Los primeros arqueas descubiertos vivían todos en entornos de alta temperatura, alta salinidad y fuerte acidez, y estos entornos tienen poca relación con los organismos normales y los humanos. Por lo tanto, durante mucho tiempo fueron considerados organismos que habían perdido la competencia con las bacterias. Solo cuando se detectaron arqueas en una ventilación hidrotermal en el fondo del mar profundo, las personas se dieron cuenta de cuán similares eran sus hábitats a la Tierra primitiva. Las arqueas tal vez desempeñan un papel importante en la evolución biológica. De hecho, las arqueas también están distribuidas en entornos moderados, como el suelo, los intestinos y las bocas de los animales.
Metanógenos sin glicólisis son extremadamente anaeróbicos
Las primeras arqueas identificadas fueron los metanógenos. Ellos pueden ser las primeras formas de vida nacidas en cierta ventilación hidrotermal. Dado que varias sustancias reductoras son muy abundantes en el océano primitivo mientras que los azúcares están casi ausentes, su metabolismo es muy diferente del de los organismos modernos: los metanógenos no pueden obtener energía de la glucosa; los metanógenos son anaerobios extremos, no solo una traza de oxígeno los matará, sino que también el potencial redox del entorno externo debe ser inferior a -350 mv (una gran cantidad de sustancias reductoras, como gas hidrógeno, iones ferroso, metano, etc.). Por lo tanto, los entornos anaeróbicos ricos en materia orgánica son su paraíso favorito: los sistemas digestivos de los rumiantes, los sedimentos en lagos, ríos, océanos, pantanos y humedales.
La materia orgánica es descompuesta por otros microbios en hidrógeno, dióxido de carbono, y algunos ácidos grasos y alcoholes de cadena corta, y el oxígeno se agota. Luego, los metanógenos usan estos para crear un gradiente de protones y sintetizar ATP. El metano expulsado es equivalente a un gas de desecho, al igual que el dióxido de carbono en la respiración aeróbica. La sustancia intermedia acetil-CoA se usa para sintetizar aminoácidos, carbohidratos y lípidos. A veces, el metano se acumula en burbujas que ascienden a la superficie del lago o estanque. Una parte significativa del metano atmosférico es aportada por estas arqueas.
Los desechos orgánicos a menudo son degradados por metanógenos, reduciendo al menos la mitad de su masa. Estos residuo de degradación contienen materia orgánica difícil de degradar (como celulosa y lignina) que a menudo se utiliza como fertilizante o acondicionador del suelo.
Fotofosforilación, Arqueas Halófilas y Lagos Salinos
Las siguientes descubiertas fueron las arqueas halófilas o haloarqueas. Viven en entornos acuáticos con una salinidad del 10-30%, como el Mar Muerto en Israel o el Gran Lago Salado de Utah en los Estados Unidos. Si la salinidad es inferior al 10%, pueden no sobrevivir. Los aminoácidos hidrofílicos, glicerol, monosacáridos y otras sustancias se acumulan dentro de ellas para hacer el citoplasma isotónico con el entorno externo. Estas pequeñas moléculas mantienen el agua celular pero no cambian la conformación de las proteínas. Las haloarqueas también poseen proteínas de estructura especial que solo son activas en alta salinidad. Dado que parte de la sal proviene de carbonato, el agua del lago es alcalina. Algunos lagos con altas tasas de evaporación suelen tener un pH alrededor de 10.
Además de obtener energía de la materia orgánica, algunas arqueas halófilas también pueden recolectar energía de la luz solar. La rodopsina es excitada por la luz verde a una estructura cis y bombea protones al espacio entre la membrana plasmática y la pared celular para crear un gradiente de concentración de protones. Luego, la rodopsina vuelve a su estructura trans original y se prepara para la próxima excitación. Cuando los protones fluyen a través de la ATPasa, la energía solar se almacena en ATP. Esta es la fotofosforilación más simple, que involucra solo ATP y ADP, y es similar a la reacción dependiente de la luz en la fotosíntesis, pero carece de la cadena respiratoria para transportar electrones. Sin embargo, las haloarqueas solo realizan fotofosforilación o fijación de carbono fuera de la ruta C3, y los dos metabolismos no se han acoplado para ser una verdadera fotosíntesis. Dado que la luz verde es absorbida, estas arqueas de color rojo o púrpura tiñen los lagos salados del mismo color.
PCR y Termófilos Indestructibles por Agua Hirviendo
Si la temperatura supera los 40-50 °C, las proteínas y las membranas celulares de muchos organismos sufrirán desnaturalización térmica y perderán su función. Sin embargo, la temperatura mínima de supervivencia para las arqueas termófilas o termófilos alcanza alrededor de 40-50 °C. Por lo general, la temperatura óptima es entre 50 °C y 80 °C. Ciertas arqueas termófilas que viven en manantiales volcánicos calientes o ventilaciones hidrotermales en el fondo del mar pueden soportar temperaturas aún más altas. Su temperatura óptima a menudo está cerca del punto de ebullición del agua. No pueden sobrevivir a temperaturas inferiores a 80 °C. La cepa 121 pasó un día en el autoclave a 121 °C, e incluso su número se duplicó. Anteriormente se creía que todos los microorganismos expuestos a esta temperatura serían eliminados, ya que era la temperatura para la esterilización de equipos médicos.
La mayor contribución de las termófilos a los humanos es proporcionar algunas ADN polimerasas termoestables para la PCR. La solución se calienta por encima de los 90 °C para separar la doble hélice de ADN debido a la destrucción del enlace de hidrógeno, pero la Taq polimerasa está temporalmente inactiva en este momento. Cuando la temperatura desciende a 72 °C, las 2 hebras simples de ADN actúan como plantilla y los nucleótidos libres se ensamblan en 2 nuevas hélices de ADN de doble cadena con la ayuda de la Taq polimerasa. Este proceso se repite de 20 a 40 veces para amplificar los fragmentos de ADN exponencialmente.
Además de las temperaturas extremadamente altas, estos termófilos también soportan bajos pH y oxígeno. El dióxido de azufre liberado por la actividad de la corteza introduce ácido sulfúrico en el agua. A veces, el valor de pH es incluso inferior a 1, y es equivalente al ácido gástrico altamente corrosivo de los animales carroñeros. El oxígeno apenas se disuelve en agua casi hirviendo, por lo que respiran anaeróbicamente a través de sulfuros y óxidos de hierro que son comunes en los cráteres submarinos o manantiales calientes.