اهمیت اکستریموفیل ها در اخترزیست
. نويسنده: nssri
اهمیت اکستریموفیل ها در اخترزیست
نیلوفر ترکزاده( دانشجو کارشماسی ارشد بیوشیمی; دانشگاه ازاد واحد فلاورجان اصفهان )
ntorkzade@yahoo.com
نیلوفر ترکزاده( دانشجو کارشماسی ارشد بیوشیمی; دانشگاه ازاد واحد فلاورجان اصفهان )
ntorkzade@yahoo.com
چکیده
آیا می دانید میکروب ها همه جا هستند در هر گوشه و کناری از زمین که زیستگاه یا زیست محیط محسوب می شود، می توان پیدایشان کرد. زمین تنها زیستگاه شناخته شده ی حیات است و به نظر می رسد بقیه ی منظومه ی شمسی محیط هایی بر ضد حیات و غیر قابل سکونت هستند. دانشمندان در سال های اخیر تنوع گسترده ای از حیات را در سه قلمرو مختلف حیات ( یوکاریوت، پروکاریوت و آرکی ) و در محیط های سخت کشف کرده اند. اولین موجودات زنده که پروکاریوت ها بودند از مجموعه های مولکولی همکار محصور در غشا مشتق شدند. اولین پروکاریوت متابولیسمی بسیار ساده داشته و فقط به تعداد کمی آنزیم نیاز داشته است. پروکاریوت ها شامل دو سلسله ی یوباکتری ها ( باکتری ) و آرکی باکتری ها می شوند. یوباکترها ارگانیسم های تک سلولی هستند و شامل سیانوباکتر یا جلبک سبز _ آبی می باشند که از یک سلول یا گروهی از سلول ها تشکیل شده اند آرکی باکتری ها علاوه برداشتن توالی DNAای که آنها را از یوباکترها جدا می کند حاوی غشاهای سلولی با ساختار شیمیایی متفاوت از یوباکترها و یوکاریوت ها می باشد. یک گروه از آرکی باکتری ها هالوفیل های افراطی ( نمک دوست ) نام دارند که در مکان های خیلی شور به خوبی رشد می کننند. گروه دیگری از آرکی باکتری ها هیپرترموفیل ( حرارت دوست ) هستند که در آب خیلی داغ به خوبی رشد می کنند و گروه سوم آرکی باکتری ها متانوژن ها هستند که در محیط های بی هوازی زندگی می کنند. یکی از راه های عملی و مقرون به صرفه برای به دست آوردن اطلاعات درباره ی اثر شرایط فضایی روی ارگانیسم ها، آزمایش های شبیه سازی شده ی زمینی است. کویک و همکارانش مقاومت Halobacterium halobium را در جو شبیه سازی شده ی مریخ سنجیده اند آنها از این آزمایش نتیجه گرفتند که این ارگانیسم قادر به حفظ بقای خود در شرایط حفاظت نشده نیست. توضیح احتمالی انها برای نتیجه این بود که این گروه میکروارگانیسم را در معرض میزانی از پرتوهای فرابنفش و پروتونی قرار داده اند که معادل 200سال روی مریخ است. اولین آرکی نمک دوست که در فضا قرار گرفت Halorubrum chaoviator از سویهHalo_G در ماموریت بایوپن در سال1994 بود. بایوپن، یک کپسول قابل بازیافت کوچک از محصولات سازمان فضایی اروپا بود که با آن نمونه های شیمیایی یا زیستی را در مدار های پایین زمین قرار دادند. مطالعه ی اولین تحقیق نشان می داد چه طور Hrr. chaviatorکه با مواد اشاره شده ( در متن نوشته شده )، محافظت شده بود، در شرایط فضایی جان سالم به در برد.
تصویری از یک اکستریموفیل
مقدمه
زمین تنها زیستگاه شناخته شده ی حیات است و به نظر می رسد بقیه ی منظومه ی شمسی محیط هایی بر ضد حیات و غیر قابل سکونت هستند. در ضمن تا مدت ها تصور بر این بود که محیط های دشوار زمین، مرزهای مرگ به حساب می آمد و هیچ نوعی از حیات در آن ها وجود ندارد. در حالی که دانشمندان در سال های اخیر تنوع گسترده ای از حیات را در هر سه قلمرو مختلف حیات ( یوکاریوت، پروکاریوت و آرکی ) و در محیط های سخت کشف کرده اند. جانداران تازه به طور پیوسته کشف می شوند و دانش ما درباره ی این اکستریموفیل ها و محیط های مربوط به آن ها پیوسته افزایش می یابد جستجوهای ما برای شرایط و محیط های اکستریم تازه، دیگر به سیاره ی خودمان ختم نمی شود. توانایی میکروب ها برای بقا در سفرهای فضایی به عنوان شماری از ارگانیسم های زمینی که می توانند در محیط های شبیه سازی شده ی مریخ، زمانی که از پرتوهای فرابنفش خورشید در امان باشند دوام بیاورند. اهمیت ویژه ای در ماموریت های سطح مریخ دارد. پیروآن، این مطالعات اهمیت زیادی در مطالعه ی حیات گذشته و آینده دارد. از طرف دیگر توانایی بقای میکروب ها، مورد توجه تئوری بحث برانگیز لیتوپانسپرمیا قرار گرفته است. اکستریموفیل ها در هر سه قلمرو حیات یعنی آرکی ها، باکتری ها و یوکاریوت ها پیدا می شوند. در قلمرو یوکاریوتی، قارچ های خشکی دوست، جلبک های تک سلولی نمک دوست، اسید دوست، قلیا دوست، گرما دوست و سرما دوست مثال های شاخص یوکاریوت های اکستریموفیل هستند. بیشتر اکستریموفیل ها پروکاریوتند. قلیا دوست ها به همراه اسید دوست ها و گرما دوست ها در عالم باکتریایی گسترش زیادی دارند. قلمرو آرکی ها بیشترین گوناگونی اکستریموفایل ها را به ویژه در گروه هایپراکستریموفیل ها دارد. ابرگرمادوست ها فقط به آرکیا و باکتریا تعلق دارند. اکستریموفیل ها شامل ارگانیسم های پرسلولی نیز می شوند مانند تاردیگراد و سرمادوست ها شامل مهره داران هم هستند. (۶_۵)
نخستین سلول ها, برای کسب کربن و انرژی احتمالا از مواد شیمیایی استفاده می کردند.
می خواهیم دربارۀ منشا حیات صحبت کنیم. می دانیم که اولین موجودات زنده که پروکاریوت ها بودند از مجموعه های مولکولی همکار محصور در غشا مشتق شدند. اولین پروکاریوت متابولیسمی بسیار ساده داشته و فقط به تعداد کمی آنزیم نیاز داشته است. در محیط آن تقریبا هیچ اکسیژنی وجود نداشته؛ پس متابولیسم آن بی هوازی بوده است. درنتیجه ابتدایی ترین جانداران قادر نبودند از نور خورشید به عنوان منبع انرژی استفاده کنند. چون احتیاج به یکسری آنزیم های پیچیده داشتند احتمال دارد که شکل های اولیه ی حیات به آسانی کربن و انرژی خود را از یک سوپ غنی از مولکول ها و یون هایی که در آن تکامل یافتند, به دست آورند. دو فرضیه دربارۀ ابتدایی ترین انواع متابولیسم انرژی تمرکز دارد که همه ی شکل های جدید جانداران از ATP به عنوان انرژی اصلی رایج استفاده می کنند. بنابراین این احتمال وجود دارد که پروکاریوت ها خیلی زود شروع به استفاده از این مولکول کرده‌ند. فرضیه ی A مطرح می کند که یک منبع قابل توجه از ATP در سوپ اولیۀ مولکول های آلی وجود داشته است. در این سناریو ابتدایی ترین شکل حیات یک شیمیوهتروتروف بود که از طریق جذب مولکول های آلی از جمله ATP از محیط خود همه ی نیاز کربن و انرژی خود را برطرف کرده است. چنین شکلی از حیات, برای تبدیل مولکول های آلی جذب‌شده به سایر ترکیبات و برای تجزیۀ ATP و استفاده از انرژی آزادشده انزیم هایی داشته است. بعد ها آنزیم هایی پدیدار شده که با استفاده از انرژی آزاد شده از تجزیه ی سایر مواد آلی می‌توانسته با استفاده از ADP,ATP را بازسازی کند. فرضیه ی B که احتمال بیشتری دارد فرض می کند که محیط اولیه مولکول‌های آلی کمتری داشته و ابتدایی ترین شکل حیات یک شیمیواتروتروفی بوده است که ATP را خود می ساخت. سلول ابتدایی ممکن است انرژی خود را از واکنش های شیمیایی مشتمل برگوگرد و ترکیبات اهن دار غیرآلی که فراوان بودند به دست آورده باشد. پژوهشگران, ایدۀ فرضیه B را از فعالیت‌های متابولیکی برخی از ارکی باکتری ها که امروزه روی زمین زندگی می کنند گرفتند. (3-2)
پروکاریوت ها شامل دو سلسله ی یوباکتری ها و آرکی باکتری ها می شوند.
در سال های اخیر آنالیز جزئیات توالی DNAاز ارگانیسم های پروکاریوتی متنوع دو سلسله را معین کرده؛ یوباکتری ها، که اغلب به سادگی باکتری نامیده می شوند و آرکی باکتری ها. یوباکترها ارگانیسم های تک سلولی هستند و شامل سیانوباکتر یا جلبک سبز_آبی می باشند که از یک سلول یا گروهی از سلول ها تشکیل شده اند. می دانیم که ساختار عمومی سلول های یوباکتر با آرکی باکترها شبیه هم هستند. اندازه سلول های باکتری به طول معمول 1_2میکرومتر است و شامل سیتوپلاسم و غشای پلاسمایی می شوند. ژنوم آن تشکیل شده از یک مولکول DNAحلقوی است، بسیاری از پروکاریوت ها مولکول های DNAی حلقوی کوچک و اضافی به نام پلاسمید دارند. حلقوی ژنوم به طور زیادی درهم پیچیده و در مرکز سلول که نوکلئوتید نام دارد متراکم شده است. در مقابل بیشتر ریبوزوم ها در سیتوپلاسم یافت می شوند. بعضی از باکتری ها دارای یک فرورفتگی در غشای سلولی هستند که به آن مزوزوم می گویند. سلول های باکتری حاوی یک دیواره سلولی هستند که از قسمت بیرون به غشای پلاسمایی متصل شده است. دیواره سلولی از پپتیدوگلیکان ( یک کمپلکس از پروتئین و الیگوساکاریدها)، تشکیل شده است که به حفاظت از سلول و پایداری شکل سلول کمک می کند. بعضی از باکتری ها مثل اشرشیا درون سلول توسط فضای پری پلاسمی جدا شده است. بعضی از باکتری ها با تکنیک گرام رنگ آمیزی نمی شوند. بنابراین با آنها گرام منفی می گویند ولی بقیه باکتری ها مثل باسیلوس پلی میگسا دیواره سلولی قطوری دارد و غشای خارجی ندارد که جز گرم مثبت ها طبقه بندی می شود.
آرکی باکتری ها علاوه بر داشتن توالی DNAای که آنها را از یوباکترها جدا می کند، حاوی غشاهای سلولی با ساختار شیمیایی متفاوت از یوباکترها و یوکاریوت ها می باشند. بسیاری از آرکی باکتری ها در شرایط غیرمعمول رشد می کنند. شرایط سخت محیطی که مربوط به شرایط قدیم بوده، زمانی که اولین بار کره ی زمین برای زندگی موجودات زنده شکل گرفت. برای مثال نمک دوست ها ( هالوفیل ) که نیاز به غلظت زیادی از نمک هستند تا بتوانند زنده بمانند یا ترمواسیدوفیل ها ( حرارت و اسید دوست ) که در دمای 80درجه سانتی گراد در مرداب های گوگردی جایی که PHآن کمتر از 2است زندگی می کنند بعضی از آرکی ها در شرایط فاقد اکسیژن زندگی می کنند و می توانند با ترکیب کردن آب و CO2گاز متان CH4تولید کنند. (۸)
آرکی باکتری ها در محیط های افراطی به خوبی رشد می کنند.
آرکی باکتری ها در خیلی از جاها از جمله محل هایی که تعداد کمی از جانداران می توانند زنده بمانند, فراوان هستند. آرکی باکتری ها ساکن محیط های افراطی دارای پروتئین هایی غیر معمول و سایر سازگاری های مولکولی هستند که انها را قادر می سازد تا به طور موثر متابولیسم و تولیدمثل کنند. یک گروه از آرکی باکتری ها که هالوفیل های افراطی ( نمک دوست ) نام دارند در مکان های خیلی شور مثل دریاچه ی بزرگ نمک و حوضچه های تبخیر آب دریا که برای تولید نمک استفاده می شود، به خوبی رشد می کنند. دریاچۀ قلیایی و الکالینی ناکورو در کنیا بسیار شور است و گونه های مختلف باکتری ها و ارکی باکتری ها در آن وجود دارند. نوعی نمک موسوم به هالیت Halit در شهاب‌سنگ‌های مریخی یافت شده که نشان دهنده وجود مکان های شور در سطح مریخ است. خشک شدن سریع سطح مریخ پس از نابودی جو آن باعث تشکیل مکان‌هایی با غلظت نمک بالا شده است که ممکن است میکروارگانیزم‌های نمک دوست آنجا زندگی کنند.
میکروب ها در تمام زیست محیط ها یافت می شوند.
گروه دیگری از آرکی باکتری ها هیپرترموفیل ها ( حرارت دوست ) هستند که در آب خیلی داغ به خوبی رشد می کنند. برخی حتی نزدیک منافذ عمق اقیانوس جایی که دما بالای 100 درجه سانتی گراد یعنی بالاتر از نقطه ی جوش آب در سطح دریاست زندگی می‌کنند. همچنین گرمادوست‌ها و ابرگرمادوست‌ها در همه جای زمین پیدا می شوند. سایر هیپرترموفیل ها در اسید به خوبی رشد می کنند.
گروه سوم آرکی باکتری ها متانوژن ها هستند که در محیط های بی هوازی زندگی می کنند و متان را به عنوان یک مادۀ زاید پس می دهند. بسیاری در گل ته دریاچه ها و باتلاق ها در شرایط بی هوازی به خوبی رشد می کنند. تعداد زیادی از متانوژن ها نیز ساکن لوله گوارشی جانوران هستند. در انسان گاز روده ای به میزان زیادی در نتیجۀ متابولیسم آنها می باشد. مهمترین متانوژن ها به گوارش در گاوها, گوزن و سایر جانورانی که برای تغذیه به سلولز وابسته هستند کمک می کنند . این جانداران به طور طبیعی باد نمی کنند , چون این جانوران به طور منظم حجم های زیادی از گاز تولید شده توسط متانوژن ها و سایر میکروارگانیزم هایی که ان ها را قادر می سازد تا از سلولز استفاده کنند را آروغ می زنند. (4-3)
باکتری در معده
سایکروفیل ها
سایکروفیل ها ارگانیزم های سرمادوستی هستند که در حدود دمای صفر درجه سانتی گراد زندگی می کنند؛ پس آنها در محلول های نمکی و در دمای بسیار پائین می توانند زندگی کنند همچنین در کف اقیانوس آب های سرد، کنار دودکش های آب گرم و نیز در شکاف‌های یخی ایجاد شده در ژرفای قاره جنوبگان پیدا می شوند.
مثال هایی از اکستریموفیل ها:
اسنوتی ها از کلنی های باکتری های تک سلولی شدت دوست غارزی ساخته شده اند. این کلنی شباهت زیادی به استالاکتیت یا چکنده‌سنگ دارند. این کلنی های باکتریایی در محیط های خشنی با سمیت و اسیدی زنده می مانند. این باکتری ها استفاده از سنتز شیمیایی ترکیبات گوگردی آتشفشانی را به انرژی و مواد زائد سولفوریک اسیدی تبدیل می کنند.
اسنوتی کلنی های باکتریایی غارزی هستند.
خرس ابی یا تاردیگرید
خرس آبی تحمل شرایط سختیهای زیادی را دارد. آنها ارگانیسم میکروسکوپی ۸ پایی بوده و یکی از ارتجاعی ترین موجوداتی هستند که بشریت تاکنون شناخته است. آنها برای زنده ماندن دو استراتژی دارند: یکی در مورد سیل و دیگری در مورد یخ بندان یا خشک سالی. آنها وقتی در معرض سیل قرار می گیرند خودشان را مانند بالون باد می کنند و با این‌کار در زمانی که نیاز به اکسیژن دارند امکان آمدن به سطح آب را فراهم می کنند. در مورد خشکسالی یا یخ بندان، خرس آبی این توانایی را دارد که بیش از ۹۷ درصد آب موجود در بدنش را با قندی به نام ترهالوز جایگزین کند. با این کار نیاز به آب کمتری دارند و از تشکیل کریستال های یخ از مولکول های آب و آسیب رسیدن به اندامک هایشان جلوگیری می شود.
جان سخت مثل خرس آبی
شرایط فضایی شبیه سازی شده
می دانیم که امکان ارسال نمونه های بیولوژیکی به فضا همچنان بسیار سخت است. یک راه عملی و مقرون به صرفه برای به دست آوردن اطلاعات درباره ی اثر شرایط فضایی روی ارگانیسم ها، آزمایش های شبیه سازی شده ی زمینی است. کویک و همکارانش مقاوت Halobacterium halobium را در جو شبیه سازی شده ی مریخ سنجیده اند هدف آنها از این آزمایش نشان دادن این که ارگانیسم قادر به حفظ بقای خود در شرایط حفاظت نشده نیست. توضیح احتمالی آنها برای نتیجه این است که این گروه، میکروارگانیسم را در معرض میزانی از پرتوهای فرابنفش و پروتونی قرار داده اند که معادل 200سال روی مریخ است.
استن لوتر: آزمایش مرتبط فضایی دیگری انجام داده است به طوری که در این آزمایش Halococcus dombrowskiiو Hbt. salinariumشش ساعت در معرض شرایط شبیه سازی شده مریخ قرار گرفتند. نتیجه ی آن مقاومت بالاتری در مواجهه با شرایط دشوار نسبت به Hbt. salinarium NRC_1 از خود نشان می دهد. ( با ضریب ۱۰ تحت شرایط آزمایش). با وجود قرار دادن آن ها در شرایط شبیه سازی شده ی مریخ امکان بازسازی هر دو سویه ( به مجموعه سلول هایی سویه گفته می شود که در کشت خالص از یک سلول مشخص بدست آمده باشند). وجود داشته به این ترتیب نیاز بود که زیر نور عادی و نه فرابنفش گذاشته شوند.
آزمایش های زمینی دیگر نیز روی Halococcus dombrowskiiو Haloferax mediterranei انجام شده اند. به طوری که آن ها تحت شرایط میکروگرانشی شبیه سازی شده( SMGرشد داده شده اند. هر دو سویه افزایش مقاومت در برابر آنتی بیوتیک را نشان دادند. ولی تعدادی فاکتور متفاوت در پروتئوم آن ها دیده شد که ناشی از رشد در SMGبود. اتفاق جالب دیگر که افتاد این بود که تجمع سلولی در مقایسه با شرایط عادی رشد به وقوع نپیوست، وقتی که تغییرات محیط رخ می دهد تجمع سلولی به شدت تحت تاثیر قرار می گیرد.
ماموریت فضایی بایوپن
اولین آرکی نمک دوست که در فضا قرار گرفت Halorubrum chaoviaor از سویه Halo_Gدر ماموریت بایوپن در سال 1994 بود. بایوپن، یک کپسول قابل بازیافت کوچک از محصولات سازمان فضایی اروپا بود که با آن نمونه های شیمیایی یا زیستی را در مدارهای پایین زمین قرار دادند. در این آزمایش Hrr. Chaoviatorدر خاک شبیه سازی شده ی مریخ جاسازی و روی صفحات کواتز خشک شد و در فضا فرستاده شد. وقتی که بایوپن در جایگاه خود قرار گرفت درهای لولادار موتوری 180درجه باز شدند تا نمونه در معرض خلا، پرتوهای کیهانی و فرابنفش قرار گیرد. کپسول به مدت دو هفته در مدارهای پایین به دور زمین گردید و برای وارد شدن دوباره به زمین درهای لولایی بسته شدند. مطالعه ی این تحقیق نشان می داد چه طور Hrr. Chaoviatorکه با مواد اشاره شده محافظت شده بود، در شرایط فضایی جان سالم به در برد.(۵)
اهمیت اکستریموفیل
آنزیم هایی که به وسیله ی اکستریموفیل ها ترشح می شوند به اکستریموآنزیم موسوم هستند. این دسته از آنزیم ها که به شدت دوست ها امکان فعالیت و متابولیسم در محیط های شدید را می دهد. مورد علاقه بسیاری از محققان پزشکی و بیوتکنولوژی قرار دارد. انها با استفاده از این آنزیم ها تلاش می کنند تا داروهای ژنتیکی مبنا تولید کنند و یا به تکنولوژی زنده ماندن تحت شرایط خشن فیزیکی دست پیدا کنند. زیست اخترشناسان نیز یکی دیگر از مشتاقان اکستریموفیل ها هستند. انعطاف پذیری بالای این موجودات برای زنده ماندن در محیط های یخی توجه آن ها را به خود جلب کرده است. سرمادوست ها psychrophile نامی است که برای این دسته از اکستریموفیل ها انتخاب شده است . مطالعه بر روی آن ها احتمال کشف حیات بر روی سیارات یخی را افزایش می دهد. بسیاری از اجرام منظومه ی شمسی را کرات یخی شامل می شوند. علاوه بر این ویژگی های بیوشیمیایی ساکروفیل ها مانند توانائی آنها در استفاده از آرسنیک به جای فسفر در تولید انرژی، احتمالا وجود حیات فرازمینی را قوت می بخشد، اکستریموفیل ها چون نمایانگر حدود آستانه زیست پذیری هستند. می توانند سرنخ را به ما بدهند که درچه اجرامی در منظومه شمسی و چگونه به دنبال حیات بگردیم.
نتیجه گیری
این آرکی باکتری‌ها اهمیت زیادی برای اخترزیست شناس ها دارند چون می توانند از آنها به عنوان نمونه ای برای شناسایی ارگانیسم‌هایی که ممکن است در شرایطی مشابه در زیر سطح یخی خاک های مریخ وجود داشته باشند، استفاده کرد.(5-4) با افزایش حضور انسان در فضا، یکی از اهداف تحقیقاتی کلیدی، درک کامل واکنش های میکروارگانیسم ها به شرایط دشوار فضایی بیرون از زمین است. با توجه به همه ی آزمایش های زمینی و فضایی که هم اکنون در حال انجام و آماده سازی است و با کشفیات بسیار خوب، حالا زمان بسیار مناسبی برای پژوهش در زمینه ی اخترزیست شناسی می باشد.
منابع
1: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2019.00780/full
Merino, N., Aronson, H. S., Bojanova, D. P., Feyhl-Buska, J., Wong, M. L., Zhang, S., & Giovannelli, D. (2019). Living at the Extremes: Extremophiles and the Limits of Life in a Planetary Context. Frontiers in microbiology, 10, 780.
2: https://link.springer.com/article/10.1007/s40828-020-0103-6
Schröder, C., Burkhardt, C., & Antranikian, G. (2020). What we learn from extremophiles. ChemTexts, 6(1), 1-6.
3: https://link.springer.com/article/10.1007/s00792-019-01126-3
DasSarma, S., DasSarma, P., Laye, V. J., & Schwieterman, E. W. (2020). Extremophilic models for astrobiology: haloarchaeal survival strategies and pigments for remote sensing. Extremophiles, 24(1), 31-41.
4: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-94-010-1017-7_42
Seckbach, J., & Oren, A. (2001). From Extremophiles to Astrobiology. In First Steps in the Origin of Life in the Universe (pp. 241-245). Springer, Dordrecht.
5.http://staryab.com/
6.http://www.nssri.ir/
7. جلد دوم بیولوژی کمپبل، انتشارات خانه زیست شناسی. بهرام میرحبیبی، مصطفی پویان۱۳۹۰
.8جلداول زیست شناسی سلولی ومولکولی،پروینپاسالار،انتشارات اندیشه رفیع،۱۳۹۵
بازگشت