EXTRÉMOFILY – PRVÍ OBYVATELIA ZEME?

Obrázok od Brigitte Werner z Pixabay

Sára Cverenkárová, Lukáš Hleba

Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre, Fakulta biotechnológie a potravinárstva, Tr. Andreja Hlinku 2, 949 76 Nitra, Slovenská republika

Čo sú extrémofily?

Extrémofily (extrémofilné) sú organizmy, ktorých výskyt je spojený s extrémnymi podmienkami prostredia. To znamená, že sa im najlepšie darí v prostredí, ktoré môže byť netolerovateľné, nepriateľské alebo smrteľné pre iné formy života (baktérie, živočíchy, rastliny, ľudia). Slovo extrémofil môžeme tiež preložiť ako “láska” alebo príťažlivosť k extrémnym podmienkam. Väčšinou ide o mikróby pochádzajúce zo sveta baktérií, Archaea, Protista a húb. Nájdeme však medzi nimi aj zástupcov eukáryí. Najčastejšie sa spájajú s podmienkami prostredia ako sú: nedostatok kyslíka, vody a svetla, vysoké a nízke teploty, soľ, pH a tlak. Vhodným prostredím im môže byť aj toxický odpad, organické rozpúšťadlá, ťažké kovy ale aj iné biotopy, ktoré boli považované za nehostinné. V laboratórnych podmienkach sú však naďalej len veľmi ťažko kultivovateľné (schopné rastu a rozmnožovania sa). Nájdené boli dokonca v hĺbke 6,7 km vo vnútri kôry zeme; viac ako 10 km pod hladinou oceánu pri tlaku až 110 MPa; pri extrémne zásaditom prostredí, kde hodnota pH dosahovala 12,8 a naopak pri extrémne kyslom prostredí, kedy hodnota pH dosahovala -0,06; pri hydro-termálnych prieduchoch kde sa teplota pohybuje okolo 122 °C a pri teplote -20 °C, kedy dochádza k zamrznutiu morskej vody.

Na Zemi poznáme tri skupiny organizmov – baktérie (Bacteria), Archaea (archeóny) a eukaryoty (Eukaryota). Z pohľadu evolúcie patria extrémofily medzi primárne prokaryoty, ktoré tvoria Archaea a baktérie. Eukaryoty na rozdiel od Archaea a baktérií obsahujú jadro, rozmnožujú sa mitózou (rozdelenie buniek na 2 rovnaké bunky) alebo meiózou (sexuálne rozmnožovanie), neobsahujú mimojadrovú DNA a väčšinou ide o mnohobunkové organizmy. Archaea a baktérie neobsahujú jadro, rozmnožujú sa štiepením alebo pučaním (bunka sa rozdelí na 2 rovnaké bunky), obsahujú mimojadrovú DNA a ide o jednoduché organizmy. Za extrémofily môžeme považovať aj sinice (Cyanobacteria), ktoré dokážu rásť v presolených a alkalických jazerách, tolerujú nízky prístup vody (xerofilné podmienky) a vytvárajú spoločenstvá v púštnych oblastiach. Ich výskyt v kyslom prostredí okolo pH 5 až 6 je zriedkavý. Spomedzi eukaryotov sú to plesne (mikroskopické huby), ktoré žijú samostatne alebo v symbióze so sinicami, či riasami (Algae). Nájdeme ich v kyslých vodách, vodách obohatených o kovy pochádzajúcich z banských oblastí, v alkalických (zásaditých) podmienkach, horúcich a studených púšťach, hlboko v oceánoch a presolených oblastiach, ako je napr. Mŕtve more. Neobľubujú však prostredie s teplotami vyššími ako 60 °C (hypertermofilné prostredie). Polyextrémofil pomalka (tardigrád, Vodný medveď, kmeň Tardigrada) je mikroskopický bezstavovec (zviera) žijúci v bahenných sopkách, dažďových pralesoch, v horských oblastiach Antarktídy a v hlbokom mori. Kvôli nepriaznivým podmienkam na prežitie začne hibernovať (pozastaví svoj metabolizmus) a v tomto stave je schopný odolávať teplote -272 °C (hodnota absolútnej nuly je -273,15 °C), vákuu, tlaku 608 MPa, nedostatku kyslíka, vysokej úrovni toxínov a röntgenovému či gama žiareniu. Hibernovať vydrží niekoľko rokov a po zlepšení podmienok na prežitie hibernáciu ukončí.

Ako sa k nám dostali?

Po vzniku Zeme bolo na našej planéte horúce podmorské prostredie s vulkánmi lávy a plynov. Preto je zrejmé, že extrémofily sú pozostatky prvotných organizmov žijúcich na Zemi. Podľa paleontologických nálezov extrémofily na Zemi existovali už pred obdobím vzniku bunky.

Teórie vzniku života rozdeľujeme do 3 skupín:

                1. Za vznikom života na Zemi je Boh/Stvoriteľ – Táto teória je založená na viere a náboženstvách.

                2. Život na Zem priniesli mimozemšťania – Teória sa pohráva s myšlienkou, že extrémofily “lietajú” v celom vesmíre ako kozmonauti a prileteli na našu Zem.

Už starogrécki filozofovia – atomisti, viedli úvahy o prenose foriem života vesmírom (mimozemský život). Šlo o myšlienku tzv. panspermie, ktorá sa objavovala aj v neskoršom staroveku, stredoveku i novoveku. V našej dobe sa ňou zaoberali švédsky fyzik a chemik Svante Arrhenius (nositeľ Nobelovej ceny za chémiu za rok 1903) v knihe Worlds in the Making: The Evolution of the Universe (Ako vznikli svety: Evolúcia vesmíru, 1908) a anglický fyzik a kozmológ Fred Hoyle spolu so svojim študentom a kolegom Nalin Chandra Wickramasinghe, ktorý o tejte téme napísal knihu Our Place in the Cosmos (Naše miesto v kozme, 1993). V súčasnosti je táto hypotéza intenzívne skúmaná.

3. Život na Zemi vznikol zo špiny (neživej hmoty) procesom samoplodenia (abiogenézy) – Aristotelov predpoklad v 19. storočí vyvrátil Pasteur na základe toho čo videl v mikroskope.

Aké poznáme?

Extrémofily sa delia podľa výskytu v extrémnom prostredí na:

Acidofilné

• ich optimálny rast sa pohybuje medzi pH 1 až 5;
• bakteriálni zástupcovia sa označujú aj ako laktobacily;
• najnižšie pH potrebujú hyperacidofilné Archaea druhu Picrophilus oshimae (pH -0,06) a P. torridus (pH 0,7), ktoré boli izolované zo solfatarického horúceho prameňa v Noboribetsu (Hokkaido, Japonsko).

Alkalofilné

• pre svoj optimálny rast vyžadujú pH nad 9;
• baktéria Vibrio cholerae spôsobuje infekčné ochorenie cholera.

Halofilné

• vyžadujú prostredie s výskytom solí;
• baktéria Halobacterium halobium žije v jazere Owen v Kalifornii, ktoré je 10x slanšie ako morská voda.

Termofilné

• vyžadujú teploty medzi 60 až 80 °C;
• zástupcom je napr. baktéria Thermococcus gammatolerans a piezotolertný termofil Methanothermococcus okinawensis.

Hypertermofilné

• pre optimálny rast vyžadujú teploty nad 80°C;
• baktérie rodu Aquifex žijú v horúcich prameňoch Yellowstonského národného parku, kde teploty dosahujú až 96 °C;
• Archeae druhu Methanopyrus kandleri dokáže prežiť pri teplote až 122 °C.

Psychrofilné

• rastú pri teplote 15 °C a menej;
• baktéria Chryseobacterium greenlandensis žije v ľadovcoch, hlbokých oceánskych vodách a na polárnom ľade.

Piezofilné alebo barofilné

• obľubujú prostredie s vysokým tlakom (napr. hlbokomorské prostredie);
• rekordér Thermococcus piezophilus (teplomilný Archaea) je schopný prežiť až 125 MPa.

Oligotrofné

• rastú v nutrične obmedzených prostrediach (chudobných na živiny);
• mikrób Thermococcus dokáže prežiť s malým množstvom energie. Vyskytuje sa v blízkosti hlbinných hydrotermálnych prieduchov (veľmi horúca voda presakuje von zo zemskej kôry) nedaľeko Papuy Novej Guiney.

Xerofilné

• rastú v prostredí chudobnom na vodu;
• riasy Dunaliella žijú v jaskyni v púšti Atacama (Čile). Ide o priživujúce sa mikróby, ktoré rastú na vrchole pavučín, pomocou ktorých využívajú rosu.

Rádiofilné

• darí sa im v podmienkach s vysokým množstvom žiarenia (ultrafialové a jadrové žiarenie);
• baktéria Deinococcus radiodurans odoláva vysokým dávkam radiácie (jadrové žiarenie), ktoré by človeka zabili. Je tiež schopná prežiť chlad, vákuum, kyselinu a dehydratáciu.

Endolitické

• žijú vo vnútri skál alebo štrbinách lastúr;
• objavené boli 3 km pod povrchom Zeme a je možné, že žijú aj hlbšie.

Polyextrémofily

• znášajú viaceré extrémne podmienky prostredia, jedná sa o väčšinu extrémofilov;

baktéria Spirochaeta americana obľubuje prostredie bez kyslíka, vodu s vysokým obsahom minerálov (pH 10,5), tmu a chlad. Obýva jazero Mono na severe Kalifornie.

Tabuľka č. 1: Hraničné podmienky prežitia (poly)extrémofilných organizmov (Merino et al., 2019; upravené Cverenkárová 5.12.2022)

Kmeň	Doména	Extrémofil	Izolačný ekosystém	Teplota (°C)	pH	Tlak (MPa)	Slanosť (%)	Vodná aktivita (aw)
Picrophilus oshimae KAW 2/2	Archeaea	Hypercidofil	Horúce pramene, solfatary	47 – 65	-0,06 – 1,87	nr	0 – 20	nr
Serpentinomonas sp. B1	Bacteria	Alkalofil	Serpentinidy (voda)	18 – 37 (30)	9 – 12,5 (11)	nr	0 – 0,5 (0)	nr
Methanopyrus kandleri 116	Archeaea	Hypertermofil	Hlbokomorský hydrotermálny prieduch	90 – 122 (105)	(6,3 – 6,6)	0,4 – 40	0,5 – 4,5 (3,0)	nr
Planococcus halocryophilus Or1	Bacteria	Halopsychrofil	Jadro morského ľadu	-15 – 37 (25)	6 – 11 (7 – 8)	nr	0 -19 (2)	nr
Halarsenatibacter silvermanii SLAS-1	Bacteria	Haloalkalofil	Sódové jazero	28 – 55 (44)	8,7 – 9,8 (9,4)	nr	20 – 35 (35)	nr
Thermococcus piezophilus CDGS	Archeaea	Piezotermofil / barotermofil	Hlbokomorský hydrotermálny prieduch	60 – 95 (75)	5,5 – 9 (6)	0,1 – 125 (50)	2 – (3)	nr
Haloarchaeal kmene GN-2 a GN-5	Archeaea	Xerofil	Solárne salterny (soľanka)	nr	nr	nr	nr	0,635

Extrémofily a Slovensko

Aj keď je Slovensko vnútrozemská krajina a nemáme tu sopky ani hydrotermálne prieduchy, neznamená to, že sa u nás nevyskytujú extrémofily. Veľká časť extrémofilov žije v hlbinnom prostredí, ako sú horúce minerálne pramene, ktorých máme na Slovensku v okolí Piešťan dosť. V prameni sa preukázala prítomnosť baktérií rodu Sulfurihydrogenibium pri teplote 67,5 °C. Tieto baktérie sú spájané hlavne s gejzírmi Yellowstonského národného parku. Nakoľko je hlbinné prostredie chudobné na živiny, mikroorganizmy, ktoré žijú v takomto prostredí, získavajú energiu oxidáciou anorganických substrátov. Viditeľné sú ako biele vlákna a povlaky okolo sírnych minerálnych prameňov. Dĺžka vláken môže dosahovať 10 a viac centimetrov.

V soľankách v Solivare pri Prešove sa taktiež našli extrémofilné baktérie rodu Sulfurihydrogenibium, Hydrogenovibrio a Guyparkeria, a to v hĺbke 510 až 600 metrov pod povrchom Zeme. Nachádzajú sa v ložiskách soli vytvorených približne pred 17 miliónmi rokov. Extrémofilmy sa zaoberá aj slovenská vedkyňa, astronautka a astrobiologička Michaela Musilová, ktorá sa v spolupráci s NASA (Národný úrad pre letectvo a vesmír) pustila do projektu s názvom “Koruna Zeme”. Podľa jej slov ide o sériu siedmich výstupov na najvyššie vrcholy jednotlivých kontinentov, v období štyroch rokov. Cieľom je skúmať extrémofily na vrcholoch hôr a porovnať ich s extrémofilmi, ktoré sa teoreticky nachádzajú na planéte Mars. Okrem extrémofilov budú tiež skúmať aj výskyt mikroplastov a iných znečistení na vrcholoch sveta. Nejde o jej prvý výskum, nakoľko v spolupráci s NASA už velila viac ako tridsiatim simulovaným misiám na Mars a Mesiac.

Dajú sa využiť?

Extrémofily, resp. ich produkty extrémozýmy (enzýmy) sa používajú v biotechnológiách na výrobu palív, biomateriálov, získavaním kovov biolúhovaním a vo farmaceutickom priemysle. Enzýmy sú biologické katalyzátory a katalyzátory sú látky, ktoré zvyšujú rýchlosť chemických reakcií bez toho, aby sa spotrebovali. Enzýmy halofilných extrémofilov sa používajú v potravinárstve, papierenskom a textilnom priemysle, pretože sú schopné pôsobiť v širokom rozsahu pH, v slanom prostredí a v organických rozpúšťadlách. Termozýmy (termofilné organizmy) a barozýmy (barofilné organizmy) sú predmetom ďalšieho skúmania v oblasti potravinárstva, textilného, kožiarskeho, kozmetického a farmaceutického priemyslu, nakoľko znižujú riziko kontaminácie baktériami. Rýchlo rozvíjajúcim sa odvetvím je teda hľadanie nových biokatalyzátorov a antibiotík, ktoré sú založené na podstate extrémofilov a ich produktov. Pri výskume nejde teda iba o zodpovedanie otázky o pôvode, či už na Zemi alebo vo vesmíre, ale aj o rozšírenie možností ďalšej štúdie pomocou rôznych techník biotechnológií.

Použitá literatúra

ač. (2003). Extrémny domov elegantnej baktérie. Tech.Sme.Sk. https://tech.sme.sk/c/1056701/extremny-domov-elegantnej-bakterie.html

​Aktuality.sk. (2019). TOP: Najzvláštnejší život extrémofilov. Aktuality.Sk. https://www.aktuality.sk/clanok/186646/top-najzvlastnejsi-zivot-extremofilov/

​Bailey, R. (2022). Extremophiles – extrémne organizmy. https://sk.eferrit.com/extremophiles-extremne-organizmy/

​BioLabTests. (2020). Extremophiles Types – Microorganisms in Extreme Conditions. BioLabTests. https://biolabtests.com/extremophiles/

​Bruno, F. (2016). Microbes in extreme environments. Encyclopedia of the Environment. https://www.encyclopedie-environnement.org/en/life/microbes-in-extreme-environments/

​GL. (2022). Astrobiologička Musilová ide na najvyššie vrcholy sveta hľadať extrémofily. VEDA NA DOSAH. https://vedanadosah.cvtisr.sk/priroda/zem/astrobiologicka-musilova-ide-na-najvyssie-vrcholy-sveta-hladat-extremofily/

​Jones, A. (2022). Extremophilic microorganisms. Science Learning Hub – Pokapū Akoranga Pūtaiao. https://www.sciencelearn.org.nz/resources/3100-extremophilic-microorganisms

​Merino, N., Aronson, H. S., Bojanova, D. P., Feyhl-Buska, J., Wong, M. L., Zhang, S., & Giovannelli, D. (2019). Living at the extremes: Extremophiles and the limits of life in a planetary context. Frontiers in Microbiology, 10, 780. https://doi.org/10.3389/FMICB.2019.00780/BIBTEX

​Pančík, P. (2022). Pôvod života. Biopedia.Sk. https://biopedia.sk/evolucia/povod-zivota

​Pristaš, P., Piknová, M. (2022). Výskum extrémofilných mikroorganizmov zmenil nazeranie na možnosti existencie života mimo našej Zeme. Prírodovedecká Fakulta, UPJŠ. https://www.upjs.sk/prirodovedecka-fakulta/27541/

​Rampelotto, P. H. (2013). Extremophiles and Extreme Environments. Life : Open Access Journal, 3(3), 482. https://doi.org/10.3390/LIFE3030482 ​

Urban, Z. (2020). Odolní miniastronauti – Časopis Quark. Časopis Quark, 11. ISSN1337–8422. https://www.quark.sk/odolni-miniastronauti/