Halofiler, som trivs i supersaltiga miljöer, och metanogener, som bor på platser som djurtarmar, är båda hårda encelliga organismer som kallas extremofiler. Bild med tillstånd av Maryland Astrobiology Consortium/NASA/STScI Vad är din idealiska miljö? Solig, 72 grader Fahrenheit (22 grader Celsius) och en lätt bris? Vad sägs om att leva i nästan kokande vatten som är så surt att det äter genom metall? Eller bor i en lerig, syrefri soppa mycket saltare än något hav? Om du är en extremofil , det kanske låter perfekt.
Extremofiler är organismer som lever i "extrema" miljöer. Namnet, användes först 1974 i ett papper av en forskare vid namn R.D. MacElroy, betyder bokstavligen extremt kärleksfull [källa:Townsend]. Dessa härdiga varelser är anmärkningsvärda inte bara på grund av miljöerna där de lever, men också för att många av dem inte kunde överleva på förmodligen normalt sätt, måttliga miljöer. Till exempel, mikroorganismen Ferroplasma acidiphilum behöver en stor mängd järn för att överleva, mängder som skulle döda de flesta andra livsformer. Liksom andra extremofiler, F. acidiphilum kan komma ihåg en forntida tid på jorden då de flesta organismer levde under hårda förhållanden som liknar dem som nu gynnas av vissa extremofiler, om det är i djuphavsventiler, gejsrar eller kärnavfall.
Extremofiler är inte bara bakterier [källa:Science Resource Education Center]. De kommer från alla tre grenarna av det tre domänklassificeringssystemet:Archaea, Eubacteria och Eukaroyta. (Vi kommer att utforska taxonomin mer nästa.) Så extremofiler är en mångsidig grupp, och några överraskande kandidater - jäst, till exempel - kvalificera dig för medlemskap. De kallas inte alltid strikt för extremofiler. Till exempel, en halofil heter så eftersom den trivs i en mycket salt miljö.
Upptäckten av extremofiler, med början på 1960 -talet, har fått forskare att ompröva hur livet började på jorden. Många typer av bakterier har hittats djupt under jorden, ett område som tidigare betraktades som en död zon (på grund av brist på solljus) men nu ses som en ledtråd till livets ursprung. Faktiskt, majoriteten av planetens bakterier lever under jorden [källa:BBC News].
Dessa specialiserade, stenlevande extremofiler kallas endoliter (alla underjordiska bakterier är endoliter, men vissa endoliter är icke -bakteriella organismer). Forskare spekulerar i att endoliter kan absorbera näringsämnen som rör sig genom stenår eller livnär sig på oorganiska bergämnen. Vissa endoliter kan genetiskt likna de tidigaste formerna av liv som utvecklades för omkring 3,8 miljarder år sedan. För jämförelse, Jorden är cirka 4,5 miljarder år gammal, och flercelliga organismer utvecklats relativt nyligen jämfört med encelliga, mikrobiellt liv [källa:Dreifus].
I den här artikeln, vi kommer att titta på hur extremofiler hjälper i sökandet efter livets ursprung; varför extremofiler är användbara inom industrivetenskap och varför extremofiler kan leda oss till liv på andra planeter. Först, låt oss titta på hur extremofiler klassificeras.
Innehåll
Dessa konstnärers skildringar av encelliga organismer faller i Monera-riket, hem för prokaryoter. Harnett/Hanzon/Getty Images Varje år, forskare upptäcker och namnger tusentals nya arter. Under de senaste åren har mikroorganismer har bildat en viktig del av denna enorma tillväxt i upptäckten av arter. Mer än 2 miljoner arter har identifierats runt om i världen, men vissa experter spekulerar i att 100 miljoner eller mer kan finnas [källa:Thompson].
Men det finns mer att hitta nya arter än att namnge och katalogisera dem. Och för att jämföra levande varelser, ingenting slår ett bra klassificeringssystem. De två mest populära metoderna som används är femriket och de tre domänsystemen. Skapad i slutet av 1960 -talet, de fem riken skiljer livet i Monera, riket av prokaryoter (celler som saknar membranbundna kärnor och organeller) som innehåller bakterier, liksom fyra eukaryota (celler med membranbundna kärnor och organeller) riken:Protista, Svampar, Plantae och Animalia.
För en kort stund, de fem riken tycktes tjäna forskare väl. Men på 1970 -talet, en forskare vid namn Carl Woese bestämde sig för att klassificera organismer baserade på genetiska skillnader snarare än skillnader i visuellt utseende. När Woese började sin klassificering, han märkte att det fanns skillnader mellan vissa typer av organismer som tidigare hade klumpats ihop som bakterier eftersom de alla var prokaryoter. Woese fann att bakterier och denna andra, en tidigare oidentifierad grupp organismer hade troligen splittrats från en gemensam förfader för miljarder år sedan. Tänker att dessa andra organismer förtjänade sin egen kategori, han delade Monera -kungariket av prokaryoter i arkebakterier (kallas senare archaea ) och eubakterier . Hans tredje domän var reserverad för eukarya . Vi förklarar dessa termer på en sekund.
Woese fann att många archaea var extremofiler och ansåg detta faktum bevis på deras gamla herkomst ("archaea" betyder forntida). Archaea är en mångsidig grupp organismer med sin egen unika typ av rRNA, annorlunda än bakterier. (rRNA producerar polypeptider, som hjälper till att bilda proteiner.) I många fall, extremofila archaea har utvecklat mekanismer relaterade till deras cellmembran för att skydda dem från fientliga miljöer.
Eubakteriens andra domän, betyder "riktiga bakterier, "är prokaryoter som utvecklats på senare tid än archaea. Dessa bakterier är de typer som tenderar att göra oss sjuka.
Woeses breda tredje domän, eukaryota, täcker allt som har en kärna och kan delas in i riken som protista, svampar, plantae och animalia. Vissa eukaryoter kan också göra det bra i extrema miljöer.
Att undersöka dessa klassificeringsmetoder kan skapa viss förvirring och debatt - vilket system är bättre? - men de kan också belysa några av de viktiga skillnaderna mellan extremofiler och andra organismer.
Innan vi tittar på några av de miljöer extremofiler favoriserar, här är en lista med några ytterligare namn som används för att klassificera specifika typer av extremofiler:
På föregående sida, vi nämnde halofiler och endoliter. Det finns också metanogener, varav några lever i korens tarmar och producerar metan som en biprodukt. Toxitoleranta extremofiler klarar sig bra under mycket giftiga förhållanden, såsom det strålningsladdade området runt kärnkraftsplatsen i Tjernobyl.
Vad är poängen?Carl Woese har kallat klassificeringssystem "godtyckliga" men erkänt att de hjälper till att förstå hur levande saker förhåller sig till varandra [källa:The Why Files]
Den kokande gejsern i Yellowstone National Park har förmodligen några extremofiler som lurar i närheten. John Wang/Getty Images En miljö kallas extrem endast i förhållande till vad som är normalt för människor, men för en extremofil, deras gynnade miljöer är "normala". Och bortom jorden, förhållanden som gör livet möjligt för människor är sannolikt sällsynta. I tur och ordning, så kallade extrema miljöer och de extremofiler som befolkar dem kan vara mer vanliga. Här på jorden, ett antal faktorer kan ge platsen etiketten "extrem, "inklusive följande:
Kom också ihåg att dessa faktorer ibland kan vara extrema på ett av två sätt - dvs. mycket varmt eller väldigt kallt, mycket sur eller mycket alkalisk. De flesta organismer som vi ser eller stöter på lever i temperaturer från 41 grader Fahrenheit (5 grader Celsius) till 104 grader Fahrenheit (40 grader Celsius), men extremt liv har hittats i kärnreaktorer, pingvin guano, vulkaner, praktiskt taget syrefria zoner, otroligt salta områden som Utahs Great Salt Lake och i matsmältningssystemet hos många djur, inklusive insekter [källa:Science Education Resource Center]. I ett fall, bakterier hittades begravda i Alaskas is. När isen smälte, bakterier som hade legat vilande i tiotusentals år återupptog verksamheten, som om ingenting hade hänt.
Antarktis sjö Untersee är ett bra exempel på en extrem miljö. Vattnet är fyllt med metan och har ett mycket alkaliskt pH, jämförbar med tvättmedel [källa:NASA]. NASA -forskare är särskilt intresserade av sjön eftersom dess distinkta miljö - massor av metan och kalla temperaturer - kan likna den hos andra planetkroppar, som Jupiters måne Europa [källa:NASA].
Människor föredrar ett pH på 6,5 till 7,5, men acidofiler trivs på platser med pH -nivåer från 0 till 5. Människans mage faller faktiskt in i denna kategori, och vi har några extremofiler som lever i våra kroppar. I allmänhet, acidofiler överlever i sura miljöer genom att stärka sina cellmembran. En del producerar biofilmer (kolonier av mikroorganismer som aggregerar, skapa slemmigt, extracelluar skyddande filmer) eller fettsyror som skyddar deras cellmembran. Andra kan reglera sitt inre pH för att hålla det på en mer måttlig nivå på cirka 6,5.
Extremofiler i mycket alkaliska miljöer lyckas också reglera det inre pH -värdet och har enzymer som tål effekterna av hög alkalinitet. En sådan extremofil är Spirochaeta americana , en bakterie som lever i lerfyndigheterna i Kaliforniens Mono Lake och vars upptäckt tillkännagavs i maj 2003. S. americana behöver ett alkaliskt pH från 8,0 till 10,5, och det är anaerobt, oförmögen att leva i miljöer med syre. Denna extremofil är en av 14 kända spiroketer. Spirocheter gillar svavelhaltiga leravlagringar och förlitar sig inte på syre. Till exempel, Spirochaeta thermophila bor nära djuphavs hydrotermiska ventiler.
Mono Lake -leran är alkalisk med ett pH på 10, mycket salt och fylld med sulfider. Sjön blev så här eftersom det är en terminal sjö - vatten rinner in men inte ut. När vattnet förångas, kemikalier och mineraler stannar kvar, blir mycket koncentrerad. Andra livsformer har gjort Mono Lake hemma, bland dem saltlake räkor, alger och en flugtyp som kan skapa luftbubblor för sig själv som gör att den kan resa under vattnet. Sjön är också rik på mikrofossiler av små organismer.
Många andra anmärkningsvärda extrema miljöer är också värd för extremofiler. Många gejsrar runt om i världen, inklusive några i Sibirien, har extremofiler som bor i sina varma pooler och ventiler. I USA, Yellowstone National Park har tusentals gejsrar, fjädrar och andra geotermiska egenskaper, med varierande temperatur, surhet och svavel och med många typer av extremofiler. Rio Tinto, en flod i Spanien, är full av tungmetaller eftersom regionen har varit värd för gruvdrift i tusentals år. Liknande, Iron Mountain, i norra Kalifornien, har vatten så fyllt med tungmetaller och syror (biprodukter från gruvdrift) att det kan äta genom en metallspade på en dag. Men även här, djupt i underjordiska gruvor, mikrober från domänerna archaea och eubacteria lyckas överleva skrapsamt, med biofilm för både skydd och näringsupptag.
Vad är pH?Surhet mäts i termer av pH:0 är mest surt, medan 14 är mest grundläggande eller alkaliskt.
D. radiodurans är hårdare än någon mänsklig astronaut som vi sannolikt kommer att skicka ut i rymden. Dessa bakterier kan överleva livet på en annan planet. Michael Daly/DOE/NASA
På 1960 -talet, Dr Thomas Brock, en biolog, undersökte bakterier i Yellowstone National Parks varma källor när han snubblade över någonting utan motstycke. Bakterier som bodde i området trivdes vid utomordentligt höga temperaturer. Nynamnet Thermus aquaticus levde i vatten som var nästan 212 grader Fahrenheit (100 grader Celsius) - praktiskt taget kokande.
T. aquaticus utgjorde grunden för två banbrytande upptäckter inom biologi. Det visade sig vara den första arkaen. (Kom ihåg att archaea är en mångsidig grupp organismer med sin egen unika typ av rRNA, skiljer sig från bakterier.) Lika signifikant, denna extremofil producerade ett enzym som kallas TAQ -polymeras , som hittade en industriell tillämpning i PCR (polymeraskedjereaktioner). PCR gör det möjligt för forskare att replikera en bit DNA miljarder gånger under ett par timmar, och utan processen, nästan allt arbete som kräver DNA -replikation, från rättsmedicin till genetisk testning, skulle inte vara möjligt.
Andra extremofiler har visat sig vara användbara inom industriell och medicinsk forskning, fast troligen ingen så mycket som T. aquaticus . Forskare har undersökt minst en extremofil som producerar ett protein som liknar det som finns hos människor. Detta protein verkar spela en roll vid olika autoimmuna sjukdomar och tillstånd som artrit. Enzymer från alkalifiler används för att tillverka tvätt och diskmedel. De används också för att ta bort hår från djurhudar. En annan alkalifil från Yellowstone används för att göra papper och behandla avfall eftersom det producerar ett protein som bryter ner väteperoxid.
NASA studerar en extremofil, Deinococcus radiodurans , som är extremt beständig mot strålning. Denna mikrobe tål doser av strålning 500 procent högre än vad som skulle vara dödligt för människor [källa:Biello]. Intressant, strålningen bryter faktiskt mikrobens DNA i bitar. Men i många fall, DNA kan återmonteras och fungera normalt igen. Det uppnår detta genom att kasta bort trasiga delar av DNA, använda ett speciellt enzym för att fästa bra DNA till andra fortfarande friska bitar av DNA, och sedan skapa komplementära bitar för att binda till dessa nybildade långa DNA -strängar. Förstå hur D. radiodurans kan detta göra det möjligt för forskare att väcka döda celler till liv igen. För NASA, att utnyttja detta DNA-motstånd kan ge ledtrådar för att bygga bättre rymddräkter eller rymdfarkoster.
På nästa sida, Vi kommer att överväga hur studiet av extremofiler har förändrat forskarnas sökande efter liv bortom jorden.
Att lära av de bästa
De E coli bakterien har mekanismer för att motstå syra som liknar vissa acidofila extremofiler.
Än så länge, bakterier verkar mer skickliga på rymdresor än vi är. Här, en forskare flyttar en del av tillväxten av bakteriell biofilm på ytor under rymdflygningsexperiment (GOBSS). Om bara bakterier kunde prata! Bild med tillstånd av NASA Panspermia är tanken att primitiva livsformer kan resa mellan planeter och överleva resan. För vissa, panspermia representerar ett möjligt liv på jorden, som mikrober från andra planeter kunde ha kommit hit och fungerat som föregångare till alla efterföljande arter som utvecklas. Konceptet förlöjligas ofta som orealistiskt och spekulativt, men flera nya studier har gett panspermia mer trovärdighet.
En studie visade att vissa tardigrader , mikroskopiska ryggradslösa åtta ben, kunde överleva efter att ha tillbringat 10 dagar utsatt för rymd och solstrålning. Mellan olika andra forskningsinsatser, forskare har funnit att organismer som klassificerats som bakterier, lavar och ryggradslösa djur har överlevt åtminstone en tid i rymdens vakuum. Viss skydd mot strålning, som att vara på en sten, verkar hjälpa organismer att överleva resan. Men vart de än landar, dessa rymdresenärer behöver en miljö som gör att de kan leva och växa.
Så med dessa idéer i åtanke, är det rättvist att säga att vi människor kan vara utomjordingar? En populär panspermiateori hävdar att det jordiska livet härstammar från Mars, som, för cirka 4,5 miljarder år sedan, var mycket mer gästvänliga för livet än vår planet [källa:Britt]. Dessutom, det sena tunga bombardemanget, en period med många asteroidpåverkan på jorden och Mars, kan ha gett liv till jorden för cirka 4 miljarder år sedan. Men om detta är sant - och många forskare inte tror det - så kom livet nästan inte från andra solsystem eller stjärnor. Avstånden anses fortfarande vara för stora för att livet ska ha överlevt.
Istället för en ganska långsiktig teori som panspermi, svaren på vårt ursprung kan komma igenom astrobiologi , studiet av livet i hela universum. Astrobiologi drar starkt på studier av extremofiler på grund av tron att livet bildas bortom jorden kan finnas i extrema miljöer. Men astrobiologi är inte bara en strävan efter liv i andra delar av universum. Den undersöker också grundläggande frågor om livets ursprung, miljöer som bidrar till livet, hur livet utvecklas och gränserna för vad livet kan tåla.
Centralt för astrobiologi är sökandet efter den ursprungliga förfadern till alla levande saker på jorden, på olika sätt kallad Last Universal Common Ancestor (LUCA), den sista gemensamma förfadern (LCA) eller Cenancestor. Forskare tror att LUCA var en extremofil som levde för mer än 3 miljarder år sedan i en hård, anaerob miljö. Ändå, forskare diskuterar också vad som kom innan det, gå tillbaka i tiden från DNA-baserade organismer (som människor och LUCA), till RNA-baserade, äntligen till den första levande organismen (FLO).
Men denna strävan pekar oss mot ännu mer grundläggande frågor:nämligen vad är livet? (Relaterat till denna idé, överväga:Är vi 10 år ifrån artificiellt liv? och letar vi efter utomjordingar på fel ställen?) Är livet bara en bunt aminosyror? Liknande, när, exakt, skiftade jorden från en kemisk värld till en biologisk? Är livet något som kan replikera sig själv? Något som kan utvecklas? När vi undersöker dessa frågor om var vi kommer ifrån, extremofiler, de konstiga överlevande från vårt förflutna, kommer säkert att vara en del av biologins spännande framtid.
Om du vill veta mer om extremofiler, sökandet efter liv på andra planeter och andra relaterade ämnen, titta på länkarna på nästa sida.
