Sådan fungerer ekstremofiler

Hvad er dit ideelle miljø? Solrig, 72 grader Fahrenheit (22 grader Celsius) og en let brise? Hvad med at leve i næsten kogende vand, der er så surt, at det spiser gennem metal? Eller bor i en mudret, iltfri suppe langt saltere end noget hav? Hvis du er en ekstremofil , det lyder måske perfekt.

Ekstremofiler er organismer, der lever i "ekstreme" miljøer. Navnet, første gang brugt i 1974 i et papir af en videnskabsmand ved navn R.D. MacElroy, betyder bogstaveligt talt ekstrem-kærligt [kilde:Townsend]. Disse hårdføre skabninger er bemærkelsesværdige ikke kun på grund af de miljøer, de lever i, men også fordi mange af dem ikke kunne overleve på det formodede normale, moderate miljøer. For eksempel, mikroorganismen Ferroplasma acidiphilum har brug for en stor mængde jern for at overleve, mængder, der ville dræbe de fleste andre livsformer. Ligesom andre ekstremofile, F. acidiphilum kan huske en gammel tid på Jorden, hvor de fleste organismer levede under barske forhold, der ligner dem, der nu favoriseres af nogle ekstremofiler, om det er i dybhavsventiler, gejsere eller atomaffald.

Ekstremofiler er ikke kun bakterier [kilde:Science Resource Education Center]. De kommer fra alle tre grene af de tre domæne klassifikationssystem:Archaea, Eubacteria og Eukaroyta. (Vi vil undersøge taksonomien mere næste gang.) Så ekstremofiler er en forskelligartet gruppe, og nogle overraskende kandidater - gær, for eksempel - kvalificer dig til medlemskab. De omtales heller ikke altid strengt som ekstremofiler. For eksempel, en halofil er så navngivet, fordi den trives i et meget salt miljø.

Opdagelsen af ​​ekstremofiler, begyndte i 1960'erne, har fået forskere til at revurdere, hvordan livet begyndte på Jorden. Mange typer bakterier er fundet dybt under jorden, et område, der tidligere betragtes som en død zone (på grund af mangel på sollys), men nu ses som et fingerpeg om livets oprindelse. Faktisk, størstedelen af ​​planetens bakterier lever under jorden [kilde:BBC News].

Disse specialiserede, stenlevende ekstremofiler kaldes endolitter (alle underjordiske bakterier er endolitter, men nogle endolitter er ikke -bakterielle organismer). Forskere spekulerer i, at endolitter kan absorbere næringsstoffer, der bevæger sig gennem stenårer eller leve af uorganisk sten. Nogle endolitter kan genetisk ligner de tidligste livsformer, der udviklede sig for omkring 3,8 milliarder år siden. Til sammenligning, Jorden er omkring 4,5 milliarder år gammel, og flercellede organismer udviklet sig relativt for nylig sammenlignet med encellede, mikrobielt liv [kilde:Dreifus].

I denne artikel, vi vil se på, hvordan ekstremofiler hjælper i søgen efter livets oprindelse; hvorfor ekstremofiler er nyttige i industriel videnskab, og hvorfor ekstremofiler kan føre os til liv på andre planeter. Først, lad os se på, hvordan ekstremofiler klassificeres.

1. Klassificering af ekstremofiler
2. Ekstreme miljøer
3. Sætte Thermus Aquaticus og andre ekstremofiler i arbejde
4. Panspermi og astrobiologi

Klassificering af ekstremofiler

Hvert år, forskere opdager og navngiver tusinder af nye arter. I de seneste år, mikroorganismer har dannet en vigtig del af denne enorme vækst i opdagelse af arter. Mere end 2 millioner arter er blevet identificeret rundt om på planeten, men nogle eksperter spekulerer i, at der kan eksistere 100 millioner eller mere [kilde:Thompson].

Men der er mere ved at finde nye arter end at navngive og katalogisere dem. Og for at sammenligne levende væsener, intet slår et godt klassifikationssystem. De to mest populære metoder i brug er de fem rige og de tre domænesystemer. Oprettet i slutningen af ​​1960'erne, de fem kongeriger adskiller livet i Monera, kongeriget prokaryoter (celler, der mangler membranbundne kerner og organeller), der omfatter bakterier, samt fire eukaryote (celler med membranbundne kerner og organeller) kongeriger:Protista, Svampe, Plantae og Animalia.

For en kort stund, de fem kongeriger syntes at tjene forskerne godt. Men i 1970’erne, en videnskabsmand ved navn Carl Woese besluttede at klassificere organismer baseret på genetiske forskelle frem for forskelle i visuelt udseende. Da Woese begyndte sin klassifikationsindsats, han bemærkede, at der var skel mellem nogle typer organismer, der tidligere var blevet klumpet sammen som bakterier, fordi de alle var prokaryoter. Woese fandt ud af, at bakterier og denne anden, en tidligere uidentificeret gruppe af organismer havde sandsynligvis adskilt sig fra en fælles forfader for milliarder af år siden. Tænker at disse andre organismer fortjente deres egen kategori, han opdelte Monera -kongeriget prokaryoter i arkebakterier (senere kaldet archaea ) og eubakterier . Hans tredje domæne var forbeholdt eukarya . Vi forklarer disse udtryk på et sekund.

Woese fandt ud af, at mange archaea var ekstremofile og betragtede dette faktum som bevis på deres gamle herkomst ("archaea" betyder oldtid). Archaea er en forskelligartet gruppe af organismer med deres egen unikke type rRNA, forskellig fra bakterier. (rRNA producerer polypeptider, som hjælper med at danne proteiner.) I mange tilfælde ekstremofile archaea har udviklet mekanismer vedrørende deres cellemembraner for at beskytte dem mod fjendtlige miljøer.

Det andet domæne for eubakterier, betyder "ægte bakterier, "er prokaryoter, der har udviklet sig for nylig end archaea. Disse bakterier er de typer, der har en tendens til at gøre os syge.

Woeses brede tredje domæne, eukaryota, dækker alt, der har en kerne og kan opdeles i kongeriger som protista, svampe, plantae og animalia. Nogle eukaryoter kan også klare sig godt i ekstreme miljøer.

Undersøgelse af disse klassificeringsmetoder kan skabe forvirring og debat - hvilket system er bedre? - men de kan også belyse nogle af de vigtige forskelle mellem ekstremofiler og andre organismer.

Inden vi ser på et par af de miljøer, ekstremofiler favoriserer, her er en liste over nogle yderligere navne, der bruges til at klassificere bestemte typer ekstremofiler:

• Acidophile:kan lide sure miljøer (lav pH)
• Alkalifil:kan lide alkaliske miljøer (høj pH)
• Anaerob ekstremofil:trives i områder uden ilt; nogle kan ikke vokse, hvor der er ilt.
• Kryofil:elsker ekstremt kolde temperaturer
• Piezofil/barofil:kan lide højt tryk
• Psykrofil:blomstrer ved lave temperaturer
• Termofil:klarer sig godt ved temperaturer på 104 grader Fahrenheit (40 grader Celsius) eller højere
• Hyperthermophile:blomstrer ved temperaturer på 176 grader Fahrenheit (80 grader Celsius) eller højere
• Xerophile:kan lide miljøer med lidt vand

På den forrige side, vi nævnte halofiler og endolitter. Der er også methanogener, hvoraf nogle lever i køernes tarm og producerer metan som et biprodukt. Toksitolerante ekstremofiler klarer sig godt under meget giftige forhold, såsom det strålingsladede område omkring Tjernobyl-atomstedet.

Carl Woese har kaldt klassificeringssystemer "vilkårlige", men erkendte, at de hjælper med at forstå, hvordan levende ting forholder sig til hinanden [kilde:The Why Files]

Ekstreme miljøer

Et miljø kaldes kun ekstremt i forhold til, hvad der er normalt for mennesker, men for en ekstremofil, deres foretrukne miljøer er "normale". Og ud over Jorden, forhold, der muliggør liv for mennesker, er sandsynligvis sjældne. På tur, såkaldte ekstreme miljøer og ekstremofiler, der befolker dem, kan være mere almindelige. Her på Jorden, en række faktorer kan tjene et sted mærket "ekstrem, "herunder følgende:

• Tryk
• Strålingsniveauer
• Surhed
• Temperatur
• Saltholdighed
• Mangel på vand
• Mangel på ilt
• Forurenende stoffer eller toksiner efterladt af mennesker (olie, atomaffald, tungmetaller)

Husk også, at disse faktorer nogle gange kan være ekstreme på en af ​​to måder - dvs. meget varmt eller meget koldt, meget sur eller meget alkalisk. De fleste organismer, vi ser eller støder på, eksisterer ved temperaturer fra 41 grader Fahrenheit (5 grader Celsius) til 104 grader Fahrenheit (40 grader Celsius), men ekstremt liv er fundet i atomreaktorer, pingvin guano, vulkaner, praktisk talt iltfrie zoner, utroligt salte områder som Utahs Great Salt Lake og i fordøjelsessystemerne hos mange dyr, herunder insekter [kilde:Science Education Resource Center]. I et tilfælde, bakterier blev fundet begravet i Alaskas is. Da isen smeltede, bakterier, der havde været i dvale i titusinder af år, genoptog sin aktivitet, som om der ikke var sket noget.

Antarktis sø Untersee er et godt eksempel på et ekstremt miljø. Vandet er fyldt med metan og har en meget alkalisk pH, kan sammenlignes med vaskemiddel [kilde:NASA]. NASA -forskere er særligt interesserede i søen, fordi dens særskilte miljø - masser af metan og kolde temperaturer - kan ligne dem fra andre planetariske kroppe, såsom Jupiters måne Europa [kilde:NASA].

Mennesker foretrækker en pH -værdi på 6,5 til 7,5, men acidofiler trives på steder med pH -niveauer fra 0 til 5. Den menneskelige mave falder faktisk ind i denne kategori, og vi har nogle ekstremofiler, der lever i vores kroppe. Generelt, acidofiler overlever i sure miljøer ved at styrke deres cellemembraner. Nogle producerer biofilm (kolonier af mikroorganismer, der aggregerer, skabe slimet, ekstracelluar beskyttelsesfilm) eller fedtsyrer, der beskytter deres cellemembraner. Andre kan regulere deres indre pH for at holde det på et mere moderat niveau på omkring 6,5.

Ekstremofiler i meget alkaliske miljøer formår også at regulere intern pH og have enzymer, der kan modstå virkningerne af høj alkalinitet. En sådan ekstremofil er Spirochaeta americana , en bakterie, der lever i mudderaflejringerne i Californiens Mono Lake, og hvis opdagelse blev annonceret i maj 2003. S. americana har brug for en alkalisk pH -værdi fra 8,0 til 10,5, og det er anaerobt, ude af stand til at leve i miljøer med ilt. Denne ekstremofil er en af ​​14 kendte spirocheter. Spirocheter kan lide svovlholdige mudderaflejringer og stoler ikke på ilt. For eksempel, Spirochaeta thermophila bor tæt på dybhavs hydrotermiske ventilationsåbninger.

Mono Lake's mudder er basisk med en pH på 10, meget salt og fyldt med sulfider. Søen blev på denne måde, fordi den er en terminal sø - vand strømmer ind, men ikke ud. Når vandet fordamper, kemikalier og mineraler forbliver, bliver stærkt koncentreret. Andre livsformer har fået Mono Lake hjem, blandt dem saltlage rejer, alger og en flueslag, der kan skabe luftbobler for sig selv, der gør det muligt at rejse under vandet. Søen er også rig på mikrofossiler af små organismer.

Mange andre bemærkelsesværdige ekstreme miljøer er også vært for ekstremofile. Mange gejsere rundt om i verden, herunder nogle i Sibirien, har ekstremofiler, der bor i deres varme pools og ventilationsåbninger. I USA, Yellowstone National Park har tusindvis af gejsere, fjedre og andre geotermiske træk, med forskellige temperaturniveauer, surhed og svovl og med mange typer ekstremofiler. Rio Tinto, en flod i Spanien, er fuld af tungmetaller, fordi regionen har været vært for minedrift i tusinder af år. Tilsvarende Iron Mountain, i det nordlige Californien, har vand så fyldt med tungmetaller og syrer (biprodukter fra minedrift), at det kan æde gennem en metalskovl på en dag. Men også her, dybt i underjordiske miner, mikrober fra archaea og eubacteria domæner formår at overleve scrappily, ved hjælp af biofilm til både beskyttelse og næringsoptagelse.

Surhed måles i form af pH:0 er mest sur, mens 14 er mest basisk eller alkalisk.

Sætte Thermus Aquaticus og andre ekstremofiler i arbejde

I 1960'erne, Dr. Thomas Brock, en biolog, undersøgte bakterier i Yellowstone National Parks varme kilder, da han faldt over noget hidtil uset. Bakterier, der boede i området, trivedes ved ekstraordinært høje temperaturer. Den nyopkaldte Thermus aquaticus levede i vand, der var næsten 212 grader Fahrenheit (100 grader Celsius) - praktisk talt kogende.

T. aquaticus gav grundlaget for to banebrydende opdagelser inden for biologi. Det viste sig at være den første arkæa. (Husk archaea er en forskelligartet gruppe organismer med deres egen unikke type rRNA, forskellig fra bakterier.) Lige så signifikant, denne ekstremofile producerede et enzym kendt som TAQ -polymerase , som fandt en industriel anvendelse i PCR'er (polymerasekædereaktioner). PCR giver forskere mulighed for at replikere et stykke DNA milliarder af gange i løbet af et par timer, og uden processen, næsten alt arbejde, der kræver DNA -replikation, fra retsmedicin til genetisk testning ikke ville være muligt.

Andre ekstremofiler har vist sig nyttige i industrielle og medicinske forskningsapplikationer, selvom sandsynligvis ingen så meget som T. aquaticus . Forskere har undersøgt mindst en ekstremofil, der producerer et protein, der ligner et, der findes hos mennesker. Dette protein ser ud til at spille en rolle i forskellige autoimmune sygdomme og tilstande som gigt. Enzymer fra alkalifiler bruges til fremstilling af vasketøj og opvaskemidler. De bruges også til at fjerne hår fra dyrehud. En anden alkalifil fra Yellowstone bruges til fremstilling af papir og behandling af affald, fordi det producerer et protein, der nedbryder hydrogenperoxid.

NASA studerer en ekstremofil, Deinococcus radiodurans , som er ekstremt modstandsdygtig over for stråling. Denne mikrobe kan modstå doser af stråling 500 procent højere, end det ville være dødeligt for mennesker [kilde:Biello]. Interessant nok, strålingen bryder faktisk mikrobens DNA i stykker. Men i mange tilfælde, DNA'et kan samles igen og fungere normalt igen. Det opnår dette ved at kaste ødelagte dele af DNA, ved hjælp af et specielt enzym til at knytte godt DNA til andre stadig sunde stykker DNA, og derefter skabe komplementære stykker til binding til disse nydannede lange DNA -tråde. Forstå hvordan D. radiodurans kan dette gøre det muligt for forskere at bringe døde celler tilbage til livet. For NASA, udnyttelse af denne DNA-resistens kan tilbyde spor til at bygge bedre rumdragter eller rumfartøjer.

På den næste side, vi vil overveje, hvordan undersøgelsen af ​​ekstremofiler har ændret forskernes søgen efter liv ud over Jorden.

Det E coli bakterie har mekanismer til at modstå syre svarende til nogle acidofile ekstremofiler.

Panspermi og astrobiologi

Panspermi er tanken om, at primitive livsformer kunne rejse mellem planeter og overleve rejsen. For nogle, panspermia repræsenterer en mulig oprindelse af liv på jorden, som mikrober fra andre planeter kunne være ankommet hertil og fungeret som forfædre for alle efterfølgende udviklende arter. Konceptet bliver ofte latterliggjort som urealistisk og spekulativt, men flere nyere undersøgelser har givet panspermi mere troværdighed.

En undersøgelse viste, at nogle tardigrader , mikroskopiske ottebenede hvirvelløse dyr, kunne overleve efter at have brugt 10 dage udsat for rum og solstråling. Mellem forskellige andre forskningsindsatser, forskere har fundet ud af, at organismer klassificeret som bakterier, lav og hvirvelløse dyr har overlevet i det mindste et stykke tid i rumets vakuum. En vis beskyttelse mod stråling, som at være på en sten, synes at hjælpe organismer med at overleve rejsen. Men uanset hvor de lander, disse rumrejsende har brug for et miljø, der giver dem mulighed for at leve og vokse.

Så med disse ideer i tankerne, er det rimeligt at sige, at vi mennesker måske er udlændinge? En populær panspermia -teori hævder, at jordisk liv stammer fra Mars, hvilken, for omkring 4,5 milliarder år siden, var langt mere gæstfri for livet end vores planet [kilde:Britt]. Ud over, den sene tunge bombardement, en periode med talrige asteroide -påvirkninger på Jorden og Mars, kunne have bragt liv til Jorden for omkring 4 milliarder år siden. Men hvis dette er sandt - og mange forskere ikke tror det er det - kom livet næsten ikke fra andre solsystemer eller stjerner. Afstandene betragtes stadig som for store til, at livet kan overleve.

I stedet for en temmelig fjerntliggende teori som panspermi, svarene på vores oprindelse kan komme igennem astrobiologi , studiet af livet i hele universet. Astrobiologi trækker stærkt på studiet af ekstremofiler på grund af troen på, at der dannes liv ud over Jorden, kan bo i ekstreme miljøer. Men astrobiologi er ikke kun en søgen efter liv i andre dele af universet. Det undersøger også grundlæggende spørgsmål om livets oprindelse, miljøer, der bidrager til liv, hvordan livet udvikler sig og grænserne for, hvad livet kan tåle.

Centralt i astrobiologien er søgen efter den oprindelige forfader til alle levende ting på jorden, forskelligt omtalt som den sidste universelle fælles stamfader (LUCA), den sidste fælles forfader (LCA) eller Cenancestor. Forskere mener, at LUCA var en ekstremofil, der levede for mere end 3 milliarder år siden i en hård, anaerobt miljø. Ikke desto mindre, forskere diskuterer også, hvad der skete før det, går tilbage i tiden fra DNA-baserede organismer (som mennesker og LUCA), til RNA-baserede, endelig til den første levende organisme (FLO).

Men denne søgen peger os mod endnu mere grundlæggende spørgsmål:nemlig, hvad er livet? (Relateret til denne idé, overvej:Er vi 10 år væk fra kunstigt liv? og leder vi efter udlændinge de forkerte steder?) Er livet bare et bundt af aminosyrer? Tilsvarende hvornår, Nemlig, skiftede Jorden fra en kemisk verden til en biologisk? Er livet noget, der kan replikere sig selv? Noget der kan udvikle sig? Ved at undersøge disse spørgsmål om, hvor vi kommer fra, ekstremofile, de mærkelige overlevende fra vores fortid, vil helt sikkert være en del af biologiens spændende fremtid.

Hvis du vil vide mere om ekstremofiler, søgen efter liv på andre planeter og andre relaterede emner, se linkene på den næste side.

Masser mere information

Relaterede HowStuffWorks -artikler

• Er vi ikke den eneste jord derude?
• Sådan fungerer Planet Hunting
• Leder vi efter udlændinge de forkerte steder?
• Hvordan kan sukkulenter gå dage uden vand?
• Sådan fungerer vulkaner
• Hvad sker der med hvaler, når de dør?
• Sådan fungerer DEPTHX
• Sådan fungerer udlændinge

Flere store links

• Genesis:Søg efter Origins
• Livet i ekstreme miljøer
• International Society for Extremophiles

Kilder

• "En ny livsform." NASA. 30. juli kl. 2003. http://science.nasa.gov/headlines/y2003/30jul_monolake.htm
• "Det gamle liv trives i dybet." BBC nyheder. 23. februar kl. 2005. http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/4291571.stm
• "Bakterier i ekstremt fjendtlige miljøer:Nyt protein opdaget, der reparerer DNA under ekstreme forhold." Science Daily. 30. juni kl. 2008. http://www.sciencedaily.com/releases/2008/06/080625105718.htm
• "Definition af rRNA." MedicineNet. 19. februar kl. 2001. http://www.medterms.com/script/main/art.asp?articlekey=16316
• "Ekstremofil jagt begynder." NASA. 7. februar kl. 2008. http://science.nasa.gov/headlines/y2008/07feb_cloroxlake.htm
• "Prognose:Varmt og fugtigt." Hvorfor -filer. University of Wisconsin. 1999. http://whyfiles.org/022critters/hot_bact.html
• "Ordliste." Opdagelsesguider. Http://www.csa.com/discoveryguides/vent/gloss.php
• "Introduktion til Archaea." University of California Museum of Paleontology. http://www.ucmp.berkeley.edu/archaea/archaea.html
• "Giver mening om arten." Hvorfor -filer. University of Wisconsin. 1999. http://whyfiles.org/022critters/phylogeny.html
• "Mikrobielt liv - uddannelsesressourcer." Science Education Resource Center. Carleton College. Http://serc.carleton.edu/microbelife/about/index.html
• "Mikrobielt liv i ekstreme miljøer." Science Education Resource Center. Carleton College. Http://serc.carleton.edu/microbelife/extreme/index.html
• "Navngiv den art." Science Daily. 1. marts 2006. http://www.sciencedaily.com/videos/2006/0307-name_that_species.htm
• "NASA-forsker opdager nye organismearter i Mars-lignende miljø." Science Daily. 31. juli kl. 2003. http://www.sciencedaily.com/releases/2003/07/030731081613.htm
• "Hvad er et ekstremt miljø?" NASA Astrobiology Institute. Http://nai.arc.nasa.gov/astrobio/feat_questions/extreme.cfm
• "Hvem er ekstremofiler?" Science Education Resource Center. Carleton College. Http://serc.carleton.edu/microbelife/extreme/extremophiles.html
• "Hvorfor." NASA.http://bionanex.arc.nasa.gov/why.html
• Abedon, Stephen T. "En introduktion til taksonomi:bakterierne." Ohio State University. 26. januar, 2004. http://www.mansfield.ohio-state.edu/~sabedon/black09.htm
• Biello, David. "Snyd med DNA -død:Hvordan en ekstremofil reparerer knuste kromosomer." Videnskabelig amerikansk. 27. september kl. 2006. http://www.sciam.com/article.cfm? Id =snyd-dna-død-hvordan-en
• Britt, Robert Roy. "Ottebenede rumoverlevende giver teori om" panspermi "nyt liv." Space.com. USA Today. 16. september kl. 2008. http://www.usatoday.com/tech/science/space/2008-09-16-tardigrades-panspermia_N.htm
• Dreifus, Claudia. "EN SAMTALE MED/Baruch Blumberg; Nobel i medicin, en anden karriere i rummet. "NY Times. 22. januar, 2002. http://query.nytimes.com/gst/fullpage.html? Res =9D03E3D6153BF931A15752C0A9649C8B63 &scp =7 &sq =extremophile &st =cse
• Kaiser, Gary E. "Klassificering:Det tre domænesystem." Community College i Baltimore County. 21. februar kl. 2007. http://student.ccbcmd.edu/courses/bio141/lecguide/unit1/3domain/3domain.html
• Mullen, Leslie. "Livets tre domæner." NASA Astrobiology Institute. Space Daily. 6. november kl. 2001. http://www.spacedaily.com/news/life-01zm.html
• Aldrig, David. "Ofte stillede spørgsmål om Life on the Edge." NASA. http://science.nasa.gov/newhome/headlines/lifeontheedge_faq.htm
• Ruder, Kate. "Iron Mountain's Champion Extremophile." Genome News Network. 6. februar kl. 2004. http://www. tagetewsnetwork.org/articles/2004/02/06/iron_mtn.php
• Ruder, Kate. "Yellowstone -mikrobe renser spildevand." Genome News Network. 28. oktober kl. 2004. http://www. tagetewsnetwork.org/articles/2004/10/28/yellowstone.php
• Seiberg, Charles. "Genesis -projektet." New York Times Magazine. 26. september kl. 2004. http://www.nytimes.com/2004/09/26/magazine/26ASTROBIOLOGY.html
• Townsend, Rig. "Jordeliv i ekstreme miljøer." University College London. 18. februar kl. 2003. http://zuserver2.star.ucl.ac.uk/~rhdt/diploma/lecture_6/