I když je takový mráz, že rtuť v teploměru ztuhne na kost, některé organizmy vesele vegetují dál. Zdá se, že i v temných koutech vesmíru, kam si sluneční paprsky mnoho cestiček nenajdou, může existovat život.
V ledovém příkrovu Arktidy se hluboko pod povrchem prohánějí bakterie, kterým teploty kolem –20 oC nedělají žádné vrásky. Když vědci před pár lety objevili bakterii Colwellia 34H, obývající v miniaturních kapičkách nezmrzlé slané vody (ne o mnoho větších než její jednobuněčné tělo), považovali ji za naprostý extrém, hranici, za kterou už život není schopen dál jít. Všechno je ale jinak, Colwellia totiž v náklonnosti k pronikavému chladu rozhodně není sama.
Polárníky proti své vůli
Colwellia ukázala, že led není mrtvá pustina a rozvířila značný zájem o život hluboko pod bodem mrazu. Kamkoli se teď mikrobiologové vrtnou, všude (ve věčně zmrzlé půdě, v ledovcích, ledových krách nebo trvalé sněhové pokrývce na vrcholkách hor) nacházejí pulsující život.
Jeden z takových objevů je v roce 2003 přivedl do Grónska. Tam v desetistupňovém mrazu, pohřbeny pod kilometr vysokou vrstvou ledu, spokojeně přežívají bakterie stovky tisíc let. Ke štěstí jim stačí tenoučká vrstva tekuté životodárné vody, jejíž síla odpovídá velikosti tří molekul.
Tím ale zajímavá zjištění nekončí. Bakterie dokonce nejsou ani žádní polární specialisté, nedisponují speciálními mechanismy, pomáhajícími jim krutý mráz přežít. Do ledového království se dostaly nechtěně. Z hodiny na hodinu tak byly postaveny před nový životní styl, a tak nebyl čas vyvíjet si mrazuvzdornou životní strategii. Přesto jim nízké teploty na náladě nijak neubírají.
Nesmrtelný život
Zdroj živin pro ně představují drobné částice horniny, které jim vlivem extrémního zpomalení metabolismu vystačí na miliony let. Bakterie toho totiž v nízkých teplotách mnoho nenaběhají, jen sedí na místě, trochu dýchají a veškerou energii věnují na opravu poškozených částí DNA.
Mikrobiologové spočítali, že při takovém způsobu života jim stačí milionkrát méně energie než v případě, že se množí a rostou. Jak dlouho takto dokáží zůstat na živu, vědci zatím nevědí, ale nebojí se tvrdit, že jsou prakticky nesmrtelné. Stáří dalších bakterií, nalezených v sibiřském permafrostu 60 metrů pod povrchem, bylo stanoveno na 3 miliony let. A to už se nesmrtelností nazvat dá!
„Vyrazilo nám to dech“
Specialista Colwellia je ale přeci jiný kalibr. Sice za běžných podmínek bydlí „jen“ ve dvacetistupňovém mraze, nicméně prokázala, že si dokáže poradit i s mnohem nižšími teplotami. Vědci už si při testování její odolnosti nevěděli rady, protože přežívala všechny zkoumané teploty, a tak ji jednoduše strčili do tekutého dusíku. –196 oC dokáže z lidského prstu v jediném okamžiku udělat zcela nepoužitelnou zamrzlou hmotu, do které stačí neopatrně vrazit, a rozpadne se na kousky. Mikrobiologové tedy předpokládali, že jejich pokus skončí pro Colwellii jistou smrtí. Mýlili se, bakterie i v tekutém dusíku vykazovala známky života.
„Vyrazilo nám to dech,“ říká k tomu Dirk Schulze-Makuch, astrobiolog z Washingtonské státní univerzity v Pullmanu (USA). „Ukazuje se, že je možné, aby život existoval v mnohem nižších teplotách, než jsme si doposud představovali.“ To se samozřejmě netýká jen naší planety, najednou je totiž vcelku pravděpodobné, že život bují i na Marsu nebo na Jupiterově měsíci Europa.
Z horka do zimy
V posledních 30 letech věda objevila mnoho forem života, které dokázaly existovat v naprosto neuvěřitelných podmínkách, ať už se takové extrémy týkaly kyselosti, teploty nebo tlaku. Nicméně většina nových a nových objevů posouvala hlavně horní hranici, do mrazu se nikomu nechtělo. Živé bakterie tak byly přistiženy například v horkých pramenech Yellowstonského parku nebo ve vroucí vodě u podmořských vulkánů.
V porovnání s těmito výkony byly organismy na druhé straně stupnice teploměru tak trochu žabaři. Věda neznala nic, co by dokázalo přežít mrazy pod 20 oC, a tak i teoretická „absolutní hranice“ pro možnost existence života neměla k této hranici příliš daleko. Tedy nic, co by vědcům bralo dech. „Když se podíváte na studie věnující se schopnostem organismů přežít extrémní podmínky za posledních 30 let, nenajdete mezi nimi mnoho těch, které by se nezabývali jen bakteriemi v termálních pramenech,“ poukazuje John Priscu u Montanské státní univerzity v Bozemanu. „Nikdo si ani nepomyslel, že se v ledu dá žít, ale teď je takovým představám konec.“
Tajemství soli
Důvod, proč se vědci o led tak dlouho nezajímali, je prostý. K životu je zapotřebí tekutá voda. Představuje přirozené rozpouštědlo i prostředí, ve kterém se odehrávají všechny životně důležité chemické reakce. V tuhé hostce ledu metabolismus nerozhýbe ani ten nejšikovnější enzym. Pokud navíc voda zmrzne tak nešikovně, že se z ní vytvoří větší krystalky, mají to buňky spočítané. Ostré hrany potrhají buněčné membrány, naruší tak jejich celistvost. Jednoduše řečeno, rozpářou ji jako řezníci.
Jenže voda je trochu svérázná látka. Ani za velmi nízkých teplot nejsou totiž v ledu žádnou zvláštností místa s nepatrným množstvím tekutiny. Při tuhnutí mořské vody se vytvářejí ledové krystaly, které s klesající teplotou stále rostou, a přitom vylučují sůl. Díky vysoké koncentraci soli v miniaturních kanálcích kolem krystalů tu pak voda zůstává v tekutém stavu i při –50 oC. Ačkoli se o této vlastnosti ledu ví již dlouho, do souvislosti s životním prostředím pro bakterie se dává až posledních několik málo let.
Bakteriální skleník
Voda si však tekuté skupenství může udržet i bez přítomnosti soli. Vyskytovat se tedy může i v ledu, který nemá mořský původ. Stačí, aby zmrzlá masa uvěznila drobná zrnka některých minerálů. Na těch pak ulpí tenká nanovrstva (o síle pouhých několika molekul) tekuté vody, které elektricky nabitý povrch minerálů znemožňuje vytvářet krystalky, a tedy ztuhnout v led.
Zatímco běžným druhům bakterií stačí k tomu, aby v ní dlouhodobě „přespávaly“, mrazoví specialisté se tu dokáží dokonce i množit. Nejde to však úplně samo, bakterie se musejí pořádně snažit. Nejnovější výzkumy genomu Colwellie prováděné vědci z Washingtonské univerzity ukázaly, že mikroorganismus si záměrně přizpůsobuje své okolí tak, aby se mu v něm líbilo. Kam se na něj hrabe člověk s klimatizovanými budovami a regulovanými skleníky.
Jednobuněčná chemička
Větší část genů Colwellie slouží k produkci proteinů, určených předem k tomu, aby se vyloučily do okolního prostředí, případně k výrobě enzymů, které s přípravou takových molekul pomáhají. Jakmile začne být bakterii zima, pustí do syntézy směsi bílkovin (tzv. exopolymerů), které mají za úkol vstřebávat vodu a vytvářet v chodbičkách mezi ledovými krystaly v okolním prostředí gel.
Jak teplota dále klesá, ledové krystaly odsávají vodu z připraveného gelu a zvětšují se. Celý proces skončí ve chvíli, kdy mezi krystaly zůstanou tak drobné kapičky vody, že jejich několik málo molekul není schopno se začlenit do krystalu, a tedy zmrznout. O hranici účinnosti exopolymerů mrazuvzdorné bakterie se zatím může jen spekulovat, nicméně podobná látka používaná v potravinářském průmyslu (xantanová klovatina), dokáže zabránit krystalizaci i při –200 oC.
Šok v tekutém dusíku!
Exopolymerový plášť však bakterii nechrání pouze před ostrými krystaly, ale i před přílišnou koncentrací soli, která by za běžných okolností vysála z její buňky veškerou vodu. Díky tomu se může ještě při –7 oC Colwellia prohánět po svém mikrosvětě se stejnou vervou a rychlostí jako Escherichia coli v našem trávicím traktu za teploty lidského těla. Ještě při –14 oC se dokáže množit a růst a při –20 oC stále ještě nepřetržitě dýchá.
K podrobnému testování však vědci přistoupili minulý rok. Nabídli Colwelli radioaktivně značené aminokyseliny a pak ji ubytovali v různých teplotách mezi 13 a –20 oC, aby mohli sledovat, jak se bude lišit rychlost jejich zpracování a zabudování do bílkovin. Jako kontrolu zvolili teplotu –80 oC, jelikož předpokládali, že za takových podmínek bakterie buď „usne“, nebo rovnou zemře.
Jenže Colwellia udělala experimentu čáru přes rozpočet! Vesele si zpracovávala svítící aminokyseliny za všech teplot, -80 oC nevyjímaje. Mikrobiologové se tedy rozhodli, že jí osladí život, a strčili ji do tekutého dusíku do –196 oC. Za 24 hodin se přišli přesvědčit o její smrti. Čekal však na ně doslova šok! Zjistili, že Colwellia celou tu dobu spokojeně žila a v mnoha jejích bílkovinách teď září označené aminokyseliny.
Podvod nebo skutečnost?
Vědci nevěřili vlastním očím a podezírali Colwellii z toho, že stačila aminokyseliny nastrkat do svých molekul těsně předtím, než ji zamrazili. Přistoupili tedy k další zkoušce. Měřili koncentraci zabudovaných aminokyselin postupně po 1, 2, 4, a 8 hodinách. A výsledek? Podvádění se neprokázalo, bakterie poctivě ukládala aminokyseliny do bílkovin celou dobu, a tak se v průběhu času jejich koncentrace utěšeně zvyšovala.
Jenže ani tentokrát vědci Colwellii nechtěli věřit. Na řadu přišla teorie, že se aminokyseliny do bílkovin dostávají samovolně, nezávisle na tom, jestli bakterie žije, nebo ne. Ke slovu se tedy dostaly kontroly v podobě kultur Escherichia coli nebo usmrcených Calwellií. V těchto případech, ale žádné proteiny se svítícími součástkami nevznikly, a tak nezbylo než se bakterii omluvit. I když vědci nechtěli výsledkům stále věřit a několik týdnů experimenty opakovali, nakonec museli uznat, že Colwellia opravdu dokáže žít i v takovém mrazu.
Na Marsu by bakterie přežily
Pokud si Colwellia dokáže udržet životní funkce v tekutém dusíku, poradí si i s nepříznivými podmínkami mimo naši planetu. Například v polárních ledových čepičkách na Marsu se teplota pravděpodobně pohybuje mezi –120 oC a -40 oC, tedy nic, co by Colwellia a jí podobné organismy nemohly zvládnout.
Led na Marsu, který obsahuje značné množství nečistot, by dokonce mohl umožňovat existenci i organizmů, které nejsou žádnými specialisty na mrazuvzdornost. Stejně jako v případě grónského ledovce tu pravděpodobně na částečkách hornin ulpívá nanovrstva tekuté vody, tedy prostředí dostatečně vhodné pro různé druhy mikroorganismů. Například expert na extrémy Deinococcus radiodurans, který byl nalezen ve sněhu Antarktidy, kde teploty klesají až k –70 oC, dokáže zároveň přežít i velmi vysoké dávky radiace, a je tedy hlavním kandidátem na meziplanetárního cestovatele.
Možnost existence života na Marsu by vysvětlovala i přítomnost metanu.
Sluneční soustava plná mikrobů
Ale nejen Mars se jeví z tohoto pohledu jako obyvatelná planeta. Astronomové předpokládají, že na Jupiterově měsíci Europa je pod zmrzlým příkrovem ukryt oceán tekuté vody s teplotou od –10 oC do –90 oC. I tam by se tedy mikroorganismům mohlo dařit.
Mikrobiologové dokonce spekulují o tom, že si mikroorganismy dokáží vytvořit obyvatelný mikrosvět například i v metanových a etanových řekách na Saturnově měsíci Titan, kde teploty klesají až k –180 oC. Pravděpodobně je tedy jen otázkou času, kdy některá z vesmírných sond pošle na Zemi vzorky s definitivním důkazem toho, že naše planeta není jediným živým místem naší soustavy.
Mrazivé pustiny?
Nejnižší teplota, za které zatím bylo potvrzeno množení a růst mikroorganismů (aktivní kolonie bakterií v arktickém ledu): -18 oC
Průměrná lednová teplota na vrcholku Mount Everestu: -36 oC
Průměrná lednová teplota na severním pólu: -40 oC
Průměrná červencová teplota na jižním pólu: -60 oC
Nejnižší teplota zaznamenaná na severní polokouli (pohoří Verchojany na Sibiři): -67,8 oC
Teplota polární ledové čepičky na Marsu: -70 oC
Nejnižší teplota zaznamenaná na jižní polokouli (stanice Vostok v Antarktidě): -89,4 oC
Teplota podpovrchového oceánu na Europě: -90 oC
Teplota na povrchu Europy: -163 oC
Teplota na povrchu Titanu: -180 oC
Tekutý dusík: -196 oC
Nejchladnější známé místo (Boomerang nebula v souhvězdí Kentaura) –272 oC
Absolutní nula: -273,15 oC
Co všechno se dá přežít:
Nejnižší pH: pH 0 – bakterie Ferroplasma acidarmanus objevená v měděném dole. Řasa Eudarydium, obývající sádrovcové jeskyně
Nejvyšší pH: pH 10,5 – bakterie rodů Natronobacterium, Bacillus firmus a Spirulina.
Nejnižší teplota: –196 oC – bakterie Colwellia 34H objevená v arktickém ledu
Nejvyšší teplota: 121 oC – bakterie ozanačená „121“ objevená u podmořských sopek v Tichém oceánu
Ledový inkubátor prvního života
Aby mohl vzniknout život, musely se nejprve vytvořit vysokomolekulární organické sloučeniny. Biologové za první z těchto látek považují RNA – nukleovou kyselinu, ve které mají nejjednodušší organismy uloženu genetickou inforamci. Většina pokusů „uvařit“ RNA z roztoku obsahující jednoduché organické sloučeniny zatím počítala s teplotou kolem 60 oC. Nicméně za takových podmínek jsou organické látky značně nestálé a pravděpodobně by hned podlehly rozpadu.
Nová teorie naznačuje, jak se RNA mohla zformovat v ledu. Při tuhnutí na sebe ledové krystalky „nabalují“ další a další molekuly vody, přičemž ji zbavují všech příměsí. Mezi jednotlivými krystaly tak vzniká roztok s až 500násobnou koncentrací látek původního roztoku. Nejnovější pokusy Harvardské univerzity (USA) na vytvoření podmínek pro samovolné vytvoření RNA řetězce, prováděné právě v ledu při teplotě –18 oC, měly mnohem větší úspěšnost, než dosavadní postupy v 60 oC. Za 38 dní inkubace se do řetězce začlenilo 30 „písmen“. Jiný pokus tentokrát německých odborníků probíhal celý rok. Němci do ledu nechali zamrazit již připravené malé dílky RNA a čekali, jestli se dokáží spojit ve větší celek. Výsledek byl nad jejich očekávání, získali řetězce dlouhé až 400 původních dílků. Je tedy docela dobře možné, že se život zrodil v ledu.
