Войти
Яркие цвета Великого Призматического источника, Йеллоустоун Национальный парк, производится Thermophiles, типом экстремофилов. extremophile (от латинского extremus, означающего «крайний», и греческого philiā (φιλία), что означает «любовь»). ") представляет собой организм с оптимальным ростом в условиях окружающей среды, который считается экстремальным в том смысле, что он затруднен для углеродной формы жизни, такой как все живое на Земле., чтобы выжить.
Эти организмы являются доминирующими в эволюционной истории планеты. Возникнув более 40 миллионов лет назад, экстремофилы продолжали процветать в самых экстремальных условиях, назвав их одной из самых распространенных форм жизни.
Это не то же самое, что антропоцентрическая и ненаучная точка зрения, согласно которой экстремофил - это организм, живущий в условиях, неудобных для людей. Напротив, организмы, которые живут в более умеренных условиях окружающей среды, согласно антропоцентрической точке зрения, могут быть названы мезофилами или нейтрофилами.
В 1980-х и 1990-х годах биологи обнаружили, что микробная жизнь обладает большой гибкостью для выживания в экстремальных условиях - например, в кислых, чрезвычайно горячих нишах или в условиях нерегулярного давления воздуха. - что было бы совершенно негостеприимно. Некоторые ученые даже пришли к выводу, что жизнь могла зародиться на Земле в гидротермальных жерлах далеко под поверхностью океана.
По словам астрофизика Стейнна Сигурдссона, «существуют жизнеспособные споры бактерий. которые были обнаружены на Земле, которым 40 миллионов лет, и мы знаем, что они очень устойчивы к радиации ". Некоторые бактерии были обнаружены живущими в холодной и темноте в озере, похороненном на полумиле подо льдом в Антарктиде, а в Марианской впадине самое глубокое место в океанах Земли. Было обнаружено, что некоторые микроорганизмы процветают в скалах на глубине до 1900 футов (580 м) под морским дном на глубине 8 500 футов (2600 м) у побережья северо-запада США. По словам одного из исследователей, «микробы можно найти повсюду - они чрезвычайно адаптируются к условиям и выживают, где бы они ни находились». Ключом к адаптации экстремофилов является их аминокислотный состав, влияющий на их способность укладывать белок в определенных условиях. Изучение экстремальных условий на Земле может помочь исследователям понять пределы обитаемости в других мирах.
Том Гейзенс из Гентского университета в Бельгии и некоторые из его коллег представили результаты исследований, которые показывают, что споры некоторых видов бактерий Bacillus выжили и оставались жизнеспособными после нагрева до температуры 420 ° C (788 ° F).
| Пределы известных форм жизни на Земле. | |||
|---|---|---|---|
| Фактор | Окружающая среда / источник | Пределы | Примеры |
| Высокая температура | Подводные гидротермальные источники | от 110 ° C до 121 ° C | Pyrolobus fumarii, Pyrococcus furiosus |
| Низкотемпературные | Лед | от -20 ° C до -25 ° C | Synechococcus lividus |
| Щелочные системы | Содовые озера | pH >11 | Psychrobacter, Vibrio, Arthrobacter, Natronobacterium |
| Acidic systems | Вулканические источники, кислый дренаж шахт | pH от -0,06 до 1,0 | Bacillus, Clostridium paradoxum |
| Ионизирующее излучение | Космические лучи, Рентгеновские лучи, радиоактивный распад | от 1500 до 6000 Gy | Deinococcus radiodurans, Rubrobacter, Thermococcus gammatolerans |
| УФ излучение | Солнечный свет | 5,000 J /m | Deinococcus radiodurans, Rubrobacter, Thermococcus gammatolerans |
| Высокое давление | Марианская впадина | 1100 бар | Pyrococcus sp. |
| Соленость | Высокая концентрация соли | aw ~ 0,6 | Halobacteriaceae, Dunaliella salina |
| Desiccation | Пустыня Атакама (Чили), Сухие долины Мак-Мердо (Антарктида) | ~ 60% относительной влажности | Chroococcidiopsis |
| Глубокая кора | обнаружена на некоторых золотых приисках | Halicephalobus mephisto, не идентифицировано членистоногие | |
Существует множество классов экстремофилов, которые обитают по всему миру; каждый соответствует тому, как его экологическая ниша отличается от мезофильных условий. Эти классификации не являются исключительными. Многие экстремофилы подпадают под несколько категорий и классифицируются как полиэкстремофилы . Например, организмы, живущие внутри горячих пород глубоко под поверхностью Земли, такие как Thermococcus barophilus, теплолюбивы и пьезофильны. Полиэкстремофил, живущий на вершине горы в пустыне Атакама, может быть радиорезистентным ксерофилом, психрофилом и олиготроф. Полиэкстремофилы хорошо известны своей способностью переносить как высокий, так и низкий уровень pH.
астробиология изучает происхождение, эволюцию, распространение и будущее жизнь во вселенной : внеземная жизнь и жизнь на Земле. В астробиологии используются физика, химия, астрономия, физика Солнца, биология, молекулярная биология., экология, планетология, география и геология, чтобы исследовать возможность существования жизни в других мирах и помочь распознать биосферы, которые могут отличаться от земных. Астробиологи особенно заинтересованы в изучении экстремофилов, поскольку это позволяет им сопоставить то, что известно об ограничениях жизни на Земле, с потенциальной внеземной средой. Например, аналогичные пустыни Антарктиды подвергаются вредному УФ-излучению., низкая температура, высокая концентрация соли и низкая концентрация минералов. Эти условия аналогичны условиям на Марсе. Следовательно, обнаружение жизнеспособных микробов в недрах Антарктиды предполагает, что могут существовать микробы, выжившие в эндолитических сообществах и живущие под поверхностью Марса. Исследования показывают, что маловероятно, что марсианские микробы существуют на поверхности или на небольшой глубине, но могут быть обнаружены на глубине около 100 метров.
Недавние исследования экстремофилов в Японии были задействованы различные бактерии, включая Escherichia coli и Paracoccus denitrificans, находящиеся в условиях экстремальной гравитации. Бактерии культивировали при вращении в ультрацентрифуге с высокими скоростями, соответствующими 403 627 g (то есть в 403 627 раз больше силы тяжести, испытываемой на Земле). Paracoccus denitrificans был одной из бактерий, которые не только выживали, но и демонстрировали устойчивый рост клеток в условиях сверхускорения, которые обычно встречаются только в космических средах, например, на очень массивных звездах или в ударных волнах сверхновые. Анализ показал, что небольшой размер прокариотических клеток необходим для успешного роста в условиях гипергравитации. Исследование имеет значение для возможности панспермии.
26 апреля 2012 года ученые сообщили, что лишай выжили, и показали замечательные результаты в отношении адаптационной способности фотосинтетических активность в течение времени моделирования 34 дня в марсианских условиях в Лаборатории моделирования Марса (MSL), поддерживаемой Немецким аэрокосмическим центром (DLR).
29 апреля 2013 года ученые из Политехнического института Ренсселера, финансируемого НАСА, сообщили, что во время космического полета на International Космическая станция, микробы, похоже, приспосабливаются к космической среде способами, «не наблюдаемыми на Земле», и способами, которые «могут привести к увеличению роста и вирулентности ".
19 мая 2014 года ученые объявили, что многочисленные микробы, такие как Tersicoccus phoenicis, могут быть устойчивы к методам, обычно используемым в чистых помещениях для сборки космических кораблей. в настоящее время неизвестно, если такое r Устойчивые микробы могли выдержать космическое путешествие и присутствуют на марсоходе Curiosity, который сейчас находится на планете Марс.
20 августа 2014 года ученые подтвердили существование микроорганизмы, живущие на полмили подо льдом Антарктиды.
В сентябре 2015 года ученые из Национального исследовательского совета Италии сообщили, что S.soflataricus смог выжить под марсианским излучением на длине волны, которая считалась чрезвычайно смертельной для большинства бактерий. Это открытие важно, поскольку оно указывает на то, что не только споры бактерий, но и растущие клетки могут быть чрезвычайно устойчивыми к сильному УФ-излучению.
В июне 2016 года ученые из Университета Бригама Янга окончательно сообщили, что эндоспоры из Bacillus subtilis смогли выдержать удары на высокой скорости до 299 ± 28 м / с, сильные удары и резкое замедление. Они отметили, что эта особенность может позволить эндоспорам выжить и перемещаться между планетами, путешествуя внутри метеоритов или испытывая нарушение атмосферы. Более того, они предположили, что посадка космического корабля может также привести к межпланетному переносу спор, учитывая, что споры могут пережить высокоскоростной удар при выбросе из космического корабля на поверхность планеты. Это первое исследование, в котором сообщается, что бактерии могут выжить при таком высокоскоростном ударе. Однако смертельная скорость удара неизвестна, и необходимо провести дальнейшие эксперименты путем введения более скоростного удара по бактериальным эндоспорам.
В августе 2020 года ученые сообщили, что бактерии, питающиеся воздухом, были обнаружены в 2017 году. в Антарктиде, вероятно, не ограничиваются Антарктидой после обнаружения двух генов, ранее связанных с их «атмосферным хемосинтезом» в почве двух других подобных холодных пустынных мест, что дает дополнительную информацию об этом поглотителе углерода и еще больше усиливает свидетельства экстремофилов, подтверждающие возможное существование микробной жизни на чужих планетах.
В том же месяце ученые сообщили, что бактерии с Земли, в частности Deinococcus radiodurans, выживают в течение трех лет в космическом пространстве, на основе исследований на Международной космической станции. Эти данные подтверждают идею панспермии.
Новые подтипы -филов выявляются часто, и список подкатегорий экстремофилов постоянно растет. Например, микробная жизнь обитает в жидком асфальтовом озере, Пич-Лейк. Исследования показывают, что экстремофилы населяют асфальтовое озеро популяциями от 10 до 10 клеток / грамм. Аналогичным образом, до недавнего времени устойчивость к бору была неизвестна, но у бактерий был обнаружен сильный борофил. После недавнего выделения Bacillus boroniphilus возникла дискуссия о борофилах. Изучение этих борофилов может помочь пролить свет на механизмы токсичности бора и его дефицита.
В июле 2019 года научное исследование Кидд Майн в Канаде обнаружило дышащих серой организмов, которые живут на глубине 7900 футов под поверхностью и которые дышат серой, чтобы выжить. Эти организмы также примечательны тем, что поедают камни, такие как пирит, в качестве обычного источника пищи.
Термощелкалифильная каталаза, которая инициирует расщепление перекиси водорода до кислорода и вода, были выделены из организма, обнаруженного в Йеллоустонском национальном парке исследователями Национальной лаборатории Айдахо. Каталаза действует в диапазоне температур от 30 ° C до более 94 ° C и диапазоне pH от 6 до 10. Эта каталаза чрезвычайно устойчива по сравнению с другими каталазами при высоких температурах и pH. В сравнительном исследовании каталаза T. brockianus показала период полужизни 15 дней при 80 ° C и pH 10, в то время как каталаза, полученная из Aspergillus niger, имела период полураспада 15 секунд в тех же условиях. Каталаза будет применяться для удаления перекиси водорода в промышленных процессах, таких как отбеливание целлюлозы и бумаги, отбеливание текстиля, пастеризация пищевых продуктов и обеззараживание поверхности пищевой упаковки.
Ферменты, модифицирующие ДНК, такие как Taq ДНК-полимераза и некоторые ферменты Bacillus, используемые в клинической диагностике и разжижении крахмала, коммерчески производятся несколькими биотехнологическими компаниями.
Известно более 65 видов прокариот. естественно компетентный для генетической трансформации, способность переносить ДНК из одной клетки в другую с последующей интеграцией донорной ДНК в хромосому клетки-реципиента. Некоторые экстремофилы способны осуществлять видоспецифичный перенос ДНК, как описано ниже. Однако пока не ясно, насколько распространена такая возможность среди экстремофилов.
Бактерия Deinococcus radiodurans является одним из наиболее радиоустойчивых известных организмов. Эта бактерия также может пережить холода, обезвоживание, вакуум и кислоту и поэтому известна как полиэкстремофил. D. radiodurans может выполнять генетическую трансформацию. Клетки-реципиенты способны восстанавливать повреждение ДНК в донорской трансформирующей ДНК, подвергшейся УФ-облучению, так же эффективно, как они восстанавливают клеточную ДНК при облучении самих клеток. Крайняя термофильная бактерия Thermus thermophilus и другие родственные виды Thermus также способны к генетической трансформации.
, чрезвычайно галофильная (солевой толерантный) archaeon, способна к естественной генетической трансформации. Цитоплазматические мостики образуются между клетками, которые, по-видимому, используются для переноса ДНК от одной клетки к другой в любом направлении.
Sulfolobus solfataricus и Sulfolobus acidocaldarius - гипертермофильные археи. Воздействие на эти организмы повреждающих ДНК агентов УФ-облучение, блеомицин или митомицин С вызывает видоспецифичную клеточную агрегацию. УФ-индуцированная агрегация клеток S. acidocaldarius опосредует обмен хромосомными маркерами с высокой частотой. Скорости рекомбинации превышают таковые в неиндуцированных культурах до трех порядков. Frols et al. и Ajon et al. выдвинули гипотезу о том, что агрегация клеток усиливает видоспецифичный перенос ДНК между клетками Sulfolobus, чтобы восстановить поврежденную ДНК посредством гомологичной рекомбинации. Van Wolferen et al. отметил, что этот процесс обмена ДНК может иметь решающее значение в условиях повреждения ДНК, таких как высокие температуры. Также было высказано предположение, что перенос ДНК у Sulfolobus может быть ранней формой сексуального взаимодействия, аналогичной более хорошо изученным системам бактериальной трансформации, которые включают видоспецифичный перенос ДНК, ведущий к гомологичной рекомбинационной репарации повреждений ДНК (и см. Трансформация (генетика) ).
Везикулы внеклеточных мембран (MV) могут участвовать в переносе ДНК между различными гипертермофильными видами архей. Было показано, что и плазмиды, и вирусные геномы могут переноситься через Примечательно, что горизонтальный перенос плазмиды был зарегистрирован между гипертермофильными видами Thermococcus и Methanocaldococcus, соответственно принадлежащими к отрядам Thermococcales и Methanococcales.
