Ekstremt liv. > Teori. Ekstremt liv

Transkript

1 Ekstremt liv Livet har gennem de sidste 3,8 milliarder år udviklet sig til den mangfoldighed af levende organismer, der findes på Jorden i dag. Naturen har i denne proces fundet smarte løsninger til de udfordringer, som organismerne har stået over for, og gennem naturlig udvælgelse er disse mekanismer blevet optimeret. Det har betydet, at livet har været i stand til at kolonisere alle egne af kloden, selv de steder hvor forholdene er så ugæstfrie og barske, at man aldrig ville tro, at nogen levende organismer ville kunne overleve. Det er netop organismer, der lever i sådanne ekstreme miljøer, der er omdrejningspunktet for dette materiale. Vi vil se nærmere på to forskellige former for ekstremt liv, nemlig ekstremofile bakterier og de mikroskopiske bjørnedyr. De kan blandt andet findes dybt nede i indlandsisen i Grønland, i varme termiske søer, i knastørre ørkener og sågar i områder med stærk stråling fra radioaktive stoffer. Men hvordan bærer de sig egentlig ad med at overleve sådanne steder? Og kan disse små organismer lære os mennesker noget, vi kan bruge til at løse nogle af de udfordringer, som vores samfund står over for i dag? Svarene på disse spørgsmål, sammen med uddybende beskrivelser af de to ekstreme organismer, kan du finde i teoriafsnittene i menuen til venstre. Derudover indeholder materialet to forsøg, Find dit eget bjørnedyr og Find enzymer til miljøvenligt vaskepulver, samt en multiple choice-quiz med svarforklaringer til hver af de to hovedafsnit. God fornøjelse med materialet! > Teori Ved at forstå naturen og de organismer, som lever der, kan vi mennesker hente inspiration til nye produkter og løsninger til gavn for det samfund, vi lever i. Livet på Jorden har eksisteret i omkring 3,8 milliarder år, og i løbet af den tid har de levende organismer udviklet et væld af mekanismer for at imødegå de udfordringer, som de har stået overfor. Naturen kan dermed ses som et kæmpe opslagsværk med bæredygtige løsninger, der er optimeret gennem mange, mange års udvælgelse. I stedet for at opfinde alting fra bunden af, vil det derfor være smart at hente nye idéer i naturen og efterligne dens løsninger. Dette felt kaldes på fagsprog bionik og har allerede givet anledning til adskillige nye opfindelser og produkter. I de tre undervisningsfilm nedenfor bliver der set nærmere på forskellige eksempler på anvendelsen af netop bionik. Filmene er lavet af AlphaFilm & Kommunikation i samarbejde med DTU Systembiologi og Biotech Academy. 1

2 2

3 Disse film indeholder mange fascinerende eksempler på, hvordan naturen kan være vores læremester. I dette projekt ser vi nærmere på to af dem, nemlig ekstremofile bakterier og bjørnedyr. De beskrives i henholdsvis filmen Naturen bioteknologiens skatkammer og Naturen en genial opfinder. Begge disse organismer er fascinerende former for liv, som kan overleve under ekstremt barske forhold. Det er derfor interessant at dykke ned i mekanismerne bag deres utrolige overlevelsesevne og undersøge nærmere, hvad vi kan lære af dem. Teoriafsnittet er således delt op i to overordnede dele, en om ekstremofile bakterier og en om bjørnedyr. Under hver hoveddel findes en række afsnit med beskrivelser af de to organismer. Først kigger vi på de ekstremofile bakterier og dernæst bjørnedyrene. De to overordnede dele kan læses uafhængigt af hinanden, men det anbefales dog at læse afsnittene inden for hver hoveddel i den givne rækkefølge. Man kan navigere rundt mellem de forskellige afsnit i menuen til venstre. >> Ekstremofile bakterier Det iskolde Arktis, vulkanske kilder, områder med radioaktivt affald og det mørkeste dybhav. Dette er eksempler på de barske steder, som ekstremofile bakterier har formået at kolonisere. Gennem livets udvikling har bakterierne nemlig tilpasset sig forskellige forhold, sådan at bakterier i dag findes selv de mest ugæstfrie steder på kloden. Utroligt nok overlever de ikke blot under disse ekstreme forhold, men vokser faktisk optimalt her. Det kan lade sig gøre, fordi de ekstremofile bakterier gennem evolutionen har tilegnet sig helt særlige egenskaber. Ved at undersøge og forstå dem kan vi mennesker få inspiration til nye bæredygtige løsninger på nogle af de udfordringer, som vores samfund står over for. Man håber for eksempel på at kunne mindske miljøkatastrofer som store olieudslip ved at hente hjælp fra ekstremofile bakterier. >>> Hvad er en ekstremofil bakterie? Bakterier findes overalt her på Jorden; i din krop, i jorden, i havet og sågar steder, som umiddelbart virker for barske til at kunne huse liv, for eksempel dybt nede i indlandsisen i Grønland og i skoldhede termiske kilder. At bakterier dermed er til stede i næsten alle afkroge af kloden betyder, at disse små organismer har været gode til at tilpasse sig meget forskellige levevilkår gennem livets udvikling. Bakterier findes ikke kun mange forskellige steder, men også i et enormt antal. Der er faktisk så mange, at hvis man vejede alle dyr og planter på Jorden og sammenlignede det med massen af alle bakterier, så ville bakterierne veje mest og det til trods for, at bakterier er så meget mindre. Denne tendens kan også ses, hvis du kigger på din egen krop. Der findes nemlig omkring bakterier, hvilket vil sige, at der er ca. tre gange flere bakterieceller end der er menneskeceller i din krop. Det svarer til, at omkring 1-2 kg af din kropsvægt udgøres af bakterier! Bakterier er altså rigt repræsenteret her på Jorden og spiller dermed en vigtig rolle for både livet og naturen men hvad er en bakterie egentlig? En bakterie er en meget lille levende organisme, som ikke kan ses med det blotte øje. Den er nemlig kun omkring 1-10 Mikrometer: En mikrometer svarer til 0,001 millimeter. Det er altså langt mindre end for eksempel et punktum. Enheden mikrometer forkortes som µm. Eukaryote celler: Dyr, svampe og planter består af eukaryote celler. Denne type celler er karakteriseret ved at indeholde en cellekerne og membranomsluttede organeller, eksempelvis mitokondrier. 3

4 mikrometer, altså 0,001-0,01 millimeter i diameter. En bakterie består af en enkelt celle mere præcist af en enkelt prokaryot celle. Denne celletype indeholder en Antibiotikaresistens: Antibiotika er en række karakteristiske celledele. Arvemateriale, bestående af betegnelse for stoffer som hæmmer eller DNA, ligger frit i cytoplasmaet, og cellen har dermed ingen dræber bakterier. Antibiotika bruges derfor cellekerne. Dette er en af de væsentligste forskelle mellem den ofte ved sygdomme forårsaget af bakterier, prokaryote celle og den såkaldte eukaryote celle, som vi som for eksempel halsbetændelse. Det mennesker er opbygget af. Nogle bakterier kan derudover have bedst kendte antibiotikum er penicillin, som et lille ekstra stykke cirkulært DNA, et plasmid, hvor gener er en meget udbredt form for medicin. kodende for gavnlige egenskaber for bakterien ofte findes. Det At en bakterie bliver antibiotikaresistent kan for eksempel være antibiotikaresistens. Derudover betyder, at bakterien ikke længere bliver indeholder prokaryote celler ribosomer, hvor proteiner bliver hæmmet eller dør, når den udsættes for antibiotika. Det kan derfor være et problem dannet. Cellen omsluttes af en membran og en cellevæg, der at behandle sygdomme, hvis bakterierne adskiller bestanddelene i cellens indre fra omgivelserne. En har et plasmid, som gør dem resistente prokaryot celle er dermed ret enkelt opbygget i forhold til over for antibiotika. eukaryote celler. Hvis du vil vide mere om prokaryote og eukaryote celler, kan du se videoen Introduktion til prokaryote og eukaryote celler, som er en del af Biostriben, der er en række videoer produceret af Biotech Academy. Figur 1. En prokaryot celle, hvor følgende celledele er vist: Arvematerialet, som ligger frit i cytoplasmaen, et plasmid, ribosomer, cellemembran og cellevæg. Der findes mange forskellige arter af bakterier, som er meget forskellige i opbygning og egenskaber. Faktisk kan de være lige så genetisk forskellige som et menneske og en lille orm. Den type bakterier, som vi her skal se nærmere på, er de såkaldte ekstremofile bakterier. Ordet ekstremofil betyder elsker det ekstreme. Det, at en bakterie er ekstremofil, vil altså sige, at den har tilpasset sig til at kunne leve i ekstreme miljøer. Det kan for eksempel være meget høje eller lave temperaturer, et højt saltindhold, stråling fra radioaktive stoffer eller et meget basisk miljø. Der findes altså forskellige typer ekstremofile bakterier, som hver især kan leve i forskellige ekstreme miljøer. Vi vil her se nærmere på netop de bakterier, der lever i ekstrem varme og ekstrem kulde. 4

5 >>> Temperaturens betydning for liv Temperaturen er helt afgørende for hvilke levende organismer, der kan leve i et bestemt miljø. Forskellige organismer har nemlig tilpasset sig til at leve ved forskellige temperaturer og vil dø, hvis temperaturen afviger for meget fra den optimale. Forestil dig for eksempel, hvis et menneske opholder sig i en sø med vand på omkring 90 C. Det ville vi ikke kunne overleve uden beskyttende udstyr. Dog er der andre former for liv, der lever bedst i netop 90 C varmt vand. Alle organisme har nemlig udviklet sig til at kunne leve forskellige steder. De bliver karakteriseret ud fra tre vigtige temperaturer: Minimumtemperatur for vækst, optimumtemperatur for vækst og maksimumtemperatur for vækst. Hvis temperaturen er enten mindre end minimumtemperaturen eller højere end maksimumtemperaturen, vil organismen ikke kunne leve og vokse. Det er den til gengæld i stand til at gøre i hele temperaturintervallet fra minimum til maksimum. Dog er der en bestemt temperatur, optimumtemperaturen, hvor de biologiske processer i cellerne fungerer bedst, og der dermed sker den største vækst. De tre temperaturer og den tilsvarende væksthastighed er skitseret i figur 1. Figur 1. Hastigheden, hvormed en celle vokser og deler sig, afhænger af temperaturen. Vækstkurven viser, hvordan minimumtemperaturen, optimumtemperaturen og maksimumtemperaturen har indflydelse på væksthastigheden. Ved temperaturer lavere end minimumtemperaturen vil organismen ikke kunne vokse. Det skyldes, at kulde nedsætter hastigheden, hvormed molekyler bevæger sig rundt i cellen. Transport af stoffer i cellerne og enzymaktiviteten vil derfor falde drastisk. Vigtige biologiske processer, som eksempelvis dannelsen af det nødvendige energimolekyle, ATP, vil dermed ske alt for langsomt til, at cellevækst vil kunne forekomme. Desuden bliver cellemembranen mere tyktflydende og fast i strukturen, når det bliver koldt. Det kan mindske eller forhindre transporten Enzymaktivitet: Enzymer er proteiner, som katalyserer kemiske reaktioner, altså hjælper reaktionerne til at ske. En høj enzymaktivitet betyder, at enzymet får mange reaktioner til at ske på kort tid. 5

6 af for eksempel næringsstoffer gennem membranen. Når temperaturen bliver højere, vil molekylebevægelsen og enzymaktiviteten stige, og det forårsager en øget vækst for cellerne. Jo højere temperatur, desto bedre forudsætninger for vækst indtil optimumtemperaturen nås. Derefter vil cellevæksten nemlig aftage brat ved bare en lille forøgelse i temperaturen. Denne tendens ses tydeligt på figur 2 og kan forklares ved, at proteiner og herunder enzymer pludselig bliver ødelagt ved en bestemt høj temperatur. Proteiner er så essentielle for væksten, at ødelæggelsen af bare et af dem kan standse væksten og celledelingen med det samme. Temperaturen, hvor disse ødelæggelser sker, vil dermed være cellens maksimumtemperatur. Du kan lære mere om, hvad enzymer egentlig er i videoen Enzymer, som er en del af Biostriben, der er en række videoer produceret af Biotech Academy. De præcise værdier for minimumtemperatur, optimumtemperatur og maksimumtemperatur kan variere meget for forskellige organismer alt efter, hvordan de har tilpasset sig. For at kunne skelne på en enkel måde har man defineret forskellige betegnelser for organismer tilhørende fire temperaturgrupper. Psykrofile organismer er de arter, som lever ved lave temperaturer, og mesofile organismer lever ved moderate temperaturer. I den højere ende af temperaturskalaen findes termofile organismer, som lever i varme miljøer og hypertermofile organismer, der lever under ekstremt varme forhold. Tegnes vækstkurven fra figur 1 ind for de fire kategorier, fås graferne, som ses i figur 2. Figur 2. Grafer for gennemsnitlig minimumtemperatur, optimumtemperatur og maksimumtemperatur for de fire typer organismer. Som det ses, lever psykrofiler ved lave temperaturer, mesofiler ved moderate temperaturer, termofiler ved høje temperaturer og hypertermofiler ved meget høje temperaturer. 6

7 >>> Termofile og hypertermofile bakterier Termo kommer fra græsk og betyder varme. Det er også netop i høje temperaturer, at termofile og hypertermofile bakterier trives. Man finder dem for eksempel i varme termiske kilder eller i jord, som er blevet varmet meget op ved direkte sollys. Selvom begge typer ekstremofile bakterier lever bedst i varme miljøer, er der dog en forskel mellem de to grupper, nemlig hvor høje temperaturer, der er optimale for dem. Termofile bakterier er karakteriseret ved at have en optimumtemperatur på mellem 40 C og 80 C, hvorimod hypertermofile bakterier vokser bedst ved temperaturer helt op til mellem 80 C og 95 C. Til sammenligning trives de bakterier, som vi støder på i vores hverdag, i moderate temperaturer nede omkring 15 C til 45 C. Det er eksempelvis de bakterier, som vi har i vores krop både de gavnlige bakterier og dem, der gør os syge. Temperaturen i kroppen er ca. 37 C og er på den måde et godt levested for mesofile bakterier. Figur 1. Boblende skoldhed pøl på Azorerne. Dette er et eksempel på et miljø, som vil kunne huse termofile og hypertermofile bakterier. Som nævnt har bakterier, der lever ved forskellige temperaturer, tilpasset sig på varierende måder for at imødegå de temperaturmæssige udfordringer, de står over for. Derfor har nogle celledele hos bakterierne udviklet sig forskelligt alt efter temperaturen i det omgivende miljø. Bakterier, der lever ved høje temperaturer, har den udfordring, at stærk varme normalt ødelægger for eksempel proteinerne og cellemembranen. Dette problem er gennem evolutionen blevet løst ved en kombination af flere små ændringer i cellens bestanddele. Hvis man ser nærmere på proteiner fra termofile og hypertermofile bakterier i forhold til proteiner fra mesofile bakterier, vil man opdage, at proteinerne er mere varmestabile. Det vil sige, at de ikke så nemt ødelægges af høje Evolution: Evolution er den gradvise udvikling, som gennem livets historie har skabt forskellighed mellem levende organismer. Der er herved blevet udviklet forskellige egenskaber, som er optimale i forskellige miljøer. temperaturer. Når temperaturen når et kritisk punkt, vil bindingerne, som holder proteinet foldet på den korrekte måde, normalt blive brudt. Det resulterer i, at proteinet mister sin korrekte form og derved mister sine egenskaber. Man kalder det med en faglig term, at proteinet denaturerer. Du kender det selv fra eksempelvis æg, der bliver kogt. Når proteinerne i ægget opvarmes, ødelægges deres struktur, og ægget 7

8 bliver fast. Hvis proteinerne i ægget var varmestabile ligesom i termofile og hypertermofile bakterier, skulle der en del mere varmepåvirkning til, før ægget ville stivne. Hemmeligheden bag denne egenskab skal findes forskellige steder i proteinet. Et af dem er i proteinets byggesten, aminosyrerne. Forskere har nemlig observeret, at nogle aminosyrer er forskellige for proteiner, der er varmestabile, og dem der ikke er. Det er ofte aminosyren, glycin, som skiftes ud. Glycin har kun et enkelt hydrogenatom som sidegruppe, og er dermed den mindste aminosyre. Når glycin erstattes med en aminosyre med en større sidegruppe, vil fleksibiliteten af proteinet mindskes, og der opnås en mere fastlåst struktur. Det er en fordel, når det netop er målet, at proteinet ikke skal miste sin korrekte form. Ud over en anderledes aminosyresammensætning indeholder varmestabile proteiner desuden flere bindinger mellem aminosyrerne, hvilket også er med til at forstærke den originale struktur. Det er ikke kun proteiner, der normalt ødelægges ved høje temperaturer. Det kan også gå ud over cellemembranen. Den fungerer som en vigtig barriere mellem cellens indre og det omkringliggende miljø. Membranen står blandt andet for transport af molekyler ind og ud af cellen, og det er derfor vigtig, at membranen fungerer optimalt. For at den kan det, skal strukturen af membranen være korrekt, ikke for fast, men heller ikke for blød. Når temperaturen stiger, vil membranen normalt blive mere blød. Det problem har termofile og hypertermofile bakterier imidlertid fundet en løsning på. Cellemembranen består af et dobbeltlag af såkaldte phospholipider med et hydrofilt hoved hvorpå der sidder en hydrofob hale af fedtsyrer. Da både cellens indre og det omkringliggende miljø er vandholdigt vender de hydrofobe haler ind mod hinanden i dobbeltlaget som vist på figur 3. Fedtsyrerne kan være af forskellig art, men indeholder dog alle en lang carbonkæde med hydrogenatomer bundet til. Carbonatomerne kan enten være forbundet med enkeltbindinger eller dobbeltbindinger, og det er netop det, som termofile og hypertermofile bakterier udnytter. Hvis cellemembranen indeholder mange fedtsyrer med enkeltbindinger mellem carbonatomerne, altså det man kalder mættede fedtsyrer, vil cellemembranen få et højt smeltepunkt. Det skyldes, at phospholipiderne kan pakkes tæt sammen i Figur 2. Den kemiske struktur af aminosyren, glycin. Sidegruppen, som her kun er et enkelt hydrogenatom, er markeret med grøn. Hydrofil: Hydrofil betyder vandelskende. Det vil sige, at vandmolekyler kan binde sig til det hydrofile stof, som derved bliver opløst i vandet. Hydrofob: Hydrofob betyder vandfrygtende og betegner stoffer, der i modsætning til hydrofile stoffer ikke kan opløses i vand. membranen, fordi carbonkæderne er retlinjede. For cellemembranens struktur betyder det, at membranen kan udsættes for en højere temperatur, før den bliver for blød. Cellemembraner hos termofile og hypertermofile bakterier er derfor kendetegnet ved at indeholde mange mættede fedtsyrer i forhold til eksempelvis cellemembranen hos mesofile bakterier. En sammenligning af et udsnit af cellemembraner for de to typer bakterier kan ses i figur 3. 8

9 Figur 3. Forskelle på cellemembranen hos mesofile bakterier og termofile/hypertermofile bakterier. Læg mærke til, at cellemembranen hos termofile/hypertermofile bakterier indeholder mange mættede fedtsyrer, hvilket betyder, at phospholipiderne kan pakkes tæt sammen i membranen. Dermed opnås et højere smeltepunkt for membranen. 9

10 Vi har nu kigget nærmere på bakterier, som trives bedst ved meget høje temperaturer, og har fået uddybet et par eksempler på, hvordan disse organismer har tilpasset sig så ekstreme miljøer. I den anden ende af temperaturskalaen findes de psykrofile bakterier, som har specialiseret sig i netop det modsatte at leve under meget kolde forhold. Denne type ekstremofile bakterier vil vi se nærmere på i næste afsnit. >>> Psykrofile bakterier Psykrofil kan oversættes direkte som kuldeelskende. Psykrofile bakterier er dermed en betegnelse for bakterier, som trives bedst i kolde miljøer. Man finder dem for eksempel i små vandlommer i isen i arktiske områder og dybt nede i de mørke og kolde dele af havet. Disse bakterier vokser optimalt ved en temperatur på 15 C eller lavere, og enkelte kan endda leve ved temperaturer under frysepunktet faktisk helt ned til - 12 C. Til gengæld vil de hurtigt dø, hvis de udsættes for bare 20 C. Der findes en anden gruppe af bakterier, de psykrotolerante bakterier, som også er i stand til at leve ved temperaturer nede omkring frysepunktet, men som har en optimumtemperatur på mellem 20 C og 40 C. Som navnet også antyder, kan denne type bakterie tolerere kulde, men lever dog bedre ved mere moderate temperaturer. Man finder dem ofte i vand eller jord på steder med tempereret klima, for eksempel i Danmark. Figur 1. Isbjerge på Vestgrønland. Dette kan være et levested for psykrofile bakterier. Ved lave temperaturer er udfordringen for organismerne, at molekylerne bevæger sig langsomt. Al transport af molekyler og alle enzymatiske reaktioner vil dermed kræve meget lang tid. Herudover vil cellemembranen blive for fast til, at den nødvendige transport ud og ind i cellen vil kunne ske. Som det var tilfældet for de termofile og hypertermofile bakterier er proteiner, herunder enzymer, fra psykrofile bakterier anderledes end tilsvarende proteiner fra andre grupper af bakterier. Forskning tyder på, at nøglen til virksomme proteiner ved lave temperaturer skal findes i proteinernes øgede fleksibilitet. Tag for eksempel enzymer. Substratmolekyle: Et substratmolekyle er det molekyle, som et enzym omdanner til det ønskede produkt. Substratmolekylet er altså startmolekylet i en enzymatisk reaktion. Når de er mere fleksible, altså mere bevægelige i strukturen, vil de nemmere kunne binde og omdanne 10

11 substratmolekyler til det ønskede produkt. Det skyldes, at enzymets aktiveringsenergi falder, når fleksibiliteten øges. Det er netop vigtigt, at reaktionen ikke kræver for meget energi for at forløbe, når temperaturen er Aktiveringsenergi: Et enzyms aktiveringsenergi er den energi, som meget lav. Molekyler bevæger sig nemlig langsommere i kulde, kræves, for at enzymet kan omdanne et og substratmolekylerne vil derfor kun besidde en lille mængde molekyle til det ønskede produkt. bevægelsesenergi, som kan bruges til at sætte reaktionen i gang. Ved højere temperaturer bevæger molekylerne sig hurtigere, og enzymerne hos eksempelvis mesofile bakterier Kuldeaktive enzymer: Kuldeaktive enzymer behøver derfor ikke den øgede fleksibilitet, som ses i er enzymer, der på grund af en række kuldeaktive enzymer hos psykrofile bakterier. Fleksibiliteten tilpasninger er virksomme ved lave skabes ved forskellige tilpasninger i enzymerne. For eksempel temperaturer. Disse enzymer findes typisk har de færre bindinger, som fastholder strukturen. hos psykrofile og psykrotolerante bakterier. Cellemembranen er, som vi tidligere har set, også følsom over for temperaturen. For termofile og hypertermofile bakterier vil membranen blive for blød i strukturen, hvis den ikke er tilpasset, så den indeholder mange mættede fedtsyrer. Det modsatte gør sig gældende for psykrofile bakterier. Cellemembranen bliver nemlig under normale omstændigheder for fast i strukturen ved lave temperaturer. Det kan psykrofile bakterier undgå, når cellemembranen indeholder mange umættede fedtsyrer, altså fedtsyrer med dobbeltbindinger mellem nogle af carbonatomerne i carbonkæderne. Som det ses på figur 2 giver en dobbeltbinding et knæk på fedtsyrekæden, sådan at de ikke kan pakkes særlig tæt i cellemembranen. Det resulterer i et lavt smeltepunkt, og det er dermed muligt for bakterier, der lever i kolde miljøer, at opretholde en funktionsdygtig cellemembran med en optimal struktur. 11

12 Figur 2. Sammenligning af cellemembranen hos mesofile og psykrofile bakterier. Der er flere umættede fedtsyrer i cellemembranen hos psykrofile bakterier, hvilket hjælper med til at bibeholde den optimale bløde struktur i membranen ved lave temperaturer. 12

13 Når bakterier lever ved temperaturer under frysepunktet, er det vigtigt at sikre, at der ikke dannes iskrystaller inde i cellerne. Det ville kunne punktere cellemembranen og dermed dræbe cellen. Bakterierne har derfor udviklet nogle såkaldte antifryse-molekyler, som netop beskytter mod dannelsen af iskrystaller. Der findes forskellige typer, eksempelvis specielle proteiner eller sukkerstoffer. Når der er sukkerstoffer til stede, sænkes frysepunktet for vandet i cellerne, og der skal derfor lavere temperaturer til, før vandet fryser til is. Psykrofile bakterier har altså tilpasset sig de lave temperaturer på forskellige måder, som kombineret gør det muligt for bakterierne at leve i disse ekstreme områder. >>> Ikka-søjlerne i Grønland Som nævnt kan psykrofile bakterier findes i ekstremt kolde områder, hvor man umiddelbart ikke vil forvente at finde liv. Et helt særligt miljø, der blandt andet huser psykrofile bakterier, har vakt stor videnskabelig interesse. Det er de såkaldte Ikka-søjler i Grønland. I dokumentarfilmen Naturen bioteknologiens skatkammer bliver dette utrolige naturfænomen beskrevet. Der vises desuden flotte videooptagelser af søjlerne. Filmen ligger under introduktionen til teoriafsnittene og kan med fordel ses eller genses i forbindelse med dette afsnit. Delen om ekstremofile bakterier og Ikkasøjlerne er fra 05:50 til 07:05 minutter inde i filmen. Et enestående fænomen I det iskolde vand i Ikka-fjorden i den sydvestlige del af Grønland står der omkring tusind små og store Ikkasøjler. De er alt fra et par centimeter til 20 meter høje og nogle af dem er flere meter i diameter. De består af det sjældne mineral ikait, som er en form for kalk. Ikka-fjorden er det eneste kendte sted i verden, hvor ikait danner søjler på denne måde. Søjlerne dannes, fordi en hel række særlige betingelser er opfyldt netop her. Omkring fjorden findes der nogle specielle bjergarter, som bliver opløst, når nedbøren siver ned gennem revner i bjergene. Det resulterer i bjergvand med et højt indhold af natriumcarbonat (NaCO 3), som løber ned under fjorden via et system af revner og bliver presset op gennem bunden af fjorden. Havvandet her indeholder calcium (Ca), som reagerer med carbonationen (CO 3 2- ) fra bjergvandet og vand (H 2O). Tilsammen danner det ikait (CaCO 3 x 6 H 2O), som består af kalk (CaCO 3) med 6 vandmolekyler bundet til sig. Reaktionen kan ses i figur 1. Figur 1. Ikait (CaCO3 x 6 H2O) dannes ved en kemisk reaktion mellem calcium (Ca) fra havvandet i fjorden, carbonationer (CO3 2- ) fra bjergvandet og vand (H2O). 13

14 Ikait-søjlerne ville dog hurtigt blive nedbrudt, hvis det ikke var for den konstante lave temperatur i fjorden. Ikait begynder nemlig at blive nedbrudt allerede ved omkring 6 C, så det er vigtigt at miljøet omkring dem har en konstant lav temperatur. Søjlerne udgør dermed et meget koldt miljø, men ikke nok med det, så er søjlerne særdeles basiske indeni med ph-værdier på omkring 10. Til sammenligning har rent vand en phværdi på ca. 7. På trods af det tilsyneladende ugæstfrie miljø er Ikka-søjlerne levested for et utal af levende organismer. Livet i og omkring Ikka-søjlerne Der findes et rigt liv i og omkring Ikka-søjlerne både dyr, planter og mikroorganismer trives her. Uden på søjlerne lever der for eksempel søstjerner, søanemoner og søpindsvin, så området mest af alt minder om et iskoldt koralrev. Inde i søjlernes kolde og basiske indre findes der forskellige arter af ekstremofile bakterier, som har tilpasset sig dette miljø. På grund af den lave temperatur er disse bakterier psykrofile, men de skal samtidig kunne leve i et basisk miljø. Bakterier, der netop trives ved høje ph-værdier, kaldes alkalifile bakterier og er karakteriseret ved at vokse optimalt ved en ph på 8 eller derover. Bakterierne, der findes i Ikka-søjlerne, er dermed både psykrofile og alkalifile, og de har tilpasset sig begge ekstreme forhold. Denne kombination har vakt forskernes interesse på grund af de anvendelsesmuligheder inden for bioteknologien, som disse bakterier potentielt har. Vi mennesker kan nemlig hente inspiration til smarte og bæredygtige løsninger på samfundsmæssige problemer hos ekstremofile bakterier. I næste afsnit ser vi nærmere på, hvad vi kan lære af de små, hårdføre organismer. >>> Hvad kan vi lære af ekstremofile bakterier? Ekstremofile bakterier er ikke kun interessante at studere på grund af deres fascinerende evne til at leve under meget barske forhold. De kan også tjene som inspirationskilde til at skabe smarte og bæredygtige løsninger til gavn for samfundet og miljøet. Der kan nævnes adskillige eksempler, og vi vil starte med at vende tilbage til de psykrofile og alkalifile bakterier, som findes i det kolde og basiske miljø inde i Ikkasøjlerne. Forskerne har nemlig fundet flere anvendelsesmuligheder for netop disse bakterier. De producerer blandt andet en række enzymer, som vil kunne bruges til forbedring eller udvikling af produkter, som vi bruger i vores hverdag. Et eksempel er vaskepulver, som kan vaske tøjet rent ved lave temperaturer. I dag indeholder de fleste typer vaskepulver enzymer, som virker optimalt ved 30 C til 40 C, og det betyder, at man skal bruge energi på at opvarme vandet hver gang, man vasker tøj. Det kan udgås, hvis man bruger vaskepulver med kuldeaktive enzymer. Man kan dermed spare energi, hvilket både vil gøre det billigere at vaske tøj og være mere skånsomt for miljøet. Enzymer fra bakterierne i Ikka-søjlerne er netop optimale til den slags vaskepulver, fordi de naturligt er virksomme under kolde forhold og ved en ph-værdi på 10. Sæben i vaskepulveret bevirker nemlig, at ph-værdien er omkring 10. Enzymernes rolle i vaskepulveret er at nedbryde snavs, som sidder i tøjet. Det er for eksempel proteiner, som nedbrydes af protease-enzymer, sukkerstoffer der nedbrydes af amylase-enzymer og fedt, som bliver nedbrudt af lipase-enzymer. Når forskerne håber på at finde nye enzymer i Ikka-bakterierne til brug i vaskepulver, leder de derfor blandt andet efter disse tre typer af enzymer. I Ikka-søjlerne er enzymernes naturlige funktion blandt andet at nedbryde andre bakterier og alger, som sandsynligvis er nogle af de primære fødekilder for bakterierne. Det varierer meget hvilke molekyler, forskellige typer af bakterier har specialiseret sig i at nedbryde. Nogle særlige arter af psykrofile bakterier er eksempelvis i stand til at nedbryde oliemolekyler og det kan være 14

15 utrolig nyttigt. Det gør sig for eksempel gældende ved olieudslip. Hidtil har man prøvet at minimere miljøskaderne mest muligt ved blandt andet at inddæmme olien og sprede kemikalier, som omdanner olien til små dråber. Det er dog ikke en særlig effektiv løsning, og desuden kan kemikalierne være giftige, så området bare ødelægges endnu mere. Man er derfor begyndt at se sig om efter nye løsninger til oprydning efter olieudslip. I den forbindelse har psykrofile bakterier, der kan nedbryde oliemolekyler, vakt stor interesse. Bakterierne findes dybt nede i verdenshavene i områder, hvor olie naturligt siver op fra havbunden. Disse bakterier kan dog blomstre op, hvis der er en større mængde olie til stede. Det så man blandt andet ved et enormt olieudslip i Den Mexikanske Golf i 2010, hvor olieforureningens omfang pludselig begyndte at falde, fordi olienedbrydende psykrofile bakterier begyndte at hjælpe til med oprydningsarbejdet. Hvis man kan finde og optimere en bakterieart af netop denne type, vil man måske i fremtiden kunne rydde op efter store olieforureninger på en mere effektiv måde og uden brug af giftige kemikalier. Man skal dog være meget opmærksom på, at når bakterier, som ikke naturligt lever der i så store mængder, eller som er genetisk modificeret, slippes ud i havene, kan det være forbundet med en risiko for at påvirke det naturlige økosystem i området. Optimalt set skal bakteriearten derfor være designet sådan, at den dør, når der ikke er mere olie at nedbryde. På den måde vil sammensætningen af mikroorganismer, dyr og planter kunne vende tilbage til udgangspunktet. Et tredje eksempel på en anvendelsesmulighed for psykrofile bakterier er i produktion af laktosefri mælk. I Danmark har der i de senere år været øget fokus på mennesker, der ikke kan tåle laktose, eller mælkesukker, som findes i alle mælkeprodukter, der kommer fra køer. Disse mennesker lider af, hvad der kaldes laktoseintolerance. Intolerancen skyldes, at disse mennesker ikke producerer enzymet laktase, som nedbryder laktose. I Danmark er det dog kun en lille andel af befolkningen, som lider af laktoseintolerance, fordi der i madkulturen er tradition for at bruge mælkeprodukter. Den relativt hyppige indtagelse af laktose har betydet, at det gennem mange års evolution har været en fordel at kunne danne laktase-enzymer, og det er dermed efterhånden blevet en normal egenskab. I områder som eksempelvis Asien og Mellemøsten, hvor man ikke på samme måde har ko-mælkeprodukter som en fast ingrediens i madlavningen, er størstedelen af befolkningen laktoseintolerante. Det er derfor på verdensplan meget relevant at kunne producere laktosefri mælkeprodukter. Det kan gøres ved at tilsætte enzymet laktase, som spalter laktosen i mælken. Laktase-enzymer fra mesofile bakterier kan godt bruges til denne proces, men det vil kræve, at mælken opvarmes en smule, for at enzymerne fungerer optimalt. Hvis man derimod bruger enzymer fra psykrofile bakterier, vil man bare kunne tilsætte lidt laktase-enzym til sin mælk i køleskabet og et par timer senere have laktosefri mælk. Figur 1. Med det kuldeaktive laktase-enzym kan laktosen i mælk nedbrydes ved køleskabstemperatur. 15

16 Det er ikke kun i forbindelse med udvikling af forskellige nye produkter, at man kan lære noget af de ekstremofile bakterier. Der er sandsynligvis også vigtig viden at hente omkring det helt tidlige liv her på Jorden viden som ellers ville være svær at få fat i uden en tidsmaskine. Forskerne regner nemlig med, at de første levende organismer muligvis har lignet de nulevende hypertermofile bakterier. Jorden var nemlig et særdeles varmt sted for omkring 3,8 milliarder år siden, hvor det første liv begyndte at udvikle sig. De forhold, hypertermofile bakterier lever under i dag, minder altså sandsynligvis om miljøet dengang. Desuden mener forskerne, at hypertermofile bakterier gennem tiderne har udviklet sig mindre end eksempelvis mesofile bakterier. Det skyldes, at hypertermofilerne har været begrænset til meget specifikke miljøer. Man har derudfra fremsat en teori om, at bakterier, der lever under disse ekstreme forhold, har mange fælles træk uanset, om de lever i dag eller dengang. Man håber derfor på, at kunne komme tættere på at løse gåderne om det første liv på Jorden. Desuden kan ekstremofile bakterier muligvis bidrage med vigtig viden om andet og mere end livet her på Jorden. Forskere regner nemlig med, at hvis der findes liv andre steder i Universet, så vil det sandsynligvis kunne minde om ekstremofile bakterier. Ved at undersøge disse bakterier her på Jorden, vil vi derfor formegentlig kunne få et hint om, hvilken slags organismer, vi skal lede efter ude i rummet. 16

17 >> Bjørnedyr Video af et bjørnedyr. Læg mærke til kløerne for enden af benene og de to små sorte øjne. Et bjørnedyr er sandsynligvis det mest hårdføre dyr, der overhovedet findes her på Jorden. Det kan nemlig overleve under ekstremt barske forhold: Temperaturer ned til ca C, meget høje tryk, mere end 1000 gange så meget stråling fra radioaktive stoffer, som mennesket kan tåle, ingen oxygen og endda komplet udtørring i mange år. For at kunne klare så ekstreme forhold, har de små dyr udviklet specielle mekanismer, der kan beskytte og reparere deres celler. Disse særlige egenskaber har et stort potentiale for os mennesker. Vi kan nemlig bruge viden om bjørnedyrene til at få idéer til udvikling af nye produkter til gavn for samfundet blandt andet nye former for medicin. Kræft er et eksempel på en sygdom, som mange millioner mennesker verden over kæmper med, og som man netop håber på at kunne helbrede ved at få inspiration fra bjørnedyr. På trods af bjørnedyrets ekstraordinære evner og potentialer er det overraskende nok bare et almindeligt forekommende mikroskopisk dyr, som helt sikkert lever i din baghave eller i den nærmeste skov. >>> Hvad er et bjørnedyr? Figur 1. Video af en anden type bjørnedyr. Hovedet er nederst i venstre hjørne og det lille dyr bevæger sig langsomt frem ved hjælp af sine otte ben. 17

18 Et bjørnedyr, hvis latinske navn er tardigrade (tardum = langsom, grado = gående), er et hvirvelløst dyr, typisk mellem 0,1 mm og 1 mm langt. De kan altså næsten ikke ses med det med det blotte øje, og man skal derfor bruge et mikroskop for at kunne observere dem. De har en aflang krop, et hoved, ofte med øjne og otte ben med lange kløer for enden. Ser man på dem i mikroskopet ligner de næsten små bjørne, som bevæger sig langsomt rundt. Hvirvelløst dyr: Et hvirvelløst dyr er betegnelsen for en gruppe af dyr, som ikke har en rygsøjle. Edderkopper og vandmænd er, ud over bjørnedyr, eksempler på hvirvelløse dyr. Figur 2. Ser man nærmere på bjørnedyrenes kløer, opdager man, at de er lange og krumme. Dette billede er taget med et scanning-elektronmikroskop. På trods af at de er så små, har de både hjerne, muskler, fordøjelsessystem og nervesystem lige som andre dyr. Der er dog nogle afgørende forskelle mellem bjørnedyrs fysiologi og for eksempel menneskers: Bjørnedyr har ikke et cirkulations- eller respirationssystem. Det vil sige, at de hverken har et hjerte eller blodsystem, som transporterer oxygen og næringsstoffer rundt i deres krop. Bjørnedyr har heller ikke lunger, for de trækker ikke vejret, som vi mennesker gør det. Oxygen trænger blot ind gennem deres hud. Næringsstoffer fra føden og oxygen kan på trods af det manglende cirkulationssystem fordele sig ud til alle cellerne, fordi bjørnedyrs krop udgør et åbent hulrum, hvor kropsvæske kan bevæge sig frit rundt mellem alle cellerne. Denne transport rundt i kroppen forstærkes, når dyret bevæger sig rundt. 18

19 Figur 3. Et bjørnedyr set fra siden og nedefra. Figurerne viser, at det lille dyr blandt andet har otte ben, et fordøjelsessystem bestående af mund, svælg og mave-tarmkanal, en hjerne, øjne og et hulrum til æg. Bjørnedyr er som alle andre levende organismer opbygget af celler, mere præcist mellem ca og celler. Til sammenligning består et voksent menneske af ca = celler. Mennesker har altså mange flere celler end bjørnedyrene, men celletypen er den samme begge er opbygget af såkaldte eukaryote celler. Denne celletype indeholder en cellekerne, kaldt nukleus, hvor arvematerialet ligger. Ud over det har eukaryote celler forskellige Eukaryote celler: Dyr, svampe og planter membranomsluttede organeller, som for eksempel består af eukaryote celler. Denne type mitokondrier, som står for cellernes energiproduktion. Der celler er karakteriseret ved at indeholde findes en anden type celle, nemlig prokaryote celler. De er en cellekerne og membranomsluttede karakteriseret ved hverken at have en kerne eller organeller, eksempelvis mitokondrier. membranomsluttede indre organeller. Denne celletype har dermed en mere simpel opbygning end eukaryote celler. Membranomsluttede organeller: Små Bakterier er eksempler på prokaryote organismer. Det er en organer inden i cellen, som er omgivet af almindelig teori, at de første celler lignede prokaryote celler, en membran. som de ser ud i dag. Senere i livets udvikling opstod den eukaryote celletype ud fra de prokaryote. Hvis du vil vide mere om prokaryote og eukaryote celler, kan du se 19

20 videoen Introduktion til prokaryote og eukaryote celler, som er en del af Biostriben, der er en række videoer produceret af Biotech Academy. Figur 4. Til venstre kan man se en eukaryot celle med cellekerne og membranomsluttede organeller. Det er netop eukaryote celler, som bjørnedyr er opbygget af. Til højre ses en prokaryot celle, altså den type celle, som for eksempel bakterier består af. Arter af bjørnedyr Der findes omkring 1200 beskrevne arter af bjørnedyr, men forskere regner med, at der eksisterer langt flere måske helt op mod arter. Overordnet er bjørnedyr opdelt i to klasser, Eutardigrada og Heterotardigrada. Heterotardigrada har som regel et ydre skjold, som antageligt beskytter dyret og får eventuel udtørring til at ske langsommere. Inden for denne klasse findes både arter, som lever i havet og på landjorden. Eutardigrada har ofte ikke noget ydre skjold og lever næsten udelukkende på land. Forskere har fremsat en teori om, at bjørnedyr opstod og udviklede sig i havet. Da det primært er dyr fra klassen af Heterotardigrada, der lever i havet, vil disse bjørnedyr ligne de oprindelige bjørnedyr mest. Nogle af de tidlige hav-bjørnedyr har sandsynligvis engang bevæget sig op på land og dermed koloniseret både landjord og ferskvandsområder. Ud fra de nye land-bjørnedyr kan den anden klasse, nemlig Eutardigrada, have udviklet sig gennem mange års evolution. Livets stamtræ, også kaldt det fylogenetiske træ, er en oversigt over, hvordan forskellige levende organismer er i Klassifikation af organismer: Levende organismer opdeles i grupper efter karaktertræk. Grupperne, der bruges, er listet i rækkefølge her: Domæne, rige, række, klasse, orden, familie, slægt, art. Jo længere ned i listen man kommer, desto mere specifik bliver bestemmelsen af organismen. familie med hinanden. På dette stamtræ er bjørnedyrene placeret tæt ved rundorme og leddyr. Der er dog stadig ikke enighed om den præcise position, altså om bjørnedyr er tættest i familie med rundorme eller leddyr. 20

21 Figur 5. Et bjørnedyr af klassen Eutardigrada til venstre og til højre et bjørnedyr af klassen Heterotardigrada. Som det ses på figur 5, kan bjørnedyr fra de to klasser, Eutardigrada og Heterotardigrada, se meget forskellige ud. Mest tydeligt er formen og farven af dyret, som kan variere meget mellem forskellige arter. Det er pigmenter, som giver dem deres brunlige og orange farver. Bjørnedyr, der lever på landjorden, er normalt farvede, mens de, der lever i havet, er farveløse eller hvide. Dyrene på billederne er fundet i mos fra et tag i Nordsjælland i Danmark, og er altså begge arter, som lever på landjorden. Bjørnedyret af klassen Heterotardigrada har et ydre skjold, som dog ses mest tydeligt på figur 6. Bemærk også de lange følehår, som dette bjørnedyr har. På begge billeder i figur 5 er bjørnedyrenes hoved opad, mens det er i øverste venstre hjørne på figur 6. På alle tre billeder ses bjørnedyrene fra oven. Figur 6. Et billede taget med scanning-elektronmikroskop af et bjørnedyr af klassen Heterotardigrada. Man kan tydeligt se skjoldpladerne og benene i bagenden af dyret (højre side af billedet). 21

22 Føde Bjørnedyr er en vigtig del af fødekæden i det mikroskopiske miljø, som eksempelvis en mospude udgør. Der findes både kød- og planteædende bjørnedyr, som bidrager forskelligt til økosystemet. Planteæderne lever hovedsageligt af saft fra mos- og algeceller, som de suger ud ved hjælp af deres munddele. Rovbjørnedyrene kan derimod også spise mikroskopiske dyr som rundorme og hjuldyr og endda mindre arter af bjørnedyr. Herudover kan de indtage bakterier og gærceller. Bjørnedyr har også fjender. Snegle, som lever i områder, hvor der også findes bjørnedyr, spiser nemlig de mikroskopiske dyr. Desuden kan mikroskopiske svampe angribe bjørnedyr og leve af næringsstofferne fra dyrets krop. >>> Formering Bjørnedyr kan formere sig på forskellige måder alt efter hvilken art, der er tale om. Fælles er dog, at alle bjørnedyr lægger æg. Æggene kan se meget forskellige ud, og skallen er ofte beklædt med fine strukturer i forskellige former. Udseendet af skallerne er derfor vigtig for artsbestemmelsen af bjørnedyr. Afhængig af arten og af hvor nem adgang dyret har til føde, producerer bjørnedyr alt mellem et par æg og op til omkring 40. Bjørnedyret kan enten lægge æggene frit i omgivelserne eller i dyrets eget ydre skjold eller hud, som det kan smide, ligesom når slanger skifter ham. Det tager mellem 30 og 90 dage for fosteret at udvikle sig, før ægget klækkes. Figur 1. Skallen på bjørnedyrs æg har ofte fine strukturer, som kan variere meget alt efter arten af bjørnedyr. Der er tre forskellige måder hvorpå, formeringen kan ske: 1) partenogenese, 2) selv-fertilisering og 3) kønnet formering. 1) Partenogenese er en form for ukønnet formering, hvor hunnernes æg udvikler sig til nye bjørnedyr uden at blive befrugtet af en han. Hunnerne behøver altså ikke at parre sig for at få unger. Denne form for formering kan være en fordel, hvis der kun er få bjørnedyr i et område, eller hvis der er begrænset 22

23 tid til at formere sig, for eksempel på grund af et miljø med hurtig udtørring. Faktisk kan et enkelt bjørnedyr kolonisere et helt nyt område alene, fordi det ikke er afhængig af andre individer for at kunne formere sig. Man regner med, at de forskellige arter af bjørnedyr er blevet og til stadighed bliver spredt over kloden ved hjælp af vinden eller båret af dyr. Hvis et enkelt dyr ankommer til et nyt beboeligt område, kan dette individ altså bare formere sig og skabe en helt ny koloni af bjørnedyr på det sted. Det er en smart egenskab, men der er også en ulempe ved denne formeringsform. Når de hunlige ægceller ikke bliver befrugtet, sker der nemlig ikke en blanding af gener fra hannen og hunnen. Der opstår dermed ikke den variation i afkommets arvemateriale, der ellers ville, hvis æggene var blevet befrugtet. Forskellighed i ungernes arvemateriale vil fremskynde den evolutionære udvikling og dermed resultere i en hurtigere og bedre tilpasningsevne. 2) En anden type formering er selv-fertilisering. Denne form har visse ligheder med partenogenese, idet et enkelt individ kan formere sig alene. Der er dog den væsentlige forskel, at selv-fertiliserende arter er det, man kalder hermafroditter. Samme individ kan altså producere både han- og hunlige kønsceller og dermed befrugte sig selv. Lidt populært sagt er disse dyr både hanner og hunner på samme tid. Via selv-fertilisering kan et enkelt dyr kolonisere et nyt område, ligesom de arter, der formerer sig via partenogenese. Dog vil der forekomme større genetisk variation i afkommet, fordi der sker en blanding af gener (overkrydsning af kromosomer) fra den han- og hunlige kønscelle, selvom de er produceret af samme dyr. Regnorme og snegle er eksempler på andre dyr, som ligeledes er hermafroditter. 3) Den sidste måde, hvorpå bjørnedyr kan formere sig, er kønnet formering. Denne formeringstype kender vi bl.a. fra pattedyr, herunder mennesket. Hunnens ægcelle skal her befrugtes af hannen og de to individer skal derfor parre sig for at få afkom. Der skal altså både et han- og hun-bjørnedyr til for at kolonisere et område. Til gengæld opnås der en god forskelligartethed iblandt ungerne, da arvematerialet fra to individer blandes. Partenogenese og lidt sjældnere, selv-fertilisering er udbredt blandt arter af bjørnedyr, som lever på landjorden, for eksempel i mos og lav, eller i ferskvand. Kønnet formering derimod er mere udbredt blandt arter, som lever i havene. Læs mere om formering og arvelighed i afsnittet Arvelighed ( fra Biotech Academy s undervisningsmateriale Derfor får du allergi. 23

24 >>> Bjørnedyr findes overalt! Figur 1. Bjørnedyr lever overalt på Jorden selv på de mest barske steder kan man finde de små dyr. Levesteder Bjørnedyr lever overalt på kloden. De har nemlig tilpasset sig på en sådan måde, at de kan leve i selv de mest barske miljøer endda mere barske end der naturligt findes nogen steder her på Jorden. Man har fundet bjørnedyr dybt, dybt nede i havet på flere kilometers dybde, hvor der er koldt, mørkt og højt tryk, i tidevandszoner, hvor der skiftevis er saltvand og helt udtørret, i de højeste bjerge for eksempel Himalaya, i tropiske regnskove, i den iskolde indlandsis i Grønland og i de mest tørre ørkener. Det er imidlertid ikke kun disse ekstreme steder, som bjørnedyr har gjort til deres hjem. De lever nemlig også i helt almindelige søer og skove her i Danmark, og måske endda i din baghave. De trives nemlig godt i mos og lav, der ofte er fugtigt, og som desuden huser de organismer, som bjørnedyr spiser. Du kan finde ud af, om der er bjørnedyr tæt på, hvor du bor ved at følge øvelsesvejledningen Find dit eget bjørnedyr. 24

25 Hvilke ekstremer kan bjørnedyr overleve? Det, som bjørnedyr er mest kendt for, er deres fantastiske evne til at overleve under selv de mest ekstreme forhold. Faktisk er de sandsynligvis det mest hårdføre dyr i verden. Det varierer dog fra art til art, hvor meget de kan tåle at blive udsat for. Det er især bjørnedyr, som lever på landjorden, der har tilpasset sig en ekstrem livsform, mens bjørnedyr i havet som hovedregel ikke kan overleve lige så meget. Det er imidlertid rigtig imponerende, hvad de mange hårdføre arter kan tåle. Eksempelvis kan de overleve ekstrem kulde i længere tid. Omkring det absolutte nulpunkt, altså ved 0 kelvin = -273,15 C, ligger alle molekyler næsten stille, og derfor vil kemiske reaktioner gå usandsynligt langsomt. Eftersom der sker et hav af kemiske reaktioner hvert sekund i levende organismer, kan de ikke overleve sådanne lave temperaturer og dog! Det kan bjørnedyr. De kan nemlig tåle at blive nedkølet til ca C i omkring et døgn for derefter at blive tøet op og så leve videre. Ved en lidt højere temperatur, nemlig -200 C, kan bjørnedyr blive opbevaret i op mod 2 år og herefter blive vækket til live igen. Det er langt lavere temperaturer, end der overhovedet findes her på Jorden, hvor kulderekorden kun er målt til at være -93,2 C. Lavere temperaturer er kun mulige at frembringe i laboratorier. Det er altså besynderligt at bjørnedyr kan overleve så unaturligt lave temperaturer. Opvarmning kan de små dyr også klare. Temperaturer op til 70 C i længere tid kan de sagtens tåle, men ved højere temperaturer falder andelen af overlevende. Dog kan de i kort tid overleve helt op til 150 C, altså langt over kogepunktet for vand. Det er ikke kun ekstreme temperaturer, som bjørnedyr kan tåle, men også både højt og lavt tryk. De kan nemlig leve på bunden af dybhavet i ned til 7 kilometers dybde, hvor trykket er omkring 700 atm, altså ca. 700 gange så højt, som ved havoverfladen (hvor trykket er på 1 atm). Dyrene lever også på den højeste bjergkæde på jorden, Himalaya, med tinder på over 8 kilometers højde. Her er trykket meget lavt, nemlig kun omkring 0,3 atm. Selv i vakuum, altså i et lufttomt rum, med et tryk på 0 atm, kan bjørnedyr overleve. Dyrene kan herudover tåle over 1000 gange så meget ioniserende stråling som mennesker. Det indbefatter for eksempel stråling fra radioaktive stoffer og kosmisk stråling fra rummet. Man har estimeret at en dødelig dosis af ioniserende stråling for mennesker vil ligge på omkring 4 Gy, mens forsøg har vist, at nogle bjørnedyr kan overleve helt op til 8000 Gy. Stråling kan i nogle former passere gennem fast stof, som for eksempel levende organismer, og derved afsætte store mængder energi i atomerne. Det kan for eksempel ødelægge proteiner og DNA, og i høje doser kan strålingen dermed nemt være dødelig for organismen. Ude i rummet er der både utroligt lavt tryk, koldt, og der er intet til at beskytte Ioniserende stråling: Stråling, som for eksempel kosmisk stråling, stråling fra radioaktive stoffer eller røntgenstråling, der indeholder så meget energi, at der vil blive dannet ioner i det stof, som strålingen passerer igennem. Den absorberede energi fra ioniserende stråling måles i enheden gray, som forkortes Gy. mod de forskellige former for stråling. Det er netop forhold, som bjørnedyr har udviklet sig til at kunne overleve, så de burde i teorien kunne klare en tur ud i rummet uden alle de beskyttelsesmidler, som astronauter bliver nødt til at anvende og det kan de faktisk! I 2007 blev udtørrede bjørnedyr nemlig sendt i kredsløb omkring Jorden i 12 dage, rejsende i en lille boks uden på en satellit. Da bjørnedyrene kom ned fra deres rumrejse, kunne mange af dem vækkes til live igen. Du kan se mere om bjørnedyr og opsendelsen af 25

26 dem i rummet i videoen Naturen en genial opfinder fra 16:40 til 20:00 minutter inde i filmen, hvor professor Reinhardt Møbjerg Kristensen fortæller om de små dyr og rumprojektet. Høje saltkoncentrationer, som under normale omstændigheder ville drive en dødelig mængde vand ud af dyrene på grund af osmose, og nedsænkning i 96 % alkohol er Osmose: Osmose er udligning af andre ekstreme forhold, som bjørnedyr kan tåle. Desuden kan koncentrationsforskellen af et stof på hver de overleve uden vand i et udtørret dvalestadie i adskillige år, side af en halvgennemtrængelig hvorefter de kan vækkes til live med lidt vand. Det er en helt (semipermeabel) membran. Er der utrolig evne, dels fordi aktive bjørnedyr har brug for en tynd eksempelvis en høj koncentration af salt på vandfilm omkring sig og dermed ikke kan klare sig uden vand, den ene side af en membran og rent vand på den anden side, vil naturen søge efter at dels fordi de ikke spiser i hele dvaleperioden. Det mest utrolige bringe denne forskel i ligevægt. er dog, at der faktisk ikke sker nogen målelige biologiske Saltmolekylerne vil være for store til at processer i dyrene i denne periode de er praktisk talt døde. passere gennem membranen, og kan Dvaletilstanden kan variere meget i længde, fra få timer til dermed ikke øge saltkoncentrationen i det mange år. Dette bevirker, at dyrene har meget forskellige rene vand. Derimod kan vand trænge levetider. Hvis et bjørnedyr slet ikke går i dvaletilstand i løbet af igennem membranen og mindske sit liv, vil det kunne leve omkring 1 år. Afhængig af længden og saltkoncentrationen på den anden side af antallet af dvaleperioder vil andre individer kunne leve mellem membranen. På den måde udlignes 1 år op til mere end 20 år. koncentrationsforskellen noget. Det er således de mest utrolige forhold, bjørnedyr er i stand til at overleve, men hvad er grænsen for deres kunnen? Og hvordan er de i stand til det? Netop disse spørgsmål prøver lektor Nadja Møbjerg og hendes forskerhold på Københavns Universitet at give et svar på i et projekt startende i Med bjørnedyret som modelorganisme er det nemlig det overordnede mål for projektet at forstå, hvordan avancerede livsformer har tilpasset sig ekstreme miljøer. >>> Den ekstraordinære overlevelsesevne Bjørnedyr kan overleve de mest utrolige ting som for eksempel længere ophold i -270 C, det høje tryk i dybhavet og mere end 1000 gange højere ioniserende stråling end mennesket. Men hvorfor er de i stand til det? Hvilke mekanismer i bjørnedyrenes krop gør det muligt for dem at overleve alle disse ekstreme forhold? Svaret på disse spørgsmål er komplekst, og alle mekanismer er ikke kortlagt og forstået endnu. Dog har mange års forskning givet en hel del viden inden for feltet. Overordnet set er det bjørnedyrs evne til at gå i dvale, som gør dem i stand til at overleve. Denne dvaletilstand kaldes på fagsprog, kryptobiose, hvilket betyder krypto = skjult, biosis = livsform. Når leveforholdene bliver for ugunstige, kan bjørnedyr nemlig trække sig sammen til en tøndeform ved at trække ben og hoved ind under sig og gå i dvale. Det er dog ikke helt dvale, som vi kender det fra eksempelvis rigtige Metabolisme: Metabolismen er en fælles betegnelse for de biologiske processer, der sker i levende organismer. For eksempel er nedbrydning af næringsstoffer til energi eller byggesten, og opbygning af molekyler, som cellerne har brug for, en del af metabolismen. 26

27 bjørne, der går i vinterhi. Bjørnedyrs dvaletilstand kan nærmere beskrives som et dødsstadie, de kan vækkes fra igen. Metabolismen går nemlig i stå, og der er ingen umiddelbare tegn på, at de er i live. Men det er de! Når forholdene igen bliver gode, vågner bjørnedyrene op og lever tilsyneladende videre, som om ingenting var hændt. Figur 1. Et bjørnedyr af klassen Heterotardigrada i det aktive stadie på billede A og i tøndeform på billede B. Dette bjørnedyr er i dvaletilstanden anhydrobiose. På billedet af bjørnedyret i tøndeformen (B) ses det ydre skold, som er karakteristisk for Heterotardigrada. Et bjørnedyr af klassen Eutardigrada i det aktive stadie på billede C og i tøndeformen på billede D. Dette bjørnedyr er gået i dvaletilstanden anhydrobiose. Der findes fire former for kryptobiose, som bjørnedyr er i stand til at indtræde i: 1) anhydrobiose = liv uden vand, 2) kryobiose = koldt liv, 3) anoxybiose = liv uden oxygen og 4) osmobiose = liv ved (osmotisk) tryk. 1) Anhydrobiose er den bedst kendte form for kryptobiose og er almindeligt forekommende hos mange arter af bjørnedyr. Som den direkte oversættelse antyder, indfinder dyrene sig i denne form for dvaletilstand i perioder med tørke. Det kan ske ofte; i nogle miljøer flere gange dagligt. Bjørnedyr kræver nemlig et tyndt lag af vandfilm omkring sig, for at leve i det aktive stadie. Er vand ikke til stede, for eksempel hvis mosklumpen, som den bor i, udtørres af solen, vil den danne en lille uformelig bold, altså en tøndeform. I denne tilstand mister bjørnedyret det meste af vandet i sin krop, faktisk helt op omkring 96 %. Samtidig går alle biologiske processer i stå, og bjørnedyret er reduceret til en livløs, indtørret mikroskopisk kugle. Netop i denne tilstand er den utrolig hårdfør og kan tåle de mange 27

28 ekstreme forhold. Dvalens længde afhænger af det omkringværende miljø når der atter er vand til stede, lever bjørnedyret op igen. Det kan ske efter mindre end en time, men dvalen kan også vare i mange år. Helt op til 120 års anhydrobiose er blevet observeret. Jo længere tid i dvale og jo mere ekstreme forhold bjørnedyret udsættes for i denne periode, desto lavere er sandsynligheden dog for, at det kan vækkes til live igen. At vende tilbage til det aktive stadie tager ganske kort tid; mellem et par minutter og nogle få timer. Bjørnedyr kan gå i anhydrobiose i alle stadier i dens liv, selv æg kan udtørre og gå i dvale. Ligesom de voksne dyr, kan æggene dermed klare meget ekstreme forhold. Figur 2. En video af et bjørnedyr af klassen Eutardigrada, der går i dvaletilstanden, anhydrobiose og derved danner en tøndeform. Figur 3. En video af samme bjørnedyr af klassen Eutardigrada, der vækkes fra dvaletilstanden, anhydrobiose og derved bliver aktiv igen. Dette gøres ved at hælde vand på bjørnedyret. 2) Kryobiose betyder som nævnt koldt liv og begrebet dækker over en form for kryptobiose, som skyldes meget lave temperaturer. Nedfryses et bjørnedyr, trækker det sig sammen til en tøndeform ligesom ved anhydrobiose og kan så tåle den hårde kulde. Normalt vil der dannes iskrystaller i cellerne, 28

29 da de indeholder store mængder vand, og det vil ødelægge cellerne. Det sker fordi vand udvider sig, når det fryser til is det er derfor, at for eksempel isterninger flyder ovenpå i et glas vand. Det sker, bare ikke i bjørnedyr. Man mener nemlig, at de kan danne nogle anti-fryse-molekyler, som forhindrer det. Derfor kan dyrene tåle at leve nede i indlandsisen i Grønland, blive sænket ned i flydende nitrogen (-196 C) i flere timer og endda blive frosset ned til omkring det absolutte nulpunkt (-273,15 C). 3) Osmobiose er endnu en form for dvaletilstand, hvor bjørnedyret danner en tøndeform. Denne tilstand fremkommer som en reaktion på et miljø, der medfører en osmotisk ubalance mellem bjørnedyrets celler og omgivelserne. Det kan eksempelvis ske i en lille inddampet vandpøl ved havet med meget høj saltkoncentration. Normalt vil den store forskel i saltkoncentration mellem bjørnedyrets celler og det omgivende saltvand få vand til at strømme ud af cellerne. At miste meget vand fra cellerne er ikke godt Osmotisk ubalance: Når koncentrationen af et stof i en organismes omgivelser er forskellig fra koncentrationen inde i dens celler, er der opstået en osmotisk ubalance. Det vil medføre en transport af vand gennem cellemembranen, for at udligne koncentrationsforskellen. for bjørnedyret, og det ville nok dø af det, hvis det ikke var fordi, det er i stand til at danne en tøndeform. I denne tilstand er bjørnedyrets skal nemlig uigennemtrængelig for molekyletransport drevet af osmose, og det kan derfor tåle at være i omgivelser, hvor saltkoncentrationen er meget høj. Der er for eksempel fundet bjørnedyr i Det Døde Hav, der har en saltkoncentration på omkring 33 %. Til sammenligning er saltkoncentrationen i havene omkring Danmark mellem 1 % og 3,3 %. 4) Anoxybiose er den fjerde form for kryptobiose. Dette er en tilstand, som bjørnedyrene indtræder i, når der ikke er oxygen til stede. Til forskel fra mennesket kan de nemlig leve i længere tid helt uden oxygen. De danner ikke en tøndeform, som i de andre former for dvale, men svulmer derimod lidt op. Det skyldes, at de optager vand fra det omkringværende miljø, fordi den manglende oxygen forstyrrer den osmotiske regulering. Selvom bjørnedyr både danner en tøndeform ved anhydrobiose, kryobiose og osmobiose er mekanismerne, som holder dyret i live formentlig ikke ens. Der må være udviklet specielle strategier tilpasset de forskellige forhold. >>> Mekanismerne bag De mekanismer, som gør overlevelse i dvaletilstanden mulig, er ret komplekse og ikke fuldt forståede. Der er antageligt flere forskellige typer af mekanismer, som virker samtidig, men på forskellige måder. Det tyder også på, at der kan være forskel på overlevelsesstrategierne arterne imellem. En ting er i hvert fald sikkert; bjørnedyr må være i stand til at beskytte de livsvigtige makromolekyler i deres celler, for at kunne overleve de ekstreme forhold. Der Makromolekyler: Store molekyler, eksempelvis proteiner og DNA. må nemlig ske en hel del skade på cellernes dele, mens dyret er i tøndestadiet, og disse ødelæggelser skal enten forhindres med dannelsen af beskyttende stoffer under tøndeformationen eller repareres, når det vender tilbage til det aktive stadie. Forskere har gennem mange eksperimenter opdaget forskellige mekanismer, som netop beskytter eller reparerer cellekomponenter. Disse vil højst sandsynligt være en del 29

30 af bjørnedyrets overlevelsesmekanismer. I de følgende afsnit beskrives forskellige former for mekanismer, som kan tænkes at spille en rolle i bjørnedyr. Trehalose-ophobning Det er kendt fra andre dyrearter, for eksempel krebsdyret ferejer, at sukkerstoffet trehalose kan beskytte cellekomponenter som membranen, DNA og proteiner mod ødelæggelse under udtørring eller ugunstige osmotiske forhold. Trehalose erstatter en del af vandet i cellerne og kan enten påvirke makromolekylerne direkte via hydrogenbindinger og på den måde stabilisere dem, eller modvirke det osmotiske tryk, sådan at for eksempel cellestørrelsen bevares. Sukkerstoffet kan også danne en glasagtig struktur, som forhindrer bevægelse i cellerne. Da celledelene på den måde bliver fastlåst, forhindres det, at proteinerne foldes ud og dermed ødelægges. Derudover kan de ikke klumpe sig sammen til store ufunktionelle proteinophobninger. Da denne mekanisme er kendt i andre dyrearter, vil det være nærliggende at forestille sig, at bjørnedyr også gør brug af denne trehalose-effekt. Forsøg har dog vist, at der ikke ophobes mere end maksimalt 2,9 % trehalose i bjørnedyr, og at nogle arter faktisk slet ikke forøger mængden af sukkerstoffet under udtørring. Trehalose-ophobning er altså ikke en universel beskyttelsesmekanisme i bjørnedyr, men har måske en effekt hos nogle arter. Trehalose: Et sukkerstof, som består af to sammenbundne glukose-molekyler. Det er dermed et disakkarid. Hydrogenbinding: Kemisk binding mellem et hydrogenatom H og et atom, som med fordel kan optage en elektron. Det er typisk grundstofferne nitrogen N, oxygen O og fluor F, som danner hydrogenbindinger. Det skyldes oktetreglen altså at atomer oftest stræber efter at have præcis otte elektroner i den yderste skal. Heat shock-proteiner Heat shock-proteiner er en gruppe af proteiner, som hjælper til en korrekt foldning af både nydannede og forkert foldede proteiner. De beskytter også proteiner mod ødelæggelse af foldningen under forhold med stress, eksempelvis høje temperaturer eller udtørring. Netop disse egenskaber vil være meget brugbare for bjørnedyr, og det er derfor nærliggende at forestille sig, at denne slags proteiner spiller en stor rolle. Der er da også fundet en hel del forskellige heat shock-proteiner (forkortes Hsp) i bjørnedyr. For eksempel øges antallet af heat shock-protein 70 (Hsp 70), når de vækkes til live efter at have været udtørret, altså have været i anhydrobiose. Forskere har derfor foreslået, at denne proteinfamilie er med til den efterfølgende reparation måske ved at hjælpe ødelagte proteiner til en korrekt foldning. Figur 1. Heat shock-proteiner hjælper blandt andet ødelagte proteiner til at folde korrekt igen. Det kan for eksempel være proteiner, som udsættes for høje temperaturer og dermed udfoldes. 30

31 Du kan se mere om heat shock-proteiner i videoen Heat shock proteiner, som er en del af Biostriben, der er en række videoer produceret af Biotech Academy. LEA-proteiner LEA-proteiner er en forkortelse for late embryogenesis abundant proteiner, som direkte kan oversættes til proteiner, der er talrigt til stede ved sen fosterudvikling. Disse proteiner blev nemlig første gang opdaget i de sene udviklingstrin i frø fra planter deraf navnet. Det har dog senere vist sig at proteinerne findes i adskillige andre former for liv, og at de spiller en vigtig rolle, når organismerne udsættes for tørke. LEAproteiner forhindrer nemlig andre proteiner i at klumpe sig sammen, når organismen udtørrer. De virker sandsynligvis som en fysisk barriere mellem ødelagte proteiner, der ellers nemt kunne danne store ufunktionelle protein-klumper i cellerne. LEA-proteiner er for eksempel blevet fundet i rundorme (nematoder), som er relativt tæt beslægtet med bjørnedyr. LEA-proteiner kan altså formodentlig spille en rolle hos bjørnedyr. Der mangler en del forskning på området, så deres indvirkning er stadig uvis. Dog er der fundet et protein fra denne familie i bjørnedyrsarten Milnesium tardigradum. Herudover er der detekteret to nye proteinfamilier, som har nogle af de samme egenskaber som LEA-proteiner. Disse proteiner er kun fundet i bjørnedyr, og det kan derfor tænkes, at bjørnedyr har udviklet en hidtil ukendt form for proteiner til at håndtere ugunstige situationer forårsaget af udtørring. DNA-reparation Når bjørnedyr befinder sig i dvaletilstanden vil cellekomponenter som proteiner og DNA efterhånden blive ødelagt, fordi alle biologiske processer står stille, og der derfor ikke dannes nye. Jo længere tid dyret er i dvale, jo større bliver skaderne derfor. I dvaletilstanden kan bjørnedyr tåle at blive udsat for ekstreme forhold, som vil øge skaderne på cellekomponenterne. Eksempelvis kan de tåle omkring 1000 gange så meget ioniserende stråling som mennesket og kan også overleve en tur i rummet, hvor de udsættes for store mængder kosmisk stråling. Stråingen vil på sin vej gennem dyrene afsætte en stor mængde energi, som via ionisering og excitation af atomer vil ødelægge proteiner og DNA. Da bjørnedyr kan overleve på trods af disse ødelæggelser som ville være dødbringende for mennesker må de besidde et utroligt effektivt reparationssystem. I helt almindelige menneskeceller sker der i løbet af et døgn ca. ½ million skader på DNA. Derfor har menneskeceller en række DNAreparationsmekanismer, for at undgå sygdomme, der skyldes ændringer på DNA et, såsom kræft. Dette omfatter blandt Ionisering: Atomer/molekyler optager eller mister en eller flere elektroner og omdannes dermed til en negativ eller positiv ion. Excitation: Atom, som opnår et overskud af energi altså som kommer til at befinde sig i et højere energiniveau end grundtilstanden. Homolog rekombination: Overflytning af områder mellem to tilsvarende (homologe) DNA-molekyler. På den måde kan skadede dele af arvematerialet repareres ved at bruge homologt DNA som skabelon. andet et stort proteinkompleks, som kan reparere DNA via homolog rekombination. Et af de vigtige enzymer i dette kompleks hedder Rad51 og står for udveksling af DNA fra et skadet område og DNA fra et tilsvarende uskadt område, der kan bruges som skabelon for reparationen. Man har lavet et eksperiment, som viser, at der faktisk dannes Rad51 i bjørnedyr, og at det dannes i meget større mængder, når dyrene bliver udsat for stråling, altså når der sker mange skader på DNA et. Disse resultater tyder kraftigt på, at Rad51 og derved homolog rekombination spiller en helt afgørende rolle i bjørnedyrs evne til at overleve. 31

32 Figur 2. Hvis der sker skader på DNA et, kan reparationen ske via homolog rekombination. Forsøg tyder på, at netop homolog rekombination spiller en stor rolle for bjørnedyrs særlige overlevelsesevner. 32

33 En ret interessant opdagelse omkring bjørnedyrs overlevelse efter at være udsat for stråling er, at de dyr, som ikke er i dvaletilstand, men er fuldt aktive, kan overleve lige så meget stråling hvis ikke mere som de, der er i tøndeform. Det er derfor sikkert ikke beskyttelsesmekanismerne forbundet med dvalestadiet, som gør bjørnedyr så modstandsdygtige over for stråling, men derimod selve DNA-reparationssystemet, som kun fungerer, mens dyrene er aktive. Hvis du vil vide mere om homolog rekombination kan du se videoen Homolog rekombination, som er en del af Biostriben, der er en række videoer produceret af Biotech Academy. Samspil mellem mekanismer Selvom der endnu er lang vej til helt at forstå mekanismerne bag bjørnedyrs utrolige overlevelsesevne, har forskere en række forslag til mulige overlevelsessystemer, og de er beskrevet ovenfor. Det er imidlertid meget sandsynligt, at det ikke er én mekanisme, som står bag, men en hel række, som spiller sammen. Der kan også meget vel være forskelle i specifikke mekanismer arterne imellem. >>> Hvad kan vi lære af bjørnedyr? Bjørnedyr besidder en række biologiske egenskaber, som gør dem i stand til at overleve ekstreme forhold. Dette er meget relevant at forske i, fordi samfundet vil kunne have stor gavn af opdagelserne. Vi kan nemlig lære en hel del af bjørnedyr. Tag for eksempel bjørnedyrs utroligt effektive DNA-reparationssystem. Hvis man fandt ud af præcis, hvordan det fungerer, kunne man lave en medicin mod sygdomme som skyldes skader på DNA et, som for eksempel kræft. Bjørnedyrs evne til at udtørre helt, altså gå i anhydrobiose, kan også inspirere til idéer inden for den medicinske verden. Kunne man efterligne anhydrobiose i biologisk materiale og dermed lukke ned for alle biologiske processer, ville det blive muligt at opbevare for eksempel celler eller endda hele donororganer i meget længere tid end i dag. Det kunne måske endda ske ved stuetemperatur, så den meget dyre nedkøling kunne spares væk. En måde, hvorpå dette kan lade sig gøre, er ved at erstatte vandet i cellerne med sukkerstoffet trehalose. Stoffet danner nemlig en glasagtig struktur i cellerne, som forhindrer bevægelse. Dermed beskyttes cellen, og den kan opbevares i lang tid uden at blive ødelagt. Forsøg har dog vist, at det ikke tyder på, at trehalose er en vigtig overlevelsesmekanisme hos alle bjørnedyr, så der kan måske findes andre smarte mekanismer, som opdages en gang i fremtiden. Det er ikke kun celler, som man er interesseret i at kunne opbevare over længere tid. Det gælder også proteiner, herunder både opbevaring af enzymer og proteinbaseret medicin. Proteiner har nemlig naturligt en begrænset levetid, hvilket er helt essentielt for evnen til hurtig regulering via proteiner i kroppens celler. Det er imidlertid meget upraktisk i medicin og i industrien, hvor produkter hurtigt bliver for gamle. Tørre vacciner og tørt blod ville også være store gennembrud, som igen bygger på anhydrobiose. Både blod og vacciner er på væskeform og skal opbevares nedkølet for at kunne holde sig. Denne nedkøling er dyr og uhensigtsmæssig for miljøet, fordi der skal bruges energi til at holde køleskabe til opbevaring i gang. Herudover kan det i nogle tilfælde være umuligt at holde vacciner og blod på køl som anvist. Det gælder for eksempel i ulande, der ikke altid har kolde transport- og opbevaringsfaciliteter til rådighed. Det vil derfor være til stor gavn at kunne udtørre vacciner og blod på samme måde, som når bjørnedyr går i anhydrobiose, og dermed have produkter, som kan holde i lang tid uden at blive holdt på køl. 33

34 Inden for fødevareindustrien kan bjørnedyrs evne til udtørring inspirere til en metode, hvorved holdbarheden af mad kan forøges. Det kunne eksempelvis være nyttigt i mad, der sendes som nødhjælp. Man ved på nuværende tidspunkt langt mest om bjørnedyrs anhydrobiosiske dvalestadie, og det vil derfor naturligt give inspiration til flest idéer. Man har dog også kigget noget på de små dyrs evne til at overleve nedfrysning altså at gå i dvaletilstanden kryobiose. En efterligning af processerne i dette stadie vil kunne bruges i medicinske sammenhænge, for eksempel ved nedfrysning af biologisk materiale. Det kan også bruges i fødevarer, som opbevares på frost. Det kan eksempelvis være med at bibeholde konsistens og smag i frosset kød. Engang langt ude i fremtiden vil man måske på ægte science fiction-manér kunne lægge mennesker i dvale ligesom bjørnedyr og så vække personen til live i fremtiden. Det kunne man for eksempel gøre med mennesker, der lider af en uhelbredelig sygdom, som man håber på, kan blive kureret engang i fremtiden. Astronauter, der skal på lange rejser ud i rummet, der vil tage mange, mange år, vil også kunne blive lagt i dvale på turen, sådan at de ikke er alt for gamle, når de kommer frem. Etik: Etik er en slags regelsæt for, hvordan man bør handle. Det er for eksempel etisk forkert at dræbe et andet menneske. Der er lang tid til, at sådanne ting måske vil kunne lade sig gøre, men hvis det engang bliver muligt, vil man også blive nødt til at overveje en række etiske spørgsmål. Er det for eksempel etisk forsvarligt at lægge en person i dvale i 100 år, for derefter at vække denne til live og kurere vedkommendes sygdom, så personen måske kan leve videre i mange år? Man vil derved forlænge hans liv betydeligt, men vil det være korrekt at gøre mennesket til herre over liv og død på den måde? Og hvad med det stadigt stigende antal mennesker på Jorden? Befolkningtallet vil jo øges eksplosivt på denne måde. Selvom bjørnedyr er bittesmå, og umiddelbart ikke påvirker vores hverdag i noget mærkbart omfang, vil man sandsynligvis kunne bruge viden omkring dem til mange forskellige medicinske og fødevaremæssige formål, som vil kunne gavne samfundet gevaldigt. Bjørnedyr og mennesker Vi mennesker kan altså lære meget af de biologiske processer i bjørnedyrs celler. Selvom der er en verden til forskel mellem mennesker og bjørnedyr, har vi en helt grundlæggende ting tilfælles, nemlig celletypen. Begge organismer er opbygget af eukaryote dyreceller. Vi er dermed grundlæggende ens og har mange af de samme mekanismer og cellesystemer. Det gør det meget lettere at overføre idéer, der tager udgangspunkt i bjørnedyr, til udvikling af produkter, som mennesker kan bruge. Hvis det var en bakterie, altså en prokaryot celle, som man ville imitere for at lave eksempelvis medicin til mennesker, kunne det blive en del mere besværligt, fordi cellesystemerne ofte ikke er helt ens. 34

35 > Quizzer Til det teoretiske materiale hører der en quiz om henholdsvis ekstremofile bakterier og bjørnedyr. Det er to multiple choice-quizzer, hvor der til hvert spørgsmål skal vælges et eller flere svar. Når du indsender dine svar, får du at vide med det samme, om du har svaret rigtigt. Derudover får du en lille svarforklaring til hvert spørgsmål. Quizzerne kan med fordel bruges som en lille opsamling på de to dele af materialet. >> Quiz om ekstremofile bakterier Hvad er en bakterie? Vælg ét svar. a) En bakterie er en flercellet organisme opbygget af prokaryote celler. b) En bakterie er en encellet organisme opbygget af en prokaryot celle. c) En bakterie er en flercellet organisme opbygget af eukaryote celler. Rigtigt svar: b Begrundelse: En bakterie er en mikroskopisk organisme, der er 1-10 mikrometer i diameter. Den er opbygget af en enkelt prokaryot celle. Hvorfor kan bakterier ikke vokse ved temperaturer højere end deres maksimumværdi? Vælg flere svar. a) De biologiske processer går i stå, fordi molekylerne bevæger sig meget langsomt ved høje temperaturer. b) Cellemembranen kan gå i stykker på grund af den høje temperatur. c) Proteiner, herunder enzymer, denaturerer på grund af den høje temperatur. Rigtigt svar: b og c Begrundelse: Når maksimumtemperaturen for en bakterie nås, vil proteiner og herunder enzymer blive ødelagt, de vil med andre ord denaturere. Ud over det kan cellemembranen gå i stykker. Ved en temperatur under bakteriens minimumværdi vil det derimod gælde, at molekyler bevæger sig så langsomt rundt, at de biologiske processer næsten går i stå. 35

36 Hvilke af følgende temperaturer kan være optimumtemperatur for en termofil bakterie? Vælg flere svar. a) 48 C. b) 12 C. c) 77 C. d) 110 C. Rigtigt svar: a og c Begrundelse: En termofil bakterie er karakteriseret ved at have en optimumtemperatur på mellem 40 C og 80 C. Temperaturerne 48 C og 77 C ligger netop i dette interval. Hvordan har varmestabile proteiner tilpasset sig, så de ikke ødelægges ved høje temperaturer? Vælg flere svar. a) Der er flere bindinger, som hjælper med til at bevare strukturen. b) Den mindste aminosyre, glycin, udskiftes ofte med en anden aminosyre. c) Der er færre bindinger, så strukturen bliver mere fleksibel. d) Den mindste aminosyre, tyrosin, udskiftes ofte med en anden aminosyre. Rigtigt svar: a og b Begrundelse: For at varmestabile proteiner ikke ødelægges ved høje temperaturer er det vigtigt, at strukturen er så fastlåst som muligt. Derfor har de udviklet sig sådan, at disse proteiner indeholder flere bindinger og den mindste aminosyre, glycin, ofte er skiftet ud med en anden aminosyre med en større sidegruppe. Hvad er forskellen på en psykrofil og en psykrotolerant bakterie? Vælg ét svar. a) En psykrofil bakterie er kendetegnet ved at vokse optimalt ved høje temperaturer, hvorimod en psykrotolerant bakterie lever ved lave temperaturer. b) En psykrotolerant bakterie lever udelukkende ved temperaturer under frysepunktet, mens psykrofile bakterier kan leve mellem -12 C og 20 C. c) Psykrofile bakterier er kun i stand til at vokse ved lave temperaturer, hvorimod psykrotolerante bakterier godt kan leve i kolde miljøer, men dog vokser mere optimalt ved temperaturer på 20 C til 40 C. Rigtigt svar: c Begrundelse: Psykrofile bakterier trives kun ved meget lave temperaturer. Hvis det bliver bare en smule varmere end 20 C vil bakterierne hurtigt dø. De fleste psykrotolerante bakterier kan ligesom de psykrofile 36

37 leve ved temperaturer nede omkring frysepunktet, men har dog en optimumtemperatur på mellem 20 C og 40 C. Denne type bakterie kan altså tolerere kulde, men lever bedre ved mere moderate temperaturer. Hvilken betydning har umættede fedtsyrer for cellemembranen? Vælg ét svar. a) Umættede fedtsyrer gør cellemembranen mere fast i strukturen. b) Hvis cellemembranen indeholder umættede fedtsyrer, sænkes smeltepunktet, da phospholipiderne ikke kan pakkes så tæt sammen, og membranen bliver mere blød i strukturen. c) Når der er umættede fedtsyrer i cellemembranen, består den kun af et lag af phospholipider. Rigtigt svar: b Begrundelse: Hvis cellemembranen indeholder umættede fedtsyrer, kan phospholipiderne ikke pakkes så tæt sammen, og smeltepunktet falder derfor. Selv ved lave temperaturer kan membranen dermed holde sig tilpas blød i strukturen. Cellemembranen hos psykrofile bakterier indeholder derfor en del umættede fedtsyrer. Hvilken/hvilke betegnelser kan man bruge om bakterier, som lever inde i Ikka-søjlerne? Vælg ét svar. a) Bakterierne er både psykrofile og alkalifile. b) Termofile bakterier. c) Bakterierne er både psykrofile og termofile. Rigtigt svar: a Begrundelse: Bakterier, der lever inde i Ikka-søjlerne, er tilpasset sådan, at de kan tåle både de lave temperaturer og meget basiske forhold. Bakterier, der lever bedst ved meget lave temperaturer, kategoriseres som psykrofile, mens bakterier, som trives i basiske miljøer, kaldes alkalifile bakterier. Bakterier fra Ikka-søjlerne er derfor både psykrofile og alkalifile. Hvilke af følgende idéer til løsninger eller produkter er udviklet ud fra inspiration hentet fra psykrofile bakterier? Vælg flere svar. a) Varmestabile enzymer, der kan bruges ved industriel brødbagning. b) Kuldeaktivt laktase-enzym, der kan nedbryde laktose i mælk ved køleskabstemperatur. c) Bakterier, der kan nedbryde oliemolekyler i kolde miljøer, og dermed kan være gavnlige ved olieudslip. d) Kuldeaktive enzymer, for eksempel protease, som kan bruges i vaskepulver, der kan vaske tøj rent ved lave temperaturer. 37

38 Rigtigt svar: b, c, d Begrundelse: Psykrofile bakterier kan producere kuldeaktive enzymer af forskellig art. Det kan for eksempel være laktase, som kan nedbryde laktose i mælk. Hvis man er laktoseintolerant, vil det dermed kunne blive muligt at få laktosefri mælk ved bare at tilsætte lidt kuldeaktivt laktase-enzym til mælken i køleskabet og vente et par timer. Andre eksempler på enzymer er proteaser, amylaser og lipaser, der nedbryder henholdsvis proteiner, sukkerstoffer og fedt. De anvendes ofte i vaskepulver, og da enzymerne fra psykrofile bakterier er kuldeaktive, vil vaskepulver med disse enzymer i kunne vaske tøjet rent med vand, der ikke er opvarmet. Sidst men ikke mindst har man opdaget en type psykrofile bakterier, som er i stand til at nedbryde oliemolekyler. Dette er en yderst nyttig egenskab ved eksempelvis store olieudslip i havet. Der findes herudover adskillige andre eksempler, men dem vil der ikke blive gået i dybden med her. >> Quiz om bjørnedyr Hvad er et bjørnedyr? Vælg ét svar. a) En bakterie, som er opbygget af en enkelt prokaryot celle. b) Et encellet dyr, som består af en enkelt eukaryot celle. c) Et flercellet dyr, som består af mange eukaryote celler. Rigtigt svar: c Begrundelse: Et bjørnedyr er et flercellet, hvirvelløst dyr, ligesom for eksempel insekter og edderkopper. Det består af mellem ca og eukaryote celler, altså celler der indeholder en kerne med arvematerialet og membranomsluttede organeller. Hvor lever bjørnedyr? Vælg ét svar. a) Kun på Grønland. b) Over hele kloden. c) Kun i mos. Rigtigt svar: b Begrundelse: Bjørnedyr lever over hele kloden faktisk er de små dyr fundet i alle syv verdensdele. De lever både i ekstreme miljøer, som indlandsisen i Grønland og varme radioaktive kilder, men de er også meget almindelige i mos og havet her i Danmark. 38

39 Hvilke af følgende kropsdele har bjørnedyret? Vælg flere svar. a) Lunger. b) Hjerne. c) Hjerte. d) Fordøjelsessystem. e) Nervesystem. Rigtigt svar: b, d, e Begrundelse: Bjørnedyr har hverken et hjerte eller lunger. Deres krop udgør et åbent hulrum, hvor oxygen og næringsstoffer kan bevæge sig rundt til alle cellerne. Det betyder, at dyret ikke behøver et hjerte og blodsystem til at transportere disse essentielle stoffer rundt. Herudover har det ikke brug for lunger, fordi oxygen bare trænger ind gennem deres hud. Hvad er kendetegnene for bjørnedyr af klassen Heterotardigrada? Vælg ét svar. a) Dyrene har et ydre skjold og kan både leve i havet og på landjorden. b) Dyrene har et ydre skjold og lever udelukkende i havet. c) Dyrene har ikke et ydre skjold og lever primært på landjorden. Rigtigt svar: a Begrundelse: Heterotardigrada er netop kendetegnet ved at have et ydre skjold og både leve i havet og på landjorden. Da bjørnedyr sandsynligvis opstod i havet, har forskere fremsat en teori om, at Heterotardigrada mest ligner de oprindelige bjørnedyr. Det er bjørnedyr af klassen Eutardigrada, som er kendetegnet ved ikke at have et ydre skjold og primært leve på landjorden. Hvordan formerer bjørnedyr sig? Vælg ét svar. a) Bjørnedyr kan formere sig på tre forskellige måder: Ved partenogenese, selv-fertilisering og kønnet formering. Når ungerne er fuldt udviklede, føder moderdyret de levende unger. b) Bjørnedyr kan formere sig på to forskellige måder: Ved partenogenese og kønnet formering. Moderdyret lægger æg, som senere klækkes. c) Bjørnedyr kan formere sig på tre forskellige måder: Ved partenogenese, selv-fertilisering og kønnet formering. Moderdyret lægger æg, som senere klækkes. 39

40 Rigtigt svar: c Begrundelse: Bjørnedyr kan formere sig på tre forskellige måder: Ved partenogenese, selv-fertilisering og kønnet formering. Ved partenogenese udvikles æggene hos hunnen uden at blive befrugtede. Bjørnedyr, som formerer sig ved selv-fertilisering er hermafroditter og kan derfor befrugte sig selv. Ved kønnet formering bliver hunnen befrugtet af en han ved parring, ligesom det ses hos bl.a. pattedyr. Formeringsformen afhænger af arten men fælles for alle bjørnedyr er dog, at de lægger æg. Hvilke af disse ting kan et bjørnedyr spise? Vælg flere svar. a) Små snegle. b) Saft fra mosceller. c) Andre mikroskopiske dyr for eksempel rundorme og hjuldyr. d) Saft fra algeceller. e) Mindre arter af bjørnedyr. f) Bakterier og gærceller. Rigtigt svar: b, c, d, e, f Begrundelse: Bjørnedyr kan inddeles i planteædere og rovdyr. De planteædende dyr spiser typisk saft fra mos- og algeceller. Med deres særlige munddele punkterer de cellerne og suger saften ud. Rovbjørnedyrene kan desuden spise andre mikroskopiske dyr, for eksempel rundorme og hjuldyr endda også mindre arter af bjørnedyr. Bakterier og gærceller kan de også indtage. Snegle vil være for stort et bytte til bjørnedyr. Faktisk er det typisk sådan, at det er snegle, som spiser bjørnedyrene. Herudover kan bjørnedyr angribes af svampe, som lever af næringsstofferne fra dyret. Hvilke af disse ekstreme forhold kan et bjørnedyr overleve? Vælg flere svar. a) 1000 gange så meget ioniserende stråling som mennesker kan overleve. b) 150 C i kort tid. c) En tur ude i rummet. d) Høj saltkoncentration. e) -200 C i op mod 2 år. f) Både lavt og højt tryk. g) -270 C i kort tid. h) Udtørring i mange år. Rigtigt svar: a, b, c, d, e, f, g, h 40

41 Begrundelse: Bjørnedyr er sandsynligvis et af de mest hårdføre dyr, der lever her på Jorden. De har udviklet en række mekanismer, som gør dem i stand til at overleve selv de mest ekstreme forhold. Faktisk kan de overleve alle de forhold, som er listet ovenfor. Hvad er kryptobiose? Vælg ét svar. a) Den form for dvaletilstand, hvor dyret kan overleve ekstrem kulde. b) En slags dvale, som bjørnedyrene kun indtræder i om vinteren, når der er for koldt. c) En form for dvaletilstand, hvor de biologiske processer i bjørnedyret går i stå, og dyret typisk danner en tøndeform. Rigtigt svar: c Begrundelse: Kryptobiose er en form for dvaletilstand, hvor bjørnedyrets biologiske processer går i stå. Dyret er dermed praktisk talt dødt i den periode, men kan vækkes til live igen, når forholdene er blevet mere gunstige. Denne såkaldte dvaletilstand kan vare mange år helt op til 120 års dvale er set. Dog er det mere almindeligt med dvaleperioder på mellem et par timer og nogle få år. I de fleste former for kryptobiose skrumper bjørnedyret ind og danner en tøndeform. Den form for dvaletilstand, hvor dyret specifikt kan overleve ekstrem kulde hedder kryobiose. Hvad hedder de fire former for kryptobiose, og hvordan er de kendetegnet? Vælg ét svar. a) Anhydrobiose: Forekommer, når der ikke er vand til stede. Anoxybiose: Forekommer, når dyret udsættes for meget ioniserende stråling. Kryobiose: Forekommer ved lave temperaturer. Anosmobiose: Forekommer ved osmotisk ubalance, for eksempel ved høj saltkoncentration i omgivelserne. b) Anhydrobiose: Forekommer, når der ikke er vand til stede. Anoxybiose: Forekommer, når der ikke er oxygen til stede. Kryobiose: Forekommer ved lave temperaturer. Osmobiose: Forekommer ved osmotisk ubalance, for eksempel ved høj saltkoncentration i omgivelserne. c) Ankryptobiose: Forekommer, når der ikke er nitrogen til stede. Anoxybiose: Forekommer, når der ikke er oxygen til stede. Kryobiose: Forekommer ved lave temperaturer. Osmobiose: Forekommer ved osmotisk ubalance, for eksempel ved høj saltkoncentration i omgivelserne. Rigtigt svar: b 41

42 Begrundelse: De fire former for dvaletilstande (kryptobiose) hedder: Anhydrobiose, anoxybiose, kryobiose og osmobiose. Bjørnedyret indtræder i anhydrobiose, når der ikke er vand til stede. I aktiv tilstand behøver dyret en tynd film af vand omkring sig for at overleve. Det danner dermed en tøndeform, når omgivelserne udtørrer. Anoxybiose er den form for dvale, der forekommer, når der ikke er oxygen til stede i omgivelserne. Bjørnedyret svulmer lidt op, fordi den osmotiske regulering bliver forstyrret af den manglende oxygen. Bjørnedyret indtræder i dvaletilstanden, kryobiose ved lave temperaturer, for at undgå at vandet i dyrets celler danner ødelæggende iskrystaller. Det danner en tøndeform. Osmobiose forekommer, når der opstår en osmotisk ubalance mellem bjørnedyrets celler og omgivelserne. Det kan for eksempel være i vand med høj saltkoncentration. Bjørnedyret danner en tøndeform, og i denne tilstand kan der ikke ske en transport af molekyler gennem dyrets ydre hud drevet af osmose. Hvilke beskyttende effekter kan trehalose have, når et bjørnedyr er udtørret? Vælg flere svar. a) Sukkerstoffet kan erstatte vand i cellerne. b) Det kan stabilisere makromolekyler, som for eksempel proteiner og DNA. c) Trehalose kan danne en glasagtig struktur i cellerne, som forhindrer bevægelse. d) Sukkerstoffet kan beskytte nye proteiner, der dannes under dvaleperioden. e) Trehalose kan modvirke osmotiske effekter. f) Det kan gøre bevægeligheden inde i cellen bedre, sådan at normal enzymaktivitet kan opretholdes under dvaleperioden. Rigtigt svar: a, b, c, e Begrundelse: Det er en udbredt teori, at trehalose kan have en beskyttende effekt hos nogle arter af bjørnedyr, når de udtørrer. Sukkerstoffet kan nemlig erstatte vand i cellerne, og der kan dannes en glasagtig struktur, som forhindrer bevægelse inde i cellerne. Trehalose kan desuden modvirke osmotiske effekter, samt stabilisere makromolekyler direkte ved hjælp af hydrogenbindinger. Alle biologiske processer går i stå, når bjørnedyret indtræder i dvaleperioden, så der dannes ikke nye proteiner, og der er heller ingen enzymaktivitet. Disse processer beskytter trehalose derfor ikke, når bjørnedyret er udtørret. Hvad er et heat shock-protein? Vælg ét svar. a) DNA, som er foldet på en bestemt måde. b) Et protein, som hjælper til korrekt foldning af både nydannede og forkert foldede sukkerstoffer. c) Et protein, som hjælper til korrekt foldning af både nydannede og forkert foldede proteiner. Rigtigt svar: c 42

43 Begrundelse: Heat shock-proteiner hjælper med til at nydannede og forkert foldede proteiner kan foldes korrekt. De beskytter også proteiner mod at folde forkert, når cellerne udsættes for eksempelvis udtørring eller varme. Hvordan fungerer LEA-proteiner? Vælg ét svar. a) De forhindrer ødelagte proteiner i at klumpe sig sammen. b) De hjælper med korrekt foldning af nydannede proteiner. c) De kan erstatte vand i cellerne, når de udtørrer. Rigtigt svar: a Begrundelse: LEA-proteiner danner sandsynligvis en fysisk barriere mellem ødelagte proteiner. De forhindrer dem dermed i at klumpe sig sammen til store ufunktionelle proteinsamlinger, som vil kunne skade cellen. Hvilken mekanisme er sandsynligvis hovedårsagen til, at bjørnedyr kan overleve høje doser af ioniserende stråling? Vælg ét svar. a) Ophobning af trehalose i cellerne. b) Et særlig godt DNA-reparationssystem. c) Cellernes produktion af LEA-proteiner. Rigtigt svar: b Begrundelse: Bjørnedyr kan blandt andet overleve mere end 1000 gange så meget ioniserende stråling som mennesker. Strålingen vil give mange skader på DNA et, og disse er nødt til at blive repareret, for at dyret kan overleve. Forskerne har derfor en teori om, at bjørnedyr besidder et meget effektivt DNAreparationssystem. Hvilke af følgende idéer kan måske en gang i fremtiden realiseres på baggrund af viden omkring bjørnedyr? Vælg flere svar. a) Opbevaring af celler og donororganer i lang tid ved stuetemperatur. b) Produktion af tørre vacciner og tørt blod, som ikke behøver at blive opbevaret på køl. c) Længere tids opbevaring af enzymer og proteinbaseret medicin. d) Opbevaring af biologisk materiale ved 150 C i lang tid. e) Medicin mod sygdomme forårsaget af skader på DNA, for eksempel kræft. f) Forøge holdbarhed af mad. 43

44 g) Produktion af enzymer, som er aktive ved temperaturer under vands frysepunkt. h) Nedfrysning af biologisk materiale. Rigtigt svar: a, b, c, e, f, h Begrundelse: Bjørnedyr besidder mekanismer, som gør dem i stand til at overleve ekstreme forhold. Viden om disse egenskaber vil kunne bruges til at lave nye produkter inden for både medicin- og fødevareindustrien, og det vil kunne gavne samfundet. De fleste af de ovenstående idéer vil kunne realiseres på baggrund af viden omkring bjørnedyr. Dog vil det ikke være så oplagt at finde inspiration hos bjørnedyret til at opbevare biologisk materiale ved 150 C i lang tid, da dyrene selv kun kan overleve denne temperatur i meget kort tid. Ud over det vil det være meget særlige tilfælde hvis det overhovedet sker at man har brug for at opbevare biologisk materiale ved en så høj temperatur. Bjørnedyr vil heller ikke kunne inspirere til produktion af enzymer, som er aktive ved temperaturer under frysepunktet. Alle biologiske processer, inklusive enzymaktivitet, går nemlig i stå, når dyret er i dvaletilstand. 44

45 > Forsøg Der er udviklet et forsøg til hver af de to dele af materialet, og du kan således lave et forsøg omhandlende bjørnedyr og et om ekstremofile bakterier. Forsøgsvejledningerne ligger både i menuen til venstre, men kan også fås i printvenlige versioner her: Find enzymer til miljøvenligt vaskepulver Find dit eget bjørnedyr Videoer hørende til forsøget med bjørnedyr er dog taget ud af den printvenlige forsøgsvejledning, så det anbefales, at du læser den her på hjemmesiden. Inden du går i gang med forsøgene kan du tage en mini-quiz, for at opfriske fremgangsmåden. Den ligger i menuen til venstre. >> Find enzymer til miljøvenligt vaskepulver Enzymer, der er aktive under kolde forhold, har adskillige bioteknologiske anvendelsesmuligheder. Nye smarte og bæredygtige produkter kan nemlig blive udviklet på baggrund af netop kuldeaktive enzymer. Det gælder for eksempel vaskepulver, der kan vaske tøjet rent ved brug af ikke-opvarmet vand. Snavs på tøjet består blandt andet af sukkerstoffer, fedt og proteiner. En af de typer enzymer, som man ofte anvender i vaskepulver, er derfor protease, der nedbryder proteiner. I dette forsøg skal I selv finde bakterier, der producerer kuldeaktive protease-enzymer, og som i teorien vil kunne bruges til produktion af et mere miljørigtigt vaskepulver. Det gør I ved at samle tangplanter fra vandet ved en kyst eller en sø. På tangen lever der et væld af bakterier, som har tilpasset sig det kølige miljø i vandet, og det vil derfor være sandsynligt at nogle af disse bakterier netop producerer kuldeaktive protease-enzymer. Tangplanterne blendes med vand, og blandingen bliver spredt ud på agarplader, sådan at bakterierne kan vokse frem her. Agarpladerne tilsættes skummetmælkspulver, fordi det indeholder proteiner, som protease-enzymerne kan nedbryde. Hvis nogle af de bakteriekolonier, som vokser frem på agarpladerne, danner protease, vil proteinet i skummetmælkspulveret blive nedbrudt i en cirkel rundt om kolonien. Det kan ses som en såkaldt klaringszone, altså en cirkel hvor agaren er blevet gennemsigtig i stedet for grumset hvid. Det kan se ud som på figur 1. Man kan på den måde tydeligt se, hvilke bakterier, der kan være af særlig interesse, hvis man skal lave miljøvenligt vaskepulver. Forsøget kan med fordel laves i små grupper på 3-4 elever. 45

46 Figur 1. Klaringszoner rundt om de bakteriekolonier, der danner protease-enzymer. Fremstilling af agarplader Materialer og udstyr Hver gruppe skal bruge fem agarplader i forsøget. Mængden af plader, der fremstilles, kan tilpasses, så det passer med antallet af grupper. Til ca. 40 agarplader skal der bruges følgende: - 15 g agarpulver. Det kan med fordel være Marine Agar 2216, som kan bestilles hos Difco (cat. no ), men man kan også sagtens bruge almindeligt agar, som ikke er tilsat næringsstoffer eller salte. Det kan blandt andet købes hos Frederiksen ( - 1 L vand. Brug helst destilleret vand, men almindeligt postevand vil også kunne bruges g skummetmælkspulver. Det kan fås i de fleste supermarkeder g NaCl. Almindeligt køkkensalt kan sagtens bruges. Hvis tangplanterne er indsamlet i en sø, tilsæt da kun 10 g NaCl. NaCl skal helt udelades, hvis man bruger Marine Agar Gryde med låg til kogning af agarblandingen. - Gasblus eller kogeplade. - Piskeris til omrøring. - Ske til at fjerne klumper og skum. - Ca. 40 stk. petriskåle. - Plastposer til opbevaring af de færdige agarplader. - Vægt. - 1 L måleglas. 46

47 Fremgangsmåde Denne del af forsøget kan læreren eventuelt lave forud for undervisningen. Agarpladerne kan sagtens laves nogle dage i forvejen, hvis de blot opbevares med bunden opad i plastposer i et køleskab, indtil de skal bruges. 1. Afvej agar, skummetmælkspulver og eventuelt salt, og bland det med 1 L destilleret vand i en gryde. 2. Før der tændes for varmen, røres klumperne forsigtigt ud. Brug gerne en ske til at fjerne de sidste små klumper ved at mase dem op ad grydens side. 3. Opvarm forsigtigt blandingen på et gasblus eller en kogeplade. Det er vigtigt, at der røres relativt forsigtigt så skumdannelsen mindskes mest muligt. Dog skal der en næsten konstant omrøring til, for at blandingen ikke brænder fast i bunden. Når agaren er smeltet, og blandingen er ensartet, skrues der op for varmen, så blandingen lige kommer op at koge. Hold hele tiden øje med gryden, for det koger let over. Lad den ikke koge i mere end et par minutter, da der ellers fordamper for meget vand fra gryden. Det er dog vigtigt, at blandingen kommer op og koge, så de fleste mikroorganismer dør. For at gøre processen så enkel som muligt autoklaveres pladerne nemlig ikke. Det er derfor samtidigt vigtigt at være omhyggelig med ikke at udsætte agarblandingen for unødig kontakt med omgivelserne. 4. Sluk for varmen, og fjern med en ske det meste af skummet, der er dannet på overfladen af blandingen. Det er godt at få så meget af skummet med som muligt, fordi man på den måde mindsker mængden af luftbobler i de færdige agarplader. 5. Lad eventuelt agarblandingen køle lidt af under låg, hvis den stadig er kogende men lad den ikke køle for længe, for så begynder agaren at blive tyktflydende. 6. Fordel agarblandingen i petriskåle, så det dækker bunden, og tykkelsen af agarlaget er omkring en halv centimeter. Der burde være til omkring 40 stykker. Pas på ikke at brænde dig på den varme agar. 7. Lad pladerne stivne i omkring 15 min. med lågene sat skråt på, så der er en lille sprække åben. På den måde minimeres mængden af kondens. 8. Opbevar de færdige plader med låg på og bunden opad i plastposer i køleskabet. 9. Tag dem ud i stuetemperatur ca. en time før brug, så de lettere optager blandingen af vand og tang. Lad dem eventuelt tørre i en LAF-bænk med lågene halvt på. Indsamling og dyrkning af bakterier Materialer og udstyr - Plastpose eller beholder med låg til indsamling af tangplanter. - Frisk tang indsamlet i havet eller en sø. Der skal kun bruges en lille smule, så en håndfuld er rigeligt til alle grupperne. - Lidt vand fra indsamlingsstedet fyld posen eller boksen med tangplanterne med hav- eller søvand. Der skal teoretisk set bruges mindre end 100 ml i alt, men det er fint at have noget i overskud. 47

48 - Fem agarplader med skummetmælkspulver til hver gruppe (lavet i forvejen ud fra forskriften ovenfor). - Blender, foodprocessor eller lignende. - Pipette (100 µl til 1000 µl) til hver gruppe. - Fem eppendorfrør, reagensglas eller falkonrør til hver gruppe. - Tre kaffefiltre til filtrering. - Tragt til filtrering. - Bægerglas eller lignende til den filtrerede tangblanding. - Ethanol. - Lille bægerglas til hver gruppe til ethanol. - Bunsenbrænder til hver gruppe. - Køleskab. - Sprittusser til at skrive på petriskålene. - Drigalskispatel til hver gruppe til udpladning på agarpladerne. Fremgangsmåde Indsamling af tangplanter 1. Indsaml tangplanter fra vandet ved en kyst eller en søbred, og opbevar dem i en plastpose eller boks fyldt med vand fra indsamlingsområdet. Ved længere tids opbevaring, eksempelvis natten over, skal tangplanterne i køleskabet. Det er ikke selve tangplanten, vi er interesseret i, men snarere de mange bakterier, der lever på dem. Disse bakterier lever nemlig i et relativt koldt miljø, og man kan derfor forestille sig, at de producerer enzymer, der er virksomme ved temperaturer lavere end de 30 C til 40 C, som vi normalt vasker tøj ved. Udpladning på agarplader 2. Dette, samt næste trin, kan med fordel gøres samlet for hele klassen. Blend en lille tot af tangplanterne og lidt af det tilhørende vand, så det bliver til en så ensartet blanding som muligt. Det vil dog ofte være umuligt at få blandingen helt ensartet. Blandingen skal imidlertid være tynd og finblendet nok til at kunne passere igennem et kaffefilter. Der skal gerne være så meget vand i forhold til tang, at det bliver meget tyndtflydende. Der skal bruges under 10 ml tangblanding i alt, men blend gerne et større volumen, så det er nemmere at arbejde med. Brug dog ikke alt hav- eller søvandet, for der skal være minimum 50 ml tilbage i alt til de fortyndingsrækker, grupperne laver senere. 3. Filtrer de tilbageblevne tangstykker fra ved at lade blandingen passere gennem tre kaffefiltre, som er sat oven i hinanden i en tragt. Opsaml den filtrerede væske i et rent bægerglas. 4. Hver gruppe får et eppendorfrør med 1 ml filtreret tangblanding. Herpå skrives 10 0 med en sprittus. Denne notation betyder, at tangblandingen ikke er fortyndet, da 10 0 = I grupperne laves der en fortyndingsrække ud fra den ufortyndede tangblanding, altså ud fra røret. Det gøres på følgende måde: Klargør fire rør og skriv 10 1, 10 2, 10 3 og 10 4 på dem med sprittus. I røret vil tangblandingen blive 10 1 =10 gange fortyndet, i røret vil blandingen blive 10 2 = = 100 gange fortyndet, i

49 røret vil det være 10 3 = = 1000 gange fortyndet og i røret vil den oprindelige tangblanding blive 10 4 = = gange fortyndet. Selve fortyndingen laves ved at starte med at komme 0,9 ml = 900 µl hav- eller søvand i hvert af de fire rør (10 1, 10 2, 10 3 og 10 4 ) med en pipette. Der overføres nu 0,1 ml = 100 µl af tangblandingen fra røret til røret, og der blandes grundigt ved at røre rundt med pipettespidsen. Derefter tages 0,1 ml = 100 µl fra røret og overføres til røret, og der blandes igen. På samme måde overføres 0,1 ml = 100 µl fra røret til røret, og efter en grundig omrøring overføres der fra røret til røret. For hver overførsel mellem rørene fortyndes der altså 10 gange. Jo mere man fortynder, desto færre bakterier er der til stede. Husk at skifte pipettespids mellem hver overførsel. Fremgangsmåden kan desuden ses i figur 2. Figur 2. Fremgangsmåde for at lave en fortyndingsrække af den filtrerede tangblanding. 6. Gør fem agarplader klar. Skriv fortyndingerne 10 0 til 10 4 og gruppenavn eller -nummer på bunden af petriskålene. Skriv aldrig på lågene, da de ved en fejl kan komme til at blive byttet rundt. 7. Hæld en smule ethanol op i et lille bægerglas, find en drigalskispatel frem, og tænd bunsenbrænderen. 8. Kom omkring 100 µl af fortyndingen ud på den tilhørende agarplade. Det svarer nogenlunde til en stor dråbe. 9. Dyp drigalskispatelen ned i ethanol, og hold den meget kort ind i flammen fra bunsenbrænderen for at antænde ethanolen. Dette sikrer, at der ikke sidder uønskede bakterier på spatelen. 10. Lad spatelen køle ned i ca. 10 sekunder uden at den rører ved noget. 11. Fordel væsken rundt på agarpladen med drigalskispatelen. Bliv ved med at stryge spatelen rundt, til agaren har optaget al tangblandingen, og den derfor føles tør, når man bevæger spatelen rundt. Læg låg på pladen, så snart den er færdig. 12. Gentag trin 8-11 for de andre fortyndinger. 13. De fem petriskåle med tangblandingerne stables med bunden opad og kommes i en plastpose. Det er meget vigtigt at petriskålene vendes, sådan at bunden med agaren er opad. Hvis der dannes kondens inde i petriskålen, vil det nemlig løbe ned i låget i stedet for at havne på agaren og ødelægge bakteriekolonierne, som vokser her. 49

50 14. Stil pladerne ved stuetemperatur. Det anbefales dog, at det er et køligt sted, hvor temperaturen ikke pludselig stiger, fordi solen for eksempel står direkte ind på. Den efterfølgende uge 15. For at pladerne ikke bliver overgroet af bakterier, og klaringszonerne derfor ikke ses tydeligt, er det en god idé at kigge til agarpladerne hver dag. Det vil dog sandsynligvis tage fire til syv dage, før der har været en tilstrækkelig bakterievækst, så mange tydelige kolonier og forhåbentlig klaringszoner kan ses. Når dette stadie nås, sættes pladerne i køleskabet, for at bremse væksten indtil de skal undersøges. Observationsdag 16. Kig på jeres fem agarplader. Er der nogle af bakteriekolonierne, som har dannet protease-enzymer, og som man derfor kunne se nærmere på ved fremstilling af miljøvenligt vaskepulver? Diskussionsspørgsmål til forsøget Ud fra afsnittet om psykrofile bakterier i teoridelen vil I så tro, at de bakterier, som vokser frem på agarpladerne, kan kategoriseres som psykrofile eller psykrotolerante bakterier? I dette forsøg har det været formålet at undersøge, om nogle af bakterierne fra de indsamlede tangplanter producerer protease-enzymer. Tror I, at det kun er bakterier fra tangplanterne, som I ser på agarpladerne? Hvis ikke, hvor kunne de øvrige bakterier på pladerne så komme fra? Diskuter spørgsmålene to og to eller i mindre grupper, og skriv jeres svar ned. Husk en begrundelse. >>> Inden forsøget: Mini-quiz Hvilken type enzym nedbryder proteiner i skummetmælkspulveret i agarpladerne? Vælg ét svar. a) Amylase-enzymer. b) Protease-enzymer. c) Lipase-enzymer. d) Cellulase-enzymer. Rigtigt svar: b 50

51 Hvordan ser man, om en bakteriekoloni danner det ønskede enzym? Vælg ét svar. a) Rundt om bakteriekolonien dannes der en gennemsigtig ring, som kaldes en enzymzone. b) Omkring bakteriekolonien dannes der en blå ring, som kaldes en klaringszone. c) Agaren forsvinder rundt bakteriekolonien. d) Rundt om bakteriekolonien dannes der en gennemsigtig ring, som kaldes en klaringszone. Rigtigt svar: d Hvor mange gange er tangblandingen fortyndet i røret i fortyndingsrækken? Vælg ét svar. a) 100 b) 20 c) 1000 d) 10 Rigtigt svar: a Hvorfor flamberes drigalskispatelen, inden den bruges til at sprede tangblandingen ud på agarpladerne? Vælg ét svar. a) Fordi det er vigtigt, at spatelen er varm, når man spreder tangblandingen ud. b) For at dræbe eventuelle bakterier på spatelen, så de ikke spredes med ud på agarpladerne. c) Fordi der dannes stoffer ved flamberingen, som er vigtige, for at bakterierne kan vokse. d) For at kunne brænde hul ned i agaren og placere tangblandingen her. Rigtigt svar: b Hvilken vej skal agarpladerne altid vende, når de opbevares? Vælg ét svar. a) Med bunden opad. b) Det er lige meget, hvordan man stiller dem. c) Med låget opad. d) De skal stilles på højkant. Rigtigt svar: a 51

52 >> Find dit eget bjørnedyr Bjørnedyr lever overalt på Jorden; både på steder med ekstreme forhold som i Grønlands indlandsis og i dybhavet, men også i helt almindeligt mos her i Danmark. Faktisk lever de højst sandsynligt i din have eller i en nærlæggende skov. Det er derfor relativt nemt at finde de små dyr, hvis man bare ved, hvordan man skal lede. I dette forsøg skal I netop finde bjørnedyr fra jeres nærområde. Materialer - En lille håndfuld mos fra eksempelvis en græsplæne, et træ eller en sten. - Stereomikroskop, der minimum kan forstørre 30 gange, men gerne omkring gange. - Petriskåle (1-2 stk. pr. gruppe). - En sort skive pap så petriskålen kan stå på en sort baggrund, når der ledes efter bjørnedyr med stereomikroskopet. Nogle stereomikroskoper har i forvejen et sort underlag, og så behøves sort pap ikke. - Lyskilde, for eksempel en kraftig lommelygte til at lyse mosprøven op fra siden, når der ledes efter bjørnedyr med stereomikroskopet. Nogle stereomikroskoper har i forvejen bevægelige lys-arme på hver side af mikroskopet, og så behøves der ikke en ekstra lyskilde. - Lille digitalkamera eller mobiltelefon med kamera. Fremgangsmåde Forberedelse 1) En elev fra hver gruppe samler lidt mos (en lille håndfuld er rigeligt) fra en have, en skov eller en park. Det kan typisk findes i græsplæner, på sten eller på træer. Tag gerne mos fra yderkanten af en mospude eller fra de mest grønne områder. Prøv at undgå at få for meget jord med. Det kan gøres ved kun at hive den øverste del af mosset af, når det plukkes eller ved at rive de jordede rødder af bagefter. Den indsamlede mos lægges i en konvolut, en lille plastpose eller en boks. For at der ikke bliver mangel på oxygen, anbefales det, at man kun binder knude på plastposen, eller sætter låg på boksen, mens mosprøven transporteres hen til skolen. Resten af tiden skal beholderen gerne være åben. Tip: Der vokser ofte mos på skyggefulde steder, for eksempel under træer. Fugtige steder, som ved et lille vandløb, plejer også at være gode til at finde mos ved. Observation af bjørnedyr 2) Det indsamlede mos og eventuelt en lommelygte tages med i skole. 3) Som det allerførste, når timen begynder, skal mosset lægges i en beholder og dækkes med vand fra hanen. Det skal gerne stå sådan i minimum en halv time, så bjørnedyrene vågner fra en eventuel dvaletilstand. 52

53 4) Imens mosset står i vand, gøres stereomikroskoperne klar. De stilles frem, og plastikhætten fjernes, hvis mikroskopet har sådan en på. Der sørges for, at observationsbordet er sort. Nogle stereomikroskoper har en plade i observationsbordet, som kan vendes. Den ene side er typisk hvid og den anden sort. Den sorte side vendes da opad. Hvis ikke mikroskopet har denne egenskab, kan et sort stykke pap placeres på observationsbordet i stedet. 5) Lyskilden (eksempelvis en lommelygte) lægges, så den lyser lige ind fra siden. Man kan for eksempel lægge lygten på et par bøger, så den hæves op i den rigtige højde. Hvis stereomikroskopet har egne lyskilder, tændes de. 6) Indstil okularerne (de dele på mikroskopet, som man kigger ned i), så afstanden mellem dem passer med afstanden mellem dine øjne. 7) Når det indsamlede mos har stået i vand i mindst en halv time tages en petriskål frem. Stil den lige ved siden af beholderen med vand og mos. Tag det våde mos op af beholderen med fingrene, og pres vandet ud af det ned i petriskålen. Læg så mosset tilbage i vandet, tag det op, og pres igen vandet af det ned i petriskålen. Gentag dette, til der er mellem ½ - 1 cm vand i petriskålen. Hvis det går meget langsomt med at fylde petriskålen på denne måde, kan man godt bare hælde lidt vand fra beholderen direkte ned i petriskålen. Det må dog først gøres efter vand er blevet presset ud af mosset omkring fire gange. På den måde får man nemlig nogle af de bjørnedyr, som sidder i mosset, med over i petriskålen. 8) Fjern større stykker mos fra petriskålen med fingrene. Der skal helst kun være vand og små urenheder i petriskålen. 9) Anbring petriskålen med vandprøven på det sorte observationsbord lige under linsen. Lyskilden skal nu lyse direkte ind på petriskålen fra siden. Figur 1. Opstillingen til forsøget. Petriskålen placeres på stereomikroskopets observationsbord, og der lyses ind på den fra siden. 53

54 10) Stereomikroskopet indstilles så det forstørrer 30 gange. Vær opmærksom på, at selve okularet (øjenstykket) i sig selv tit forstørrer 10 gange. Der vil så stå 10X på okularet. Hvis det er tilfældet skal selve mikroskopet indstilles til at forstørre 3 gange, fordi 3 10 = 30 ganges forstørrelse. 11) Kig ned i mikroskopet, og stil skarpt. Det gøres ved at dreje på fokusknappen indtil billedet er så skarpt som muligt. Man skal gerne kunne se små bitte stykker mos og jordpartikler, og måske endda små dyr, som bevæger sig rundt. På den sorte baggrund vil levende organismer lyse op som små hvide dele i bevægelse. Man kigger altså ikke direkte på mosprøven, men de dyr i bunden af petrisskålen, der er kommet ud af mosprøven. 12) For at finde et bjørnedyr må man væbne sig med tålmodighed det kan nemlig godt tage noget tid. Der vil måske kun være nogle få bjørnedyr i petriskålen, og et af dem skal findes. Det er en god idé at gå systematisk til værks. Start for eksempel med at lede i venstre side af petriskålen, og bevæg den så frem og tilbage længere og længere mod højre som vist på billedet. Figur 2. Når man leder efter bjørnedyr, er det en fordel at gå systematisk til værks. Her er der indtegnet et forslag til, hvordan man kan undersøge petriskålen. Da prøven er forstørret omkring 30 gange, vil bare små ryk på petriskålen se meget voldsomme ud i mikroskopet. Bevæg derfor skålen meget forsigtigt rundt. Kig efter små hvidlige dele, som lyser op og bevæger sig. Når petriskålen rykkes rundt, vil bevægelserne i vandet få alt (mos, dyr osv.) til at bevæge sig. Stop derfor nogle gange med at bevæge petriskålen rundt og vent, til mosdelene ligger stille. Man kan på den måde nemt spotte levende dyr. Bjørnedyr bevæger sig på en ret karakteristisk måde, som man kan se efter. I videoen nedenfor vises det, hvordan det kan se ud i stereomikroskopet at lede efter bjørnedyr. 54