermentacijom.
SLIKA 24 Kapnofili
KRIOFILI su organizmi koji su se prilagodili na posebno hladne okoline ispod -10°C. Kriofili su još bolje adaptirani na hladnoću od psihrofila. Uglavnom se nalaze u oblastima glečera kao sto su Grenland, Antarktik i na visokim planinama. Osim organizama kao sto je kolvelija, koja je prilagođena temperaturama ispod −20°C i pokazuje reakcije u metabolizmu do -200°C, u kriofile spadaju vise vrsta živih organizama.
SLIKA 25 Kolvelija
Sve vrste foraminifere su jednoćelijski organizmi koji dostižu starost od više meseci ili čak godina. Većina vrsta ima veličinu između 200 i 500 mikrometara, a najmanji predstavnik samo 40 mikrometara.
SLIKA 26 Foraminifere
Variabilnost životnog ciklusa među Foraminiferama je izuzetno veliki. Od skoro svake osobine tipičnog životnog ciklusa može da se nađe različit oblik. Do sada je poznato oko 10.000 vrsta ovog ekstremofila, koji se razmnožava polno i bespolno.
Skokuni su kriofilni red člankonožaca koji žive u svim mogućim geografskim i klimatskim uslovima, od Australijske pustinje do Antarktika. Prilagodili su se životu na tlu, drveću, u pećinama, na kopnu, vodenim površinama, snegu i ledu. To su svejedi koji se hrane mikroorganizmima i supstancama različitog porekla koje se raspadaju i tako prave humus.
SLIKA 27 Skokun
Subantarkticka muva je jedva veća od buve i nema krila. Veći deo svog dvogodišnjeg života provodi u stadijumu larve zamrznuta u antarktičkom ledu, da bi se zatim tokom deset dana parila, polagala jaja, i ubrzo zatim uginula. Osim sto bez problema podnosi zamrzavanje i intenzivno ultravioletno zračenje Sunca, antarktička muva može da izgubi i do 70% tečnosti bez da je to košta života. Većina životinja ne može da preživi gubitak veći od 20%.
SLIKA 28 Subantarktička muva
Dugoživac je mikroskopski mala životinja, kriofil, koja zbog svog izgleda podseća na minijaturne medvediće, pa zbog toga nosi i naživ – vodeni medvedići.
29 Dugoživac liči na medvedića
Oni žive u svim morima, slatkim vodama i vlažnim biotopima na kopnu, gde ih se najčešće može naći u vodenom biotope, na slojevima mahovine, u žljebovima i na krovovima kuća. Ustanovljeno je da mogu da žive na temperaturama između 150°C i do -272.8°C
SLIKA 30 Dugoživac
U nepovoljnim uslovima se vrste koje žive na kopnu osuše, izgube vodu i skvrče se u stanju obamrlosti (kriptobioza). Metabolizam im padne na 0.01% od normale, u telu zadrže samo 1% vode, i tako mogu da prežive i do 100 godina, dok uslovi opet ne postanu povoljni. To svojstvo im je donelo naživ – dugoživci.
SLIKA 31 Dugoživac u kriptobiozi
Na svetu postoji oko 800 vrsta dugoživaca. Oni imaju cetri para kratkih nozica koje zavrsavaju malim kandžicama. Dugoživci se hrane sadržajem biljnih ćelija, ali i malim životinjizama. Kada uhvate takvu životinjicu, oni je ubodu i isisaju uz cevastih usta u kojima se nalaze zubi slični bodežima.
SLIKA 32 Kandžice i zubi dugoživca
Dugoživci se razmnožavaju uglavnom polno, ali i partenogenetski, bez mužjaka. U tom slučaju se jaja razvijaju bez oplođivanja. Za neke od ovih organizama je ispitivanjima ustanovljeno da mogu da prežive i u svemiru. Oko 3.000 jedinki ovog ekstremofila je poslato u svemir. Bili su smešteni u komori na svemirskom brodu FOTON-M3 koji se nalazio u orbiti 270 km iznad Zemlje. Dugoživci su pušteni u svemir, gde su bili izloženi vakuumu, hladnoći i Sunčevom zračenju koje je u svemiru hiljadu puta jace, nego na Zemlji. Posle deset dana boravka u ekstremnim uslovima, skoro svi primerci su preživeli. Nekima nije naštetilo ultravioletno zračenje, a nekima jeste, ali su se regenerisali.
SLIKA 33 Vrsta dugoživca
Životinjice su posle boravka u svemiru nastavile da se sasvim normalno razmnožavaju. Tako su dugoživci postali prve životinje koje mogu da prežive u svemiru bez zaštite. Eksperiment je napravila Evropska Svemirska Agencija (ESA), a koordiniran je sa univerzitetom u Švedskoj. Uprkos tome, još uvek ne postoji objašnjenje, kako su životinjice uspele da prežive u svemiru. Ali je ovaj eksperiment podstakao maštu zaljubljenika naučne fantastike, pa su tako dugoživci već pozicionirani kao vanzemaljski agresori na ljudsku rasu (slika ispod).
SLIKA 34 Malo kriofilnog SF-a
Kriofili sa nešto slabijim osobinama, ali još uvek adaptivniji od čoveka, mogu da se nađu i među kičmenjacima, kao sto su polarni medvedi, pingvini, polarna lisica, snežna sova i drugi...
SLIKA 35
<< HABITABILNOST EKSTRATERESTRIJALNIH PLANETA – 3. DEO
HABITABILNOST EKSTRATERESTRIJALNIH PLANETA – 4. DEO drugi deo o ekstremofilima >>
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
