Οι μικροοργανισμοί, το περιβάλλον και οι βιογεωχημικοί κύκλοι των στοιχείων της φύσης - Free Sunday
Οι μικροοργανισμοί, το περιβάλλον και οι βιογεωχημικοί κύκλοι των στοιχείων της φύσης

Οι μικροοργανισμοί, το περιβάλλον και οι βιογεωχημικοί κύκλοι των στοιχείων της φύσης

Η έννοια «περιβάλλον» στον τομέα της Βιολογίας ορίζεται ως το σύνολο των εξωτερικών συνθηκών που επηρεάζουν έναν οργανισμό ή μια ομάδα οργανισμών. Ένα φυσικό περιβάλλον όπως είναι το έδαφος, οι λίμνες, οι ποταμοί, οι ωκεανοί, οι επιφάνειες του βυθού των ωκεανών, συμπεριλαμβανομένων των μικροοργανισμών, έχουν κοινά δομικά χαρακτηριστικά. Αν και είναι γνωστό και εύπεπτο ότι οι ζώντες οργανισμοί παίζουν σημαντικό ρόλο στα φυσικά οικοσυστήματα, σήμερα ξέρουμε ότι τον σημαντικότερο ρόλο παίζουν οι μικροοργανισμοί μέσω της ανακύκλωσης των στοιχείων της φύσης.

ΕΙΚΟΝΕΣ ΒΙΟΓΕΩΧΗΜΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΝ 3

Οι δεξαμενές των βασικότερων στοιχείων της φύσης που συμμετέχουν στα βιολογικά μόρια των ζώντων οργανισμών, όπως ο άνθρακας, το υδρογόνο, το οξυγόνο, το άζωτο, το θείο, ο φωσφόρος, ο σίδηρος και άλλα στοιχεία, ανακυκλώνονται μέσω των διαφόρων μικροοργανισμών μετατρεπόμενα από τη μια χημική ένωση στην άλλη, ώστε να χρησιμοποιηθούν ξανά και ξανά, με αποτέλεσμα αυτές οι δεξαμενές να παραμένουν σχετικά σταθερές σε παγκόσμια κλίμακα.

Ο βασικότερος κύκλος είναι εκείνος του άνθρακα (C-). Ξεκινά από τη φωτοσύνθεση, όπου η δέσμευση του διοξειδίου του άνθρακα της ατμόσφαιρας από τα κυανοβακτήρια, τα χλωροβακτήρια, τα θειοροδοβακτήρια, τα πράσινα φύκη και τα φυτά, μαζί με το νερό δίνουν το λεγόμενο οργανικό υλικό, το οποίο χρησιμοποιείται από τα φυτοφάγα ζώα ως τροφή. Ο θάνατος και οι εκκρίσεις των φυτοφάγων στη συνέχεια δίνουν νεκρή βαριά οργανική ύλη, η οποία με τους σαπροφυτικούς μικροοργανισμούς (μύκητες και βακτήρια) απελευθερώνει ανόργανο άνθρακα (διοξείδιο του άνθρακα) στην ατμόσφαιρα για να κλείσει ο κύκλος. Μέσα σε αυτόν τον κύκλο οι αναερόβιες ζυμώσεις των μικροοργανισμών θα δώσουν καθαρό υδρογόνο, το οποίο θα χρησιμοποιηθεί από το Clostridium thermoaceticum και Acetobacterium woodii για να μετατραπεί σε οξικό οξύ, ενώ με τη δράση των μεθανοβακτηρίων (Methanosarcina και Methanobacillus, καθώς και άλλων που ανήκουν στους αρχαίους προκαρυωτικούς οργανισμούς) παράγεται το μεθάνιο, το οποίο είναι πηγή ενέργειας. Σε αυτόν τον κύκλο ανήκει και η μικροβιακή διάσπαση των κυτταρινών, ημικυτταρινών και λιγνίνης, διεργασίες που μας δίνουν ωφέλιμα προϊόντα, όπως οι φαινόλες, τα αρωματικά οξέα και οι αρωματικές αλκοόλες.

Το υδρογόνο (H2) που παράγεται από τον κύκλο του άνθρακα μαζί με εκείνο που παράγεται από τους ωκεανούς αντιδρά με το οξυγόνο της ατμόσφαιρας και δημιουργούν το πολύτιμο για όλους τους οργανισμούς νερό. Το νερό είναι και η δεξαμενή του υδρογόνου. Την αντίδραση δημιουργίας του νερού τη διεξάγουν χημειολιθοτροφικά οξυγενή βακτήρια.

Η δεξαμενή του οξυγόνου (O2) της ατμόσφαιρας είναι η βασικότερη για τη ζωή. Η ποσότητα ύπαρξης του οξυγόνου στα βιολογικά συστήματα διαφέρει και η εξάντλησή του στο περιβάλλον δημιουργεί δυσάρεστες για τους οργανισμούς συνθήκες, μειώνοντας βασικές λειτουργίες, όπως η φωτοσύνθεση και η αναπνοή.

Το στοιχείο άζωτο (Ν2) είναι από τα βασικότερα μετά τον άνθρακα, το υδρογόνο και το οξυγόνο, που είναι απαραίτητα για τη σύσταση των μακρομορίων της ζωής. Το άζωτο υπάρχει ως αμμωνία, νιτρικά ή νιτρώδη άλατα και το μοριακό ατμοσφαιρικό άζωτο. Δέσμευση του μοριακού αζώτου από την ατμόσφαιρα γίνεται από πάρα πολλές ομάδες μικροοργανισμών, μέσω των οποίων στη συνέχεια διοχετεύεται σε διάφορα οικοσυστήματα. Για παράδειγμα, τα κυανοβακτήρια Anabaena και Oscillatoria το διοχετεύουν στα γλυκά νερά των λιμνών και στα νερά των θαλασσών, ενώ τα βακτήρια του γένους Rhizobium και Bradyrhizobium, επειδή ζουν συμβιωτικά με τα φυτά της οικογένειας των ψυχανθών, εμπλουτίζουν αυτά τα φυτά με το απαραίτητο άζωτο. Το ίδιο κάνει και το βακτήριο Frankia, ενώ το Azolla, που ζει στο νερό, βοηθάει με αυτόν τον τρόπο τις καλλιέργειες του ρυζιού. Στα εδαφικά οικοσυστήματα το γένος Nitrosomonas μετατρέπει την αμμωνία σε νιτρώδη άλατα και το Nitrobacter τα νιτρώδη σε νιτρικά άλατα. Όλες αυτές οι χημικές πορείες είναι χρήσιμες, γιατί κάθε είδος οργανισμού απαιτεί το άζωτο σε διαφορετική μορφή. Μια ποικιλία αναερόβιων βακτηρίων Alcaligenes, Enterobacter, Bacillus, Staphylococcus κ.ά. ανάγουν τα νιτρικά σε νιτρώδη. Τέλος, για να κλείσει ο κύκλος μετατρέποντας τα νιτρώδη σε μοριακό άζωτο το οποίο θα φύγει προς την ατμόσφαιρα, θα δράσουν τα απονιτροποιά γένη, όπως τα Pseudomonas, Alcaligenes, Rhodopseudomonas κ.ά.

H δεξαμενή των ενώσεων του θείου (S0) είναι κυρίως τα θαλάσσια οικοσυστήματα. Φυτά, φύκη και πολλοί ετερότροφοι μικροοργανισμοί αφομοιώνουν θείο και θειικές ενώσεις. Όταν τα θειικά άλατα μετατραπούν σε θειώδη, προσφέρουν στη δημιουργία των βασικών αμινοξέων, όπως η κυστεΐνη, μεθειονίνη, και κάποιων σουλφυδρυλικών ομάδων απαραίτητων για τις πρωτεΐνες και τα ένζυμα. Τα γένη των βακτηρίων Thioploca, Thiothrix και Thermothrix υπηρετούν ένα πολύ σημαντικό έργο, οξειδώνοντας το τοξικό υδρόθειο σε νερό. Μέλη του γένους Sulfolobus οξειδώνουν το θείο στα θερμά και όξινα περιβάλλοντα και βοηθούν στην παραγωγή της απαραίτητης για την εκεί ζωή ενέργειας.

Ο φωσφόρος (P3) δεν είναι ένα ευρέως διαδεδομένο στοιχείο της φύσης, είναι όμως βασικό συστατικό όλων των ζώντων οργανισμών υπό μορφή φωσφορικών εστέρων και νουκλεϊκών οξέων, αποτελεί δε σημαντικό στοιχείο του ενεργειακού μορίου ATP. Μικρές ανακυκλούμενες, μέσω μικροβιακών ζυμώσεων, δεξαμενές φωσφόρου στη φύση βρίσκονται στα εδαφικά και υδάτινα οικοσυστήματα, καθώς και στους ζώντες και νεκρούς οργανισμούς. Ο φωσφόρος προσλαμβάνεται από το φυτοπλαγκτόν, για να φτάσει στα ανώτερα επίπεδα της τροφικής αλυσίδας. Ένα ικανό μέρος του φωσφόρου αποθηκεύεται στα ιζήματα. Στην ανακύκλωση του φωσφόρου βοηθούν βακτήρια του γένους Nitrosomonas και Thiobacillus, καθώς και στελέχη μυκήτων.

Μόνο μικρές ποσότητες σιδήρου (Fe+2, Fe+3) είναι διαθέσιμες για βιογεωχημική ανακύκλωση, η οποία γίνεται μέσω οξειδοαναγωγικών αντιδράσεων. Ο σίδηρος συμβάλλει στα βιολογικά συστήματα ως απαραίτητος συμπαράγοντας των ενζύμων. Τα σιδηροβακτήρια Gallionella, Metallogenium, Siderocapsa και Siderococcus, θεωρήθηκαν σε κάποια φάση από τη NASA πιθανοί αποικιστές και πρώτοι κάτοικοι του πλανήτη Άρη. Ο κύκλος του σιδήρου δεν είναι απόλυτα μελετημένος, αφού δεν έχει κατορθωθεί να μελετηθεί η φυσιολογία των σιδηροβακτηρίων σε καθαρή εργαστηριακή καλλιέργεια.

Το στοιχείο μαγγάνιο (Mn2+) είναι βασικό για τα φυτά, ζώα και μικροοργανισμούς και έχει βρεθεί να έχει σχέση με τη σύνθεση του ενεργειακού μορίου ATP. Σημαντικά βακτήρια του κύκλου αυτού είναι τα Leptothix, Arthrobacter, Metallogenium, Geobacter κ.ά.

Το ασβέστιο (Ca+2) είναι ένα σημαντικό στοιχείο του κυτοπλάσματος, το οποίο απαιτείται για τη λειτουργία των ενζύμων και σταθεροποιεί βασικά συστατικά του κυτταρικού τοιχώματος. Τα ιόντα του ασβεστίου μαζί με το διοξείδιο του άνθρακα μέσω μικροβιακής ζύμωσης παράγουν το ευδιάλυτο δικαρβονικό ασβέστιο και στη συνέχεια αυτό μετατρέπεται στο αδιάλυτο στο νερό καρβονικό ασβέστιο. Το τελευταίο υφίσταται καθίζηση στο θαλάσσιο οικοσύστημα, με αποτέλεσμα τον σχηματισμό των κοραλλίων.

Από τους βασικούς κύκλους των στοιχείων της φύσης ο τελευταίος είναι εκείνος του υδραργύρου. Ο υδράργυρος ανήκει στα βαρέα μέταλλα, είναι τοξικός και γίνεται τοξικότερος όταν μεθυλιώνεται μέσω της δράσης συγκεκριμένων βακτηρίων, με αποτέλεσμα στα θαλάσσια οικοσυστήματα να προσροφάται από τα οστρακοειδή και τα ψάρια που διηθούν το νερό, γεγονός που οδηγεί τη μεταφορά του στον ανθρώπινο οργανισμό.

Προφανώς δεν είναι δυνατόν να συγκρατήσει κανείς το ονόματα των μικροβιακών ομάδων που ανακυκλώνουν τα βασικά στοιχεία της φύσης. Αυτό όμως που απαιτείται να ξέρει, και φαίνεται από τα παραπάνω, είναι η τεράστια ποικιλομορφία των μικροοργανισμών που διατελούν ένα απέραντο συνεχές έργο στα διάφορα οικοσυστήματα και μέσω των οποίων οι ανώτεροι οργανισμοί φυτά, ζώα και άνθρωποι βρίσκουν έτοιμες πολλές και διαφορετικές ενώσεις και συμπληρώματα της τροφής τους.

Έγινε προσπάθεια περιγραφής των βιογεωχημικών κύκλων των περισσοτέρων από τα σημαντικά στοιχεία της φύσης πολύ περιληπτικά.

Ένα είναι το συμπέρασμα: Χωρίς τους μικροοργανισμούς δεν θα υπήρχε ζωή στον πλανήτη μας.