Komerční prezentace
Registrace uživatele

Přihlašte se k odběru informací, novinek, získejte přístup do diskuzního fóra.

Vesmír č. 10
Vesmír č. 10
Toto číslo vychází
2. 10. 2017
Novinky
Zdarma jedno celé číslo Vesmíru v pdf.
• Říjnové číslo Vesmíru
reklama

Hledáme limity života

Z hlubin zemské kůry na ledové pláně

Publikováno: Vesmír 95, 633, 2016/11
Obor: Biologie

Z objevů posledních let se může zdát, že jsou pozemské organismy schopné přežít téměř kdekoli. Nebo snad ne? I na Zemi totiž překvapivě nalezneme téměř sterilní prostředí. Jaké jsou tedy limity, za kterými živí tvorové už nemohou přežít?

Názory na to, za jakých podmínek jsou pozemské organismy ještě schopné přežívat, prošly za uplynulých sto let dramatickým vývojem. Ještě v prvním desetiletí dvacátého století přemýšlelo o možnostech života za nestandardních podmínek jen pár podivínů. Země byla pro přírodovědce příjemnou kyslíkatou planetou osídlenou zvířaty, rostlinami a jejich jednobuněčnými zástupci. Extrémní prostředí, jako třeba Mrtvé moře, hlubiny oceánů nebo polární oblasti, měla být podle seriózních výzkumníků osídlena slabě nebo vůbec. Toto názorové klima ovlivnilo dokonce i úvahy o vzniku života – za první organismy byly považovány drobné zelené řasy, které měly vzniknout v prostředí nepříliš odlišném od dnešního stavu naší planety.

Přesto se lidé zkoumání extremofilních organismů, tj. organismů, které obývají extrémní prostředí a preferují je k svému životu, v určité míře věnovali vždy. Už na první pohled je například jasné, že horké prameny, pouště nebo trvale zamrzlé oblasti nejsou úplně bez života. Studium organismů žijících za extrémních podmínek ale dlouho bylo okrajovou záležitostí, mimo jiné kvůli nedostatečnému přístrojovému vybavení a teprve se rozvíjejícímu oboru mikrobiologie.

Postupně se obraz pozemské biosféry začal komplikovat. Už ve dvacátých letech Alexandr Oparin, slavný výzkumník na poli vzniku života, argumentoval, že první organismy nemohly být zelené, kyslík využívající řasy. Ony samy totiž patrně kyslík do atmosféry dodaly. Stejně tak se začal komplikovat koncept pozemského „stromu života“ – bakterie (a z nich později vyčleněná, jednoduchou stavbou buňky podobná, ale vývojově samostatná skupina archea) se ukázaly jako nesrovnatelně prostší než eukaryotické organismy se složitější buňkou. Sama eukaryota se ze dvou velkých říší „rostlin“ a „živočichů“ rozpadla na mnoho linií, z nichž některé mají jen jednobuněčné zástupce. Bakterie a jednobuněčná eukaryota, prvoci, začali být objevováni na nejnečekanějších místech – včetně extrémních prostředí. Od šedesátých let se potom v odborné literatuře začíná vyskytovat termín „extremofil“.

Opravdový průlom nastal v roce 1977, kdy badatelé ze Scrippsova oceánografického institutu objevili u východopacifického kontinentálního zlomu podmořské hydrotermální vývěry. Tyto útvary, známé jako černí kuřáci, hostí celý ekosystém organismů založený na chemoautotrofních bakteriích – mikroorganismech, které k životu nepotřebují žádné světlo a v zásadě jsou nezávislé na tom, co se děje na povrchu. Představa, že je pozemský život prostřednictvím zelených rostlin absolutně závislý na slunečním záření a probíhá jen za normálních podmínek, najednou vzala za své. Další objevy na sebe nenechaly dlouho čekat. Extremofilní organismy byly objeveny hluboko pod zemským povrchem, v horkých, kyselých, zásaditých, radioaktivních, znečištěných i extrémně slaných vodách a na mnoha jiných místech, na první pohled naprosto nehostinných. Dnes se naopak zdá, že život přežije takřka kdekoli.

Co je to extremofil

Extremofilní organismy není lehké vymezit. Extrémů na Zemi existuje řada, jak fyzikálních (teplota, tlak, záření…), tak chemických (pH, salinita, vysychání, toxicita, příliš vysoká či nízká koncentrace kyslíku…). Extremofilní organismy žijí za podmínek výrazně vzdálených střednímu rozsahu daných faktorů na povrchu Země – například za teplot nižších než 4 °C nebo vyšších než 40 °C. Takový pohled je ale v praxi nutně antropocentrický. Záleží jen na nás, kam položíme hranice. Za „střední rozsah“ je tak běžně považováno rozmezí faktorů, které vyhovuje právě člověku, popřípadě ostatním, zejména mnohobuněčným, eukaryotům. To, že nám je dobře při 22 °C, ale neznamená, že jde o nějakou univerzální konstantu. Z pohledu termofilních mikroorganismů, které by si mohly podle svého prostředí uvnitř zemského pláště vymezit úplně jiný střední rozsah teplot, se například jedná o teplotu smrtelně nízkou.

Extremofilní organismy je dále možné vymezit evolučně, tj. podle toho, jak moc se vzdálili preferencím svého společného předka, nebo podle toho, že podmínky jejich prostředí poškozují základní stavební kameny buněk. Ani jeden z alternativních přístupů nám ale v praxi příliš nepomůže, a tak je zřejmě lepší zůstat u první definice i s vědomím jejích slabin.

Extremofily nalezneme mezi všemi skupinami organismů. Největší přeborníci se ale zpravidla skrývají mezi mikroorganismy – bakteriemi a skupinou archea. Většina extremofilů je zároveň tzv. polyextremofily – žijí v prostředí extrémním hned z několika hledisek. Organismy vyhledávající extrémy je možné rozlišit také podle toho, zda dané podmínky k životu nutně potřebují, jen se v nich občas vyskytují, nebo je dokážou přežít v odolných neaktivních stadiích. Některé bakterie například dokážou ve formě spor přečkat zmrazení na teplotu kapalného dusíku nebo za absolutního vysušení vydržet mnoho milionů let. Jen o něco méně jsou odolné cysty prvoků, výtrusy hub nebo semena rostlin. Srovnatelně jsou na tom i anabiotická (odolná neaktivní) stadia některých mnohobuněčných živočichů. Například u vířníků pijavenek, pakomárů a želvušek se téměř kompletně zastavují životní děje.1) Z našeho hlediska jsou však zajímavější organismy, které jsou za extrémních podmínek aktivní.

Někdo to rád horké

Jedny z nejspektakulárnějších příkladů přizpůsobení extrémním podmínkám nalezneme mezi organismy obývajícími prostředí vysokých teplot – hypertermofily. Za vysokých teplot hrozí poškození a rozpad nukleových kyselin, proteinů a dalších organických látek. Je narušena funkce membrán a snižuje se rozpustnost plynů, takže se komplikuje přístup ke kyslíku a oxidu uhličitému. Hypertermofilní organismy se těmto podmínkám přizpůsobují mimo jiné posunutím teplotního optima enzymů a zvýšením stability proteinů, nukleových kyselin a membrán.

Mezi hypertermofily nalezneme některé mnohobuněčné živočichy – například mnohoštětinaté červy z rodu Alvinella, obývající okolí podmořských hydrotermálních vývěrů, tzv. černých kuřáků, a to až za teplot blížících se 100 °C. Teploty okolo 50 až 60 °C přežívají i někteří další živočichové, houby, rostliny a prvoci. Určité bakterie a archea oproti tomu prosperují až za teplot překračujících 100 °C. Prozatímním rekordmanem je zřejmě archea Methanopyrus kandleri, obývající prostředí hlubokomořských vývěrů o teplotě až 122 °C, případně dosud nepopsaná archea vyskytující se na podobných místech za teplot 121 až 130 °C. Existují ale určité náznaky, že by v černých kuřácích mohly žít organismy až za teplot 140 až 200 °C. Pravda, při 160 °C dochází rozpadu nukleových kyselin a takové extrémy by teoreticky měly být pro pozemské organismy nedosažitelné, ale evoluce nás už nejednou pořádně překvapila.

Neméně zajímavé jsou psychrofilní organismy obývající výrazně chladná prostředí.2) Chlad postupně zpomaluje až zastavuje metabolismus. Stejně jako vysoké teploty může způsobit denaturaci proteinů, membrány však jeho působením spíše tuhnou. Vymrzání vody vede k dehydrataci, zvýšení koncentrace solí a vysokému osmotickému tlaku. Tvorba ledových krystalů potom může přímo fyzicky poškozovat buňky.

Organismy se s působením nízkých teplot mohou vyrovnat dvěma způsoby – nezmrznout, tj. například vylučovat do svého těla různé nemrznoucí látky či obývat vhodné médium, nebo tolerovat zamrznutí, což často spočívá v řízené tvorbě krystalizačních jader ledu v mezibuněčných prostorách. Bezobratlí využívají obě strategie, obratlovci spíše druhou. Šokující odolností oplývá hlístice Panagrolaimus davidi, která přežije jak vymrznutí veškeré vody, tak její zamrznutí v těle, a to dokonce vnitrobuněčně. Nejzazší dolní teplotní limity aktivity živočichů a rostlin se blíží –20 °C, například u himálajského pakomára Diamesa meigen nebo u některých lišejníků. Podobně jsou na tom i prvoci. Největšími rekordmany jsou opět bakterie a archea, z nichž některé vykazují známky aktivity ještě při –40 až –80 °C. Bakterie Colwellia psychrerythraea vykazuje metabolickou aktivitu i za teplot nižších než −80 °C a jisté její známky i při −196 °C. Zdá se tedy, že aktivita bakterií a archeí s klesající teplotou ustává spíše pomalu.

Suché, slané, kyselé…

Fyzický nedostatek vody má na organismy podobný vliv jako život v prostředí s velkým osmotickým tlakem – v koncentrovaných roztocích solí nebo organických látek. Obojí hrozí poškozením DNA, proteinů a lipidů. Při vysychání se navíc hromadí oxidanty, které mohou stavební kameny buněk dále degradovat. To vše vede ke snaze vyrovnávat pomocí vylučovaných látek osmotický tlak uvnitř a vně buněk, k aktivnímu transportu vody a iontů, syntéze ochranných sloučenin a výkonnějším opravným mechanismům nukleových kyselin a proteinů. Velkým koncentracím iontů se přizpůsobují rovněž buněčné membrány a proteiny, zejména enzymy.

Suchomilné (xerofilní) organismy nalezneme mezi eukaryoty, bakteriemi i archea. V reakci na nepříznivé podmínky často tlumí svůj metabolismus a přecházejí do odolných neaktivních stadií. Organismy velmi slaných prostředí se nazývají halofilní. Korýš Artemia salina, stejně jako několik dalších drobných bezobratlých a prvoků, přežije i v nasyceném solném roztoku. Rozhodující je typ rozpuštěných solí. Ještě extrémnější je v tomto ohledu vřeckovýtrusná houba Xeromyces bisporus, která dokáže růst v cukerném roztoku obsahujícím téměř 40 % cukrů. Bakterie a archea jsou v tomto ohledu o něco umírněnější, jejich hranice leží okolo 30 % koncentrace organických látek. S nasyceným solným roztokem se nicméně také vypořádají.

Další důležitou skupinou extremofilů jsou organismy obývající prostředí s extrémním pH – acidofilové a alkalifilové. Velmi kyselá prostředí hrozí denaturací proteinů, často obsahují velké koncentrace toxických kovů a omezené množství dostupného uhlíku. Jejich obyvatelé mnohdy disponují neobvyklým metabolismem, mají sníženou propustnost cytoplazmatické membrány a výkonné mechanismy oprav DNA a proteinů. Rovněž mají rozvinuté enzymy pro transport iontů a protonů, jejich pumpy a přenašeče.

Zásaditá prostředí jsou naopak charakteristická vysokými koncentracemi solí. Adaptace místních organismů se tak nejčastěji blíží halofilům. Limity mnohobuněčných organismů sahají od pH okolo 2 do zhruba 10. Za pozornost stojí háďátko octové, přežívající za extrémně velkého rozsahu pH: od 1,6 až do 11. Některá jednobuněčná eukaryota mohou obývat prostředí od pH 0 či 0,5 (zejména houby, ruduchy a Glaucophyta) až po 11 (zejména některé houby). Nejvýraznějších extrémů opět dosahují bakterie a archea. Sinice Plectonema nostorum například přežije za pH 13 a některé druhy archea rodu Picrophilus se vypořádají i s pH –0,06.

Extrémní tlaky kupodivu nedělají organismům větší problémy, přestože vedou k tuhnutí membrán, změnám přepisu genů, zastavení syntézy proteinů a zpomalení chemických reakcí. Paradoxně může větší problémy působit nízký tlak, který vede k vysoušení. Adaptace na vysoký tlak nejsou příliš výrazné, zahrnují hlavně modifikace membrán a proteinů k větší aktivitě. Organismy vysokotlakých prostředí se nazývají piezofilové a lze je rozdělit na dvě skupiny – psychrofilní piezofily, obývající hlavně dna oceánů, a termofilní piezofily, osídlující zemskou kůru.3)

Bakterie Colwelia a některá archea přežijí tlak až 100 MPa, experimenty však prokázaly odolnost bakterií až k tlakům okolo 1,7 GPa. Na dně oceánů i hluboko pod zemí lze nalézt také řadu jednobuněčných eukaryot. A na vysoké tlaky se adaptovaly i některé mnohobuněčné organismy. Nikoho asi nepřekvapí jejich přítomnost na dně moří, ale například hlístice Halicephalobus mephisto byla objevena pod zemí v jihoafrickém zlatém dole v hloubkách až 3,6 km.

Odolností k vysokým tlakům řady extremofilů nekončí. Mohli bychom pokračovat radiací, nízkým nebo vysokým obsahem kyslíku, nedostatkem živin, vysokou koncentrací toxických látek a mnoha dalšími faktory. Sdělení je však jasné – pozemské organismy, zejména bakterie a archea, se dokázaly přizpůsobit naprosté většině prostředí, s nimiž se lze na Zemi setkat.

Limity života na Zemi

Z předchozích řádků by se mohlo zdát, že pozemský život je schopen osídlit prakticky jakékoli prostředí. To však neplatí absolutně. I na Zemi můžeme narazit na habitaty téměř prosté jakéhokoli života. Například v lávových proudech by život pozemského typu samozřejmě nemohl přežít z čistě fyzikálních důvodů, jinde ale jeho absence tak samozřejmá není.

Překvapivě málo mikroorganismů hostí na svém povrchu například poušť Atacama, oblíbený cíl pozemského průzkumu agentury NASA. Jádro pouště je extrémně suché a bombardované intenzivním UV zářením. Místní horniny navíc obsahují velké koncentrace solí a oxidují své okolí. Většina mikrobiálních obyvatel se skrývá pod povrchem, například pod svrchní průsvitnou vrstvou rozpraskaných kamenů. K přežití jim pomáhá osídlování hygroskopických hornin, například soli kamenné, anhydritu nebo perchlorátů, na kterých se sráží vzdušná vlhkost.

Prakticky bez života je také Mrtvé moře. Jeho salinita dosahuje až 35 % a s postupujícím vysycháním se dále zvyšuje. Několik málo místních mikrobiálních obyvatel je vázáno na oblasti s nižší koncentrací solí. Výrazněji se množí jen v situacích, kdy salinita poklesne – například po mimořádně deštivých zimách.

Jako z jiné planety působí suchá antarktická údolí – mrazivé oblasti v pohořích antarktického kontinentu, kde se kvůli místní topologii nehromadí sníh a led. Vyznačují se extrémně nízkým obsahem živin, suchým podnebím a epizodickými vichry o rychlostech přesahujících 300 kilometrů za hodinu. Podloží zde tvoří věčně zmrzlá půda. Stejně jako v poušti Atacama se místní organismy – bakterie, archea a příležitostná jednobuněčná eukaryota – musejí skrývat pod povrchem. Využívají také podobné strategie, například život uvnitř kamenů. Třebaže zde nalezneme i několik trvale zamrzlých jezer a podledovcových řek, populační hustota místních obyvatel je zpravidla malá. Často jsou dlouhověcí, mají pomalý metabolismus a množí se velmi zřídka.4)

Pravý šok přinesly nedávné výsledky americko-kanadské expedice do antarktického suchého údolí University.5) To je položeno o něco výš než ostatní studované oblasti, zhruba 1700 metrů nad mořem. Badatelé v místní věčně zmrzlé půdě očekávali jednoduché společenstvo sestávající z mikroorganismů silně přizpůsobených extrémním podmínkám. Neobjevili ale nic. Permafrost obsahoval jen málo buněk a vzorky nevykazovaly žádnou metabolickou aktivitu.

Narazili jsme konečně na absolutní limity pozemského života? Měli bychom se rovnou vzdát naděje, že objevíme život na Marsu, jehož nejbližším pozemským analogem jsou právě antarktická suchá údolí? Možná ne úplně. Ani University Valley totiž není zcela sterilní. V porézních pískovcích ze stěn údolí výzkumníci nalezli životaschopné mikrobiální kolonie. V těch nejextrémnějších prostředích mají organismy šanci zřejmě jen na nejpříhodnějších ostrůvcích, například v okolí hygroskopických hornin. To by mohlo platit i pro ještě sušší Mars. Uvedené příklady nám nicméně říkají, že i život má své limity.

Nakonec je ale možné, že se na celý problém díváme z notně pokřivené perspektivy. Takzvaní extremofilové totiž zpravidla obývají prostředí dlouhodobě stabilní, s malým množstvím konkurentů, predátorů a parazitů, kterému se v dlouhém časovém měřítku mohou dobře přizpůsobit. Z jistého úhlu pohledu ta nejextrémnější prostředí obýváme my sami, neboť se musíme neustále a úporně vypořádávat s hrozbami našich koevolvujících oponentů.

Poznámky

1) Vesmír 88, 304, 2009/5; 88, 368, 2009/6.

2) Vesmír 90, 276, 2011/5.

3) Vesmír 79, 323, 2000/6.

4) Vesmír 95, 444, 2016/7.

5) Goordial J. et al., The ISME Journal, DOI: 10.1038/ismej.2015.239

Soubory

článek ve formátu pdf: V201611_633-635.pdf (300 kB)

Diskuse

Žádné příspěvky