Niezniszczalne bakterie – Zniszczalny człowiek. Aby gatunek homo sapiens przetrwał

Ostatnia aktualizacja 28 lipca 2022

Niezniszczalny, nie do zdarcia,hartowny, krzepki, mocarny, mocny, nie do zdarcia, nierozerwalny, odporny, pewny, potężny, przepotężny, silny, solidny, spiżowy, stalowy, tęgi, trwały, wytrzymały, żelazny, nieczuły, niepodatny, niewrażliwy, oporny, twardy, zahartowany, nierozdzielny, organiczny, stabilny, sztywny, opancerzony, pancerny, bezmierny, niekończący się, niepomierny, nieprzemijający, nieskończony, nieśmiertelny, niezmierzony, ponadczasowy, wieczny, wieczysty, wiekuisty, nieodparty, nieugięty, niewzruszony, niezachwiany, niezłomny, masywny, niespożyty, odwieczny, porządny, trudny do zniszczenia, dobrej jakości, stały, niewyczerpany…itd.

Czy to jakiś materiał z rakiety kosmicznej? Nie, te przymiotniki charakteryzują organizm żywy, bakterie, na którą nie było i nie ma mocnych. Żadna szczepionka, antybiotyk i inne modyfikowane przez człowieka specyfiki nie dadzą jej rady. Jaka to bakteria? Odpowiedz znajdziesz pod koniec artykułu.

Amerykański prezydent podpisał wczoraj (21.03.2017) budżet NASA na rok finansowy 2017 rozpoczęty w październiku, w wysokości 19,5 miliarda dolarów. Nowy budżet ustanawia eksplorację Marsa przez ludzi jako jeden z celów agencji.

Dlaczego człowiek tak się spieszy z podbojem kosmosu? Czytamy w gazetach, że brytyjski miliarder ma już ponad 800 chętnych na wycieczki kosmiczne, gdzie na razie loty takie są w fazie testów, ale ludzie są w stanie zapłacić ćwierć miliona dolarów, aby znależć się choć na chwilę na orbicie okołoziemskiej. Inną modą, która obecnie zapanowała wśród miliarderów, szczególnie w USA jest obok lokowania pieniędzy w spółki giełdowe, nie – kupowanie kolejnego pałacu czy wyspy na Karaibach lub podbój ekonomiczny i mentalny państw, ale budowanie za bardzo duże pieniądze schronów atomowych pod ziemią. Czy “oni” chcą jak ta wspominana bakteria przetrwać apokalipsę, która może zdarzyć się w bliższej lub dalszej przyszłości na Ziemi, czy to tę, którą zgotuje nam matka natura lub tę którą zgotuje człowiek wybuchem atomowym lub epidemią na niespotykaną do tej pory skalę?

Gdzie szukać życia we Wszechświecie?

Badaniami nad istnieniem życia we Wszechświecie zajmuje się astrobiologia lub bioastronomia. Jest to dziedzina interdyscyplinarna, angażuje m.in astronomię, astrofizykę, biologię czy chemię. Zajmuje się powstaniem, ewolucją, rozpowszechnieniem i przyszłością życia poza Ziemią. Badania można podzielić na kilka aspektów. Można skupić się na poszukiwaniu życia na innych planetach oraz zastanowić się, czy życie mogłoby powstać w innych rejonach Wszechświata. Oczywiście bierzemy tu pod uwagę życie, które znamy z Ziemi. Życie oparte na chemii węgla i wody w warunkach, które panują na naszej planecie.

Życie – czym ono jest?

Na samym początku trzeba się zastanowić, czego właściwie poszukujemy, czyli odpowiedzieć na pytanie: czym jest życie?

Definicja życia to temat dyskusji trwającej wieki. Niektóre organizmy zostały bez problemu zaliczone do świata ożywionego – należą do nich proste formy jednokomórkowe, jak bakterie, oraz dużo bardziej złożone, np. grzyby, rośliny czy zwierzęta. Przyjmuje się, że podstawową jednostką budującą organizm żywy jest komórka. Ponadto istoty żywe charakteryzują się zdolnością do przeprowadzania procesów metabolicznych (przemiany materii), dzięki którym możliwe są jego wszelkie funkcje, m.in. reakcja na bodźce, ruch, podział komórki, wzrost, zmienność czy dziedziczność. Procesy życiowe są tym bardziej skomplikowane, im bardziej złożony jest dany organizm.

Istnieje kilka definicji życia, ale żadna z nich nie jest kompletna. Przykładem może być definicja redukcjonistyczna, która określa życie jako zbiór elementów zdolnych do ewolucji. Tak ogólny opis został zawężony przez niektórych badaczy: życie to dynamiczne, samoorganizujące się struktury zdolne do samopowielania się i ewolucji. Inną definicją życia jest definicja termodynamiczna. Według niej życie to struktura, która potrafi miejscowo odwracać wzrost entropii, samoorganizujący się system nierównowagowy, którym rządzi program – informacja genetyczna – zdolny do reprodukcji. Natomiast biochemicy i biolodzy molekularni postrzegają życie w nieco innym aspekcie. Według nich organizm to system przechowujący i przekazujący informację genetyczną, który przeprowadza szereg reakcji metabolicznych z pomocą białek – enzymów. Przekazywanie informacji, podczas której zachodzą przypadkowe mutacje, jest motorem napędowym ewolucji, dzięki której powstało znane nam obecnie życie.

Życie – gdzie go szukać?

Drugim ważnym aspektem w badaniach nad występowaniem życia we Wszechświecie jest określenie odpowiednich warunków dla istnienia życia. Organizmy na Ziemi wykształciły wiele różnych mechanizmów, które pozwoliły im przystosować się do bardzo skrajnych i nieprzyjaznych środowisk. Ewoluowały nie tylko organizmy wyższe, ale i mikroorganizmy, które można spotkać niemal w każdym zakątku świata. Zbadanie ich odporności na trudne warunki może dać wskazówki, w jakich miejscach w Kosmosie można spodziewać się istnienia form życia podobnego do znanego nam na Ziemi. Do tego celu wykorzystuje się tzw. organizmy ekstremofilne, czyli odporne na trudne i ciężkie warunki, przystosowane do życia w skrajnych środowiskach. Są to na przykład warunki bardzo wysokich i niskich temperatur, ciśnień czy pH. Przegląd cech takich drobnoustrojów pozwoli ocenić, czy mogłyby przeżyć na innych planetach. Tabela poniżej przedstawia przykładowe gatunki mikroorganizmów ziemskich wraz z parametrami środowiska, w których wykazują optymalny wzrost lub potrafią przeżyć.

Trzeba zaznaczyć, że bardzo często organizmy są narażone na więcej niż jeden szkodliwy czynnik środowiska, np. organizmy żyjące w głębinach oceanów zalicza się zarówno do barofilnych (odpornych na wysokie ciśnienia) jak i psychrofilnych (odpornych na niskie temperatury).

Warto również pamiętać, że warunki środowiska na Ziemi nie zawsze były takie, jak znamy je dzisiaj. Niektóre organizmy powstały na początku istnienia naszej planety (cyjanobakterie, zwane sinicami) i ewoluowały wraz ze środowiskiem, w którym żyły. Wywierały wpływ na kształtowanie się Ziemi i równocześnie dostosowywały się do zmian, które wprowadzały. Obecnie nie umiemy sobie nawet dobrze wyobrazić tak nieprzyjaznego świata, w którym brakowało tlenu i ochronnej warstwy ozonu. Nasze doświadczenie z obecnymi formami życia pozostaje wskazówką dla poszukiwań, ale nie można ograniczać obszaru zainteresowań do warunków, które znamy obecnie.

Materia do wybudowania życia

Kolejnym krokiem po określeniu warunków odpowiednich dla życia na Ziemi jest odnalezienie w przestrzeni materii, która nasze życie buduje. Głównymi cegiełkami odpowiedzialnymi za funkcjonowanie organizmów żywych i potrzebnymi do stworzenia życia od podstaw są związki organiczne i woda. Badania pokazują, że zarówno materia organiczna jak i woda to związki dość powszechnie obecne we Wszechświecie. Cząstki mogą być rejestrowane na podstawie ich przejść elektronowych, wibracyjnych lub rotacyjnych. Przejścia elektronowe leżą w zakresie fal ultrafioletowych i widzialnych, wibracyjne w zakresie podczerwonym, natomiast rotacyjne w zakresie mikrofal i fal milimetrowych. Rozpoznanie linii pochodzących z widma można oprzeć o porównanie ich z widmami znanych cząstek występujących na Ziemi, zmierzonych w laboratorium.

Rozpoznanie cząsteczek organicznych opiera się na postępie astronomii w rejestrowaniu promieniowania podczerwonego oraz w zakresie fal milimetrowych i submilimetrowych. Absorbcja promieniowania takich cząsteczek jak H₂O, O₂, CO₂, N₂O, CH₄, O₃ i innych uniemożliwia dotarcie do powierzchni Ziemi promieniowania podczerwonego pochodzącego z Kosmosu. Istnieje kilka atmosferycznych okien, które przepuszczają takie promieniowanie i umożliwiają obserwacje z powierzchni planety. Obserwacje w zakresie fal submilimetrowych mogą być prowadzone na terenach suchych i wysokich. Większość spektrum z zakresu 25 – 600 μm rejestruje się w powietrzu np. z pomocą balonów czy platform umieszczonych w przestrzeni. Teleskopy naziemne rejestrujące promieniowanie w zakresie podczerwonym są zlokalizowane na terenach wysokich i suchych, umożliwiają obserwacje w oknach atmosferycznych dla wartości promieniowania około 1-3, 10 i 20 μm. W tym zakresie można zaobserwować rozciągające wiązanie aromatyczne C-H (3,3 μm) czy rozciągające alifatyczne C-H (3,4 μm). Zdalnie sterowane teleskopy znajdujące się w przestrzeni kosmicznej umożliwiają rejestrowanie promieniowania w całym zakresie podczerwieni i fal milimetrowych, co jest niemożliwe dla teleskopów umieszczonych na Ziemi.

Prekursory ziemskich biocząsteczek

W przybliżeniu znamy już warunki sprzyjające istnieniu życia na Ziemi oraz wiemy, że potrzebna materia występuje powszechnie we Wszechświecie. Czas zajrzeć do laboratorium i sprawdzić, czy z materii kosmicznej uda się stworzyc odpowiednie cząsteczki, które są podstawą dla funkcjonowania życia ziemskiego.

Skupimy swoją uwagę na dwóch rodzajach cząsteczek: aminokwasach i kwasach nukleinowych. Z aminokwasów składają się białka, które pełnią wiele ważnych funkcji w organizmach żywych i są podstawowymi „cegiełkami” dla budowy organizmów. Najprostszym aminokwasem jest glicyna.

Zasugerowano, że znaleziona w przestrzeni międzygwiazdowej metyloimina (HN=CH₂) może być prekursorem dla glicyny. Zawiera w sobie wiązanie N-C, a pozostała część szkieletu aminokwasowego może zostać dobudowana z innych cząstek organicznych znalezionych w pyle międzygwiezdnym. Ważną cząsteczką jest cyjanowodór (HCN), który występuje obficie w przestrzeni kosmicznej. W wyniku reakcji tych dwóch związków może powstać aminoacetonitryl (H₂NCH₂-CN).

Chociaż powyższy związek zawiera niezbędny szkielet aminokwasowy, potrzebne są dalsze chemiczne przekształcenia – dwustopniowa hydroliza grupy nitrylowej, pierwsza do amidu aminokwasowego i w końcu do aminokwasu. Woda jest wszechobecna i wydaje się naturalne, że reaguje z nitrylami.

Drugą ważną dla życia grupą związków są kwasy nukleinowe, DNA oraz RNA. Odpowiedzialne są głównie za przenoszenie informacji genetycznej i za ewolucję. Jedną z zasad azotowych jest adenina, która może powstać w wyniku reakcji wspomnianego wyżej cyjanowodoru (HCN) z wodą. W wyniku reakcji powstaje formamid, kolejna reakcja z wodą prowadzi do powstania mrówczanu amonu.

Drugą ważną cząsteczką w procesie tworzenia adeniny – jednej z czterech zasad azotowych – jest diaminomaleonitryl (DAMN), który powstaje jako tetramer HCN.

Małe ilości adeniny powstają w wyniku ogrzewania roztworu zawierającego formamid. Z dobrą wydajnością przebiega reakcja tworzenia adeniny z cząsteczki DAMN ogrzewanej w ciekłym mrówczanie amonu.

Życie, które znamy na Ziemi, opiera się na chemii węgla. Materia potrzebna do powstania podobnych struktur jest powszechna w przestrzeni. Cząsteczki organiczne tworzą się w Kosmosie, więc przy odpowiednich warunkach mogłaby powtórzyć się sytuacja z Ziemi i powstałoby życie podobne do naszego. W takim wypadku warunki panujące na innej planecie powinny być zbliżone do ziemskich, planeta powinna charakteryzować się odpowiednimi własnościami fizycznymi i astronomicznymi – mieć odpowiednią wielkość, temperaturę czy zachować odpowiednią odległość od gwiazdy. Oczywiście cechy planety nie musiałyby idealnie pokrywać się z ziemskimi. Wystarczyłoby, aby podstawowe cząstki budujące żywe organizmy (kwasy nukleinowe, białka czy cukry) nie ulegały rozpadowi i mogłyby stworzyć życie, a potem je utrzymać. W nieco odmiennych warunkach życie ewoluowałoby w inny sposób. Gatunki ekstremofilne pokazują granice umożliwiające rozwój życia podobnego do ziemskiego, oparte na związkach, które znamy na Ziemi. Należy również zaznaczyć, że pierwotne sinice znosiły dużo cięższe warunki. Rozwijały się na początku tworzenia się naszej planety i same wywierały wpływ na kształtowanie się środowiska. Obecnie nie umiemy sobie nawet dobrze wyobrazić tak nieprzyjaznego świata, w którym brakowało tlenu i ochronnej warstwy ozonu. Nasze doświadczenie z obecnymi formami życia pozostaje wskazówką dla poszukiwań, ale nie można ograniczać obszaru zainteresowań do warunków, które znamy obecnie.

Deinococcus radiodurans – gatunek ekstremofilnej bakterii, który jest najbardziej odpornym na promieniowanie jonizujące organizmem znanym nauce.Organizm ten na pewno przetrwa wybuch atomowy w wyniku, którego Świat ulegnie zagładzie i życie na nim również. Deinococcus radiodurans potrafi znieść ekstremalne warunki, które zabiłyby większość form życia. Organizmy tego gatunku przeżywają działanie wysokich temperatur i ekspozycję na trucizny. Swoją odporność Deinococcus radiodurans zawdzięcza niezwykle wydajnym mechanizmom naprawy DNA.

Została odkryta przypadkiem w roku 1956 przez A.W. Andersona pracującego wtedy w Rolniczej Stacji Eksperymentalnej Oregonu w mieście Corvallis. Naukowcy postanowili sprawdzić, czy promieniowanie gamma będzie skuteczne jako środek do sterylizacji konserw. Zapuszkowaną żywność wystawiono na działanie bomb kobaltowych. Zgodnie z powszechną wtedy wiedzą użyte dawki promieniowania jonizującego powinny zabić każdy żywy organizm. Ku zaskoczeniu badaczy część konserw się zepsuła. Teorię samoistnego powstawania życia odrzucono za czasów Pasteura, tak więc naukowcy doszli do wniosku, że jakaś forma życia przetrwała działanie promieni gamma. Dalsze badania pozwoliły na wyizolowanie bakterii, którą nazwano Deinobacter radiodurans. Późniejsze badania RNA jej rybosomów ujawniły, że mikrob jest bardziej zbliżony do przedstawicieli rodzaju Deinococcus, a więc nazwę zmieniono na Deinococcus radiodurans. Równocześnie odkryte bakterie z rodzaju Thermus okazały się podobne do mikroba odporne.

Podczas kiedy dawka śmiertelna promieniowania wynosi dla człowieka 10 Gy, a dla Escherichia coli 60 Gy, Deinococcus radiodurans jest w stanie wytrzymać dawkę 5000 Gy. Dopiero bardzo silne napromieniowanie jednorazową dawką 15 000 Gy może zaszkodzić bakterii. Nawet po napromieniowaniu aż 37% bakterii zachowuje zdolność do rozmnażania

Naukowcy poddali Deinococcus radiodurans wielu badaniom, aby przekonać się jakie warunki mogą znieść te bakterie. Bakterie okazały się przeżywać zarówno w warunkach laboratoryjnej próżni, jak i wysokich temperatur, czy zamrożenia w ciekłych gazach, a nawet po ekspozycji na stężone kwas

Nie mniej interesujące okazały się badania dotyczące biochemicznych „sztuczek”, jakimi posługuje się bakteria, aby przetrwać najgorsze próby. Komórki Deinococcus radiodurans zawierają wiele kopii DNA. Enzymy zawarte w cytoplazmie mikroba są niezwykle wydajne i zdolne do błyskawicznej naprawy delikatnych struktur uszkodzonego kwasu deoksyrybonukleinowego. Dzięki takiej swoistej “straży” informacja genetyczna jest bezpieczna, co pozwala bakterii na rozmnażanie się w ciężkich warunkach. Michael Daly z Uniformed Services University of the Health Sciences zasugerował w swojej pracy, że Deinococcus radiodurans wykorzystuje mangan do ochrony przed uszkodzeniami powodowanymi przez promieniowanie jonizujące. Niektórzy badacze uważają, że pewne geny odpornej bakterii można dodać do genomu organizmów wyższych, aby zatrzymać proces starzenia się powodowany przez kumulowanie uszkodzeń DNA.

Mechanizmy naprawy DNA są jednak bardzo kosztowne dla bakterii, która zamiast namnażać się, poświęca większość czasu na swoiste zbrojenia chroniące ją przed czynnikami bakteriobójczymi. W takiej sytuacji daną niszę zajmą bakterie, które potrafią się szybciej namnażać, spychając Deinococcus radiodurans do środowisk zabójczych dla innych organizmów.

Przeciętnie każda istota żywa na Ziemi otrzymuje rocznie dawkę 2,4 mGy. Jej źródłem są radioizotopy zawarte w gruncie oraz promieniowanie kosmiczne. W Brazylii, niedaleko miejscowości Guarapari, gdzie znajdują się złoża promieniotwórczych skał, po roku człowiek otrzymuje dawkę 175 mGy. Można powiedzieć, że mechanizmy ochronne Deinococcus radiodurans są milion razy większe niż potrzeby wynikające z naturalnej promieniotwórczości.

Aby wyjaśnić tę zagadkę Valerie Mattimore i John R. Battista z Uniwersytetu Stanowego Luizjany zaproponowali teorię, według której mechanizmy obronne Deinococcus radiodurans wykształciły się jako odpowiedź na stan długotrwałego odwodnienia, szczególnie związanego z działaniem związków higroskopijnych. Aby udowodnić swoją hipotezę badacze poddali bakterie działaniu czynników mutagennych. Otrzymali szczep, który był nieodporny na brak wody. Okazało się, że stracił on również odporność na promieniowanie jonizujące, podczas kiedy wyjściowe bakterie radziły sobie z oboma czynnikami.

_____________________________

Użyty skrót  (Gy) Grej – jednostka dawki pochłoniętej w układzie SI (Jednostka pochodna układu SI). Jest to ilość energii promieniowania (w dżulach) pochłoniętej przez kilogram materii.

1 Gy = 1 m²·s⁻² lub 1 Gy = 1 J/kg

Jednorazowe napromieniowanie całego ciała człowieka dawką co najmniej 5 Gy zazwyczaj prowadzi do śmierci w ciągu 14 dni. Dawka ta odpowiada 375 J na 75 kg masy ciała. Zdarzały się wypadki znacznie większego napromieniowania, które jednak nie kończyły się śmiercią, np. wypadek Anatolija Bugorskiego. Najbardziej odporna na promieniowanie jonizujące bakteria, Deinococcus radiodurans znosi bez uszkodzenia dawkę 5000 Gy.

1 Gy to bardzo duża wartość, dlatego w medycynie zazwyczaj używa się miligrejów (mGy). Typowa dawka pochłonięta przy:

• prześwietleniu: 0,1–2,5 mGy,
• tomografii jamy brzusznej: 8 mGy,
• tomografii miednicy: 25 mGy,
• napromieniowanie przedtransplantacyjne szpiku kostnego (FTBI): 12 Gy (dawka łączna z kompletu naświetlań, nie jednorazowa)
• radioterapia: 2–80 Gy (w dawkach jednorazowych po 1,5–2,5 Gy)

gatunek ekstremofilnej bakterii, Ekstremofil – organizm tolerujący lub wymagający do życia skrajnych zakresów zmienności czynników środowiskowych. W większości przypadków ekstremofile to organizmy jednokomórkowe należące do domeny Archaea, ale są wśród nich także przedstawiciele innych grup. Znane są także organizmy wielokomórkowe żyjące w skrajnych warunkach środowiskowych. Przykładowo, owady z rodziny Grylloblattidae (rząd Grylloblattodea) należą do psychrofili (organizmów żyjących w skrajnie niskich temperaturach). Określenia te bywają też używane względnie, np. roślina uznana za kserofita w strefie umiarkowanej byłaby higrofitem w strefie pustyń.Odkryta w czerwcu 2008 roku bakteria z gatunku Chryseobacterium greenlandensis przeżyła 120 tysięcy lat na głębokości 3 tysięcy metrów w lodzie na Grenlandii.

żródło: www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11238985, wikipedia.org, www.science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/1999/ast14dec99_1