Extremophiles (z latiny extremus - extrémní a řeckého φιλία - láska) - souhrnný název pro živé bytosti (včetně bakterií a mikroorganismů ), které mohou žít a rozmnožovat se v extrémních podmínkách prostředí (extrémně vysoké nebo nízké teploty, tlak , kyselost, kyslík atd. ). Ve srovnání s tím mohou být organismy žijící v mírnějším prostředí nazývány mezofily nebo neutrofily.
V 80. a 90. letech 20. století biologové zjistili, že mikrobiální život má úžasnou odolnost k přežití v extrémních lokalitách – například ve výklencích, které jsou extrémně horké nebo kyselé, což by bylo pro složité organismy naprosto nehostinné. Někteří vědci dokonce dospěli k závěru, že život na Zemi mohl pocházet z podvodních hydrotermálních průduchů na dně oceánu. Podle astrofyzika Steina Sigurdsona „byly nalezeny životaschopné 40 milionů let staré bakteriální spory a víme, že jsou velmi odolné vůči záření“ [1] . V únoru 2013 vědci ohlásili objev bakterie, která žije v chladu a temnotě jezera pohřbeného pod půl míle ledu v Antarktidě [2] . 17. března 2013 vědci předložili údaje naznačující hojnost mikrobiálního života na dně Mariánského příkopu [3] [4] . Jiní vědci publikovali podobné studie, že mikrobi žijí uvnitř skal v hloubce 579 metrů pod mořským dnem, pod 2590 metry oceánu u pobřeží severozápadu Spojených států [3] [5] . Jak řekl jeden z výzkumníků: „Mikroby můžete najít všude – jsou extrémně přizpůsobiví podmínkám a přežívají, ať jsou kdekoli“ [3] .
Většina známých extrémofilů jsou mikrobi. Archaean doména obsahuje dobře známé příklady, ale extrémofily jsou přítomny v četných a různorodých genetických liniích bakterií a archaea. Kromě toho je chybou používat výraz „extremofil“ k popisu všech archeí, protože některé z nich jsou mezofilní. Také ne všichni extrémofilové jsou jednobuněční: protostomy byly nalezeny v podobných prostředích, včetně červa Pompejského , psychrofilních grilloblattids (hmyz) a antarktického krillu (korýši). Mnozí by také tardigrades klasifikovali jako extremofily , ale zatímco tardigrade může přežít v extrémních podmínkách, není považován za extremofila, protože není přizpůsoben životu v takových podmínkách. Pravděpodobnost jejich smrti se zvyšuje, čím déle jsou vystaveni extrémnímu prostředí.
Na celém světě existuje mnoho tříd extrémofilů, z nichž každá odpovídá tomu, jak se její ekologická nika liší od mezofilních podmínek. Tyto klasifikace se vzájemně nevylučují. Mnoho extrémofilů spadá do více než jedné kategorie najednou a jsou označováni jako polyextremofilové . Například organismy, které žijí uvnitř horkých hornin hluboko pod zemským povrchem, jsou jak termofilní, tak barofilní , jako je Thermococcus barophilus [6] . Polyextremofil žijící na vrcholu hory v poušti Atacama může být radiorezistentní xerofil , psychrofil a oligotrofní organismus. Polyextremofilové jsou dobře známí svou schopností tolerovat vysoké i nízké hodnoty pH [7] .
Acidophilus je organismus, který roste optimálně při hodnotách pH 3 nebo nižších.
Alkalifil je organismus s optimálním růstem při hodnotách pH 9 nebo vyšších.
Anaerob – Organismus, který ke svému růstu nepotřebuje kyslík , jako je Spinoloricus Cinzia . Existují dva poddruhy: fakultativní anaeroby a obligátní anaeroby . Fakultativně anaerobní mohou tolerovat anaerobní a aerobní podmínky; avšak obligátní anaerob zemře i v přítomnosti malého množství kyslíku.
Kryptoendolit je organismus, který žije v mikroskopických prostorech v horninách, jako jsou póry mezi zrny kameniva; mohou být také nazývány endolity , což je termín, který zahrnuje organismy, které obývají trhliny, aquifers a zlomy naplněné podzemní vodou hluboko pod zemským povrchem.
Halofil je organismus, který žije ve slaných roztocích obsahujících25–30 % NaCl [8] .
Hypertermofil - organismus, který se může vyvíjet při teplotách od +80 do +122 ° C, se nachází v hydrotermálních systémech.
Hypolit je organismus, který žije pod kameny v chladných pouštích.
Kapnofil je organismus, který ke svému životu potřebuje oxid uhličitý v koncentraci 10-15%.
Lithoautotrof - organismus (obvykle bakterie), jehož jediným zdrojem uhlíku je oxid uhličitý a exergonická anorganická oxidace ( chemolithotrofy ), podobně jako Nitrosomonas europaea ; tyto organismy jsou schopny získat energii z redukovaných minerálních sloučenin, jako je pyrit , a aktivně se podílet na geochemickém cyklu a zvětrávání mateřské horniny , čímž tvoří půdu.
Organismus tolerantní ke kovům je schopen tolerovat vysoké hladiny rozpuštěných těžkých kovů v roztoku, jako je měď , kadmium , arsen a zinek ; příklady zahrnují Ferroplasma Sp. , Cupriavidus metallidurans a GFAJ-1 [9] [10] [11] .
Oligotrof je organismus, který může růst za nutričně omezených podmínek.
Osmofil je organismus schopný žít v roztocích s extrémně vysokou koncentrací osmoticky aktivních látek, a tedy za vysokého osmotického tlaku (například mikroskopické houby, které používajíjako substrát med ).
Piezofil (také označovaný jako barofil ) je organismus, který žije optimálně při vysokých tlacích, kterých je dosaženo hluboko v oceánu nebo pod zemí [12] ; běžné v hlubokých útrobách Země, stejně jako v oceánských prohlubních.
Polyextremofil (z latiny a řečtiny pro „lásku k mnoha extrémům“) je organismus, který je extrémofilní ve více než jedné kategorii.
Psychrofil / kryofil - organismus schopný přežití, růstu nebo reprodukce při teplotě +10 ° C a nižší po dlouhou dobu; běžné ve studených půdách, permafrostu , polárním ledu, studené mořské vodě nebo na/pod alpskou sněhovou pokrývkou [13] .
Radiorezistentní organismy jsou odolné vůči vysokým úrovním ionizujícího záření , nejčastěji ultrafialového záření .
Teplomilný je organismus, kterému se daří při teplotách od +45 do +122 °C [13] .
Termoacidofil - kombinace termofilní a acidofilní, preferuje teploty od +70 do +80°C a pH 2-3.
Xerofil je organismus, který může růst ve velmi suchých, dehydratovaných podmínkách; půdní mikrobi v poušti Atacama jsou příkladem tohoto typu.
Pole astrobiologie se zabývá teoriemi původu života, jako je panspermie , a zabývá se také otázkami distribuce, povahy a budoucnosti života ve vesmíru. V něm konstruktivně spolupracující ekologové, mikrobiologové, astronomové, planetologové, geochemici, filozofové a badatelé směřují své úsilí k hledání života na jiných planetách [14] . Astrobiologové se zajímají zejména o studium extrémofilů [15] , protože mnoho organismů tohoto typu je schopno přežít v podmínkách podobných těm, o kterých je známo, že existují na jiných planetách. Například na Marsu mohou být oblasti hluboko pod povrchem permafrostu s endolitickými společenstvy. Vodní oceán pod povrchem Jupiterova měsíce Europa by hypoteticky mohl podporovat život v hlubokých hydrotermálních průduchech.
Nedávné studie provedené na extremofilech v Japonsku se skládaly z různých bakterií, včetně Escherichia coli a Paracoccus denitrificans , které byly vystaveny podmínkám extrémní gravitace. Bakterie byly pěstovány v ultracentrifuze při vysokých rychlostech, odpovídajících 403627 g (tedy 403627krát větší gravitaci než na Zemi). Paracoccus denitrificans byla jednou z bakterií, která prokázala nejen přežití, ale také trvalý buněčný růst za super-zrychlených podmínek, které se běžně vyskytují pouze v kosmickém prostředí, jako jsou velmi hmotné hvězdy nebo rázové vlny supernov . Analýza ukázala, že malá velikost prokaryotických buněk je nezbytná pro úspěšný růst v hypergravitaci [16] [17] .
26. dubna 2012 vědci oznámili, že lišejník přežil a ukázal pozoruhodné výsledky o schopnosti přizpůsobit fotosyntetickou aktivitu během 34 dnů simulace podmínek na Marsu provedené v Mars Simulation Laboratory (MSL), Německém středisku pro letectví a vesmír (DLR) [ 18] [19] .
29. dubna 2013 vědci z Rensselaer Polytechnic Institute sponzorovaného NASA oznámili, že během kosmického letu k Mezinárodní vesmírné stanici se mikrobi přizpůsobují vesmírnému prostředí ve smyslu „nepozorovatelného na Zemi“, a tak „mohou vést ke zvýšenému růstu a virulenci “ [20] .
19. května 2014 vědci oznámili, že četné mikroorganismy, jako je Tersicoccus phoenicis , mohou být odolné vůči metodám běžně používaným v čistých prostorech k montáži kosmických lodí. V současnosti není známo, zda rezistentní mikrobi mohli přežít vesmírné lety a zda jsou nyní přítomni na Roveru Curiosity, planetě Mars [21] .
20. srpna 2014 vědci potvrdili existenci mikroorganismů žijících půl míle pod ledem Antarktidy [22] [23] .
20. srpna 2014 ruští kosmonauti ohlásili objev planktonu na vnějším povrchu okna Mezinárodní vesmírné stanice, ale bylo obtížné vysvětlit, jak se tam dostal [24] .
V únoru 2017 objevili specialisté z NASA Institute of Astrobiology pod vedením Penelope Boston živé organismy uvnitř obřích krystalů seleničitanu v dolech poblíž města Naica v mexickém státě Chihuahua . Jsou umístěny nad magmatickou kapsou, takže teplota je zde udržována na +60 ºС. Mikroorganismy byly v krystalech asi 60 tisíc let ve stavu geolatence (zůstaly životaschopné), ale nevykazovaly aktivitu. Bylo zjištěno, že bakterie, viry a archaea „používaly“ oxid mědi, mangan, sulfidy a železo, aby přežily; zpracování těchto látek jim dodávalo energii [25] [26] .
Často jsou identifikovány nové podtypy „-fils“ a seznam extremofilních podkategorií neustále roste. Například mikrobiální život existuje v tekutém asfaltovém jezeře Peach Lake . Studie ukazují, že populace extremofilů obývají asfaltové jezero v rozmezí 10 6 - 10 7 buněk/gram [27] [28] . Také odolnost vůči boru byla až donedávna neznámá , ale mezi bakteriemi byl objeven silný borofil. S nedávnou izolací bakterie Bacillus boroniphilus vstoupili do debaty borofilové [29] . Studium těchto prokaryot může pomoci osvětlit mechanismus jak toxicity boru, tak jeho nedostatku.
Termoalkalická kataláza , která iniciuje rozklad peroxidu vodíku na kyslík a vodu, byla izolována z organismu Thermus brockianus , nalezeného v Yellowstonském národním parku výzkumníky z Idaho National Laboratory. Kataláza působí v rozmezí teplot +30 °C až +94 °C a hodnotě pH 6-10. Je extrémně stabilní ve srovnání s jinými katalázami při vysokých teplotách a pH. Ve srovnávací studii vykázala kataláza T. brockianus poločas rozpadu 15 dní při +80 °C a pH 10, zatímco kataláza odvozená z Aspergillus niger měla za stejných podmínek poločas rozpadu 15 sekund. Kataláza má aplikace při odstraňování peroxidu vodíku v průmyslových procesech, jako je bělení buničiny a papíru, bělení textilu, pasterizace potravin a povrchová dekontaminace obalů potravin [30] .
Enzymy modifikující DNA, jako je termostabilní DNA polymeráza a některé enzymy Bacillus používané v klinické diagnostice a zkapalňování škrobu, jsou komerčně vyráběny několika biotechnologickými společnostmi [31] .
Je známo více než 65 druhů prokaryot, které jsou zpočátku schopné genetické transformace : schopnosti přenášet DNA z jedné buňky do druhé s následnou inkorporací donorové DNA do chromozomu buňky příjemce [32] . Někteří extrémofilové jsou schopni provádět druhově specifický přenos DNA, jak je popsáno níže. Zatím však není jasné, zda jsou takové příležitosti mezi extremofily běžné.
Bakterie Deinococcus radiodurans je jedním z nejznámějších radiorezistentních organismů. Tato bakterie také snáší chlad, dehydrataci, vakuum a kyselinu a je tedy polyextremofilní. D. radiodurans je schopen produkovat genetickou transformaci [33] . Přijímající buňky mohou opravit poškození DNA v transformující DNA dárce způsobené UV zářením stejně účinně, jako opravují buněčnou DNA, když jsou samotné buňky ozářeny [34] .
Extrémně teplomilné bakterie Thermus thermophilus a další příbuzné druhy Thermus jsou schopné genetické transformace. Halobacterium volcanii , extrémně halofilní archaea, je také schopna přirozené genetické transformace. Mezi buňkami se tvoří cytoplazmatické můstky, které slouží k přenosu DNA z jedné buňky do druhé v libovolném směru [35] .
Sulfolobus solfataricus a Sulfolobus acidocaldarius jsou hypertermofilní archaea. Vystavení těchto organismů činidlům poškozujícím DNA: UV záření, bleomycinu nebo mitomycinu C způsobuje druhově specifickou agregaci buněk [36] [37] . UV-indukovaná agregace buněk C. acidocaldarius zprostředkovává výměnu chromozomálního markeru s vysokou frekvencí [37] . Rychlost rekombinace je o tři řády vyšší než u neindukovaných kultur. Frols et al [36] a Ajon et al [37] navrhli, že buněčná agregace zlepšuje druhově specifický přenos DNA mezi buňkami Sulfolobus za účelem opravy poškozené DNA homologní rekombinací. Van Wolferen et al [38] poznamenali, že tento proces výměny DNA může být kritický za podmínek poškozujících DNA, jako jsou vysoké teploty. Navrhl také, že přenos DNA v Sulfolobus může být ranou formou sexuální interakce, podobně jako lépe pochopené bakteriální transformační systémy, které zahrnují druhově specifický přenos DNA, který vede k homologní rekombinantní opravě poškození DNA [39] (viz Transformace (genetika) ).
Vezikuly extracelulární membrány se mohou podílet na přenosu DNA mezi různými druhy hypertermofilních archeí [40] . Bylo ukázáno, že plazmidy [41] , stejně jako virový genom [40] , mohou být přenášeny prostřednictvím membránových vezikul. Horizontální přenos plazmidu byl popsán zejména mezi hypertermofilními druhy Thermococcus a Methanocaldococcus , které patří do řádu Thermococcales a Methanococcales [42] .
![]() | |
---|---|
V bibliografických katalozích |
Extremofilové | |||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Kategorie | ![]() | ||||||
Pozoruhodní extrémofilové |
| ||||||
Související články |
|