Orienteringskurs Astrobiologi Del 7

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. Extremofiler studeras intensivt sedan 70-talet (rymdmisioner)

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 Problem: sterili- seringsmetoder kunde vara otillräckliga för vissa extremofiler 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 - måste hålla neutral cytoplasma - har ibland proteiner med en massa syra aminosyror (t. ex. med 2 COOH grupper) “Vinägermoder” Acetobacter aceti

Strategier av acidofiler Inlagring av K+ (ersätter H+ och omvänder potential) Speciellt H+- ogenom- trängliga membraner DNA-reparaturmekanismer Utpumpning av H+ Inlagring av protonfångare Kemisk nedbrytning av syremolekyler Flera transportenheter för viktiga substanser - Acidofiler har ofta inverterat (positivt innanför cellen) potential

Acidotoleranta - Bakterier som kolonisera den mänskliga tarmen måste först passerar magen (pH värde 1-3) - vissa acidofiler har förmåga att extrahera metaller från malm - avlopp av gruvor och metallverk har ofta låg pH värde. Acidofiler kan användas för att samla giftiga metaller Kolerabazillus Gruvavlopp i Ungern

Acidotoleranta - Bakterier kan ibland oxidera sulfid till sulfat - i stark syrliga miljöer leder det till bildning av svavelsyra - kan lösa tungmetallmineralier och spridda tungmetaller i vatten

Alkalifiler Alkalifiler - lever i sodasjöar, kan tolerera mycket höga pH-värden - kan pumpa protoner genom membraner i cytoplasma med hjälp av speciella proteiner - vissa producera viktiga enzymer för tvättmedelindustrin s. k. extremozymer funkar under extrema förhållanden används for “stone- washed jeans” - Clostridium paradoxum ett exempel Soda lake, San Bernardino Country

Strategier av alkalifiler - inpumpning av natrium, sedan utbyte av Na+ och H+ Problem: ATP-syntes funkar med inslussning av H+ - inpumpning av protoner - cellmebraner som är negativt laddade (stötar iväg OH-- joner) - basiska aminosyror i proteiner

Övre stinksjön (Oberer Stinkersee) Burgenland, Österrike

Endoliter 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 eller lever på lösta näringsämnen - förökning långsamt (1 celldelningng per 100 år) Endolitisk cyanobakterium

Arter av endoliter - Kasmoendoliter i klyfter av sten (kasm = klyfta) - Kryptoendoliter i hål i porösa bergarter - Euendoliter penetrerar aktiv i sten Mikrober på stenyter kallas nu ofta för epiliter - finns bland olika mikrober: bakterier, arkéer - ibland flera kilometer under jordytan - vattencirkulation kunde vara viktig för vissa endoliter

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 c) inlagring av sockrer (energiintensiv) Döda havet

Na+ ut K+ in !

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

Haloarkéer - behöver faktiskt en saltkoncentration av 2mol/l (förstörs i normalt vatten - kan leva i saturerad saltlösning - Astrobiologiskt intresse (vatten på Mars måste ju 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

Halofyter - högre plantar som lever i saltiga områden - obligatoriska, fakultativa och indifferenta halofyter finns Olika strategier: - blockad av natriumjoner i roten, sällan i övre delar av plantan - utsondring av salt genom saltkörtlar eller salthår som kastas - avkastning av hela plantdelar - retranslokation (Transport av salt tillbaka till roten) - sukkulens (sparning av saltvatten i cellvakuoler) Glasört Strandaster

Termofiler 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)

Användning av termofiler - snabb förökning av DNA - i forensisk och medicinisk användning - små prov (blod) räcker - enzymet ökar aktivitet med temperaturen - från Thermus aquaticus

Psychrofiler - lever i subglaciära sjöar, i arktisk mark och på snöområden, och i djup hav 50 % av jordens vatten har 1-4 oC - utveckla proteiner som verka som frostskyddsmedel - ”obligatoriska” psychrofiler dör vid temperaturer som överstiga 20oC, ”fakultativa” kan klara 40oC - kan trivas vis -20oC - orsakar ”vattenmelonsnö” - industriell användning för frysmat och tvättmedel för kallt vatten Vattenmelonsnö

Optimala temperaturregioner av mikroväxt

Varför gränser ?

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) - lever 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 absorberad dos) - 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 Kosmisk bakgrund 0.4 Mrad (endosporer) strålning (olika mikrober) 3 Mrad: Deinococcus

Livets träd

Arkeér - 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)