Szélsőséges élőlények és élőhelyek a Földön - asztrobiológia kurzus IV. rész

Az [origo] tudomány rovatának ismeretterjesztő sorozata a Földön kívüli élet utáni kutatás iránt érdeklődő, de szakirányú végzettséggel nem rendelkező olvasókat vezeti be az alapokba és a legújabb eredményekbe. A kurzus negyedik részében az extrém életformákat, valamint az általuk lakott szokatlan élőhelyeket tekintjük át.

A szélsőséges (extrém) környezeti paramétereket elviselő, sőt azokat kedvelő életformákat extremofileknek nevezik. E fajok kutatása közel egy évtizede gyorsult fel. Akkor még úgy festett, hogy a földi élőlények jelentős része az általunk, emberek által is megszokott környezeti feltételek között érzi jó magát.

Napjainkra kiderült, hogy az extremofilek elterjedtebbek, mint kezdetben feltételezték. Nem csak az óceánok aljzatát és a magas hegycsúcsokat népesítik be, de több kilométeres mélységig, a kőzetek repedéseiben is előfordulnak: kiderült, hogy a földkéreg felső, néhány kilométer vastag rétegét gyakorlatilag "átjárja" az élet. Még az sem kizárt, hogy a felszín alatti élőlények alkotta biomassza nagyobb tömegű a felszíni élőlényekénél.

Az extremofilekről általánosan elmondhatjuk, hogy egysejtűek; többségük baktérium, illetve archea (ezek egysejtű, sejtmag nélküli élőlénycsoportok, ún. prokarióták), de az eukarióták között is megtalálhatók. Mivel a környezeti paramétereknek sokkal szélesebb skáláját tűrik el, sokkal több helyen, akár más égitesteken is megélnének - kutatásuk tehát a Földön kívüli élet kereséséhez is támpontokat adhat.

Az extremofilek csoportosítása

Az extremofil élőlényeket azon környezeti tényezők szerint csoportosítják, amelyek szempontjából szélsőséges a tűrőképességük a "hétköznapi" organizmusokhoz képest. Az így elkülönített (részben egymást átfedő) fontosabb csoportok:

• Acidofil fajok: szélsőségesen savas környezetet kedvelő fajok; optimumuk pH=3 környékén vagy ez alatt van (pl. Cyanidium caldarium)
• Alkalofil fajok: szélsőségesen lúgos környezetet kedvelő fajok; optimumuk pH=8 környékén vagy e felett van (pl. Natronobacterium)
• Barofil (piezofil) fajok: nagy gáz- vagy folyadéknyomást elviselő élőlények
• Endolit fajok: kőzetek, korallok, szilárd állati héjak belsejében élő szervezetek
• Halofil fajok: magas sókoncentrációban is megélő organizmusok (pl. Dunaliella salina)
• Hipertermofil fajok: szélsőségesen magas hőmérsékletet kedvelő fajok; 80-121°C között is megélnek (pl. Pyrolobus fumarii)
• Termofilek: 60-80°C-nál magasabb hőmérsékleten van az optimumuk (pl. Synechococcus lividis)
• Hipolit fajok: kőzetek alsó felén, illetve azok alatt, hideg sivatagokban élő szervezetek
• Litoautotróf fajok: az energiát főleg vulkáni és hidrotermális (a belső hő fűtötte és vízzel átjárt) rendszerekből, valamint mállással képződő, redukált ásványokból szerző élőlények, a szenet szén-dioxidból nyerik
• Metáltoleránsak: sok mérgező, oldott fémet (Cu, Zn, As, Cd) képesek tolerálni (pl. Ferroplasma acidarmanus)
• Oligotrófok: tápanyagokban, főleg szénben szegény környezetben is képesek növekedni (pl. Pelagibacter ubique)
• Ozmofil fajok: magas sókoncentrációban képesek növekedni
• Poliextremofilek: több extrém környezeti tényezőt bírnak ki együttesen
• Pszikrofil (kriofil) fajok: 15°C-nál alacsonyabb hőmérsékleten van a növekedési optimumuk (pl. Polaromonas vacuolata)
• Radiorezisztensek: intenzív ionizáló sugárzást is kibírnak
• Xerofil fajok: rendkívül száraz viszonyok között is megélnek (pl. Artemia salina)

A tűrőképesség határai

Pyrococcus furiosus

Az élőlények tűrőképességének határát három szinten szokták vizsgálni. Ennek megfelelően elkülönítik a szaporodásra is képes állapotot, amikor az élőlény táplálkozik, és stabilan fenntartja önmagát. A következő szint, amikor mindez a szaporodási képességet kivéve mondható el róla. A harmadik szint pedig a passzív túlélés, amikor élettevékenységet nem végez, de ha ismét kedvező körülmények közé kerül, újból képes lesz erre. Utóbbi esetben elsősorban a megfagyás, a kiszáradás és az erős sugárzás jön szóba, mint veszélyes környezeti tényező. A tűrőképesség határainak meghatározása nehéz. Igen érzékeny módszerekkel lehet csak a környezet minimális befolyásolása mellett megállapítani egy élőlényről, végez-e életfolyamatokat.

A jelenlegi kutatások alapján az aktív életfolyamatok az antarktiszi zuzmóknál -17°C-ig figyelhetők meg, egyes élőlények növekedése -20°C-ig, az élőlényekben lévő egyes enzimek aktivitása pedig -25°C-ig jellemző. Elképzelhető, hogy a valódi határok kisebb mértékben a fenti értékeken is túl találhatók, de ezt nehéz bizonyítani (ugyanakkor elméleti megfontolások alapján ezek az értékek már közel lehetnek a valódi határokhoz). Néhány érdekes "rekorder" bepillantást nyújt az extrém tűrőképesség világába:

• Sótűrés: a Dunaliella salina telített sóoldatban érzi jól magát.
• A nyomáskedvelők között érdekesek a Japán-árok fenekén vizsgált élőlények, amelyek 637 atmoszféra nyomás alatt érzik jól magukat. A piezofil csoport egyes baktériumai akár 1400 atmoszféra nyomást is túlélnek.
• Sugártűrés szempontjából a "népszerű" Deinococcus radiodurans áll az élen, amely az emberre halálos sugárdózis közel 2000-szeresét bírja ki.
• A lúgosság tekintetében kiemelkedik a Plectonema nostocorum, amely pH=13-as környezetet is túlél. A savasság tekintetében a Cyanidium caldarium említhető, amely ún. termoacidofil élőlényként tiszta szén-dioxid közegben, pH=0-4 között is megél, és +57°C-ot is kibír.
• Hőmérsékleti szempontból az olasz Vulcano-szigetről ismert Pyrococcus furiosus fontos, amely +113°C-ot is átvészelhet. A skála ellenkező végéről egyes antarktiszi baktériumok említhetők, amelyek -15°C-on is aktív életfolyamatokat végeznek.
• A Földünktől eddig legtávolabbra került, majd idehaza ismét életre kelt organizmus státusára jó eséllyel pályázhat a Streptococcus mitus, amely a Surveyor-III űrszonda kamerájában véletlenül a Holdat is megjárta (a start előtt az űreszközt nem sterilizálták). 2,5 évet töltött vákuumban, erős sugárzás közepette és alkalmanként -250 Celsius-fokos hidegben, amíg az Apollo-12 legénysége haza nem hozta a kamerát, ahonnan sikerült életképes példányokat kitenyészteni. Bolygónkhoz közelebb, de kétszer ennyi idő, azaz hatéves űrbeli tartózkodás után is életképes volt a Bacillus subtilis néhány példánya, amely az LDEF-szonda fedélzetén keringett a Föld körül.
• A tartós "konzerválás" rekorderei között említhetők a 40 ezer év inaktív állapot után viruló szibériai mohák. A csúcstartók azok a baktériumok, amelyeket kb. 20 millió év inaktív periódus után keltek életre - noha egyes szakemberek vitatják a mérés megbízhatóságát.

A Deinococcus radiodurans (balra) és néhány metanogén baktérium elektronmikroszkópos felvétele (jobbra) (NASA, Maryland Astrobiology)

Fontos extremofil csoportok

Kevés olyan égitest lehet a Világegyetemben, amelynek felszíni viszonyai kedveznek a folyékony víz tartós megjelenésének - ugyanakkor sok helyen fordulhat elő víz a felszín alatt, vulkanikus központok közelében. Az asztrobiológiai kutatások szempontjából fontosak tehát azok az élőlények, amelyek túlélése közel független az adott égitest légköri összetételétől, a felszínére érkező sugárzás mennyiségétől és a felszíni hőmérséklettől.

Ilyen szempontból kiemelkednek az ún. metanogének, amelyek oxigén, szerves anyag és napfény nélkül is életképesek. Jól bírják a hideget, a meleget, a sós környezetet. Nem képesek sporulációra (amikor kiválasztott burokban, tetszhalott fázisban van az élőlény), vagy más átmeneti inaktív állapotra. Életfolyamataikhoz egyik csoportjuk a szén-dioxidot redukálja metánná, amelyhez hidrogént használ, másik csoportjuk pedig acetátból (C₂H₃O₂), formátból (HCOO^-), metanolból (CH₃OH) hoz létre metánt. Megélnek a kőzetek belsejében, mélyen a felszín alatt, valamint forró és száraz sivatagokban, továbbá vastag jégrétegben és erősen sós környezetben.

A termofilek is fontos csoportot alkotnak, hőmérsékleti tűrőképességének felső határa 47-113°C között van (a sejtmagvas eukariótáknál a hasonló felső határ kb. 40°C körüli) -, inaktív állapotban pedig nagy hideget is kibírnak. Főleg anaerobok, többségük "nem bírja" az oxigént, a szenet képesek kizárólag szén-dioxidból nyerni. Energiaforrásként főleg hidrogént és kéntartalmú anyagokat használnak, napfényt nem igényelnek. Vulkanikusan aktív területeken jellemzőek, részben szárazföldi vulkanikus központokban (főleg kénes gázokat kigőzölgő ún. szolfatáráknál). A legmagasabb hőmérsékletet a hipertermofilek bírják, ezek nagyon ősi fajok lehetnek. Közismert képviselőjük a Pyrolobusi fumarii, amely a fekete füstölgőkben, 90-113°C között él.

Az ún. endolitikus élőlények a kőzetek repedéseiben találhatók, az eddigi fúrások során közel 3 kilométeres mélységig. Elterjedésüknek inkább a hőmérséklet, mint a nyomás szab határt. Az általuk kibírt felső hőmérsékleti határt 110°C-nak tekintve, átlagos geotermikus gradienssel számolva a kontinentális kéregben kb. 4 km, óceániban pedig mintegy 7 km mélységig lehetnek jelen. Az élettevékenységükhöz szükséges anyagokat vizes oldatokból veszik fel, és savakat is termelnek, amelyekkel kioldják azokat a kőzetekből. Többségük képes szervetlen anyagot szervessé alakítani.