Gdy temperatura rośnie Życie w wysokich temperaturach Jacek Francikowski Wysoka temperatura może mieć destruktywny wpływ na funkcjonowanie organizmów. Przyjrzyjmy się pokrótce efektom jakie może ona wywoływać. Szczególnie wrażliwe na jej działanie są białka, układy enzymatyczne oraz błony biologiczne. Funkcjonowanie białek jest ściśle uzależnione od ich trójwymiarowej struktury. Jest ona utrzymywana poprzez różnorodne słabe wiązania wewnątrz struktury aminokwasów oraz interakcje białka z cząsteczkami wody. Gdy temperatura wzrasta, wzrasta także energia kinetyczna układu, a atomy zaczynają wiercić się niespokojnie. W efekcie wiązania nadające białku specyficzny kształt pękają szybciej niż są odnawiane, dodatkowo powstają nieprawidłowe połączenia. W wyniku tych procesów kształt białka zmienia się i traci ono swoje funkcje biologiczne, taki proces nazywamy denaturacją. Ostatecznie może to doprowadzić do śmierci komórki i całego organizmu. Jednak niektóre białka są bardziej stabilne a proces ich denaturacji może być odwracany, jest to zjawisko tzw. renaturacji. Często trudno powiązać śmierć organizmu, szczególnie wielokomórkowego, z tak ostatecznym efektem jak denaturacja budujących go białek. Już temperatura niższa od punktu denaturacji białek może prowadzić do śmierci. Często obserwuje się także zaburzenie równowagi metabolicznej. Enzymy mają różne optima termiczne mimo obecności w tej samej komórce, jest to zwiane z ich wydajnością i interakcjami z innymi enzymami w całym systemie matabolicznym. Zróżnicowana wrażliwość termiczna enzymów biorących udział w przemianach metabolicznych może zaowocować zaburzeniem równowagi biochemicznej organizmu. Jeśli chodzi o błony biologiczne, głównym problemem jest ich przepuszczalność i płynność, które mogą być zaburzone w wyniku działania wysokiej temperatury. Wzrost energii kinetycznej lipidów budujących błony prowadzi do niekontrolowanych zmian w jej strukturze i interakcjach z białkami zawieszonymi w błonie. Zaburza to integralność błony od której uzależnione jest sprawne funkcjonowanie komorek. Nie jest łatwo określić temperaturę letalną dla wybranego organizmu, ponieważ jest ona zależna od czasu ekspozycji i
wcześniejszych kontaktów organizmu z ekstremalnymi dla niego temperaturami. W przypadku organizmów lądowych przyczyną śmierci może być raczej nadmierna utrata wody niż przegrzanie. Jeśli organizm jest wystawiony na wysoką temperaturę przez pewien czas jego możliwości przeżycia w niebezpiecznie wysokich temperaturach gwałtownie wzrasta. Dlaczego tak się dzieje? Zjawisko to, określane jako indukowana termotolerancja, jest obserwowane u wszystkich organizmów żywych od bakterii po ssaki. W odpowiedzi na tego typu bodziec, komórki zaczynają syntetyzować tzw. białka szoku cieplnego (Heat Shock Proteins, HSP). Chronią one komórkę przed wspomnianymi, szkodliwymi efektami. Mogą działać w dwojaki sposób. Niektóre HSP odpowiadają za usuwanie uszkodzonych białek z komórki. Inne wchodzą w interakcje z prawidłowo działającymi białkami i pomagają im utrzymać odpowiednią konformacje (strukturę przestrzenną) i bronią je przed denaturacją (tzw. chaperony). Mogą one odpowiadać także za procesy renaturacji. W reakcji na stres cieplny organizmy produkują także odmienne formy enzymów, które działają lepiej w wyższej temperaturze, zmienia się profil lipidów w błonie komórkowej tak by nadal mogła zachować swoje właściwości, zmienia się także ilość i objętość mitochondriów. W przypadku ssaków, które są zwierzętami stałocieplnymi, będą one starały się utrzymać temperaturę na korzystnym dla nich poziomie poprzez oddawanie nadmiaru ciepła. Dochodzi do tego głównie poprzez zwiększenie ukrwienia części ciała o dużej powierzchni. W wypadku wielu ssaków żyjących w gorącym klimacie są to często uszy jak np. u fenka, Vulpes zerda (Ryc. 1.), żyjącego na Saharze, czy słoni. Ryc. 1. Fenek (Vulpes zerda)
Parowanie wody poprzez układ oddechowy lub z powierzchni ciała są kolejnymi sposobami pozbywania się nadmiaru ciepła. Dyszenie czyli szybki przepływ powietrza wokół języka przez jamę ustna i układ oddechowy jest wydajnym sposobem obniżania temperatury ciała, który obserwujemy np. u psowatych. Podobne zjawisko można zaobserwować także u ptaków. Drugim sposobem jest pocenie, spotykane u bydła, koni, hipopotamów i człowieka. Co ciekawe, nie ma zwierząt stosujących obie strategie na raz. Niestety te metody wiążą się z dużymi stratami wody z organizmu. Dlatego też nie spotykamy ich u małych pustynnych ssaków, dla których dostęp do wody jest ograniczony. W efekcie zwierzęta te charakteryzują się głównie nocnym trybem życia. Zdolność ptaków i ssaków do utrzymania stałej wewnętrznej temperatury pozwala im przetrwać w niektórych gorących środowiskach. Inne większe kręgowce zmiennocieplne (płazy i gady) wykazują określone reakcje behawioralne, które umożliwiają im utratę ciepła lub unikanie nadmiernego przegrzania. Jednak istnieją organizmy, które nie posiadają wymienionych umiejętności a ich styl życia i środowisko, w którym funkcjonują sprawiają, że muszą one poradzić sobie ze stosunkowo wysoką (w porównaniu z tą w jakiej mogą żyć kręgowce) temperaturą. Mały pustynny ślimak, Sphicterochila boisseri, zamieszkuje pustynie Negew w Izraelu. W czasie suszy znajdziemy go pośród piasku i kamieni, gdzie jest wystawiony na bezlitosne promienie pustynnego słońca. Temperatura osiąga przy gruncie 65 o C oraz 45 o C w powietrzu. Muszla tego ślimaka jest bardzo jasna i błyszcząca przez co odbija większość promieniowania słonecznego. Ślimak ucieka do górnej części muszli, a u wejścia pozostaje przestrzeń, tworząca kurtynę powietrzną, oddzielająca od gorącego otoczenia. Mimo to tkanki ślimaka osiągają temperaturę ok. 50 o C. W takich warunkach ślimak przechodzi w stan uśpienia starając się zachwal maksimum wody w organizmie przez kilkanaście tygodni pory suchej. Pustynna mrówka, Ocymyrmex barbiger, poszukuje pokarmu w czasie dnia kiedy piasek ma temperaturę ok. 67 o C. Zbieraczki unikają przegrzania poprzesz podniesienie ciała ponad grunt oraz szybkie przemieszczanie się w poszukiwaniu cienia i chłodniejszych miejsc. Są one w stanie przetrwać nawet gdy temperatura ich ciała osiąga 52 o C. Poszukiwanie pokarmu w tych warunkach jest ryzykowne i wiele zbieraczek ginie. Jednak ta strategia pozwala gatunkowi być pierwszym na miejscu by zebrać ciała innych owadów, które zginęły od ciepła. Unikają również w ten sposób drapieżników, które unikają tej części doby i staja się aktywne dopiero w nocy. Znamy niewiele zwierząt i roślin które mogą żyć źródłach geotermalnych. Wybijając na powierzchnię woda w takich źródeł może osiągać temperaturę nawet 90 o C. Niewielka muszka z Ameryki Północnej, Ephydra brucei, żeruje na koloniach
glonów rozwijających się właśnie w takich źródłach. Muszki składają na nich również jaja, z których wylęgają się larwy, rozwijające się i żerujące podobnie jak osobniki dorosłe na glonach. Wiele larw ginie, gdy niespodziewany napływ gorącej wody zalewa miejsce ich żerowania. Są one w stanie znieść tylko chwilowe wystawienie na temperaturę ok. 40 o C. Odkryto również nicienia, Aphelenchoides parientus, oraz larwę komara Paratendipes thermophilus, zdolnych funkcjonować w wodzie o temperaturze 45-51 o C. Badania wciąż przynoszą odkrycia nowych organizmów zasiedlających podobne ekosystemy. Dna oceanów gdzie znajdują się kominy hydrotermalne uznaje się za miejsca gdzie panują najtrudniejsze warunki na kuli ziemskiej. Panuje tam olbrzymie ciśnienie (300 atmosfer), całkowity brak światła, wysokie stężenia siarczków i siarczanów metali ciężkich oraz siarkowodoru, silnie kwaśny odczyn wody (ph 2,5) oraz ekstremalne temperatury (300 o C, woda nie wrze ze względu na olbrzymie ciśnienie). Woda ta ponadto gwałtownie się ochładza w kontakcie z wodą morska, która ma ok. 2 o C. W tych warunkach żyje jedno z najciekawszych zwierząt w kontekście powyższego artykułu. Jest to Alvinella pompejana, rurkoczułkowiec, występujący jedynie w ekosystemach kominów hydrotermalnych na Pacyfiku (Ryc. 2.). Głowowa część zwierzęcia zazwyczaj znajduje się w znacznie chłodniejszej wodzie o temperaturze ok. 22 o C, zaś część ogonowa jest wystawiona na działanie gorącej wody tryskającej z ujścia hydrotermalnego o temp 89 o C. Jak dotąd brak danych o temperaturze ciała zwierzęcia. Sądzi się, że zwierzęta te oddają ciepło w części głowowej mogąc w ten sposób zachować wewnętrzną temperaturę w granicach umożliwiających przetrwanie. Dane te wskazują, że ten organizm toleruje najwyższe temperatury spośród zwierząt wielokomórkowych znanych nauce oraz, że jest w stanie znosić niespotykany gradient termiczny na poziomie 60 o C. Niezwykłe jest to, iż badania wskazują, że jego hemoglobina ulega rozpadowi powyżej 50 o C, kolagen powyżej 45 o C; natomiast badania enzymatyczne wskazują na optimum temperaturowe w okolicy 30-35 o C. Przypuszcza się, że dużą rolę w zapewnieniu oporności zwierzęcia na wysokie temperatury odgrywają bakterie przyczepione do jego ciała. Produkują one prawdopodobnie enzymy chroniące siebie oraz gospodarza przed wysoką temperaturą. Przypuszcza się też, że kluczowe procesy enzymatyczna mogą być skoncentrowane w chłodniejszej, głowowej, części zwierzęcia. Organizm ten nadal skrywa tajemnice swej termoporności.
Ryc. 2. Alvinella pompejana Mimo imponujących osiągnięć opisanych powyżej, to bakterie są organizmami potrafiącymi przeżyć w najwyższych temperaturach, przekraczających nawet 80 o C. Określamy je mianem termofili, są także takie które znajdujemy w wodach o temperaturze powyżej 100 o C i te określa się jako hipertermofile. Należą one zarówno do Eubakterii jak i Archebakterii. Tak wysokie temperatury nie tylko są im przyjazne, ale są wręcz niezbędne do życia, wzrostu i reprodukcji. Ich metabolizm oraz struktura komórkowa są nastawione na te warunki, dlatego trudno im funkcjonować w niższych temperaturach. Izolacja i badanie tych organizmów są niezwykle trudne jednak wciąż znajdywane są nowe gatunki. Organizmy te znajdujemy zazwyczaj w dwóch typach ekosystemów. Pierwszy to źródła i zbiorniki wodne związane z terenami o wysokiej aktywności wulkanicznej. Do takich miejsc należą: znany wszystkim Park Yellowstone (Ryc. 3.), North Ilsand w Nowej Zelandii, Islandia, wybrane rejony morza śródziemnego, Japonia, Ameryka Środkowa, Obecność bakterii w wodzie jest łatwo zauważalna, gdyż różne gatunki tworzą w wodzie różnokolorowy biofilm. Jedną z najsławniejszych bakterii termofilnych jest Thermus aquaticus odkryta w źródłach Parku Yellowstone których temperatura osiąga 75-80 o C. Bakterie świetnie radzą sobie także na dnie oceanów, w omówionych juz kominach hydrotermalnych. Jak dotąd udało się znaleźć bakterie żyjące w wodzie o temperaturze 115 o C, należą one do rodzajów Pyrodictium i Prylobus. Na podstawie dotychczasowych badań wysnuto przypuszczenie, że graniczną temperaturą dla funkcjonowania bakterii (a tym samym wszelkiego życia) może być 150 o C. Dlatego można liczyć na nowe odkrycia kolejnych, jeszcze bardziej ekstremalnych hipertermofili (więcej informacji o termofilnych bakteriach w Granice życia? cz. I, M. Żmuda).
Ryc. 3. Grand Prismatic Spring, Park Yellowstone, USA Sprawne funkcjonowanie hipertermofili jest możliwe dzięki kilku ciekawym adaptacjom. Po pierwsze, ich białka muszą być wysoce termostabilne, a ich naprawa i ochrona bardzo wydajna. Po drugie, błony biologiczne Archebakterii są zbudowane w nietypowy sposób, co daje im dużo lepsze funkcjonowanie w wysokich temperaturach. Są one zbudowane z pojedynczej warstwy lipidowej, hydrofobowe kwasy tłuszczowe są zakończone hydrofilowymi głowami, z obu, a nie z jednej strony (jak u innych organizmów). Dodatkowo są to nasycone kwasy tłuszczowe co nadaje błonie dodatkową stabilność. Również DNA jest silniej splecione i dodatkowo chronione specjalnymi białkami by zapobiec rozpadowi helisy. Obserwuje się także obecność niskocząsteczkowych składników termoprotekcyjnych jak trehaloza czy 2,3-dwufosfoglicerynian. Badania nad opisanymi bakteriami zaowocowały wprowadzeniem niezwykłych osiągnięć natury do naszego codziennego życia. Chodzi o enzymy wyizolowane z hipertermofili m.in. ze względu na ich termostabilność i aktywność w wysokich temperaturach. Jest to o tyle ważne, że w takich warunkach rośnie rozpuszczalność wielu reagentów, szczególnie polimerów, zwiększa się dostępność substratu, co przyspiesza reakcje. Wysoka temperatura utrudnia także zakażenie mieszaniny reakcyjnej przez szkodliwe mikroorganizmy. Szczególnie użyteczne są enzymy: proteazy, lipazy oraz degradujące polimery celulazy, chitynazy i amylazy. Nie można również zapomnieć o termostabilnej polimerazie DNA wyizolowanej z hipertermofili. Dzięki temu enzymowi dokonała się rewolucja w genetyce molekularnej. Pojawienie się tzw. łańcuchowej reakcji polimerazy (PCR) dało nauce kompletnie nowe, niezwykłe narzędzie. Pozwala ona na uzyskanie olbrzymiej ilości kopii z interesującego nas fragmentu DNA, które można następnie wykorzystać do różnorodnych celów. Jest ona wykorzystywana w medycynie sadowej,
badaniu pokrewieństwa, sekwencjonowaniu genomu czy paleontologii. Obecnie najczęściej używane polimerazy to Taq (wyizolowana z Thermus aquaticus) i pfu (wyizolowana z Pyrococcus furiosus). Literatura Żmuda M. 2006 Granice życia? Cz. I Skrajne temperatury, Biologia w szkole nr 6, Schmidt-Nielsen K. 1997 Fizjologia Zwierząt. Adaptacja do Środowiska, PWN Wharton D.A. 2002 Life at the Limits, Organisms in extreme environments, Cambridge University Press,