alofili, che prosperano in ambienti super salati, e metanogeni, che vivono in luoghi come intestini di animali, sono entrambi organismi unicellulari resistenti chiamati estremofili. Immagine per gentile concessione del Maryland Astrobiology Consortium/NASA/STScI Qual è il tuo ambiente ideale? Soleggiato, 72 gradi Fahrenheit (22 gradi Celsius) e una leggera brezza? Che ne dici di vivere in un'acqua quasi bollente che è così acida che mangia il metallo? O risiedendo in un fangoso, zuppa senza ossigeno molto più salata di qualsiasi oceano? Se sei un estremofilo , potrebbe sembrare perfetto.
Gli estremofili sono organismi che vivono in ambienti "estremi". Il nome, usato per la prima volta nel 1974 in un articolo da uno scienziato di nome R.D. MacElroy, significa letteralmente amorevole [fonte:Townsend]. Queste robuste creature sono notevoli non solo per gli ambienti in cui vivono, ma anche perché molti di loro non potevano sopravvivere in condizioni apparentemente normali, ambienti moderati. Per esempio, il microrganismo Ferroplasma acidiphilum ha bisogno di una grande quantità di ferro per sopravvivere, quantità che ucciderebbero la maggior parte delle altre forme di vita. Come altri estremofili, F. acidiphilum potrebbe ricordare un'epoca antica sulla Terra in cui la maggior parte degli organismi viveva in condizioni dure simili a quelle ora favorite da alcuni estremofili, sia in prese d'acqua profonde, geyser o scorie nucleari.
Gli estremofili non sono solo batteri [fonte:Science Resource Education Center]. Provengono da tutti e tre i rami del sistema di classificazione dei tre domini:Archaea, Eubatteri ed Eucaroyta. (Esploreremo più avanti la tassonomia.) Quindi gli estremofili sono un gruppo eterogeneo, e alcuni sorprendenti candidati:lievito, per esempio -- qualificarsi per l'adesione. Inoltre, non sono sempre indicati rigorosamente come estremofili. Per esempio, un alofilo è così chiamato perché prospera in un ambiente molto salato.
La scoperta degli estremofili, a partire dagli anni Sessanta, ha indotto gli scienziati a rivalutare come è iniziata la vita sulla Terra. Numerosi tipi di batteri sono stati trovati in profondità nel sottosuolo, un'area precedentemente considerata una zona morta (a causa della mancanza di luce solare) ma ora vista come un indizio sulle origini della vita. Infatti, la maggior parte dei batteri del pianeta vive sottoterra [fonte:BBC News].
Questi specializzati, gli estremofili rupestri sono chiamati endoliti (tutti i batteri sotterranei sono endoliti, ma alcuni endoliti sono organismi non batterici). Gli scienziati ipotizzano che gli endoliti possano assorbire i nutrienti che si muovono attraverso le vene della roccia o sopravvivere con materia rocciosa inorganica. Alcuni endoliti potrebbero essere geneticamente simili alle prime forme di vita che si sono sviluppate circa 3,8 miliardi di anni fa. Per confronto, La Terra ha circa 4,5 miliardi di anni, e organismi pluricellulari sviluppati in tempi relativamente recenti rispetto agli organismi unicellulari, vita microbica [fonte:Dreifus].
In questo articolo, vedremo come gli estremofili aiutano nella ricerca delle origini della vita; perché gli estremofili sono utili nella scienza industriale e perché gli estremofili possono portarci alla vita su altri pianeti. Primo, diamo un'occhiata a come vengono classificati gli estremofili.
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Queste raffigurazioni artistiche di organismi unicellulari cadono nel regno di Monera, casa dei procarioti. Harnet/Hanzon/Getty Images ogni anno, i ricercatori scoprono e nominano migliaia di nuove specie. Negli ultimi anni, i microrganismi hanno costituito una parte importante di questa enorme crescita nella scoperta delle specie. Più di 2 milioni di specie sono state identificate in tutto il pianeta, ma alcuni esperti ipotizzano che possano esistere 100 milioni o più [fonte:Thompson].
Ma c'è di più nel trovare nuove specie che nominarle e catalogarle. E per confrontare le creature viventi, niente batte un buon sistema di classificazione. I due metodi più popolari in uso sono i sistemi dei cinque regni e dei tre domini. Creato alla fine degli anni '60, i cinque regni separano la vita in Monera, il regno dei procarioti (cellule prive di nuclei e organelli legati alla membrana) che include batteri, così come quattro regni eucariotici (cellule con nuclei e organelli legati alla membrana):Protista, Fungo, Plantae e Animalia.
Per poco tempo, i cinque regni sembravano servire bene gli scienziati. Ma negli anni '70, uno scienziato di nome Carl Woese decise di classificare gli organismi in base a differenze genetiche piuttosto che a differenze nell'aspetto visivo. Quando Woese iniziò i suoi sforzi di classificazione, notò che c'erano distinzioni tra alcuni tipi di organismi che erano stati precedentemente raggruppati come batteri perché erano tutti procarioti. Woese ha scoperto che i batteri e quest'altro, un gruppo di organismi precedentemente non identificato si era probabilmente separato da un antenato comune miliardi di anni fa. Pensando che questi altri organismi meritassero una loro categoria, divise il regno dei procarioti Monera in archeobatteri (in seguito chiamato archea ) e eubatteri . Il suo terzo dominio era riservato a eukarya . Spiegheremo questi termini in un secondo.
Woese scoprì che molti archaea erano estremofili e considerò questo fatto una prova della loro antica provenienza ("archaea" significa antico). Gli archaea sono un gruppo eterogeneo di organismi con il proprio tipo unico di rRNA, diverso dai batteri. (l'rRNA produce polipeptidi, che aiutano a formare le proteine.) In molti casi, Gli archaea estremofili hanno sviluppato meccanismi relativi alle loro membrane cellulari per proteggerli da ambienti ostili.
Il secondo dominio degli eubatteri, che significa "veri batteri, " sono procarioti che si sono sviluppati più recentemente degli archei. Questi batteri sono i tipi che tendono a farci ammalare.
L'ampio terzo dominio di Woese, eucariota, copre tutto ciò che ha un nucleo e può essere suddiviso in regni come protista, fungo, plantae e animalia. Alcuni eucarioti possono anche fare bene in ambienti estremi.
L'esame di questi metodi di classificazione può creare confusione e dibattito:quale sistema è migliore? -- ma possono anche illuminare alcune delle importanti differenze tra gli estremofili e altri organismi.
Prima di esaminare alcuni degli ambienti preferiti dagli estremofili, ecco un elenco di alcuni nomi aggiuntivi usati per classificare tipi specifici di estremofili:
Nella pagina precedente, abbiamo citato alofili ed endoliti. Ci sono anche metanogeni, alcuni dei quali vivono nell'intestino delle mucche e producono metano come sottoprodotto. Gli estremofili tossicotolleranti si comportano bene in condizioni altamente tossiche, come l'area carica di radiazioni intorno al sito nucleare di Chernobyl.
Qual e il punto?Carl Woese ha definito i sistemi di classificazione "arbitrari", ma ha riconosciuto che aiutano a capire come gli esseri viventi si relazionano tra loro [fonte:The Why Files]
Quel geyser bollente al Parco Nazionale di Yellowstone probabilmente ha degli estremofili in agguato nelle vicinanze. John Wang/Getty Images Un ambiente è definito estremo solo in relazione a ciò che è normale per l'uomo, ma per un estremofilo, i loro ambienti preferiti sono "normali". E oltre la Terra, le condizioni che rendono possibile la vita agli esseri umani sono probabilmente rare. A sua volta, i cosiddetti ambienti estremi e gli estremofili che li popolano possono essere più comuni. Qui sulla Terra, una serie di fattori potrebbe guadagnare un posto l'etichetta "estremo, "compresi i seguenti:
Ricorda anche che questi fattori a volte possono essere estremi in due modi, ad es. molto caldo o molto freddo, altamente acido o altamente alcalino. La maggior parte degli organismi che vediamo o incontriamo sopravvive a temperature che vanno da 41 gradi Fahrenheit (5 gradi Celsius) a 104 gradi Fahrenheit (40 gradi Celsius), ma la vita estrema è stata trovata nei reattori nucleari, guano di pinguino, vulcani, zone praticamente prive di ossigeno, aree incredibilmente salate come il Great Salt Lake dello Utah e nei sistemi digestivi di molti animali, inclusi gli insetti [fonte:Science Education Resource Center]. In un caso, batteri sono stati trovati sepolti nel ghiaccio dell'Alaska. Quando il ghiaccio si è sciolto, i batteri che erano stati dormienti per decine di migliaia di anni hanno ripreso l'attività, come se nulla fosse successo.
Il lago Untersee in Antartide è un ottimo esempio di ambiente estremo. L'acqua è ricca di metano e ha un pH altamente alcalino, paragonabile al detersivo per bucato [fonte:NASA]. Gli scienziati della NASA sono particolarmente interessati al lago perché il suo ambiente distinto - molto metano e temperature fredde - potrebbe essere simile a quello di altri corpi planetari, come la luna di Giove Europa [fonte:NASA].
Gli esseri umani preferiscono un pH compreso tra 6,5 e 7,5, ma gli acidofili prosperano in luoghi con livelli di pH che vanno da 0 a 5. Lo stomaco umano in realtà rientra in questa categoria, e abbiamo alcuni estremofili che vivono nei nostri corpi. Generalmente, gli acidofili sopravvivono in ambienti acidi rafforzando le loro membrane cellulari. Alcuni producono biofilm (colonie di microrganismi che si aggregano, creando viscido, pellicole protettive extracellulari) o acidi grassi che proteggono le loro membrane cellulari. Altri possono regolare il loro pH interno per mantenerlo a un livello più moderato di circa 6,5.
Gli estremofili in ambienti altamente alcalini riescono anche a regolare il pH interno e hanno enzimi in grado di resistere agli effetti dell'alta alcalinità. Uno di questi estremofili è Spirochaeta americana , un batterio che vive nei depositi di fango del Lago Mono in California e la cui scoperta è stata annunciata nel maggio 2003. S. americana ha bisogno di un pH alcalino da 8,0 a 10,5, ed è anaerobico, incapace di vivere in ambienti con ossigeno. Questo estremofilo è una delle 14 spirochete conosciute. Le spirochete amano i depositi di fango sulfureo e non fanno affidamento sull'ossigeno. Per esempio, Spirochaeta thermophila vive vicino a bocche idrotermali di acque profonde.
Il fango di Mono Lake è alcalino con un pH di 10, molto salato e pieno di solfuri. Il lago è diventato così perché è un lago terminale:l'acqua scorre dentro ma non fuori. Quando l'acqua evapora, sostanze chimiche e minerali rimangono, diventando molto concentrato. Altre forme di vita hanno reso casa Mono Lake, tra questi gamberetti in salamoia, alghe e una specie di mosca che può creare da sé bolle d'aria che gli permettono di viaggiare sott'acqua. Il lago è anche ricco di microfossili di minuscoli organismi.
Molti altri ambienti estremi notevoli ospitano anche estremofili. Numerosi geyser in tutto il mondo, compresi alcuni in Siberia, hanno estremofili che vivono nelle loro piscine calde e prese d'aria. Negli Stati Uniti, Il Parco Nazionale di Yellowstone ha migliaia di geyser, sorgenti e altri elementi geotermici, con diversi livelli di temperatura, acidità e zolfo e con molti tipi di estremofili. Rio Tinto, un fiume in Spagna, è piena di metalli pesanti perché la regione ospita da migliaia di anni operazioni minerarie. Allo stesso modo, Montagna di ferro, nel nord della California, ha acqua così carica di metalli pesanti e acidi (sottoprodotti dell'estrazione mineraria) che può mangiare attraverso una pala di metallo in un giorno. Ma anche qui, nel profondo delle miniere sotterranee, i microbi dei domini degli archaea e degli eubatteri riescono a sopravvivere in modo frammentario, utilizzando biofilm sia per la protezione che per l'assorbimento dei nutrienti.
Cos'è il pH?L'acidità è misurata in termini di pH:0 è il più acido, mentre 14 è più basico o alcalino.
D. radiodurans è più resistente di qualsiasi astronauta umano che probabilmente manderemo nello spazio. Questi batteri potrebbero sopravvivere alla vita su un altro pianeta. Michael Daly/DOE/NASA
Negli anni Sessanta, Dottor Thomas Brock, un biologo, stava studiando i batteri nelle sorgenti termali del Parco Nazionale di Yellowstone quando si è imbattuto in qualcosa di senza precedenti. I batteri che vivevano nella zona prosperavano a temperature straordinariamente elevate. Il nuovo nome Thermus aquaticus viveva in acqua che era di quasi 212 gradi Fahrenheit (100 gradi Celsius) - praticamente bollente.
T. aquaticus ha fornito la base per due scoperte rivoluzionarie in biologia. Si è rivelato essere il primo archaea. (Ricordate che gli archaea sono un gruppo eterogeneo di organismi con il loro tipo unico di rRNA, diverso dai batteri.) Ugualmente significativo, questo estremofilo ha prodotto un enzima noto come TAQ polimerasi , che ha trovato un'applicazione industriale nelle PCR (reazioni a catena della polimerasi). La PCR consente agli scienziati di replicare un pezzo di DNA miliardi di volte nell'arco di poche ore, e senza il processo, quasi tutti i lavori che richiedono la replicazione del DNA, dalla scienza forense ai test genetici, non sarebbe possibile.
Altri estremofili si sono dimostrati utili nelle applicazioni di ricerca industriale e medica, anche se probabilmente nessuno tanto quanto T. aquaticus . Gli scienziati hanno esaminato almeno un estremofilo che produce una proteina simile a quella trovata nell'uomo. Questa proteina sembra svolgere un ruolo in varie malattie autoimmuni e condizioni come l'artrite. Gli enzimi degli alcalifili sono usati per fare i detersivi per il bucato e per i piatti. Sono anche usati per rimuovere i peli dalle pelli degli animali. Un altro alcalifilo di Yellowstone viene utilizzato nella produzione di carta e nel trattamento dei rifiuti perché produce una proteina che scompone il perossido di idrogeno.
La NASA sta studiando un estremofilo, Deinococcus radiodurans , che è estremamente resistente alle radiazioni. Questo microbo può resistere a dosi di radiazioni del 500 percento superiori a quelle che sarebbero letali per l'uomo [fonte:Biello]. interessante, la radiazione in realtà rompe il DNA del microbo in pezzi. Ma in molti casi, il DNA può riassemblarsi e funzionare di nuovo normalmente. Lo fa spargendo parti rotte di DNA, usando uno speciale enzima per attaccare il buon DNA ad altri pezzi di DNA ancora sani, e quindi creare pezzi complementari da legare a questi lunghi filamenti di DNA appena formati. Capire come D. radiodurans fa questo potrebbe consentire agli scienziati di riportare in vita le cellule morte. Per la NASA, sfruttare questa resistenza al DNA potrebbe offrire indizi per costruire tute spaziali o veicoli spaziali migliori.
Nella pagina successiva, considereremo come lo studio degli estremofili ha alterato la ricerca della vita oltre la Terra da parte degli scienziati.
Imparare dai migliori
Il E. coli il batterio ha meccanismi per resistere all'acido simili ad alcuni estremofili acidofili.
Finora, i batteri sembrano più abili di noi nei viaggi nello spazio. Qui, uno scienziato sposta parte della crescita del biofilm batterico sulle superfici durante l'esperimento di volo spaziale (GOBSS). Se solo i batteri potessero parlare! Immagine per gentile concessione della NASA panspermia è l'idea che le forme di vita primitive potrebbero viaggiare tra i pianeti e sopravvivere al viaggio. Per alcuni, la panspermia rappresenta una possibile origine della vita sulla Terra, poiché i microbi di altri pianeti potrebbero essere arrivati qui e agire come antenati di tutte le successive specie in via di sviluppo. Il concetto è spesso ridicolizzato come irrealistico e speculativo, ma diversi studi recenti hanno conferito alla panspermia più credibilità.
Uno studio ha scoperto che alcuni tardigradi , microscopici invertebrati a otto zampe, sono riusciti a sopravvivere dopo aver trascorso 10 giorni esposti allo spazio e alla radiazione solare. Tra vari altri sforzi di ricerca, scienziati hanno scoperto che gli organismi classificati come batteri, licheni e animali invertebrati sono sopravvissuti almeno per un po' di tempo trascorso nel vuoto dello spazio. Una certa protezione dalle radiazioni, come essere su una roccia, sembra aiutare gli organismi a sopravvivere al viaggio. Ma ovunque atterrano, questi viaggiatori spaziali hanno bisogno di un ambiente che permetta loro di vivere e crescere.
Quindi con queste idee in mente, è giusto dire che noi umani potremmo essere alieni? Una popolare teoria della panspermia sostiene che la vita terrena abbia avuto origine su Marte, quale, circa 4,5 miliardi di anni fa, era molto più ospitale per la vita del nostro pianeta [fonte:Britt]. Inoltre, il tardo pesante bombardamento, un periodo di numerosi impatti di asteroidi sulla Terra e su Marte, potrebbe aver portato la vita sulla Terra circa 4 miliardi di anni fa. Ma se questo è vero – e molti scienziati non pensano che lo sia – quasi certamente la vita non è venuta da altri sistemi solari o stelle. Le distanze sono ancora considerate troppo grandi perché la vita sia sopravvissuta.
Invece di una teoria piuttosto inverosimile come la panspermia, le risposte alle nostre origini possono venire attraverso astrobiologia , lo studio della vita in tutto l'universo. L'astrobiologia si basa molto sullo studio degli estremofili a causa della convinzione che le forme di vita oltre la Terra possano risiedere in ambienti estremi. Ma l'astrobiologia non è solo una ricerca della vita in altre parti dell'universo. Esamina anche le domande di base sulle origini della vita, ambienti favorevoli alla vita, come si sviluppa la vita e i limiti di ciò che la vita può tollerare.
Al centro dell'astrobiologia è la ricerca dell'antenato originale di tutti gli esseri viventi sulla Terra, variamente indicato come l'ultimo antenato comune universale (LUCA), l'ultimo antenato comune (LCA) o il Cenancestor. Gli scienziati ritengono che LUCA fosse un estremofilo che visse più di 3 miliardi di anni fa in un duro, ambiente anaerobico. Comunque, gli scienziati stanno anche discutendo su ciò che è successo prima, tornare indietro nel tempo da organismi basati sul DNA (come umani e LUCA), a quelli a base di RNA, infine al Primo Organismo Vivente (FLO).
Ma questa ricerca ci indirizza verso domande ancora più basilari:vale a dire, cos'è la vita? (Relativo a questa idea, considera:siamo a 10 anni di distanza dalla vita artificiale? e stiamo cercando alieni nei posti sbagliati?) La vita è solo un fascio di amminoacidi? Allo stesso modo, quando, Esattamente, la Terra è passata da un mondo chimico a uno biologico? La vita è qualcosa che può replicarsi? Qualcosa che può evolvere? Nel sondare queste domande su da dove veniamo, estremofili, quegli strani sopravvissuti del nostro passato, farà sicuramente parte dell'eccitante futuro della biologia.
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