Rez@ee
2nd December 2010, 06:17 PM
از 60- تا 121 درجه سانتی‌گراد، حیات در هر دمایی امکان‌پذیر است / گزارش تصویری (http://khabaronline.ir/news-111571.aspx)
دانش - اگرچه سرما دیواره خارجی سلول‌ها را درهم می‌شکافد و گرما سوخت‌وساز سلول‌ها را نابود می‌کند، اما دماهای خیلی بالا و خیلی پایین محدودیتی برای حیات ایجاد نمی‌کند.
محمود حاج‌زمان: مکان‌های بسیار کمی بر روی زمین وجود دارد که کاملا خالی از حیات باشد. مهم نیست که شرایط چقدر سخت و طاقت‌فرسا باشد، چرا که تقریبا همواره موجودی را می‌توان یافت که از همین شرایط نامساعد برای زندگی استفاده می‌کند.
به گزارش نیوساینتیست، (http://www.newscientist.com/special/extreme-survival) اگرچه سرما دیواره خارجی سلول‌ها را درهم می‌شکافد و گرما سوخت‌وساز سلول‌ها را نابود می‌کند، اما دماهای خیلی بالا و خیلی پایین محدودیتی برای حیات ایجاد نمی‌کنند. برخی مخلوقات حتی با وجود این‌که کاملا منجمد می‌شوند، باز هم به حیات خود ادامه می‌دهند. برخی از جانداران می‌توانند با تبدیل سلول‌های خود به قند جامد، چندین دهه بدون آب زنده بمانند. موجوداتی نیز وجود دارند که در زیر فشار خردکننده‌ای که هر چیزی را نابود می‌کند، به راحتی به زندگی خود ادامه می‌دهند، بدون آنکه حتی خم به ابرو بیاورند!
در این سری گزارش‌ها با چند نمونه از سخت جان‌ترین مخلوقات روی زمین، که با زندگی در سخت‌ترین شرایط مرگ را به مبارزه می‌طلبند، آشنا می‌شویم.
تکه‌های منجمد حیات
http://khabaronline.ir/images/2010/11/mg20827861.500-1_300.jpgدر دمای کمتر از 5 درجه سانتی‌گراد، فعالیت آنزیم‌ها -کاتالیزورهای زیستی که تمام واکنش‌های شیمیایی درون بدن جانداران را تسهیل می‌کنند- به طرز وحشتناکی کند می‌شود. وقتی دما به زیر صفر می‌رسد، مساله به مراتب بدتر می‌شود. در این حالت بلورهای یخ در داخل و اطراف سلول‌ها شروع به شکل‌گیری می‌کند که علاوه بر مصرف آب درون سلول، باعث پاره شدن دیواره سلولی و نابودی ارگان‌های داخل آن می‌شود.
با این وجود، بیش از 80 درصد سکونت‌گاه‌های روی زمین سردتر از 5 درجه سانتی‌گراد هستند، اما خوشبختانه محدودیتی در گونه‌های جانوری که بتوانند بر سرما غلبه کنند وجود ندارد. استثناءا در این یک مورد میکروب‌ها برتر از سایر جانداران نیستند، چرا که فعالیت آنها در حدود دمای منفی 15 درجه سانتی‌گراد متوقف می‌شود. این بار جانوران پیچیده‌تر هستند که با استفاده از فوت و فن‌های مختلفی که به آنها امکان زنده ماندن در سرمای منجمدکننده را می‌دهد، این جایگاه را به خود اختصاص داده‌اند.
در میان جانوران، پستانداران و پرندگان دارای مزیت بزرگی هستند که تامین گرمای بدن در نتیجه سوخت‌وساز داخلی اندام‌هاست. آنها همچنین بدن‌های خود را با استفاده از پر و چربی عایق می‌کنند. برخی از جانوران مانند پنگوئن‌های امپراتور, علاوه بر استفاده از پر و چربی زیر پوست، با جمع شدن به دور یکدیگر در مقابل بادهای استخوان‌سوز قطب جنوب که دمای هوا را تا منفی 60 درجه سانتی‌گراد کاهش می‌دهد، ایستادگی می‌کنند.
http://khabaronline.ir/images/2010/11/springtail.jpgبسیاری از حیوانات فاقد سیستم گرمای درونی بدن نیز در چنین دماهایی به حیات خود ادامه می‌دهند. به عنوان مثال مخلوقات حشره‌مانندی به نام Arctic Springtail (دم‌فنری قطبی) هنگام فرا رسیدن زمستان، با تولید مولکول‌های ضدیخ و خلاص شدن از شر موادی مانند محتویات و باکتری‌های روده‌ای که می‌تواند به عنوان هسته‌ای مرکزی برای شکل‌گیری بلورهای یخ عمل کند، نقطه انجماد مایعات بدنشان به زیر صفر کاهش می‌دهند. آنها همچنین با تولید کرایوپروتستانت‌ها -قندها یا گلوکزهایی که از آسیب سلول‌ها در مقابل فرایند یخ‌زدگی محافظت می‌کنند- مقاومت بدنشان را در برابر سرما افزایش می‌دهند.
برخی حیوانات مانند بسیاری از حشرات، نوزادان لاک‌پشت رنگی و چندین نوع از قورباغه‌های آمریکایی مانند قورباغه چوب، می‌توانند حتی در حالت یخ‌زده به حیات خود ادامه دهند. این جانوران از مواد ضدیخ برای محافظت قسمت‌هایی از بدنشان که اهمیت بیشتری دارد استفاده می‌کنند. در نواحی کم اهمیت‌تر بدن مانند حفرات داخلی و عدسی چشم، آنها با اجازه دادن به رشد باکتری‌ها یا تولید پروتئین‌هایی خاص که به هنوان هسته مرکزی بلورهای یخ عمل می‌کنند، فرایند یخ‌زدگی را کنترل می‌کنند.
http://khabaronline.ir/images/2010/11/gynaephora_groenlandica.jpgنوعی هزارپای آمریکایی با نام علمی Gynaephora Groenlandica که در جزیره السمر کانادا زندگی می‌کند، یکی از بهترین مثال‌ها برای زندگی در یخبندان است. این جانور در دمای منفی 70 درجه سانتی‌گراد به خواب زمستانی فرو می‌رود، اما اجازه می‌دهد تا محتویات روده‌ای، خون و سایر مایعات خارج سلولی بدنش یخ بزند.
نوعی نماتد قطبی با نام Panagrolaimus Davidii می‌تواند یک مرحله از این هم فراتر برود. این موجود به سیتوپلاسم سلول‌هایش نیز اجازه یخ زدن می‌دهد و تنها هسته و سایر ارگان‌های سلول را در حالت غیر یخ‌زده نگاه می‌دارد. هیچ کس نمی‌داند آنها چطور می‌توانند از عهده چنین وضعیت عجیبی برآیند، اما آنها یک کرایوپروتستانت تولید می‌کنند که احتمالا با هموار کردن لبه بلورهای یخ، از آسیب رساندن آنها جلوگیری می‌کنند.
http://khabaronline.ir/images/2010/11/panagrolaimus_davidii.jpg
مخلوقاتی که گرما را می‌بلعند!
در مقابل این سرمای کشنده، گرما هم چالشی اساسی برای حیات به شمار می‌رود. بر روی زمین، گرمای خیلی زیاد باعث تبخیر آب می‌شود و بدون آب، هیچ چیزی نمی‌تواند زنده بماند. اما در دریاها، گرمای زیاد مشکلی به حساب نمی‌آید. در دهانه‌های گرم‌آبی اعماق اقیانوس که آب در اثر گرمای درونی زمین گرم می‌شود، دما می‌تواند به 400 درجه سانتی‌گراد هم برسد. در چنین محیط‌هایی حداکثر حرارتی که ارگانیزم‌ها می‌توانند آن را تحمل کنند، نقطه‌ای است که با رسیدن به آن، مولکول‌های پیچیده مانند دی‌ان‌ای و پروتئین‌ها شروع به شکستن می‌کنند. در چنین دمایی، جذب بیش از حد انرژی باعث می‌شود که نهایتا اتصالات شیمیایی مولکول‌ها از هم بپاشد.
http://khabaronline.ir/images/2010/11/strain121_thin.jpgرکورد بیشترین دمایی که در آن حیات قادر به ادامه رشد است 121 درجه سانتی‌گراد است. این رکورد در اختیار نوعی میکروب است که خیلی ساده، نژاد 121 (Strain 121) نامیده می‌شود. این میکروب معمولا در درجه حرارت‌های حدود 100 درجه سانتی‌گراد و در دهانه‌های گرم‌آبی زندگی می‌کند. حتی هنگامی‌که دما به 130 درجه سانتی‌گراد می‌رسد این باکتری کماکان به زندگی خود در این محیط ادامه می‌دهد، اما تا زمانی که دما کاهش نیابد قادر به تکثیر نخواهد بود.
گرمادوست‌های جان‌سختی مانند نژاد 121، شیمی سلولی مشابهی مانند من و شما دارند. تفاوت آنها در این است که پروتئین‌ها و دی‌ان‌ای آنها محکم‌تر بسته‌بندی شده و به همین دلیل، آنها می‌توانند پیش از باز شدن انرژی گرمایی بیشتری را تحمل کنند. با این وجود در دماهای بیش از 100 درجه سانتی‌گراد، متابولیت‌های اصلی جانداران مانند آدنوزین‌تری‌فسفات (ATP) در چند ثانیه تخریب می‌شوند. بنابراین حداکثر دمای قابل تحمل موجودات زنده به این بستگی دارد که سلول‌های آنان با چه سرعتی می‌توانند این مواد را جایگزین کنند.
موجودات چندسلولی سخت‌تر می‌توانند گرما را تحمل کنند، گرچه دلیل آن واقعا معلوم نیست. اغلب چنین ارگانیزم‌هایی در دماهای بالای 40 درجه سانتی‌گراد به مشکل برمی‌خورند. هیچ کدام از انواع یوکاریوت‌ها -ارگانیزم‌هایی با تنها یک هسته در سلول‌هایشان- در دمای بالای 60 درجه سانتی‌گراد حیات تمام وقت ندارند.
http://khabaronline.ir/images/2010/11/mg20827861.600-1_300.jpgالبته تنها یک استثناء در این باره وجود دارد: کرم پمپی با نام علمی Alvinella Pompejanaکه در دهه 1980 میلادی در دهانه‌های گرمابی سواحل اطراف جزایر گالاپاگوس کشف شد. به طرز فوق‌العاده‌ای، دم این جانوران که به دیواره‌های دهانه‌های گرمابی متصل است، می‌تواند آب جوشی با دمای 80 درجه سانتی‌گراد را تحمل کند. خوشبختانه بقیه بدن آنها به اندازه کافی از آب داغ اطراف این دهانه‌ها دور است.
به دلیل این‌که این جانوران مدت زیادی در آزمایشگاه زنده نمی‌مانند، چندان مشخص نیست که دم این جانوران چطور می‌تواند این گرما را تحمل کند. یک عامل آن می‌تواند سطح بالای کلاژن آنها باشد، پروتئینی که در دماهای بالا نسبتا پایدار است. لوله‌های سختی که آنها برای زندگی کردن در آن می‌سازند و باکتری‌های همزیستی که در روی بدن آنها رشد می‌کنند، نیز نوعی محافظ برای آنها به وجود می‌آورد.
http://khabaronline.ir/images/2010/11/cataglyphis_bombycina.jpgبر روی زمین، حیوانی که می‌تواند بیشترین دما را تحمل کند نوعی جانور بیابانی است: مورچه نقره‌ای صحرا بانام علمی Cataglyphis Bombycina. این جانور می‌تواند هنگام تغذیه از جانورانی که در گرمای بیابان تلف شده‌اند، به مدت چندین دقیقه دمای بالای 53 درجه سانتی‌گراد آفتاب نیم‌روز بیابان را تحمل کند. اما این مورچه‌ها چطور می‌توانند از تلف شدن خودشان جلوگیری کنند؟ قبل از ترک لانه، آنها پروتئین‌های ضدحرارتی در بدنشان ذخیره می‌کنند که به سایر پروتئین‌ها کمک می‌کند شکل خود را حفظ کنند. در عین حال، آنها تمایل دارند از هر چیز بلندی که پیدا می‌کنند بالا بروند تا در نسیم خود را خنک کنند. این چیز می‌تواند گیاهان صحرایی باشد، یا حتی دانشمندانی که مشغول تماشای آنها هستند!
دانش - اگرچه سرما دیواره خارجی سلول‌ها را درهم می‌شکافد و گرما سوخت‌وساز سلول‌ها را نابود می‌کند، اما دماهای خیلی بالا و خیلی پایین محدودیتی برای حیات ایجاد نمی‌کند.
محمود حاج‌زمان: مکان‌های بسیار کمی بر روی زمین وجود دارد که کاملا خالی از حیات باشد. مهم نیست که شرایط چقدر سخت و طاقت‌فرسا باشد، چرا که تقریبا همواره موجودی را می‌توان یافت که از همین شرایط نامساعد برای زندگی استفاده می‌کند.
به گزارش نیوساینتیست، (http://www.newscientist.com/special/extreme-survival) اگرچه سرما دیواره خارجی سلول‌ها را درهم می‌شکافد و گرما سوخت‌وساز سلول‌ها را نابود می‌کند، اما دماهای خیلی بالا و خیلی پایین محدودیتی برای حیات ایجاد نمی‌کنند. برخی مخلوقات حتی با وجود این‌که کاملا منجمد می‌شوند، باز هم به حیات خود ادامه می‌دهند. برخی از جانداران می‌توانند با تبدیل سلول‌های خود به قند جامد، چندین دهه بدون آب زنده بمانند. موجوداتی نیز وجود دارند که در زیر فشار خردکننده‌ای که هر چیزی را نابود می‌کند، به راحتی به زندگی خود ادامه می‌دهند، بدون آنکه حتی خم به ابرو بیاورند!
در این سری گزارش‌ها با چند نمونه از سخت جان‌ترین مخلوقات روی زمین، که با زندگی در سخت‌ترین شرایط مرگ را به مبارزه می‌طلبند، آشنا می‌شویم.
تکه‌های منجمد حیات
http://khabaronline.ir/images/2010/11/mg20827861.500-1_300.jpgدر دمای کمتر از 5 درجه سانتی‌گراد، فعالیت آنزیم‌ها -کاتالیزورهای زیستی که تمام واکنش‌های شیمیایی درون بدن جانداران را تسهیل می‌کنند- به طرز وحشتناکی کند می‌شود. وقتی دما به زیر صفر می‌رسد، مساله به مراتب بدتر می‌شود. در این حالت بلورهای یخ در داخل و اطراف سلول‌ها شروع به شکل‌گیری می‌کند که علاوه بر مصرف آب درون سلول، باعث پاره شدن دیواره سلولی و نابودی ارگان‌های داخل آن می‌شود.
با این وجود، بیش از 80 درصد سکونت‌گاه‌های روی زمین سردتر از 5 درجه سانتی‌گراد هستند، اما خوشبختانه محدودیتی در گونه‌های جانوری که بتوانند بر سرما غلبه کنند وجود ندارد. استثناءا در این یک مورد میکروب‌ها برتر از سایر جانداران نیستند، چرا که فعالیت آنها در حدود دمای منفی 15 درجه سانتی‌گراد متوقف می‌شود. این بار جانوران پیچیده‌تر هستند که با استفاده از فوت و فن‌های مختلفی که به آنها امکان زنده ماندن در سرمای منجمدکننده را می‌دهد، این جایگاه را به خود اختصاص داده‌اند.
در میان جانوران، پستانداران و پرندگان دارای مزیت بزرگی هستند که تامین گرمای بدن در نتیجه سوخت‌وساز داخلی اندام‌هاست. آنها همچنین بدن‌های خود را با استفاده از پر و چربی عایق می‌کنند. برخی از جانوران مانند پنگوئن‌های امپراتور, علاوه بر استفاده از پر و چربی زیر پوست، با جمع شدن به دور یکدیگر در مقابل بادهای استخوان‌سوز قطب جنوب که دمای هوا را تا منفی 60 درجه سانتی‌گراد کاهش می‌دهد، ایستادگی می‌کنند.
http://khabaronline.ir/images/2010/11/springtail.jpgبسیاری از حیوانات فاقد سیستم گرمای درونی بدن نیز در چنین دماهایی به حیات خود ادامه می‌دهند. به عنوان مثال مخلوقات حشره‌مانندی به نام Arctic Springtail (دم‌فنری قطبی) هنگام فرا رسیدن زمستان، با تولید مولکول‌های ضدیخ و خلاص شدن از شر موادی مانند محتویات و باکتری‌های روده‌ای که می‌تواند به عنوان هسته‌ای مرکزی برای شکل‌گیری بلورهای یخ عمل کند، نقطه انجماد مایعات بدنشان به زیر صفر کاهش می‌دهند. آنها همچنین با تولید کرایوپروتستانت‌ها -قندها یا گلوکزهایی که از آسیب سلول‌ها در مقابل فرایند یخ‌زدگی محافظت می‌کنند- مقاومت بدنشان را در برابر سرما افزایش می‌دهند.
برخی حیوانات مانند بسیاری از حشرات، نوزادان لاک‌پشت رنگی و چندین نوع از قورباغه‌های آمریکایی مانند قورباغه چوب، می‌توانند حتی در حالت یخ‌زده به حیات خود ادامه دهند. این جانوران از مواد ضدیخ برای محافظت قسمت‌هایی از بدنشان که اهمیت بیشتری دارد استفاده می‌کنند. در نواحی کم اهمیت‌تر بدن مانند حفرات داخلی و عدسی چشم، آنها با اجازه دادن به رشد باکتری‌ها یا تولید پروتئین‌هایی خاص که به هنوان هسته مرکزی بلورهای یخ عمل می‌کنند، فرایند یخ‌زدگی را کنترل می‌کنند.
http://khabaronline.ir/images/2010/11/gynaephora_groenlandica.jpgنوعی هزارپای آمریکایی با نام علمی Gynaephora Groenlandica که در جزیره السمر کانادا زندگی می‌کند، یکی از بهترین مثال‌ها برای زندگی در یخبندان است. این جانور در دمای منفی 70 درجه سانتی‌گراد به خواب زمستانی فرو می‌رود، اما اجازه می‌دهد تا محتویات روده‌ای، خون و سایر مایعات خارج سلولی بدنش یخ بزند.
نوعی نماتد قطبی با نام Panagrolaimus Davidii می‌تواند یک مرحله از این هم فراتر برود. این موجود به سیتوپلاسم سلول‌هایش نیز اجازه یخ زدن می‌دهد و تنها هسته و سایر ارگان‌های سلول را در حالت غیر یخ‌زده نگاه می‌دارد. هیچ کس نمی‌داند آنها چطور می‌توانند از عهده چنین وضعیت عجیبی برآیند، اما آنها یک کرایوپروتستانت تولید می‌کنند که احتمالا با هموار کردن لبه بلورهای یخ، از آسیب رساندن آنها جلوگیری می‌کنند.
http://khabaronline.ir/images/2010/11/panagrolaimus_davidii.jpg
مخلوقاتی که گرما را می‌بلعند!
در مقابل این سرمای کشنده، گرما هم چالشی اساسی برای حیات به شمار می‌رود. بر روی زمین، گرمای خیلی زیاد باعث تبخیر آب می‌شود و بدون آب، هیچ چیزی نمی‌تواند زنده بماند. اما در دریاها، گرمای زیاد مشکلی به حساب نمی‌آید. در دهانه‌های گرم‌آبی اعماق اقیانوس که آب در اثر گرمای درونی زمین گرم می‌شود، دما می‌تواند به 400 درجه سانتی‌گراد هم برسد. در چنین محیط‌هایی حداکثر حرارتی که ارگانیزم‌ها می‌توانند آن را تحمل کنند، نقطه‌ای است که با رسیدن به آن، مولکول‌های پیچیده مانند دی‌ان‌ای و پروتئین‌ها شروع به شکستن می‌کنند. در چنین دمایی، جذب بیش از حد انرژی باعث می‌شود که نهایتا اتصالات شیمیایی مولکول‌ها از هم بپاشد.
http://khabaronline.ir/images/2010/11/strain121_thin.jpgرکورد بیشترین دمایی که در آن حیات قادر به ادامه رشد است 121 درجه سانتی‌گراد است. این رکورد در اختیار نوعی میکروب است که خیلی ساده، نژاد 121 (Strain 121) نامیده می‌شود. این میکروب معمولا در درجه حرارت‌های حدود 100 درجه سانتی‌گراد و در دهانه‌های گرم‌آبی زندگی می‌کند. حتی هنگامی‌که دما به 130 درجه سانتی‌گراد می‌رسد این باکتری کماکان به زندگی خود در این محیط ادامه می‌دهد، اما تا زمانی که دما کاهش نیابد قادر به تکثیر نخواهد بود.
گرمادوست‌های جان‌سختی مانند نژاد 121، شیمی سلولی مشابهی مانند من و شما دارند. تفاوت آنها در این است که پروتئین‌ها و دی‌ان‌ای آنها محکم‌تر بسته‌بندی شده و به همین دلیل، آنها می‌توانند پیش از باز شدن انرژی گرمایی بیشتری را تحمل کنند. با این وجود در دماهای بیش از 100 درجه سانتی‌گراد، متابولیت‌های اصلی جانداران مانند آدنوزین‌تری‌فسفات (ATP) در چند ثانیه تخریب می‌شوند. بنابراین حداکثر دمای قابل تحمل موجودات زنده به این بستگی دارد که سلول‌های آنان با چه سرعتی می‌توانند این مواد را جایگزین کنند.
موجودات چندسلولی سخت‌تر می‌توانند گرما را تحمل کنند، گرچه دلیل آن واقعا معلوم نیست. اغلب چنین ارگانیزم‌هایی در دماهای بالای 40 درجه سانتی‌گراد به مشکل برمی‌خورند. هیچ کدام از انواع یوکاریوت‌ها -ارگانیزم‌هایی با تنها یک هسته در سلول‌هایشان- در دمای بالای 60 درجه سانتی‌گراد حیات تمام وقت ندارند.
http://khabaronline.ir/images/2010/11/mg20827861.600-1_300.jpgالبته تنها یک استثناء در این باره وجود دارد: کرم پمپی با نام علمی Alvinella Pompejanaکه در دهه 1980 میلادی در دهانه‌های گرمابی سواحل اطراف جزایر گالاپاگوس کشف شد. به طرز فوق‌العاده‌ای، دم این جانوران که به دیواره‌های دهانه‌های گرمابی متصل است، می‌تواند آب جوشی با دمای 80 درجه سانتی‌گراد را تحمل کند. خوشبختانه بقیه بدن آنها به اندازه کافی از آب داغ اطراف این دهانه‌ها دور است.
به دلیل این‌که این جانوران مدت زیادی در آزمایشگاه زنده نمی‌مانند، چندان مشخص نیست که دم این جانوران چطور می‌تواند این گرما را تحمل کند. یک عامل آن می‌تواند سطح بالای کلاژن آنها باشد، پروتئینی که در دماهای بالا نسبتا پایدار است. لوله‌های سختی که آنها برای زندگی کردن در آن می‌سازند و باکتری‌های همزیستی که در روی بدن آنها رشد می‌کنند، نیز نوعی محافظ برای آنها به وجود می‌آورد.
http://khabaronline.ir/images/2010/11/cataglyphis_bombycina.jpgبر روی زمین، حیوانی که می‌تواند بیشترین دما را تحمل کند نوعی جانور بیابانی است: مورچه نقره‌ای صحرا بانام علمی Cataglyphis Bombycina. این جانور می‌تواند هنگام تغذیه از جانورانی که در گرمای بیابان تلف شده‌اند، به مدت چندین دقیقه دمای بالای 53 درجه سانتی‌گراد آفتاب نیم‌روز بیابان را تحمل کند. اما این مورچه‌ها چطور می‌توانند از تلف شدن خودشان جلوگیری کنند؟ قبل از ترک لانه، آنها پروتئین‌های ضدحرارتی در بدنشان ذخیره می‌کنند که به سایر پروتئین‌ها کمک می‌کند شکل خود را حفظ کنند. در عین حال، آنها تمایل دارند از هر چیز بلندی که پیدا می‌کنند بالا بروند تا در نسیم خود را خنک کنند. این چیز می‌تواند گیاهان صحرایی باشد، یا حتی دانشمندانی که مشغول تماشای آنها هستند!