Экстремофилы, процветающие в самых безжалостных условиях, — это не просто биологические курьёзы. Понимание их жизнестойкости важно для развития науки.

Жизнь на Земле практически не встречает преград, которые она не могла бы преодолеть. Хотя большая часть биологического разнообразия сосредоточена в пышных и богатых средах обитания, таких как тропические леса и коралловые рифы, даже самые суровые уголки нашей планеты заселены. Организмы, процветающие в экстремальных условиях — при обжигающих температурах, сокрушительном давлении и воздействии едких кислот, — мы называем «экстремофилами».

Большинство этих выносливых микроорганизмов — это бактерии или археи. Некоторые из них эволюционировали так, что могут жить в ядовитом рассоле, который для почти всех остальных организмов стал бы смертельной средой. Некоторые способны без проблем расти при минусовых температурах, используя специальные ферменты, которые продолжают работать там, где другие останавливаются. Другие же не обращают внимания на тяжёлые металлы, ионизирующее излучение или даже космический вакуум и при этом процветают.

Эти организмы — не просто диковинки. Понимание их удивительной биологии открывает множество возможностей для практического применения. Открытие биохимических веществ, способных функционировать при экстремальных температурах, уровнях pH или давлении, может стать настоящим прорывом для широкого спектра промышленных процессов. Эти организмы также могут способствовать очистке окружающей среды от токсичных загрязнителей. Они растут, процветают и перерабатывают вещества там, где ничто другое не способно выжить. Экстремофилы и их ферменты даже стали основой современной генетики и молекулярной биологии.

Экстремофилы также могут позволить нам заглянуть в самые потаённые глубины происхождения жизни. Планета, на которой впервые зародилась жизнь, была суровым местом по сравнению с сегодняшним днём, и, вероятно, на ней наблюдались высокие концентрации токсинов и сильное радиационное облучение. Изучая пределы того, что жизнь способна выдержать сегодня, исследователи могут лучше понять, что вообще сделало жизнь возможной и что позволило ей адаптироваться практически к любой среде. 

И если жизнь можно обнаружить в экстремальных условиях нашей планеты, то есть вероятность, что она может существовать и в других частях Вселенной. Экстремофилы дают нам гипотетическую возможность заглянуть в мир инопланетной биологии, помогая лучше представить, какие формы жизни могут развиться на других, относительно негостеприимных мирах — от нашего соседа Марса до самых дальних уголков космоса. 

Бактерию Deinococcus radiodurans (изображение во вставке) случайно обнаружили в 1950-х годах, когда учёные подвергли банки с мясом воздействию огромных доз ионизирующего излучения. Поскольку этот микроорганизм способен противостоять радиационному воздействию, в 1000 раз превышающему дозу, смертельную для человека, он может помочь исследователям понять, как жизнь могла бы выжить на планетах с гораздо более высоким уровнем радиации, чем на Земле. Её относительно близкого родственника D. peraridilitoris обнаружили в засушливой прибрежной пустыне в Чили (главное изображение), где он также противостоит интенсивному радиационному воздействию.

Сегодня известно, что многие термофильные (теплолюбивые) микроорганизмы процветают в горячих источниках по всему миру, температура воды в которых близка к точке кипения. Один из самых важных видов был также одним из первых, обнаруженных учёными. В конце 1960-х годов исследователи, работавшие в Йеллоустонском национальном парке, описали бактерию Thermus aquaticus (вставка) из источника Mushroom Pool (главное изображение). Выделение её термостабильного фермента, синтезирующего ДНК, получившего название Taq-ДНК-полимераза, было описано в статье, опубликованной в 1976 году. Это привело к изобретению полимеразной цепной реакции, позволяющей в лабораторных условиях клонировать участки ДНК в огромных количествах, что коренным образом революционизировало молекулярную биологию.

Некоторые микроорганизмы обитают в одной из самых холодных и сухих зон вечной мерзлоты на Земле — в Сухих долинах Мак-Мердо в Антарктиде (главное изображение). Среди этих психрофильных (холодолюбивых) микроорганизмов — Rhodococcus sp. JG-3 (вставка). Эта бактерия способна расти при температуре -5°C и дышать при -15°C. Некоторые виды Rhodococcus вырабатывают ферменты, которые очень активны при низких температурах, что делает эти вещества потенциально полезными для очистки загрязняющих веществ в экстремально холодных условиях. То, как виды Rhodococcus выживают при сверхнизких температурах, также представляет интерес для учёных, исследующих возможность существования внеземной жизни на других планетах. 

Большая часть Мёртвого моря (главное изображение) оправдывает своё название. Однако ограниченный круг экстремальных галофилов (любителей соли) способен выжить в условиях осмотического давления морской воды. Одним из них является Haloarcula marismortui — архея (вставка). Галофилы выживают в условиях высокой солёности собственных клеток отчасти за счёт защиты своих белков гидратированным кислотным щитом. 

Жизнь может существовать даже в негостеприимных глубинах океана (главное изображение), где Земля разрывается на части. Methanopyrus kandleri (вставка) — это архея, впервые описанная около 35 лет назад и обнаруженная в глубоководном гидротермальном источнике в Калифорнийском заливе. Этот метанпроизводящий микроорганизм процветает в интенсивно нагретой вулканической активностью воде, изливающейся в чернильно-черные глубины, и обитает в условиях, которые, возможно, напоминают среду ранней Земли. Даже выдерживая огромное давление и солёную среду, по крайней мере один штамм Methanopyrus способен расти при температуре 122°C, что делает его одним из самых теплоустойчивых из известных организмов. 

В середине 1990-х годов учёные описали два ацидофильных (любящих кислоту) вида, относящихся к новому роду архей, обнаруженных в горячем источнике на севере Японии (главное изображение). Один из этих организмов, Picrophilus oshimae (вставка), возможно, является одной из самых кислотоустойчивых форм жизни из когда-либо обнаруженных. Эти археи процветают при pH 0,7, что соответствует уровню кислотности желудочного сока или аккумуляторной кислоты. Выяснение того, как белки и ДНК P. oshimae способны выживать при столь низком pH, может помочь исследователям лучше понять, как жизнь выдерживала высококислотные среды древней Земли. 

Некоторые галофилы интересуются историей. Бактерия Halomonas titanicae была описана в 2010 году после её обнаружения среди обломков «Титаника» (первое фото), где она более века разъедала сталь корабля, оставляя после себя длинные ржавые отростки (второе фото). Пристрастие этого морского микроба к железу может в будущем сыграть важную роль в очистке металлических отходов в уязвимых экосистемах.

Некоторые формы жизни являются «полиэкстремофилами», способными выживать одновременно в нескольких экстремальных условиях. Примером служит Exiguobacterium sp. SH31 (вставка) — бактерия, обнаруженная в солончаках Салар-де-Уаско в Чили (главное изображение). Она способна выживать как в условиях высокой солёности, так и при затоплении токсичными тяжёлыми металлами, такими как кадмий, хром и мышьяк. 

Впервые обнаруженная в Марианской впадине (главное изображение) в 2017 году, бактерия Colwellia marinimaniae (вставка) является, насколько нам известно, пиезофилом (организмом, предпочитающим высокое давление), способным расти при самом высоком давлении. Микроорганизм был обнаружен на разлагающемся ракообразном, и лабораторные испытания показали, что он лучше всего растёт при давлении 120 мегапаскалей — или почти 1200 атмосфер. (Без специального оборудования фридайверы обычно выдерживают под водой давление около 10 атмосфер). Ферменты пиезофильных организмов могут оказаться полезными для промышленных применений, осуществляемых в условиях высокого давления.

Глубокое озеро в Антарктиде (главное изображение) представляет собой экстремальную среду обитания, сочетающую в себе две особенности. Здесь не только очень холодно, но и очень солёно, что позволяет воде оставаться в жидком состоянии при температуре -20°C. Halorubrum lacusprofundi (вставка) — это архея, которая обитает в одной из самых холодных сред на Земле.

В Данакильской впадине — знойной, вулканической и токсичной впадине в Эфиопии — жизнь вынуждена существовать на пределе своих возможностей. Некоторые крошечные формы архей, относящиеся к группе полиэкстремофилов, выживают в горячих, кислых и солёных поверхностных водах. Исследователи обнаружили сверхмалые бактерии, размер которых в 20 раз меньше, чем у обычных бактерий, обитающие в одном из кислых, сверхгорячих соляных дымоходов.