In previous posts on how extraterrestrial life could be, we talked about many extreme environments where living beings—extremophiles—thrive in our planet. These could be models of alien life. In this post we will keep exploring more about amazing extremophiles.
Pressure is another physical limit for life. Barophiles are microorganisms capable of resisting pressures even a thousand times greater than the atmospheric pressure. So far, over 432 species of foraminifers—single-cell organisms with an external shell—have been discovered in the Challenger Deep, a relatively small slot-shaped depression in the bottom of the Mariana Trench (1) with a maximum aquatic depth of 10,924 meters below the surface of the Pacific Ocean (2). Comparably to what happens in underwater hydrothermal ocean vents, besides simple single-cell organisms, in the Challenger Deep live amphipods—crustaceans like the Hirondellea gigas in the image below—coated with an exoskeleton of aluminum armor (3).
Hirondellea gigas
If the aquatic environment is essential for life, its acidity and alkalinity represent other possible limits. The pH value indicates the acidity or alkalinity of a solution on an exponential scale; that is, each unit of pH change toward the ends of the scale indicates an acidity or alkalinity ten times greater. The pH scale ranges from pH 0 to 14, in which pH 7 represents neutrality. Below pH 7 the solution is acidic and above alkaline. Lake Magadi, in southern Kenya, has ecosystems at pH 11, far from the relative neutrality of our blood (pH 7.4). Despite this, algae grow in that highly alkaline environment and serve as food for the pink flamingos that also inhabit the lake (4). At the other extreme, in the waters of the Iron Mountains of Southern California with a pH between 0 and 1 (like car battery acid) and of Rio Tinto, Spain, at pH 2.3 acidophilic microbes flourish (5).
Rio Tinto (Red river), Spain / Río Tinto, España
Salinity is another restriction for life. In Lake Mono, California, with three times the concentration of salt of seawater, and at pH 10, live flies (Ephydra hians) and crustaceans (prawns, Artemia monica) on which several species of birds feed (6). Halophilic (salt-loving) microbes hold the record for living in conditions of high salinity. They can withstand 15% to 37% salt concentrations, whereas seawater is only 3% to 4% saline, and our blood is about 0.9% (5).
We are familiar with the sport of triathlon. The athletes are sometimes called “iron woman” or “iron man”. If we had to define a champion-of-resistance animal species in extreme conditions, or “iron bug” the prize would go to the tardigrades, eight-legged segmented micro-animals 0.5 millimeters (0.02 inches) in length. Tardigrades, which probably appeared more than 500 million years ago, are found from rainforests to Antarctica and from mountaintops to sea trenches. Different species of tardigrades can withstand extreme pressures, temperatures between -272 ºC and 150 ºC, absence of air or food, dehydration up to 10 years, as well as radiation and ultraviolet light capable of killing viruses and resistant bacteria (7). They can also withstand impacts of up to 3,000 km—1,864 miles—per hour (8) and outer space (9,10).
Milnesium tardigradum
The study of extremophiles, “aliens” on our own planet, goes beyond the interest of astrobiologists. These species also have relevant practical and industrial applications. They are possibly the organisms most likely to provide us with discoveries and tools that may be useful precisely in difficult environmental conditions.
After the onset of the COVID-19 pandemic, there must be very few people left in the world who have not heard of the molecular biology technique called PCR (polymerase chain reaction). PCR is used to make copies of DNA in the lab. PCR allows the exponential generation of copies of segments of DNA, facilitating the detection of the presence of that DNA, such as the presence of a viral infection.
With the PCR method, in the first round of reactions, a single molecule of the nucleic acid of interest is used as a template and is duplicated. In each next stage (or cycle, according to technical terminology) the number of target molecules is doubled (to 4, 8, 16, 32, etc.). After 35 cycles (a number of steps common in this technique) of DNA replication, the number of molecules generated reaches 68 billion (2 raised to the thirty-sixth power, that is, 2^36).
Depiction of PCR reaction type exponential amplification /
Representación de una amplificación exponencial del tipo de la reacción PCR
(Now that we have visited how exponential growth works, wouldn’t it be lovely if you, dear reader, could convince two friends to sign to this website, and also convince them to repeat the cycle?)
Among the ingredients necessary for the PCR reaction is an enzyme called DNA polymerase. This enzyme is capable of generating new molecules of DNA identical to the template DNA, which is the molecule this test seeks to detect in the sample being analyzed. This reaction requires separating the two complementary strands that form the initial DNA molecule by heating the reaction mixture to very high temperatures, usually above 90 ºC. Originally the reaction used an enzyme that could not maintain its activity at those temperatures, making it necessary to add fresh DNA polymerase after each cycle to start the next reaction. Kary Mullis first employed a heat-resistant enzyme (Taq DNA polymerase) obtained from the extremophile Thermus aquaticus, a species of bacterium identified in the high-temperature geysers of Yellowstone Park that is capable of withstanding greater than 90 ºC (11).
Geyser at Yellowstone Park, U.S.A. / Geiser del parque de Yellostone, EE.UU.
Taq DNA polymerase made it possible to carry out the multistep PCR reactions uninterrupted. Mullis, of peculiar character, won the Nobel Prize in 1993, which allowed him to increase his fondness for, among other things, surfing (12).
Electron microscopy image of Thermus Aquaticus /
Imagen por microscopía electrónica de Thermus Aquaticus
The PCR reaction is used every day in countless laboratories around the world for research and for diagnostics of genetic and infectious diseases. It is impossible to estimate the high number of lives that have been saved thanks to it.
Research on extremophiles will lead to new applications that will improve our lives (13). This is yet another reason to defend, conserve, and restore the natural ecosystems on which these organisms depend.
Versión en español:
En publicaciones anteriores sobre cómo podría ser la vida extraterrestre, hablamos de muchos ambientes extremos donde seres vivos, los extremófilos, prosperan en nuestro planeta. Estos podrían ser modelos de vida alienígena. En este post seguiremos explorando más sobre increíbles extremófilos.
La presión es otro límite físico para la vida. Los barófilos son microorganismos capaces de resistir presiones incluso mil veces mayores que la presión atmosférica. Hasta ahora, se han descubierto más de 432 especies de foraminíferos, organismos unicelulares con una concha externa, en el abismo Challenger, una depresión relativamente pequeña en forma de ranura en el fondo de la Fosa de las Marianas (1) con una profundidad de hasta 10.924 metros por debajo de la superficie del Océano Pacífico (2). De manera similar a lo que sucede en los respiraderos hidrotermales submarinos, además de los organismos unicelulares simples, existen anfípodos, crustáceos como Hirondellea gigas en la imagen de abajo, recubiertos con un exoesqueleto de armadura de aluminio (3).
Si el medio acuático es esencial para la vida, su acidez y alcalinidad representan otros posibles límites. El valor de pH indica la acidez o alcalinidad de una solución en una escala exponencial; es decir, cada unidad de cambio de pH hacia los extremos de la escala indica una acidez o alcalinidad diez veces mayor. La escala de pH varía entre 0 y 14, en la que el pH 7 representa la neutralidad. Por debajo de pH 7 la solución es ácida y por encima alcalina. El lago Magadi, en el sur de Kenia, tiene ecosistemas a pH 11, lejos de la relativa neutralidad de nuestra sangre (pH 7.4). A pesar de esto, las algas crecen en ese ambiente altamente alcalino y sirven de alimento para los flamencos rosados que también habitan el lago (4). En el otro extremo, en las aguas de las montañas de hierro (Iron mountains) del sur de California, con un pH entre 0 y 1 (como el ácido de la batería del automóvil) y en Río Tinto, España, florecen microbios acidófilos a pH 2,3 (5).
La salinidad es otra posible restricción para la vida. En Lake Mono, California, con tres veces la concentración de sal del agua de mar, y a pH 10, viven moscas (Ephydra hians) y crustáceos (langostinos, Artemia monica) de los que se alimentan varias especies de aves (6). Los microbios halófilos (que habitan en terrenos donde abunda la sal) tienen el récord de vivir en condiciones de alta salinidad. Pueden soportar concentraciones de sal del 15% al 37%, mientras que el agua de mar es sólo del 3% al 4%, y nuestra sangre contiene aproximadamente tan sólo 0,9% (5).
Conocemos el deporte del triatlón humano. Los atletas a veces se llaman "mujer de hierro" u "hombre de hierro". Si tuviéramos que definir una especie animal campeona de resistencia en condiciones extremas, o "bicho de hierro", el premio sería para los tardígrados, micro animales segmentados de ocho patas, con 0,5 milímetros de longitud. Los tardígrados, que probablemente aparecieron hace más de 500 millones de años, se encuentran desde en las selvas tropicales hasta en la Antártida y desde en las cimas de las montañas hasta en las fosas marinas. Diferentes especies de tardígrados pueden soportar presiones extremas, temperaturas entre -272 ºC y 150 ºC, ausencia de aire o alimentos, deshidratación hasta 10 años, así como radiación y luz ultravioleta capaces de matar virus y bacterias resistentes (7). También pueden soportar impactos de hasta 3,000 km por hora (8) y el espacio exterior (9,10).
El estudio de los extremófilos, "alienígenas" en nuestro propio planeta, va más allá del interés de los astrobiólogos. Estas especies también tienen aplicaciones prácticas e industriales relevantes. Son posiblemente los organismos más propicios a darnos descubrimientos y herramientas que pueden ser útiles precisamente en condiciones ambientales difíciles.
Después del inicio de la pandemia de la COVID-19, deben quedar muy pocas personas en el mundo que no hayan oído hablar de la técnica de biología molecular llamada PCR (reacción en cadena de la polimerasa, por sus siglas en inglés). La PCR se utiliza para hacer copias de ADN en el laboratorio. Ello permite la generación exponencial de copias de segmentos de ADN, facilitando la detección de su presencia, por ejemplo en el caso de infección un por virus.
Con el método de PCR, en la primera etapa de la reacción, se utiliza una sola molécula del ácido nucleico de interés como plantilla y se duplica. En cada siguiente etapa (o ciclo, según la terminología técnica) el número de moléculas diana se duplica (a 4, 8, 16, 32, etc.). Después de 35 ciclos de replicación del ADN (una cantidad común en esta técnica), el número de moléculas generadas alcanza los 68 mil millones (2 elevados a la trigésimo sexta potencia, es decir, 2^36).
(Ahora que hemos visto cómo funciona el crecimiento exponencial, ¿no sería encantador si usted, querido lector, pudiera convencer a dos amigos para que se afilien a esta web, y también convencerlos de que repitan el ciclo?).
Entre los ingredientes necesarios para la reacción de PCR se encuentra una enzima llamada ADN polimerasa. Esta enzima es capaz de generar nuevas moléculas de ADN idénticas a la original que esta prueba busca detectar. La reacción requiere separar las dos hebras complementarias que forman la molécula de ADN inicial calentando la mezcla de reacción a temperaturas muy altas, generalmente por encima de 90 ºC. Originalmente la reacción utilizaba una enzima que no podía mantener su actividad a esas temperaturas, por lo que era necesario agregar ADN polimerasa nueva después de cada ciclo para comenzar la siguiente etapa. Kary Mullis empleó por primera vez una enzima resistente al calor (Taq ADN polimerasa) obtenida del extremófilo Thermus aquaticus, una especie de bacteria identificada en los géiseres de alta temperatura del Parque de Yellowstone, que es capaz de soportar más de 90 ºC (11).
La Taq ADN polimerasa permitió llevar a cabo las reacciones de PCR sin interrupciones. Mullis, de carácter peculiar, ganó el Premio Nobel en 1993, lo que le permitió aumentar su afición por, entre otras cosas, el surf (12).
La reacción de PCR se utiliza todos los días en innumerables laboratorios de todo el mundo para la investigación y el diagnóstico de enfermedades genéticas e infecciosas. Es imposible estimar el alto número de vidas que se han salvado gracias a ella.
La investigación sobre los extremófilos conducirá a nuevas aplicaciones que mejorarán nuestras vidas (13). Esta es otra razón más para defender, conservar y restaurar los ecosistemas naturales de los que dependen estos organismos.
Images / Imágenes:
Hirondellea gigas. Daiju Azuma. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Hirondellea_gigas.jpg. CC BY-SA 2.5 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5> ,via Wikimedia Commons.
Rio Tinto (Red river), Spain. Paco Naranjo Jiménez. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Rio_Tinto_6.jpg. CC BY-SA 4.0.<https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0>, via Wikimedia Commons.
Tardigrade / Tardígrado (Milnesium tardigradum). Schokraie E, Warnken U, Hotz-Wagenblatt A, Grohme MA, Hengherr S, Förster F, et al. (2012) Comparative proteome analysis of Milnesium tardigradum in early embryonic state versus adults in active and anhydrobiotic state. PLoS ONE 7(9): e45682. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0045682.
Depiction of PCR reaction type exponential amplification / Representación de una amplificación exponencial del tipo de la reacción PCR Korey Griffin. https://openwetware.org/wiki/File:GriffinPCR.jpg. Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported.
Geyser at Yellowstone Park, U.S.A. / Geiser del parque de Yellostone, EE.UU. Juan I. Jorquera.
Electron microscopy image of Thermus Aquaticus / Imagen por microscopía electrónica de Thermus Aquaticus. Wikipedia. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Therm.png. CC BY-SA 4.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0>, via Wikimedia Commons.
References / Referencias:
1. Cassandra Bongiovanni et al. High-resolution multibeam sonar bathymetry of the deepest place in each ocean. GeoScienceData Journal. 2021. https://doi.org/10.1002/gdj3.122.
2. Mariana Trench. https://en.wikipedia.org/wiki/Mariana_Trench. Accessed on March 4, 2022.
3. Kobayashi H, Shimoshige H, Nakajima Y, Arai W, Takami H (2019) An aluminum shield enables the amphipod Hirondellea gigas to inhabit deep-sea environments. PLoS ONE 14(4): e0206710. https://doi.org/10.1371/journal. pone.0206710.
4. Lake Magadi. https://en.wikipedia.org/wiki/Lake_Magadi. Accessed on March 4, 2022.
5. Charles Cockell. The Equations of Life. How Physics Shapes Evolution. Atlantic Books, London, 2018.
6. Mono Lake. https://www.monolake.org/; Accessed on July 9, 2021; https://en.wikipedia.org/wiki/Mono_Lake. Accessed on July 9, 2021.
7. Harikumar R. Suma et al. Naturally occurring fluorescence protects the eutardigrade Paramacrobiotus sp. from ultraviolet radiation. Biology letters, 2020. https://doi.org/10.1098/rsbl.2020.0391.
8. Alejandra Traspas, Mark J. Burchell. Tardigrade Survival Limits in High-Speed Impacts—Implications for Panspermia and Collection of Samples from Plumes Emitted by Ice Worlds. Astrobiology 21(9), 2021 DOI: 10.1089/ast.2020.2405.
9. European Space Agency. http://www.esa.int/Science_Exploration/Human_and_Robotic_Exploration/Research/Tiny_animals_survive_exposure_to_space; Accessed on October 6, 2021.
10. Rachel Courtland. https://www.newscientist.com/article/dn14690-water-bears-are-first-animal-to-survive-space-vacuum/. Accessed on July, 9 2021.
11. PCR Method: Kary Mullis. Process for amplifying nucleic acid sequences. U.S. Patent 4683202B1. 1987.
12. Dorany Pineda. Kary Mullis, quirky Nobel laureate whose DNA discovery changed the science world, dies. https://www.latimes.com/obituaries/story/2019-08-13/kary-mullis-dna-nobel-prize. Accessed on July, 9 2021.
13. Amber Dance. Studying life at the extremes. Nature 587, 165-166 (2020). DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-020-03055-0.
Comentários