Cei mai duri dintre duri: vieţuitoarele extremofile

Fierbinte sau îngheţat?

Dacă varietatea formelor de adaptare la mediu este în general uimitoare, ce să mai spunem despre uluitoarele vieţuitoare care îşi duc viaţă în ape suprasărate, în izvoare fierbinţi sau în lacuri acide? Sunt aşa-numitele extremofile, vieţuitoare adaptate unor condiţii aflate la marginea spectrului condiţiilor de viaţă întâlnite în lumea vie, departe de calea mijlocie pe care au ales-o şi urmat-o, în cursul evoluţiei, cele mai multe dintre vietăţile care trăiesc azi.

• Un fenomen meteo bizar ar putea explica de ce fabricile declanșează ninsori
• Ce au descoperit cercetătorii după ce i-au învățat pe șobolani să conducă?

Creaturi cu preferinţe extreme se întâlnesc pe diferite crengi ale arborelui filogenetic al speciilor actuale, dar în loc de o clasificare a lor după regulile taxonomice – oricum insuficient de clare, de vreme ce diferiţi savanţi au diferite păreri în domeniu – am ales o împărţire după originalele lor preferinţe.

Mai toată lumea (vie) se simte bine la temperaturi aflate departe atât de punctul de îngheţ al apei, cât şi de punctul de fierbere al aceleiaşi substanţe. Organismele termofile, însă, prosperă în medii pline de provocări, precum izvoare geotermale, fierbinţi, în care temperatura apei atinge 60, 70, 80 de grade Celsius.

Parcul Naţional Yellowstone, din SUA, cuprinde multe astfel de izvoare geotermale şi tocmai prezenţei microorganismelor termofile (archee şi bacterii) i se datorează, în parte, minunatele culori ale vestitului Grand Prismatic Spring, cel mai mare izvor termal din Statele Unite şi una dintre cele mai frumoase creaţii ale naturii din Yellowstone.

Dar chiar şi printre microorganismele amatoare de apa fierbinte, există un „nucleu dur”: aşa-numitele hipertermofile, capabile să trăiască şi să prospere la temperaturi de peste 80 de grade Celsius. Unele dintre aceste incredibile forme de viaţă (tot arhee şi bacterii) trăiesc în izvoare termale submarine, iar recordul de temperatură cunoscut până în prezent este de 122 grade Celsius.

La polul opus se găsesc psihrofilele (criofile), pentru care locuinţa ideală e cea în care temperatura se situează sub 15 grade Celsius. Întrucât în multe locuri de pe planetă noastră se întâlnesc asemenea temperaturi, psihrofilele sunt şi ele larg răspândite. Evident, din punct de vedere al comportamentului extrem, ele sunt cu atât mai interesante cu cât trăiesc la temperaturi mai joase şi există destule dintre acestea: archee şi bacterii (deja devine banal, nu-i aşa?), dar şi recent-descoperiţi fungi (ciuperci – aici fiind vorba despre nişte ciuperci microscopice), animale microscopice (tardigradele) şi fascinantele alge de zăpadă, vieţuitoare inferioare, unicelulare, care se dezvoltă pe omăt, uneori dându-i acestuia culori şi chiar mirosuri neobişnuite. „Zăpada de pepene” (watermelon snow) este un fenomen determinat de creşterea pe zăpadă a unor alge care dau omătului culoarea rozalie şi – se spune – chiar un vag miros de pepene verde…

Apă nu, mâncare nu…

Xerofilele sunt adaptate vieţii în condiţii de uscăciune, în medii cu cantitate foarte mică de apă. Într-un fel, şi cactuşii pot fi consideraţi, printre plante, drept organisme xerofile, dar în lumea vie există multe alte exemple de vieţuitoare mult mai „dure” decât cactuşii. De obicei, e vorba despre microorganisme, mai ales ciuperci microscopice, precum mucegaiuri şi drojdii. Acestea se pot dezvoltă pe substraturi foarte sărace în apă şi am avut cu toţii prilejul să vedem cum, adesea, pâinea prinde mucegai: coaja ei, deşi pare destul de uscată, e colonizată într-o veselie de specii de mucegaiuri xerofile, cărora lipsa apei nu le stă în cale.

Printre extremofile se număra şi multe litoautotrofe, bacterii capabile să folosească drept hrană numai molecule anorganice, lucru de care, să recunoaştem, organismele mai evoluate nu-s în stare. Cele mai multe vieţuitoare au nevoie de substanţe organice, cât de puţin, căci nu se pot hrăni doar cu ceea ce oferă pietrele şi aerul. Dar litoautotrofele extremofile exact asta fac, ele „mănânca pietre”, extrăgând din rocă molecule de substanţe anorganice pe care le folosesc drept sursă de energie în propriile celule. De aceea, litoautotrofele joacă un rol de-o importanţă covârşitoare în natură: în degradarea substratului pietros, în circuitul biogeochimic al unor elemente precum potasiul şi sulful, în eliberarea nutrienţilor şi în formarea solului, ceea ce permite creşterea plantelor, iar pe seama acestora, şi a animalelor. Cu alte cuvinte, litoautotrofele susţin, în mare măsură, viaţa pe Pământ.

Prea dulce, prea sărat, prea acid

Chiar dacă majoritatea organismelor preferă nici-prea, nici foarte-foarte, fiecare grup îşi are extremiştii săi. Astfel, există forme de viaţă halofile, remarcabile prin faptul că trăiesc în medii cu o concentraţie mare de sare. Pentru lămurire: prezenţa sării în cantitate mare împiedică, în general, dezvoltarea şi înmulţirea organismelor (vorbim aici mai ales de microorganisme), acesta fiind motivul pentru care sărarea alimentelor reprezintă un mijloc de a preveni alterarea lor (e una dintre cele mai vechi metode de conservare cunoscute de om).

Dar pe unii nu-i opreşte nimic: în lacuri sărate, în Marea Moartă, în băltoace din care apa de mare se evaporă continuu, lăsând în urmă o soluţie tot mai concentrată de săruri, există viaţă. Cele mai multe dintre halofile aparţin grupului numit Archaea, ce cuprinde organisme unicelulare, lipsite de nucleu şi organite celulare şi care au caracteristici biochimice aparte, pe baza cărora au fost despărţite de bacterii în clasificările moderne. (În grupul Archaea se întâlnesc multe extremofile, aşa că le vom regăsi şi printre amatorii de altfel de senzaţii tari, precum temperaturi foarte ridicate.)

Dar există halofile şi printre bacterii (tot unicelulare, tot fără nucleu, dar cu diverse organite celulare împrăştiate prin citoplasmă). De pildă, lacul Owens, un lac sărat din California, adăposteşte populaţii imense de Halobacterium halobium.

Câţiva reprezentanţi se întâlnesc şi în regnul vegetal: există alge halofile, cum sunt cele întâlnite în sărăturile Makgadikgadi, din Botswana; iar printre extremiştii lumii vegetale pot fi incluse şi câteva plante superioare, aşa-zise de sărătură, cum este Nitraria schoberi (gărdurariţă) care creşte la noi, în Rezervaţia Vulcanii Noroioşi.

Organismele halofile s-au adaptat la aceste medii de viaţă dificile dezvoltându-şi, la nivel celular, mecanisme biochimice foarte complexe, care le permit să-şi desfăşoare procesele vitale fără că acestea să fie perturbate de prezenţa distructivă a sării în exces. Mecanisme asemănătoare se întâlnesc şi în rândul extremofilelor amatoare de zahăr, zise osmofile, capabile să supravieţuiască în medii cu concentraţii mari de zaharuri. În general, un conţinut mare de asemenea substanţe nu e prielnic vieţii. Oamenii au descoperit empiric, de multă vreme, că o concentraţie mare de zahăr are efect conservant asupra alimentelor şi acesta e motivul pentru care dulceaţa trebuie să fie (cum spun gospodinele care încă mai fac dulceaţă în casă) „bine legata” (adică fiartă până când, datorită evaporării apei, atinge o concentraţie mare de zahăr) dacă vrem „să ţina”, să nu se strice datorită dezvoltării microorganismelor. Există însă şi organisme amatoare de chestii hiperdulci, mai ales printre drojdii (ciuperci unicelulare), cum e şi vechea noastră prietenă, drojdia de bere (Saccharomyces cerevisiae); există şi câteva specii de bacterii osmofile.

În ape acide – cu ph sub 3 – trăiesc specii acidofile de bacterii şi arhee, în vreme ce alte specii – zise alcalinofile – au evoluat în direcţia opusă, adaptandu-se la traiul în medii cu alcalinitate crescută (ph peste 9), de pildă în ochiuri de apa temporare, formate pe soluri cu conţinut mare de substanţe bazice, aşa cum se întâlnesc în regiunile uscate din multe părţi ale lumii. Mecanismele celulare prin care se realizează adaptarea la aceste condiţii, astfel încât ele să nu ameninţe stabilitatea mediului intracelular şi să permită desfăşurarea optimă a proceselor vitale din celulă, sunt variate şi constituie, în sine, un fascinant obiect de studiu pentru biochimişti.

Radiaţiile nu sunt letale pentru toţi

Deşi multă vreme s-a considerat că rezistenţa la radiaţiile ionizante este o mare raritate în lumea vie, dat fiind potenţialul nociv al acestor radiaţii, de fapt, studiile mai recente au arătat că, surprinzător, multe vieţuitoare suportă aceste radiaţii destul de bine. După accidentul nuclear de la Cernobîl, s-a constatat o rată de supravieţuire neaşteptat de mare la plantele şi animalele din regiune, în ciuda nivelului ridicat de radiaţii.

Totuşi, radiaţiile ionizante rămân duşmani ai organismelor vii, prea puţine forme de viaţă fiind capabile să reziste la niveluri ridicate de radiaţii. Titulul de „cel mai radiorezistent” organism de pe planetă a fost multă vreme deţinut de bacteria Deinococcus radiodurans, de altfel o poliextremofila (rezistă şi la frig, acizi, deshidratare, vid…) drept care este înscrisă în Guinness Book of World Records drept cea mai rezistentă bacterie din lume. A fost descoperită în 1956, cu prilejul unor experimente realizate la Staţiunea pentru Experimente în Agricultură din Corvallis, în statul american Oregon. Oamenii de ştiinţă de la staţiune studiau posibilitatea de a conserva alimente sterilizându-le cu ajutorul radiaţiilor gamma, drept care au iradiat diverse chestii comestibile, închise în cutii etanşe. Toată lumea (bacteriană) a murit, cu excepţia lui Deinococcus radiodurans – cea mai dură bacterie din lume!

Recent, medalia de aur pentru cea mai mare rezistenţă la radiaţii a revenit unui organism din grupul archeelor, Thermococcus gammatolerans (fotografia de mai jos). Graţie unei capacităţi extraordinare de reparare a ADN-ului celular, Thermococcus gammatolerans este capabil să suporte niveluri de radiaţii de-a dreptul năucitoare: 30.000 Gy (unităţi Gray), când 60 Gy ucid toate celulele dintr-o colonie de bacterii Escherichia coli, iar 5 Gy sunt de ajuns pentru a omorî un om!

Provocări multiple

Dacă litoautotrofele sunt întâlnite uneori la 3 km adâncime în scoarţa terestră, ele nu sunt totuşi singurele care trăiesc în condiţii „apăsatoare”, căci şi mediul oceanic are extremele şi extremiştii săi: organismele piezofile (sau barofile), capabile să trăiască la presiuni incredibil de mari. Arhee şi bacterii barofile au fost descoperite la mari adâncimi în ocean, unde presiunile depăşesc adesea 400 atmosfere. Cele mai dure şi aventuroase dintre ele suportă chiar şi presiuni de peste 1000 atm. În mod obişnuit, o astfel de presiune ar face ca membrană celulară – un sistem fluid, menţinut într-o stare stabilă datorită unor mecanisme deosebit de complexe – să devină compactă şi impermeabilă pentru nutrienţi. Şi totuşi, prin evoluţie, aceste organisme barofile şi-au dezvoltat mecanisme de adaptare graţie cărora trăiesc, se hrănesc şi se reproduc, bine-mersi, chiar la presiunile enorme care ar strivi orice altceva.

Unele dintre specii sunt barotolerante – asta înseamnă că pot suporta presiuni foarte mari, dar pot supravieţui şi în condiţii mai blânde de presiune. Cele mai uimitoare sunt însă cele strict barofile, acelea care s-au adaptat atât de bine cumplitelor presiuni ale existenţei lor, încât nici că ar putea suportă ceva mai delicat de atât. Halomonas salaria, de pildă, e un astfel de microorganism barofil, care trăieşte la presiuni de 1000 atm şi temperaturi de 3 grade C.

Dar se poate şi mai şi: încă n-aţi aflat de ce sunt în stare tardigradele…

Unele forme de viaţă izbutesc atât de bine să facă faţă unor condiţii extreme de genuri diferite, încât par în stare să reziste la orice. Bine, chiar la „orice” nu rezistă nimeni, dar anumite vieţuitoare sunt cu adevărat capabile să îndure multe. Lichenii, de pildă (fotografia de mai sus), sunt creaturi extrem de rezistente; experimente recente (anul 2005) desfăşurate de Agenţia Spaţială Europeană, în cadrul misiunii FOTON-M2, au arătat că lichenii rezistă uimitor de bine la radiaţia cosmică, în vid, la fluctuaţii mari de temperatură şi la expuneri îndelungate la radiaţiile ultraviolete solare.

Poate va întrebaţi dacă extremofilia e apanajul formelor de viaţă mai vechi, aşa-zis inferioare (deşi, judecând după incredibilele lor adaptări, nu par deloc inferioare) de vreme ce am vorbit mai mult despre arhee, bacterii, alge şi ciuperci. Răspunsul e NU – extremofile se găsesc şi printre animale, cel mai bun exemplu fiind tardigradele, o încrengătură de animăluţe microscopice în rândul cărora se întâlnesc o grămadă de specii poliextremofile.

Primele tardigrade au fost descoperite în secolul al XVIII-lea şi, până în prezent, au fost descrise sute de specii. Însă abia în ultimele decenii biologii au început să descopere, stupefiaţi, fantasticele capacităţi ale acestor creaturi mărunţele, cu opt picioare şi care poartă, în germană şi engleză, nişte nume populare simpatice, care s-ar traduce prin „ursuleţi de apa”. (Cercetătorii germani care i-au studiat în veacul al XVIII-lea i-au asemănat cu nişte urşi, din pricina felului în care se mişcă.)

Specialiştii afirmă că unele tradigrade pot supravieţui la temperaturi mult sub cea la care apa îngheaţă sau la fierbinţeli de peste 100 grade C; rezultatele unor experimente realizate în anii 1920 vorbesc despre niveluri incredibile, de aproape -200 grade C şi plus 151 grade C!!! Tardigradele pot suporta niveluri de radiaţii de 1000 de ori mai mari decât cel pe care îl pot îndură oamenii, presiuni uriaşe (6000 de atmosfere, după cum a arătat un experiment recent – de 6 ori mai mari decât presiunile din cele mai adânci gropi oceanice!) şi, la polul opus, vidul. Şi, în ciuda faptului că sunt fiinţe acvatice, pot trăi aproape 10 ani fără apă, cu procesele vitale practic suspendate, într-o stare numită criptobioză, un soi de pauză a vieţii, din care îşi revin în câteva ore, dacă au la îndemână o picătură de apă.

Sunt fiinţe uluitoare, încă puţin studiate şi înţelese, deşi sunt larg răspândite, trăind mai peste tot, în perniţe de muşchi, în sol, în stratul de frunze, în apele dulci şi marine, dar şi în „locaţii” aparte, cu condiţii extreme. Incredibila lor putere de adaptare le ajută să trăiască în medii pe cât de dure, pe atât de diverse, făcându-ne să ne întrebăm: oare ce am mai putea inventa că să le testăm rezistenţa? Sub straturi de gheaţă, în izvoare fierbinţi, pe vârfurile himalayene sau în sedimentele de pe fundul oceanelor, chiar şi în spaţiu (trimise de om, într-un experiment realizat în urmă cu trei ani) tardigradele supravieţuiesc, ca pentru a demonstra tuturor ce înseamnă evoluţia şi adaptarea de tip extremofil. Chiar dacă e vorba despre procese naturale şi explicabile în termeni ştiinţifici, tot te face să te gândeşti la miracole.