Svět vědy | Ekosystémová sněhová pokrývka

Energie, uhlík a přežití v extrémních podmínkách

Obecně existují tři složky, které jsou nezbytné pro každou známou formu života: zdroj energie (známý také jako donor elektronů), akceptor elektronů (tj. molekula, která přijímá elektrony) a zdroj uhlíku (stavební materiál pro všechny důležité struktury organismu) (Pascal 2012).

U člověka pochází energie a uhlík především z glukózy, zatímco kyslík slouží jako akceptor elektronů. Existuje však mnoho dalších molekul, které mohou tyto funkce plnit. Dokud se na daném místě vyskytují nějaké chemické sloučeniny, které plní příslušný účel, a fyzikální podmínky umožňují stabilní biomolekuly, lze předpokládat, že si život tato místa na Zemi podmanil.

Například archea (organismy , které se podobají bakteriím) Geogemma barossii žijí u hydrotermálního pramene v Pacifiku. Vysoký tlak, který zde panuje, zajišťuje, že voda zůstává tekutá i při teplotách kolem 120 °C. Dosud byla v těchto podmínkách naměřena nejvyšší teplota, při které mohou růst formy života (Clarke 2014).

Organismům se za určitých podmínek může dařit i při teplotách pod bodem mrazu. Bakterie Planococcus halocryophilus Or1 byla izolována z malých inkluzí tekuté vody ve vzorku jádra mořského ledu. Vysoký obsah soli v kapalině zabraňuje jejímu zmrznutí, a umožňuje tak růst při extrémně nízkých teplotách. Dosud prokázaná minimální teplota růstu je -10 °C. Laboratorní testy dosáhly dokonce teploty -15 °C (Pascal 2012, Maccario et al. 2015, Merino et al. 2019).

Přizpůsobení organismů sněhové pokrývce jako životnímu prostředí

Tento článek se však zabývá organismy, které našly sněhovou pokrývku jako svou ekologickou niku a mohou se podílet na utváření jejího složení.

Ve srovnání s horkými prameny nebo bublinami slané vody je sněhová pokrývka poměrně mírným prostředím. Přesto má toto prostředí některé vlastnosti, které vyžadují zvláštní molekulární změny u psychrofilních (chladnomilných) organismů.

Zaprvé se ve sněhu odráží a rozptyluje světlo. Výsledkem je zvýšené UV záření, které může způsobit poškození DNA. Klasickým ochranným mechanismem je produkce pigmentů, jako je astaxanthin. Tato molekula funguje jako štít pohlcující UV záření: chrání buněčné struktury tím, že filtruje škodlivé vlnové délky, a tím snižuje průnik UV záření do citlivých organel, jako jsou chloroplasty, místo fotosyntézy. Astaxantin produkuje mimo jiné sněžná řasa Chlamydomonas nivalis a je zodpovědný za intenzivní červené zbarvení, které vytváří efekt tzv. krvavého sněhu (obr. 3). Díky zvláštním vlastnostem této molekuly je také užitečnou součástí opalovacích krémů (Remias et al. 2005).

Velkou výzvu představují také nízké teploty. Voda je nezbytná pro životní procesy všech organismů; pokud je však pevná, a tudíž méně pohyblivá, je pro biologické účely méně dostupná. Tvorba ledových krystalků navíc může způsobit fyzické poškození organismů, neboť jednobuněčné organismy mohou být krystalky zničeny. Na ochranu proti tomu se mění složení mastných kyselin v buněčné membráně, aby byla dynamičtější a pružnější. Existují také bílkoviny, které brání tvorbě velkých ledových krystalů v bezprostřední blízkosti buňky.

Tzv. anti-frost proteiny se vážou na povrch vznikajících ledových krystalů a díky svému speciálnímu tvaru vytvářejí konkávní ohyb, který brání růstu velkých ledových krystalů. Tyto proteiny produkuje mnoho rostlin, hub, řas a živočichů (Arrigo 2014, Maccario et al. 2015) a používají se v potravinářském průmyslu, například k zachování struktury mražené zeleniny nebo masa nebo při výrobě nemrznoucích směsí.

Opačný účinek mají proteiny nukleující led. Ty jsou obvykle produkovány bakteriemi, například Pseudomonas syringae, a mohou iniciovat tvorbu ledových krystalů již při teplotách +2 °C. Orientují přitom molekuly vody. Orientují molekuly vody pod vhodnými úhly, které podporují vznik krystalové struktury. Tím řídí tvorbu ledových krystalů a zmenšují jejich velikost. Tyto bílkoviny se používají také v průmyslu, například při výrobě zmrzliny nebo umělého sněhu. Tyto bakterie často žijí v symbióze s jinými organismy, například sněžnými řasami, a chrání tak jejich struktury (Roeters et al. 2021).

Koloběh živin a mikrobiální společenstva ve sněhové pokrývce

Jak si lze představit, důležité živiny jsou ve sněhu také poměrně vzácné. Sloučeniny dusíku a fosforu jsou sice vyplavovány při tání nebo získávány z atmosféry během srážek, ale výměna mezi půdní biomasou a sněhovou pokrývkou je malá. Organismy si proto musely najít nové zdroje živin a efektivně je využívat. Například kvasinka Phenoliferia psychrophenolica je skutečným odborníkem na efektivní získávání potravy.

Byla nalezena v krvavých sněhových polích po celém světě a svou denní dávku uhlíku získává především ze zbytků odumřelých sněžných řas. Mimo jiné dokáže rozkládat červené ochranné UV pigmenty a je důležitým článkem v koloběhu uhlíku mezi atmosférou, sněhovou pokrývkou a půdou. Díky své působivé schopnosti rozkládat organické látky je houba zajímavým kandidátem v oblasti bioremediace, tj. čištění znečištěných oblastí pomocí mikroorganismů (Ezzedine et al. 2025, Maccario et al. 2015).

Život na Zemi je nesmírně přizpůsobivý, a proto i rozšířený. Není proto překvapivé, že i sněhová pokrývka je plná organismů, které se specializovaly na tamní fyzikální podmínky a jsou důležitým článkem globálních geochemických cyklů. Studie totiž ukazují, že v 1 ml čerstvého sněhu lze detekovat asi 10⁵ bakteriálních buněk, což je srovnatelné s počtem v přibližně 1 mg půdy ve středoevropském klimatu. Ve firnu může být tento počet v závislosti na složení dokonce výrazně vyšší.

Jak a kde přesně se organismy ve sněhové pokrývce nacházejí, je poměrně obtížné určit. Předpokládá se, že žijí jednak v dutinách, jednak uzavřeny v ledových krystalech, obklopeny nepatrným filmem kapalné vody (≈ 1 nm) (obr. 4).

Bibliografie:

Arrigo, K. R. (2014). Ekosystémy mořského ledu. Annual Review of Marine Science, 6(1), 439-467. https://doi.org/10.1146/annurev-marine-010213-135103

Clarke, A. (2014). Tepelné limity života na Zemi. International Journal of Astrobiology, 13(2), 141-154. https://doi.org/10.1017/S1473550413000438

Ezzedine, J. A., et al. (2025). Schopnost pucciniomycotinous yeast Phenoliferia psychrophenolica čistit sněhové a ledové ekosystémy . Communications Biology, 8(1), Article 1084. https://doi.org/10.1038/s42003-025-1084-x

Maccario, L., et al. (2015) . Ekosystémy sněhu a ledu: Ne tak extrémní. Research in Microbiology, 166(10), 782-795. https://doi.org/10.1016/j.resmic.2015.10.002

Merino, N., et al. (2019) . Living at the extremes: Extremophiles and the limits of life in a planetary context (Život v extrémech: extrémofilové a hranice života v planetárním kontextu). Frontiers in Microbiology, 10, Article 780. https://doi.org/10.3389/fmicb.2019.00780

Mykytczuk, N. C. S., Wilhelm, R. C., & Whyte, L. G. (2012). Planococcus halocryophilus sp. nov., an extreme sub-zero species from high Arctic permafrost. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 62(Pt 8), 1937-1944. https://doi.org/10.1099/ijs.0.035097-0

Pascal, R. (2012). Život, metabolismus a energie. In Astrochemie a astrobiologie ( s. 243-269). Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-642-27585-4_10

Remias, D., Lütz-Meindl, U., & Leya, C. (2005). Fotosyntéza, pigmenty a ultrastruktura alpské sněžné řasy Chlamydomonas nivalis. European Journal of Phycology, 40(3), 259-268. https://doi.org/10.1080/09670260500202148

Roeters, S. J., et al. (2021). Ice-nucleating proteins are activated by low temperatures to control the structure of interfacial water (Ledové proteiny jsou aktivovány nízkými teplotami k řízení struktury mezifázové vody). Nature Communications, 12(1), článek 1183. https://doi.org/10.1038/s41467-021-21310-3