Extrém élőhelyek a Földön

https://www.tessloff-babilon.hu/extrem-elohelyek-a-foldon 2020. March 10., Tuesday Antarktisz, baktérium, Föld, óceán

Az extrém azt jelenti: szélsőséges, rendkívüli. Földünkön több olyan terület is van, amely ezzel a szóval jellemezhető, és ahol emiatt sokkal nehezebb az élőlényeknek megmaradniuk, mint másutt. Az Európai Geotudományi Unió folyóirata, a Biogeosciences arról számolt be, hogy a tudósok az eddig ismerteknél is szélsőségesebb, szinte holtnak nevezhető zónákra találtak az Atlanti-óceánban. Itt az oxigén szintje az eddigiekben mért szinteknél hússzor alacsonyabbnak bizonyult, ezért ez a térség a legtöbb élőlény számára élhetetlen környezetet jelent. De vajon melyek az egyéb, szintén nehéz körülményeket teremtő helyek a Földön, és milyen életformák alkalmazkodtak ezekhez?

Maradjunk még a víz alatt

Ha az óceán mélyét nézzük, ott az ún. füstölgők jelentik a leginkább extrém területeket. Ezek több méter magas, kavargó, kürtőszerű képződmények a vízben, amelyekből kétfélét ismerünk: a fekete és a fehér füstölgőket.

Egy fekete füstölgő, amely a Föld mélyén rejlő vulkáni tevékenységek egyik terméke, valóságos űrbéli látványt nyújt az óceán mélyén.

A fekete füstölgők naponta akár több centit is növekedhetnek, és akár ezer évig is aktívak maradhatnak. Ezeket a tenger alatti vulkanikus központok táplálják, amelyekből folyamatosan forró vulkáni anyagok törnek fel és ütköznek a tenger jóval hidegebb vizével. A lávában elsősorban vas és kén van, amely a hő hatására vas-szulfiddá egyesül. Ez és még sokféle mérgező gáz és nehézfém alkotja a füstszerűen kavargó kürtőt, a lávaforrás feletti, 300-400 Celsius-fokos területen, amelyben különösen nagy a hidrosztatikus nyomás.

Ennek ellenére néhány élőlény még ebben a közegben is képes megélni! Ezekről azonban az emberiség igen sokáig nem értesült, hiszen az első ilyen vulkáni képződményt elég későn, 1977-ben fedezték föl az Alvin tengeralattjáró kutatói a Galápagos-hátságnál. Ekkor a kürtő területén máris egy több száz fajt tartalmazó élőközösséget találtak. Ebben a tápláléklánc alján álló, egyszerű, többnyire kemoszintetizáló (tehát a fényt mellőző, csak a kémiai reakciók energiáját használó) baktériumok adják az alapot, amelyre azután puhatestűek, csigák, csőférgek, kagylók és rákok egész tömege telepedett rá.

A fehér füstölgők szintén a vulkáni jelenlét következményei, ám ezek kürtői már nem a forró láva anyagaiból, hanem a kevésbé átalakult kőzetekből, bazaltból és a peridotitből állnak. A feketékénél jóval alacsonyabb hőmérsékletű, kürtőszerű örvényléshez a repedésekben keringő, vulkanikus eredetű meleg víz szolgáltatja a hőt. A fehér gőzölgők hőmérséklete általában a 40-75°C közötti tartományban mozog, és csak helyenként éri el a 150°C-ot. A kürtőben áramló víz sokkal tisztább, mint a fekete füstölgőknél, ezért is kapta a „fehér” jelzőt. A fehér füstölgőkben kiváló ásványok közt jóval kevesebb a fém, és bennük elsősorban kalcium-karbonát, e mellett szfalerit, markazit, cink, ólom, kadmium és gallium található. Az Atlanti-óceánba a Lost City nevű térségben a leggyakoribbak, ahol egyes fehér füstölgők 70-80 méter magasak és több ezer évesek is lehetnek. Alacsonyabb hőmérsékletük ellenére mégis ezekben látunk szegényesebb élővilágot.

A füstölgők egyik, hazai szakértője, Kereszturi Ákos szerint ezek a területek azért is különösen érdekesek a kutatók számára, mert hozzájuk részben hasonló környezetek elméletileg előfordulhatnak például a Jupiter Europa nevű holdján, a jégpáncél alatti óceán aljzatán. De ugyanígy lehetnek ilyenek a Marson is, amelyen szintén létezhetnek vulkáni hőforrások. Mindezek együttes kutatása pedig sok, további tudáshoz juttathat hozzá minket, az univerzumról.

A bal felső képen látható vörös jelzés mutatja, hogy hol rejtőzik a jég alatti, 3710 méter mélyen kezdődő Vosztok-tó, amelynek vizéhez sajnos még nem sikerült eljutniuk a kutatóknak a műszereikkel. Ám, mint látható, komoly kutatóállomás épült a tó fölé, hiszen a Föld és a világűr tanulmányozása szempontjából egyaránt kiemelten fontos az ilyen, extrém területek megismerése. (NASA, Todd Sowers LDEO, Columbia University, Palisades)

És a tengeren kívül?

Az antarktiszi McMurdo-szárazvölgyek olyanok, mintha a Marson járnánk. Ezek a déli kontinens legnagyobb jégmentes területei, ahol az alacsony hőmérséklet mellett az erős szél, a nyáron különösen erős ultraibolya sugárzás, a fagyás és olvadás napi ciklikus változása valamint a talaj sógazdagsága határozza meg a környezetet. Emellett a felszínén a Marséhoz hasonló módon váltakoznak a gleccserek és a jéggel fedett tavak. A felszínhez közeli rétegben – feltehetően a száraz légkör felé irányuló, erős párolgás miatt – a különböző oldatok töményekké válnak, és 20-30 centiméter vastag sós réteg keletkezik.

Bármilyen hihetetlen, még ezen a különösen extrém helyen is vannak élőlények, elsősorban a terület kőzettörmelékes részén. Az eddigi kutatások során a felső 3-8 centiméter vastag rétegben Penicillium baktériumot, cianobaktériumokat (kékeszöld algákat), a porózus homokkövekben pedig gombákat, moszatokat, zuzmókat találtak.
A szabadon vagy zuzmókban élő cianobaktériumok fotoszintézissel kötik meg a légköri nitrogénből az ammóniát, és további nitrogéntartalmú molekulákat hoznak létre. Az élőlények elrendeződését az ultraibolya sugárzás is befolyásolja: a magasabb szinteken az erősebben pigmentált, ellenálló formák élnek meg, míg mélyebben már a sugárzásra érzékenyebbek.

Az Antarktiszon a szárazvölgyek mellett jég alatti tavakat is találunk, amelyek feltehetőleg a gleccserek visszahúzódásai nyomán maradtak vissza. A vastagabb jéggel fedett, idősebb tavak kora évmilliókban mérhető. Alulról a geotermikus hő melegíti ezeket, felülről viszont a jégtakaró gyenge hővezető képessége lassítja a lehűlésüket. A vékonyabb jegű tavak aljzatán, ahová a fénynek csak mintegy 0,5 százaléka jut le, főleg cianobaktériumok és algák élnek meg.

A vastag jégpáncél alatti tavak legnevesebb és egyben legnagyobb képviselője a Vosztok-tó, amely néhány millió éves lehet, és a jég alatt 3710 méter mélyen fekszik. Átlagos mélysége 400-500 méter. Eddig csak a tó teteje fölötti, 100 méteres szintből tudtak mintát venni, de ebben is találtak életképes sejteket, és több, olyan élőlényt, amely ma még ismeretlennek minősül.

Mi a permafroszt?

A permanensen, vagyis folyamatosan, örökké fagyott talaj neve a permafroszt réteg, amely vizsgálatának szintén az univerzum általános megismerése miatt tulajdonítanak nagy jelentőséget. Különösen izgalmas, hogy az életnek vajon milyen lehetőségeit kínálja egy ilyen, legfeljebb vékony vízhártyát fenntartó, jéghideg terület. A kutatások szerint a  permafroszt rendkívül stabil környezetet biztosít a benne helyet találó élőlények számára. A hideg konzerválja a sejteket és erősen lassítja a kémiai és egyéb életfolyamatokat – itt tehát a hibernálásra látunk példát.

A vizsgálatok alapján az élőlények a sugárzást is jobban bírják a permafrosztban. A sejtekben a víz itt jóval a nulla fok alatt fagy meg, részben mert a sejtplazmában sok egyéb molekula is megtalálható, amelyek nehezítik a víz megfagyását. A permafrosztban szintén a kemoszintetizáló és nitrifikáló (ammóniát nitritté és nitráttá alakító) baktériumok, valamint metanogén (metánt termelő) archeák élnek.

Ilyen, ún. filogenetikus fán lehet bemutatni a baktériumok, az archeák és az eukarióták feltételezett leszármazását az RNS adatok alapján.

Mik azok az archeák?

Az archeák (a görög „ősi eredetű” kifejezésből), más néven ősbaktériumok az élő szervezetek egyik nagy csoportját adják. Bár még teljes mértékben nem sikerült tisztázni az eredetüket, abban már egyetértés született, hogy a baktériumok – archeák – eukarióták (sejtmaggal rendelkező szervezetek) felosztásban helyezhetőek el, mint a baktériumokhoz hasonlóan egysejtű, sejtmag nélküli, más néven prokarióta szervezetek. (A három, nagy csoportot a tudósok doméneknek hívják.)

Az archeákat kezdetben csak szélsőséges életkörülmények között – extrém módon hideg vagy forró – területeken találták meg, de azóta sokféle élőhelyen, például az állati és emberi bélflórában is rájuk bukkantak. Néhány biológus szerint az archeák és az eukarióták őse egy módosult baktérium lehetett, mások azonban úgy vélik, hogy az eukarióta sejt egy baktérium és egy archea összeolvadásából jött létre, s ezáltal keletkezett a sejtmag és a citoplazma. Ez utóbbi mellett szól, hogy a doméneket változatos genetikai hasonlóságok kötik össze, ugyanakkor ellentmond ennek a sejtstruktúrák határozott különbözősége.

Két kutató, Carl Woese és George E. Fox a genetikai vizsgálataik során 1977-ben arra a következtetésre jutott, hogy az Archaea csoportba tartozó élőlények a baktériumoktól eltérő ágon fejlődtek. Mindenesetre már sok mindent lehet tudni róluk. Például azt is, hogy a sejtstruktúrájuk és az anyagcseréjük a prokariótákéhoz hasonlít, ugyanakkor a genetikai jellemzőik csak részben azonosak a baktériumokra jellemző sajátosságokkal, és sok szempontból az eukariótákkal köti össze őket. Különleges vonásuk, hogy a különlegesen hideg és a különlegesen forró típusain (például gejzírekben) is képesek megélni. Ez utóbbit valószínűleg a sejtmembránjuk egyik egyedi vonása teszi lehetővé: míg a legtöbb baktérium és eukarióta membránja glicerin-észter lipidekből áll, az archeánál a membránban glicerin-éter lipidek vannak.

És mivel a legrégebbi földtörténeti időszakban a baktériumok és az archeák voltak az egyedüli sejtes organizmusok a Földön, az archeák kutatása még egészen biztosan fontos összefüggések megismeréséhez vezet.

Lévai Júlia