Wprowadzenie: mikroorganizmy a matura z biologii

Zapraszam do lektury mojego wpisu, który będzie stanowił cenne uzupełnienie wiedzy dla wszystkich, którzy planują podejść do matury z biologii. Zachęcam Was również do wzięcia udziału w kursie Indeksu w Kieszeni, na którym zdobędziecie i ugruntujecie całą niezbędną wiedzę, by osiągnąć fantastyczny wynik! Szczegóły znajdziecie w tym miejscu.

Co łączy bakterie, archeony oraz jednokomórkowe grzyby? A oprócz mikroskopowych rozmiarów? Powszechnie powtarzany, utarty stereotyp traktujący jednokomórkowce jako organizmy pierwotne, wręcz prymitywne, o minimalnym stopniu skomplikowania strukturalnego i metabolicznego. Bo przecież bycie Bacillus subtilis, której długość nie przekracza 3 mikrometrów, nie może być trudne w porównaniu z funkcjonowaniem wieloskładnikowego organizmu niedźwiedzia brunatnego czy społeczności pszczół miodnych. Powyższy sposób myślenia ukrywa w sobie jednak pewne paradoksy, bo czy znacie ssaka lub owada, który będzie mieć się dobrze w pH naszego żołądka, w temperaturze komina hydrotermalnego lub w bezpośrednim kontakcie rud uranu?

Odkrycie z dna oceanu

Jak donosi Neture News [1], na dnie Oceanu Indyjskiego, na jednym z najgłębiej położonych podwodnych grzbietów naszej planety, naukowcy zidentyfikowali nieznane dotąd organizmy. Wspomniane mikroby przystosowały się do życia w ekstremalnie ubogich w składniki odżywcze szczelinach pokrywy dna oceanu.
Zespół badawczy prowadzony przez mikrobiologa środowisk morskich Virginię Edgcomb (Woods Hole Oceanographic Institution in Massachusetts) zidentyfikował komórki baterii, grzybów i archeonów, których dieta opiera się na węglu pozyskiwanym z fragmentów aminokwasów i innych związków organicznych opadających na dno oceanu. Jak podkreśla sama Virginia Edgcomb, niezwykłość odkrytych mikroorganizmów polega na oparciu strategii ewolucyjnej na efektywnym recykling węgla!

Ekstremalne czy jednak nie?

Czy można określić zidentyfikowane mikroorganizmy jako ekstremalne? I tak, i nie. Patrząc z antropologicznego punktu widzenia, życie oparte na maksymalnym recyklingu węgla można określić jako zjawisko ekstremalne i tak przez wiele dekad pod- chodzono do metabolizmu bakterii, archeonów i grzybów. Jednak z drugiej strony, nie

jest to odpowiednie kryterium dla ekstremalnych z natury jednokomórkowców Badania na przestrzeni ostatnich kilkudziesięciu lat donoszą, że około 70% zidentyfikowanych na Ziemi mikroorganizmów zamieszkuje środowiska trudne, wręcz niemożliwe do przetrwania człowieka. Ponadto, okazało się, że życie jest powszechne w miejscach do niedawna uważane za niezamieszkane jak np. osady oceaniczne, lodowe pustynie Antarktyki czy stratosfera.

“Hot n cold”

Biorąc pod uwagę różnorodność tzw. ekstremofili, ich sumaryczna kreatywność adaptacyjna jest oszałamiająca! Przyjrzyjmy się bliżej ich zdolności adaptacyjnej do skrajnych warunków [2]. Zacznijmy od temperatury: dla termofili optymalna temperatura zawiera się w granicach 40-80 stopni Celsjusza. Izolowano je między innymi z kotłów wody podgrzewanej w procesach przemysłowych. Przykładem jest Pyrococcus furiosus – z którego pochodzi polimeraza DNA Pfu wykorzystywana w reakcjach PCR na skalę laboratoryjną. Jednak granica wytrzymałości 80 stopni Celsjusz to nic szczególnego dla hipertermofili zasiedlających gorące źródła, kominy hydrotermalne, obszary wulkaniczne. Do hipertemofili należą: Thermus aquaticus, którego polimeraza DNA Taq również jest komercyjnie powszechnie dostępna oraz archeon Pyrolobus fumarii, dla którego zabójcza temperatura zaczyna się na 113-ej kresce termometru.

Na drugim biegunie ekstremum znajdują się psychrofile – bakterie przystosowane do życia w temperaturze niższej niż 15 stopni Celsjusza. Izolowane są z gleb polarnych i wysokogórskich, zimnych wód oceanicznych i lądowych. Idealnym przykładem z naszych lodówek jest Listeria monocytogenes, dla której temperatura 4 stopni Celsjusza nie stanowi przeszkody do intensywnych podziałów.

Under pressure…

Bakterie barotolerancyjne dobrze radzą sobie w warunkach ciśnienia do 50 atmosfer. Photobacterium profundum występuje w zimnych (również jest psychrofilem) głębokich morzach. Jednak ile atmosfer są w stanie wytrzymać bardziej ekstremalne bakterie? Podbijamy stawkę? 300-400 atm. – to idealne ciśnienie dla bazofili (piezofili), których habitatem są dna morskie na głębokości 5.000-6.000 metrów. Niektórzy przedstawiciele rodzaju Pseudomonas nie mają z tym najmniejszych problemów.

Czy jednak jest to absolutna granica? Nie, bakterie są ambitnymi organizmami. Ich przedstawiciele, określane jako bezwzględne barofile, wymagają do wzrostu ciśnienia z zakresu 700-800 atm. Warunki takie występuję na głębokości 10-11 km poniżej poziomu morza.

W kwasach i zasadach…

Stężenie jonów wodorowych jest trzecim ważnym czynnikiem różnicującym ekstremofile na dwa bieguny. Acidofile to bakterie świetnie przystosowane do pH niższego niż 3, czyli skrajnie kwaśnych środowisk jak gorące źródła czy hałdy przy kopalniach węgla. Idealnym przedstawicielem acidofili jest Thiobacillus tiooxibacillus – chemolitoautotrof uzyskujący energię z redukcji nieorganicznych związków siarki.

Środowiska ekstremalnie zasadowe (o pH powyżej 10) jak gleby o wysokiej zawartości węglanów i jeziora sodowe są zasiedlane przez bakterie alkalofilne. W tak wysokim pH są w stanie przeżyć powszechnie znane bakterie jak Vibrio cholerae, Entero- coccus faecalis czy Streptococcus pneumoniae. Jednak aktualnie tytuł mistrzowski przypada Plectonema nostrocorum, dla której optymalne pH wynosi około 13.

Beyond borders

Na podstawie zdobytych do tej pory informacji, nie możecie wątpić w kreatywność metaboliczną bakterii, paradoksalnie określanych mianem prymitywnych. Nie powinniście także myśleć, że na tym kończą się ich możliwości.

Skrajnie ciekawym przykładem jest rodzaj Halobacteriaceae, którego przedstawiciele – skrajne halofile – są w stanie żyć i dzielić się w wodach o stężeniu NaCl sięgającym 30%. Izolowane są z solanek przemysłowych, konserwowanych solą produktów spożywczych czy słonych jezior USA i Australii.

Wysokie stężenia metali ciężkich jak ołów, miedź, rtęć nie jest zabójcza dla wielu przedstawicieli rodzajów: Pseudomonas, Citrobacter, Arthrobacter i Aeromonas, określanych mianem metalofili. Ich niesamowite właściwości metaboliczne mogą być wykorzystywane w procesach bioremediacji zdewastowanych gleb.

Jednak i to jeszcze nie wyczerpuje tematu. Najbardziej szokującą i zapierającą dech w piersiach każdego biologa bakterią jest Desulforudis audaxviator. Należy do grupy określanej jako radiofile, choć nazwa ta nie oddaje jej niezwykłości z należytym szacunkiem. Jak można wywnioskować, Desulforudis audaxviator toleruje ekstremalnie wysokie dawki promieniowania jonizującego. To prawda, faktycznie był izolowany ze skażonych gleb czy reaktorów jądrowych. To jednak nie wszystko! Ta niesamowita bakterie pozyskuje energię z rozpadu radioaktywnego uranu i toru i wykorzystuje ją do produkcji związków organicznych!

Powyższy krótki przegląd skrajnie fascynujących i zaskakujących  organizmów  jest zaledwie muśnięciem tematu ekstremofili. Na powszechnie dostępnych podłożach mikrobiologicznych możemy hodować nikły procent zidentyfikowanych do tej pory bakterii i jeszcze niższy archeonów. Wciąż nieznane są dla nas całe ekosystemy, więc w przyszłości lista ekstremofili będzie zyskiwać kolejne wiersze, a każdy kolejny będzie zaskakiwać biologów jeszcze bardziej.

Dzięki za przeczytanie mojego wpisu! Pamiętajcie, że w dowolnej chwili możecie dopisać się do kursu przygotowującego do matury z biologii. Czeka na Was obszerna baza materiałów: prezentacje, skrypty, testy, kartkówki, próbne arkusze oraz bieżąca pomoc Mentorów! Szczegóły pod tym linkiem.

Literatura:

1. Brouillette M, These microbial communities have learned to live at Ear- th’s most extreme reaches, 12.03.2020, Nature News, https://www.na- ture.com/articles/d41586-020-00697-y#ref-CR1.
2. https://www.e-biotechnologia.pl/Artykuly/Ekstremofile/

Autor tekstu: Paulina Smaruj 

Sprawdź nasze przygotowania do matury w Twojej okolicy!