Kaip bakterijos išgyvena ekstremaliomis sąlygomis?

Kartais užtenka netinkamai palikti sumuštinį ant stalo, kad po kelių valandų jame prasidėtų nematomas gyvenimas. Tuo metu Žemėje yra vietų, kur temperatūra svyruoja nuo beveik absoliutaus šalčio iki verdančio karščio, slėgis prilygsta kilometrų gylio vandenyno apkrovai, o vandens tiek mažai, kad žmogaus organizmas tokiomis sąlygomis neišgyventų nė akimirkos. Vis dėlto ten taip pat vyksta biologiniai procesai – tik jų dalyviai turi visai kitokias išlikimo taisykles.

Gyvybė, prisitaikiusi prie neįmanomo

Ekstremaliomis sąlygomis gyvenančios bakterijos vadinamos ekstremofilais. Vienos jų klesti karštose versmėse, kitos – Antarktidos lede, sūriuose ežeruose, rūgščiuose vandenyse ar giliai po žeme. Tai nėra viena konkreti bakterijų grupė. Ekstremofilais gali būti skirtingų rūšių mikroorganizmai, kuriuos sieja gebėjimas gyventi ten, kur daugumai kitų organizmų aplinka būtų pražūtinga.

Svarbiausia jų savybė – ne ypatingas „atsparumas“ apskritai, o labai tikslus prisitaikymas prie konkrečios grėsmės. Karštį mėgstančios bakterijos gamina baltymus, kurie nesuyra aukštoje temperatūroje. Šalčiui prisitaikiusios rūšys keičia ląstelės membranų sudėtį, kad jos išliktų lanksčios, o ne sustingtų. Dideliame druskingume gyvenančios bakterijos reguliuoja medžiagų koncentraciją ląstelės viduje, kad vanduo nebūtų išstumtas į aplinką.

Tokie pokyčiai vyksta ne per vieną dieną. Juos lemia genetiniai skirtumai, o aplinka atrenka tas bakterijas, kurios geriausiai susidoroja su spaudimu. Per daugybę kartų išlikę organizmai tampa savotiškais biologiniais specialistais.

Kai ląstelė pereina į taupymo režimą

Ne visos bakterijos ekstremaliomis sąlygomis aktyviai auga. Kai kurioms svarbiausia ne tęsti įprastą gyvenimą, o laikinai sustoti. Tam tikros bakterijos, ypač Bacillus ir Clostridium genčių atstovės, gali suformuoti endosporas – itin atsparias, ramybės būsenos struktūras.

Endospora nėra naujas organizmas ar dauginimosi būdas. Tai tarsi apsauginė kapsulė, susidaranti vienos bakterinės ląstelės viduje. Joje beveik nėra vandens, sulėtėja cheminės reakcijos, o genetinę medžiagą saugo keli apsauginiai sluoksniai. Bakterija tokiu pavidalu gali atlaikyti kaitrą, išdžiūvimą, ultravioletinę spinduliuotę, kai kurias chemines medžiagas ir ilgus nepalankaus laiko tarpsnius.

Kai aplinka vėl tampa tinkama, spora sudygsta. Pakanka vandens, maistinių medžiagų ir palankesnės temperatūros, kad ramybės būsenoje buvusi bakterija grįžtų į aktyvią būseną. Dėl šio gebėjimo bakterijų sporos gali išlikti dirvožemyje, dulkėse ar ant įvairių paviršių ilgą laiką. Medicinoje ir maisto pramonėje tai kelia nemažai rūpesčių, nes vien įprasto kaitinimo kartais nepakanka joms sunaikinti.

Apsauga nuo karščio, šalčio ir radiacijos

Aktyvios bakterijos taip pat turi daugybę molekulinių gynybos mechanizmų. Karštį mėgstančių mikroorganizmų baltymai yra stabilesnės struktūros, todėl aukšta temperatūra jų nesuardo taip lengvai kaip vidutinėmis sąlygomis gyvenančių bakterijų baltymus. Šis prisitaikymas pritaikytas biotechnologijoje: kai kurie karščiui atsparūs fermentai naudojami laboratoriniuose genetiniuose tyrimuose.

Šaltyje gyvenančios bakterijos susiduria su kita problema. Žema temperatūra lėtina chemines reakcijas, o ląstelės membrana gali tapti kieta ir nebefunkcionuoti. Todėl tokios bakterijos į savo membranas įterpia daugiau tam tikrų riebalų rūgščių, kurios padeda išlaikyti elastingumą. Jos taip pat gamina baltymus, padedančius veikti šaltyje, ir medžiagas, mažinančias ledo kristalų daromą žalą.

Ypač įspūdingas kai kurių bakterijų atsparumas jonizuojančiai spinduliuotei. Pavyzdžiui, Deinococcus radiodurans gali išgyventi radiacijos dozes, kurios daugeliui organizmų būtų mirtinos. Spinduliuotė pažeidžia DNR, tačiau ši bakterija turi daugybę genetinės medžiagos kopijų ir sudėtingą DNR atkūrimo sistemą. Pažeistos grandinės atkuriamos pagal išlikusias kopijas, todėl ląstelė gali sugrąžinti savo genetinę informaciją į veikiančią būseną.

Išgyvenimą padeda užtikrinti visa bendruomenė

Bakterijos retai egzistuoja visiškai pavieniui. Nepalankioje aplinkoje jos gali susijungti į biofilmus – prie paviršiaus prilipusias mikroorganizmų bendrijas, apsuptas jų pačių gaminamos gleivingos medžiagos. Šis sluoksnis veikia kaip fizinė ir cheminė apsauga: jis lėtina vandens praradimą, sulaiko maisto medžiagas ir apsunkina kenksmingų medžiagų patekimą.

Biofilme skirtingos bakterijos gali pasidalyti funkcijomis. Vienos skaido sudėtingas medžiagas, kitos naudoja susidariusius junginius, dar kitos padeda apsisaugoti nuo deguonies stygiaus ar toksinų. Tokia bendruomenė kartais išgyvena net tada, kai pavienė ląstelė tomis pačiomis sąlygomis žūtų.

Bakterijos taip pat gali keistis genetine informacija. Per plazmides ir kitus genetinės medžiagos perdavimo būdus jos įgyja naujų savybių, pavyzdžiui, atsparumą antibiotikams, gebėjimą skaidyti tam tikrus teršalus ar geriau toleruoti druską. Tai leidžia populiacijoms greičiau prisitaikyti prie kintančios aplinkos nei vien tik laukiant atsitiktinių mutacijų.

Ekstremaliomis sąlygomis bakterijų gyvenimas dažnai primena ne nuolatinę kovą, o tiksliai suderintą energijos taupymo, apsaugos ir atsistatymo sistemą. Jos gali sustingti, pakeisti savo vidinę chemiją, pasislėpti bendruomenėje arba atkurti net smarkiai pažeistą genetinę medžiagą. Būtent dėl šio lankstumo bakterijos išlieka beveik visur – nuo giliausių vandenyno sluoksnių iki žmogaus kasdien naudojamų paviršių.