Život na hraně

Zvládnou přežít globální zalednění, masivní vulkanismus nebo změnu složení atmosféry. Odolným formám života se daří uspět většinou díky značné variabilitě. Vědcům se tuto odolnost povedlo přenést na další rostlinné a živočišné druhy.

Okolo Antarktidy plavou ryby s látkou chránící proti zmrznutí. Mikroskopická želvuška Ramazzottius varieornatus (viz s. 333) přežije vyschnutí i dávku radiace, která by mnohonásobně překročila smrtelný limit pro člověka. Bakterie Deinococcus radiodurans dokáže opravit genom rozlámaný ionizujícím zářením.

1. Rypoš lysý (Heterocephalus glaber) je expertem na zvládání nejrůznějších extrémů. Při velkém nedostatku kyslíku, ale i hladu v období sucha, dokáže snížit svůj metabolismus až o 25 %.

Snímek Neil Bromhall, Nature Picture Library, Profimedia

Život na Zemi nikdy nevznikal ani nepřežíval za optimálních podmínek. Od počátku čelil extrémům, třeba žáru, mrazu, vyschnutí, nedostatku kyslíku i chemické a radiační zátěži, a odpověděl na ně překvapivě vynalézavě. Současná odolnost pak není jen výjimkou na okrajích biosféry, ale jednou z jeho základních vlastností. A to i z fyzikálních důvodů, neboť život jako takový funguje na samých hranicích entropie. Evoluce během miliard let vytvořila molekulární strategie, které stabilizují proteiny při vysokých teplotách, brání tvorbě ledových krystalů, opravují poškozenou DNA či přelaďují metabolismus na minimum kyslíku.

Na hraně varu

Když se na přelomu tisíciletí podařilo z hlubokomořských hydrotermálních vývěrů izolovat mikroorganismus dnes známý jako kmen 121, šlo o mimořádné překvapení. Byl schopen nejen přežívat, ale aktivně se dělit při 121 °C, tedy při teplotě, kterou používáme k sterilizaci lékařských nástrojů. To, co je pro většinu známého života daleko za hranicí destrukce, je pro něj optimem růstu. Vysoká teplota přitom představuje pro buňku zásadní fyzikálně-chemický problém. Proteiny při zahřívání denaturují, tedy ztrácejí svou trojrozměrnou strukturu, a tím i funkci. Membrány se stávají příliš tekutými, DNA se snadněji poškozuje, rozpojují se její dva řetězce, držící spolu pomocí relativně slabých vodíkových můstků.

Bakterie a archea žijící v extrémně horkém prostředí však evolučně „přepsaly“ molekulární pravidla stability. Jejich proteiny obsahují více iontových vazeb a hydrofobních interakcí, které zpevňují strukturu. Enzymy mají kompaktnější uspořádání a méně flexibilní smyčky. Membrány archeí jsou tvořeny éterovými lipidy, často dokonce spojenými do monovrstvy (v rámci cyklické molekuly obsahující dvě polární „hlavičky“), která lépe odolává tepelné destabilizaci. Odolnost zde není jeden trik, ale soubor vzájemně provázaných úprav.

Z praktického hlediska jsme tyto adaptace využili dříve, než jsme plně porozuměli jejich molekulární podstatě. Z termofilní bakterie Thermus aquaticus (obr. 2) byl izolován enzym DNA-polymeráza, který si zachovává aktivitu i po opakovaném zahřátí na teploty blízké varu. Dnes je známý jako Taq-polymeráza a umožnil rozvoj polymerázové řetězové reakce (PCR), techniky, jež zásadně proměnila biologii, medicínu i forenzní vědu. Evoluční adaptace mikroorganismu žijícího v horkém prameni se tak stala důležitým nástrojem, bez kterého si nedokážeme představit biologický a biomedicínský výzkum.

Extrémní termofilie však zároveň rozšiřuje naši představu o obyvatelnosti prostředí. Pokud může buněčný metabolismus fungovat při teplotách přesahujících bod varu vody za běžného tlaku, pak se hranice „obyvatelné zóny“ – na Zemi i mimo ni – posouvají. To, co jsme dříve považovali z podstaty za sterilní, může být jen reálnou ekologickou nikou. Život na hraně varu proto není kuriozitou. Je připomínkou, že biologické systémy nejsou pasivní obětí fyzikálních limitů, ale dokážou je posunout někdy až za hranici toho, co jsme považovali za možné. Vždy ale musí působit nějaký evoluční tlak. Například v bezprostředním okolí bílých a černých podmořských kuřáků je dobré mít monopol na anorganické sloučeniny využitelné jako zdroj energie.

2. Před 70 lety se věřilo, že bakterie nedokážou přežít extrémní horko. V šedesátých letech 20. století si ale americký mikrobiolog Tom Brock (1926–2021; na snímku) při výzkumu živých organismů nalezených v geotermálních horkých pramenech Yellowstonského národního parku všiml bakterie, která dokáže přežít opakované zahřátí na teploty blízké varu, a nejlépe se jí daří ve vodách s teplotou 70 °C. Jím objevená bakterie Thermus aquaticus se ukázala být dobrým zdrojem tepelně stabilní DNA -polymerázy, což později vedlo k vývoji technologie vysokoteplotní polymerázové řetězové reakce (PCR), která využívá rychlé teplotní cykly k exponenciálnímu zmnožení genetického materiálu pro následnou analýzu a manipulaci.

Snímek Peter Menzel, Sciencephoto, Profimedia

Pod bodem mrazu

Jestliže hypertermofilové posouvají hranici života směrem k varu vody a nad něj, jiné organismy jdou hluboko pod bod mrazu. Chlad představuje zásadní fyzikální problém: voda krystalizuje, mění objem a vytváří struktury, které mechanicky narušují buněčné membrány i organely. Současně se zpomalují enzymatické reakce a hrozí kolaps metabolické rovnováhy.

Evoluce na tento tlak neodpověděla jedním univerzálním řešením, ale několika principiálně odlišnými strategiemi. Jednou z nich je inhibice růstu ledu. Antarktické ryby produkují proteiny, které se vážou na povrch vznikajících ledových krystalů a blokují jejich další zvětšování (antifreeze proteins, AFPs). Nejde o klasické snížení bodu tuhnutí jako při solení silnic; voda může zmrznout, ale její krystalizace je zpomalena a strukturálně omezená. Organismus tím minimalizuje mechanické poškození tkání.

Existuje ale i opačný postup: řízené spuštění krystalizace. Některé bakterie, například druhy rodu Pseudomonas, produkují tzv. ice nucleating proteins (INP), které iniciují vznik ledu při relativně vysokých teplotách. Tím prostor mimo buňku řízeně zamrzne, zatímco prostor uvnitř zůstává dehydrovaný, nikoli roztrhaný chaotickými krystaly. Led zde není nepřítel, ale nástroj organizace.

Další strategie spočívá v toleranci řízeného promrznutí. Například skokan lesní (Rana sylvatica) během zimy přežívá stav, kdy je značná část jeho tělesných tekutin zmrzlá. Klíčem je rychlá mobilizace glukózy a dalších kryoprotektantů, které stabilizují membrány a proteiny a snižují riziko nitrobuněčné krystalizace. Organismus nepřežívá proto, že by nezmrzl, ale proto, že zmrzne kontrolovaně. Nejradikálnější odpověď představuje kryptobióza (Vesmír 88, 304, 2009/5). Vypadá tak, že želvušky, například Ramazzottius varieornatus, při vyschnutí nebo zmrazení téměř zastaví metabolismus. Buňky jsou stabilizovány ochrannými cukry, jako je trehalóza, a specifickými neuspořádanými proteiny, které nahrazují vodu v cytoplazmě a organelách. Organismus nepřežívá extrémní podmínky aktivní adaptací, ale dočasným vystoupením z běžného biologického času.

Z fyzikálního hlediska je chlad méně destruktivní než žár – molekuly se nerozpadají, ale zpomalují rychlost svých chemických transformací. Biologicky je však stejně radikální, protože ohrožuje dynamickou organizaci živé hmoty.

Evoluce proto řeší mráz třemi základními způsoby: kontrolou krystalizace, regulací osmotického prostředí a dočasným pozastavením metabolismu. Odolnost zde neznamená jen zesílení ochrany, ale schopnost přejít do jiného fyziologického režimu. Právě tato pluralita strategií je důležitá. Ukazuje, že mrazuvzdornost není jediný „gen pro odolnost“, ale systémové nastavení, v němž se fyzikální chemie vody potkává s regulací metabolismu, strukturou membrán i dynamikou buněčných sítí.