Astrobiologi och molekyler i rymden Underlag för föreläsningar 9

Atmosfären och livet under jordens ungdom Multicellulära organismer uppkom bara 600-700 miljoner år före nutiden

Prokaryoter under jordens ungdom

Extrema miljöer och habitat är fientliga mot mänskligt liv och därför troddes att vara obeboliga för andra organismer Extrema habitat är mijöer med en begränsad mångfåldighet och frånvaro av några viktiga grupper av organismer (definition av Brock) Toleranslagen av V. Shelford (1913): Observation av organismer limiteras av abiotiska faktorer (temperatur, salinitet etc.). Ett maximum och minimum av dessa värden existera för alla organismer.

Vad definieras som extrem miljö (antropocentrisk) ?

Växt och överlevande Ibland kan organismer hålla ut extrema förhållanden för ett kort tid (utan att växa) Produktion av sporer och cystor: ibland unicellulär tillstånd, produceras av plantor och svampar  ibland vilotillstånd, där cellen har en skyddsskorpa som adapteras för att motstå hettan, torkan och andra ofördelaktiga förhållanden Cyst av Balantidium coli Sporer av mjältbrandbacillen

Bildning av sporer

Levnadscykel av Balantidium coli

Extrema miljöer på jorden Subglaciala sjöar Heta källor Hydrothermal vents Saltsjöar Atacama-öken Djupt hav

Arter av extremofiler Acidofiler - kan handskas med mycket laga pH-värden - har ibland proteiner med en massa syra aminosyror (t. ex. med 2 COOH grupper) “Vinägermoder” Acetobacter aceti

Arter av extremofiler Alkalifiler - kan handskas med mycket höga pH-värden - kan pumpa protoner genom membraner i cytoplasma med hjälp av speciella proteiner - lever i sodasjöar Soda lake, San Bernardino Country

Arter av extremofiler Endoliter - lever i små porer i stenar, till ett djup av 3km - måste hålla ut tryck och värme ! - lösa näringsämnen från omgivningen med hjälp av sekreterad syre - förökning langsamt (1 celldelningng per 100 år) Endolitisk cyanobakterium

Arter av extremofiler Halofiler - kan leva i stora saltkoncentrationer (5 gånger som i Stilla havet) - Problem: vattenförlust genom osmos - Strategier: a)inlagring av stora mängder av joniska förbindelser (kompa- tibla lösta substanser) b)inpumpning av kalium i cytoplasma Döda havet

Halococcus salifodinae, en archaea i salt från Perm Saltsedimenter från Perm (Salzburg)

Haloarchaea - behöver faktiskt en satkoncentration av 2mol/l (förstörs i normalt vatten - kan leva i saturerad saltlösning - Astrobiologisk intresse (vatten på Mars måste nu vara mycket saltrikt) - speciella virus (halovirus) har speciali- serat sig på dem - enzymer oftast kraftigt färgade - ibland finns det samma halofiler i långt separerade områden

Halococcus salifodinae

Arter av extremofiler Hypertermofiler - upptäcktes i heta källor i Yellowstone National Park - idag 50 arter kända - behöver minst 90o C het vatten - vissa kan klara 130o C - flera G-C par i proteinkoderande Sekvenser av DNA’ - membransubstanser ofta värmeresis- tenta tetraeterstrukturer - mer kompakt proteinstruktur “Old Faithful”

- en 3-grupp av baser i RNA kodera en aminosyra i färdiga protein - 1 start (AUG) 3-stop kodoner - 43 = 64 möjligheter, men bara 20 aminosyror - flera möjligheter att kodera en aminosyra, i termofiler föredras coder med C och G

2 H-broar 3 H-broar H-bro

Grand Prismatic Spring (Yellowstone)

Arter av extremofiler Psychrofiler - lever i subglaciära sjöar, i arktisk mark och på snöområden - utveckla proteiner som verka som frostskyddsmedel - ”obligatoriska” psychrofiler dör vid temperaturer som överstiga 20oC, ”fakultativa” kan klara 40oC - kan trivas vis -20oC - orsakar ”vattenmelonsnö” Vattenmelonsnö

Optimala temperaturregioner av mikroväxt

Varför gränser ?

Arter av extremofiler Piezofiler - kan hålla ut mycket höga tryck - har hittats på bottnen av Stilla havet (tryck 1170 bar) - problem: cellmembraner blir vaxiga och ogenomträngliga för näringsämnen (inga problem med proteiner) - leva i mörkret, och mycket UV- känsliga (saknar reparations- mekanism för DNA) - Moritella yayanosii kan inte gror vid tryck mindre än 500 bar Moritella yayanosii

Arter av extremofiler Radioresistanta - kan hålla ut 30 000 Gy av joniserande strålning (en människa maximal 10-20 Gy (1Gy = 1J/kg) - har ofta snabba DNA reparations- mekanismer (reparation av dubbel- sträng, återuppbyggning av kromoso- mer) - äger flera kopior av genomen - ackumulerar mangan som antioxidant (mot H2O2) - Deinococcus radiodurans kan utstå kyla, strålning, torka  polyextremofil “Conan the bacteria” Deinococcus radiodurans

Extremofiler Xerofiler - kan leva i torra områden - Exempel: jäst Astrobiologisk intresse i extremofiler - under jordens ungdom var förhållanden extrema - extremofiler är nyttiga för bedömning av möjligheten av liv på andra planeter

Rekordhållare bland extremofilerna Fysikokemiska toleransnivåer för mikrober ________________________________________________ Faktor Nedre toleransnivå Övre toleransnivå __________________________________________________________ Temperatur - 12 oC > 114 oC (Psychrofila (Svavelreducerande bakterier) bakterier vid 1000 atm; svaveloxiderare i djup- sjö thermal vents pH 0 13 (Thiobacillus thio- (Plectonema nosto- oxidans; Picrophilus) corum)

Fysikokemiska toleransnivåer för mikrober _______________________________________________ Faktor Nedre toleransnivå Övre toleransnivå _________________________________________________________ Salinitet 0 Saturerad lösning (Hyphomicrobium) (>30% NaCl): Dunaliella; obligatoriskt halolifila bakterier och archaea Hydrostatisk 0 1400 atm tryck (Olika mikroorganismer) (baro/piezofila bakterier och archaea) Ioniserande Cosmisk backgrund 0.4 Mrad (endosporer) strålning (various microorg.) 3 Mrad: Deinococcus

Livets träd

Archeae - tre arter: extrema halofiler, extrema termofiler och metanogener - kunde vara de första organismer Acidianus infernus

Extremofiler - Mikroorgamismer trivs i extrema miljöer som ansågs att vara fientliga mot liv. - Extrema omgivningar karaktisereas av fysikaliska parametrar - mångfalden kan vara mindre än i moderata områden - extremofiler kunde utstå med förhållanden i rymden (kyla, strålning, torka) - transfer av liv - Problem för rymdmissioner (kontamination)