Открыть главное меню

Экстремофи́лы (от лат. extremus — экстремальный и греч. φιλία — любовь) — совокупное название для живых существ (в том числе бактерий и микроорганизмов), способных жить и размножаться в экстремальных условиях окружающей среды (экстремально высокие или низкие значения температуры, давления, кислотности, кислорода и т. п.). По сравнению с этим, организмы, обитающие в более умеренной среде, могут быть названы мезофилами или нейтрофилами.

Содержание

ХарактеристикиПравить

В 1980-х и 1990-х годах биологи обнаружили, что микробная жизнь обладает удивительной гибкостью к выживанию в экстремальных местах обитания — например, в нишах, чрезвычайно горячих или кислотных, которые были бы абсолютно негостеприимными для сложных организмов. Некоторые учёные даже заключили, что жизнь на Земле могла зародиться в подводных гидротермальных источниках на дне океана. Согласно астрофизику Штайн Зигурдсону, «Были обнаружены жизнеспособные споры бактерии возрастом 40 миллионов лет, и мы знаем что они очень устойчивы к радиации»[1]. В феврале 2013 года учёные сообщили об обнаружении бактерии, обитающей в холоде и темноте озера, захоронённого под полумильной толщей льда в Антарктиде[2]. 17-го марта 2013 года исследователи представили данные, предполагающие обилие микробной жизни на дне Марианской впадины[3][4]. Другие учёные опубликовали схожие исследования, что микробы обитают внутри скал на глубине 1900 футов ниже морского дна, под 8500 футами океана у берегов северо-западных Соединённых Штатов[3][5]. Вот что сказал один из исследователей: «Вы можете обнаружить микробы повсюду — они чрезвычайно приспособляемы к условиям и выживают, где бы они ни находились»[3].

МорфологияПравить

Большинство известных экстремофилов — микробы. Домен Археи содержит известные примеры, но экстремофилы присутствуют в многочисленных и разнообразных генетических линиях бактерий и архей. Кроме того, ошибочно использовать термин «экстремофил» для описания всех археев, так как некоторые из них мезофилы. Также не все экстремофилы одноклеточные: первичноротые животные обнаружены в сходных условиях, включая помпейского червя, психрофильных гриллоблаттидов (насекомые) и антарктического криля (ракообразные). Многие также бы классифицировали тихоходок как экстремофилов, но пусть тихоходка и может выжить в экстремальных условиях, она не считается экстремофилом, потому что не приспособлена к жизни в таких условиях. Вероятность их смерти увеличивается, чем дольше они подвергаются воздействию экстремальной среды.

КлассификацияПравить

Во всём мире насчитывается много классов экстремофилов, каждый из которых соответствует тому, как его экологическая ниша отличается от мезофильных условий. Эти классификации не являются взаимоисключающими. Многие экстремофилы подпадают под несколько категорий сразу и называются полиэкстремофилами. Например, организмы, живущие внутри горячих скал глубоко под поверхностью Земли являются термофильными и барофильными, подобно Thermococcus barophilus[6]. Полиэкстремофил, обитающий на вершине горы в пустыне Атакама может оказаться радиоустойчивым ксерофилом, психрофилом и олиготрофным организмом. Полиэкстремофилы хорошо известны своей способностью переносить как высокие, так и низкие уровни рН[7].

ТерминыПравить

Ацидофил — организм с оптимальным ростом при уровнях рН 3 или ниже.

Алкалифил — организм с оптимальным ростом при уровнях рН 9 или выше.

Анаэроб — организм, которому не требуется кислород для роста, такой как Spinoloricus Cinzia. Существуют два подвида: факультативные анаэробы и облигатные анаэробы. Факультативные анаэробы могут вынести анаэробные и аэробные условия; однако, облигатный анаэроб погибнет даже в присутствии незначительного количества кислорода.

Криптоэндолит — организм, живущий в микроскопических пространствах внутри скал, таких как поры между зёрен заполнителей; они также могут быть названы эндолитами, термин, который включает в себя организмы, населяющие трещины, водоносные горизонты и разломы, заполненные подземными водами глубоко под поверхностью земли.

Галофил — организм, живущий в соляных растворах с содержанием NaCl 25—30 %[8].

Гипертермофил — организм, который может развиваться при температурах 80-122 °C, встречается в гидротермальных системах.

Гиполит — организм, живущий под камнями в холодных пустынях.

Капнофил — организм, которому для своей жизнедеятельности требуется углекислый газ в концентрации 10—15 %.

Литоавтотроф — организм (обычно бактерия), чьим единственным источником углерода является двуокись углерода и экзэргоническое неорганическое окисление (хемолитотрофы), подобный Nitrosomonas еurораеа; эти организмы способны получать энергию от восстановленных минеральных соединений, таких как пирит, и принимают активное участие в геохимическом круговороте и выветривании материнской породы, таким образом формируя почву.

Металлотолерантный организм способен выносить высокие уровни растворённых тяжёлых металлов в растворе, таких как медь, кадмий, мышьяк и цинк; примеры включают Ferroplasma Sp., Cupriavidus metallidurans и GFAJ-1[9][10][11].

Олиготроф — организм, способный расти в питательно ограниченных условиях.

Осмофил — организм, способный жить в растворах с чрезвычайно высокой концентрацией осмотически активных веществ и соответственно при высоком осмотическом давлении (например, микроскопические грибки, употребляющие мёд в качестве субстрата).

Пьезофил (также упоминается как барофил) — организм, оптимально живущий при высоких давлениях, которые достигаются глубоко в океане или под землёй[12]; обычны в глубоких недрах земли, а также в океанических впадинах.

Полиэкстремофил (от лат. и др.греч. «любовь ко многим крайностям») является организмом, экстремофильным в более чем одной категории.

Психрофил/криофил — организм, способный на выживание, рост или размножение при температуре 10 °С и ниже в течение длительного периода; распространены в холодных почвах, вечной мерзлоте, полярном льду, холодной морской воде, или на/под альпийским снежным покровом[13].

Радиорезистентные организмы устойчивы к высоким уровням ионизирующего излучения, наиболее часто к ультрафиолетовому излучению, но в том числе и организмы, способные противостоять ядерному излучению.

Термофил  — организм, процветающий при температурах 45-122 °C[13].

Термоацидофил — сочетание термофила и ацидофила, предпочитает температуру 70-80 °С и рН 2-3.

Ксерофил — организм, который может расти в очень сухих, обезвоженных условиях; почвенные микробы в пустыне Атакама служат примером данному типу.

АстробиологияПравить

Область астробиологии связана с теориями возникновения жизни, такими как панспермия, а также затрагивает вопросы о распределении, природе и будущем жизни во Вселенной. В ней экологи-микробиологи, астрономы, планетарные учёные, геохимики, философы и исследователи, конструктивно сотрудничая, направляют свои усилия на поиск жизни на других планетах[14]. Астробиологи особенно заинтересованы в изучении экстремофилов[15], так как многие организмы данного типа способны выжить в условиях, аналогичных тем, которые как известно, существуют на других планетах. Например, на Марсе могут быть области глубоко под поверхностью вечной мерзлоты, укрывающие сообщества эндолитов. Водный океан под поверхностью Европы, спутника Юпитера, гипотетически может содержать жизнь в глубинных гидротермальных источниках.

Недавние исследования, проведённые над экстремофилами в Японии, состояли из множества бактерий, включая Escherichia coli и Paracoccus denitrificans, которых подвергли условиям экстремальной силы тяжести. Бактерии выращивались в ультрацентрифуге на высоких скоростях, соответствующих 403627 g (то есть в 403627 раз большая сила тяжести, чем на Земле). Paracoccus denitrificans была одной из бактерий, продемонстрировавшей не только выживание, но также устойчивый клеточный рост в условиях сверхускорения, которые обычно можно найти только в космических условиях, например, на очень массивных звёздах или в ударных волнах сверхновых. Анализ показал, что небольшой размер клеток прокариот имеет важное значение для успешного роста при гипергравитации[16][17].

26 апреля 2012 года, учёные сообщили, что лишайник выжил и показал замечательные результаты на способность к адаптации фотосинтетической активности в течение 34 дней имитационного моделирования марсианских условий, проведённых в Mars Simulation Laboratory (MSL), Германского центра авиации и космонавтики (DLR)[18][19].

29 апреля 2013 года, учёные Политехнического Института Ренсселера, спонсируемого НАСА, сообщили, что за время космического полёта на Международную космическую станцию микробы адаптируются к космической среде в «не наблюдаемом на Земле» смысле и таким образом «могут привести к увеличению роста и вирулентности»[20].

19 мая 2014 года, учёные объявили, что многочисленные микроорганизмы, такие как Tersicoccus phoenicis, могут быть устойчивыми к методам, обычно используемым в чистых помещениях для сборки космических аппаратов. На данный момент не известно, могли ли стойкие микробы выдержать космическое путешествие и присутствуют ли они сейчас на Rover Curiosity, планете Марс[21].

20 августа 2014 года, учёные подтвердили существование микроорганизмов, живущих в полумиле подо льдом Антарктиды[22][23].

20 августа 2014 года, российские космонавты сообщили об обнаружении планктона на внешней поверхности иллюминатора Международной космической станции, но затруднились объяснить, как он там оказался[24].

В феврале 2017 года специалисты Института астробиологии NASA под руководством Пенелопы Бостон обнаружили живые организмы, находящиеся внутри гигантских кристаллов селенита в шахтах под городом Найка мексиканского штата Чиуауа. Они располагаются над магматическим карманом, поэтому температура здесь держится на уровне +60º С. Микроорганизмы находились в кристаллах в течение около 60 тысяч лет в состоянии геолатентности (оставались жизнеспособными), но не проявляли активности. Установлено, что для выживания бактерии, вирусы и археи «использовали» оксид меди, марганец, сульфиды и железо; переработка этих веществ обеспечивала их энергией[25][26].

ПримерыПравить

Часто опознаются новые подтипы «-филов» и список подкатегорий экстремофилов постоянно растёт. Например, микробная жизнь существует в озере из жидкого асфальта Пич-Лейк. Исследования показывают, что популяции экстремофилов населяют асфальтовое озеро в диапазоне 106 — 107 клеток/грамм[27][28]. Кроме того, до недавнего времени устойчивость к бору была неизвестна, но сильный борофил был открыт среди бактерий. С недавней изоляцией бактерии Bacillus boroniphilus, борофилы вошли в дискуссию[29]. Исследование этих прокариот может помочь в освещении механизма, как токсичности бора, так и его дефицита.

Промышленное использованиеПравить

Термоалкалифильная каталаза, инициирующая распад перекиси водорода на кислород и воду, была выделена из организма Thermus brockianus, найденного в Йеллоустонском национальном парке исследователями национальной лаборатории Айдахо. Каталаза действует в диапазоне температур от 30 °C до 94 °С и значении рН 6-10. Она чрезвычайно стабильна по сравнению с другими каталазами при высоких температурах и рН. В сравнительном исследовании, каталаза Т. brockianus показала период полураспада 15 дней при 80 °С и рН 10, а каталаза, полученная из Aspergillus niger имела период полураспада 15 секунд при тех же условиях. Каталазе найдётся применение в удалении перекиси водорода в промышленных процессах, таких как целлюлозно-бумажное и текстильное отбеливание, пищевая пастеризация и обеззараживание поверхности упаковок пищевых продуктов[30].

ДНК-модифицирующие ферменты, такие как термостабильная ДНК полимераза и некоторые ферменты Bacillus, используемые в клинической диагностике и при разжижении крахмала, производятся на коммерческой основе несколькими биотехнологическими компаниями[31].

Перенос ДНКПравить

Известно более 65 видов прокариот, изначально способных к генетической трансформации: умении переносить ДНК из одной клетки в другую, с последующим включением ДНК донора в хромосому клетки реципиента[32]. Некоторые экстремофилы способны осуществлять видоспецифический перенос ДНК, как описано ниже. Тем не менее, пока не ясно, часто ли такие возможности встречаются среди экстремофилов.

Бактерия Deinococcus radiodurans один из самых известных радиорезистентных организмов. Эта бактерия также переносит холод, обезвоживание, вакуум и кислоту и поэтому является полиэкстремофилом. D. radiodurans способна производить генетическую трансформацию[33]. Клетки реципиента могут восстанавливать повреждения ДНК в трансформирующей ДНК донора, вызванные УФ излучением, так же эффективно, как они восстанавливают клеточную ДНК, когда сами клетки облучаются[34].

Крайне термофильные бактерии Thermus thermophilus и другие родственные виды Thermus способны к генетической трансформации. Halobacterium volcanii, крайне галофильный архей, также способен к естественной генетической трансформации. Между клетками образуются цитоплазматические мостики, которые используются для переноса ДНК от одной клетки к другой в любом направлении[35].

Sulfolobus solfataricus и Sulfolobus acidocaldarius являются гипертермофильными археями. Воздействие на эти организмы ДНК-повреждающих агентов: УФ излучения, блеомицина или митомицина С, вызывает видоспецифическую клеточную агрегацию[36][37]. Клеточная агрегация С. acidocaldarius, вызванная ультрафиолетом, посредничает в обмене хромосомного маркера с высокой частотой[37]. Скорость рекомбинации на три порядка выше чем у не индуцированных культур. Frols и др.[36] и Ajon и др.[37] предположили, что клеточная агрегации улучшает видоспецифичный перенос ДНК между клетками Sulfolobus, для восстановления поврежденной ДНК с помощью гомологичной рекомбинации. Van Wolferen и др.[38] отметили, что этот процесс обмена ДНК может иметь решающее значение в условиях повреждающих ДНК, таких как высокие температуры. Он также предположил, что перенос ДНК в Sulfolobus может быть ранней формой сексуального взаимодействия, схожей с более хорошо изученными системами бактериальной трансформации, которые включают видоспецифический перенос ДНК, приводящий к гомологичной рекомбинационной репарации повреждений ДНК[39] (см. Трансформация (генетика)).

Внеклеточные мембранные везикулы могут быть вовлечены в передачу ДНК между различными видами гипертермофильных археев[40]. Было показано, что плазмиды[41], как и вирусный геном[40] могут быть переданы посредством мембранных везикул. В особенности, был зарегистрирован горизонтальный перенос плазмид между гипертермофильными Thermococcus и Methanocaldococcus видами, соответственно принадлежащими к отрядам Thermococcales и Methanococcales[42].

ПримечанияПравить

  1. BBC Staff. Impacts 'more likely' to have spread life from Earth. BBC (23 August 2011).
  2. Gorman, James. Scientists Find Life in the Cold and Dark Under Antarctic Ice. New York Times (February 6, 2013).
  3. 1 2 3 Choi, Charles Q. Microbes Thrive in Deepest Spot on Earth. LiveScience (17 March 2013).
  4. Glud RN, Wenzhöfer F, Middelboe M, Oguri K, Turnewitsch R, Canfield DE, Kitazato H (17 March 2013). “High rates of microbial carbon turnover in sediments in the deepest oceanic trench on Earth”. Nature Geoscience. 6 (4): 284—288. Bibcode:2013NatGe...6..284G. DOI:10.1038/ngeo1773.
  5. Oskin, Becky Intraterrestrials: Life Thrives in Ocean Floor. LiveScience (14 March 2013).
  6. Marteinsson VT, Birrien JL, Reysenbach AL, Vernet M, Marie D, Gambacorta A, Messner P, Sleytr UB, Prieur D (April 1999). “Thermococcus barophilus sp. nov., a new barophilic and hyperthermophilic archaeon isolated under high hydrostatic pressure from a deep-sea hydrothermal vent”. International Journal of Systematic Bacteriology. 49 Pt 2 (2): 351—9. DOI:10.1099/00207713-49-2-351. PMID 10319455.
  7. Yadav AN, Verma P, Kumar M, Pal KK, Dey R, Gupta A, et al. (2014-05-31). “Diversity and phylogenetic profiling of niche-specific Bacilli from extreme environments of India”. Annals of Microbiology [англ.]. 65 (2): 611—629. DOI:10.1007/s13213-014-0897-91 (inactive 2019-02-19).
  8. Extremophiles // Encyclopedia of Microbiology. — Second. — San Diego : Academic Press, 2000. — Vol. 2. — P. 317–337.
  9. Studies refute arsenic bug claim, BBC News (9 July 2012).
  10. Erb TJ, Kiefer P, Hattendorf B, Günther D, Vorholt JA (July 2012). “GFAJ-1 is an arsenate-resistant, phosphate-dependent organism”. Science. 337 (6093): 467—70. Bibcode:2012Sci...337..467E. DOI:10.1126/science.1218455. PMID 22773139.
  11. Reaves ML, Sinha S, Rabinowitz JD, Kruglyak L, Redfield RJ (July 2012). “Absence of detectable arsenate in DNA from arsenate-grown GFAJ-1 cells”. Science. 337 (6093): 470—3. arXiv:1201.6643. Bibcode:2012Sci...337..470R. DOI:10.1126/science.1219861. PMC 3845625. PMID 22773140.
  12. Dworkin, Martin. Symbiotic Associations, Biotechnology, Applied Microbiology / Martin Dworkin, Stanley Falkow. — Springer, 13 July 2006. — Vol. 1. — P. 94. — ISBN 978-0-387-25476-0.
  13. 1 2 Reed CJ, Lewis H, Trejo E, Winston V, Evilia C (2013). “Protein adaptations in archaeal extremophiles”. Archaea. 2013: 373275. DOI:10.1155/2013/373275. PMC 3787623. PMID 24151449.
  14. The life and death of planet Earth. — New York : Owl Books, 2004. — ISBN 978-0-8050-7512-0.
  15. Chang, Kenneth. Visions of Life on Mars in Earth’s Depths, The New York Times (12 September 2016).
  16. Than, Ker. Bacteria Grow Under 400,000 Times Earth's Gravity. National Geographic- Daily News. National Geographic Society (25 April 2011).
  17. Deguchi S, Shimoshige H, Tsudome M, Mukai SA, Corkery RW, Ito S, Horikoshi K (May 2011). “Microbial growth at hyperaccelerations up to 403,627 x g”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (19): 7997—8002. Bibcode:2011PNAS..108.7997D. DOI:10.1073/pnas.1018027108. PMC 3093466. PMID 21518884.
  18. Baldwin, Emily Lichen survives harsh Mars environment. Skymania News (26 April 2012).
  19. De Vera JP, Kohler U (26 April 2012). “The adaptation potential of extremophiles to Martian surface conditions and its implication for the habitability of Mars” (PDF). Egu General Assembly Conference Abstracts. 14: 2113. Bibcode:2012EGUGA..14.2113D. Дата обращения 27 April 2012.
  20. Kim W, Tengra FK, Young Z, Shong J, Marchand N, Chan HK, et al. (29 April 2013). “Spaceflight promotes biofilm formation by Pseudomonas aeruginosa”. PLOS One. 8 (4): e62437. Bibcode:2013PLoSO...862437K. DOI:10.1371/journal.pone.0062437. PMC 3639165. PMID 23658630.
  21. Madhusoodanan J (19 May 2014). “Microbial stowaways to Mars identified”. Nature. DOI:10.1038/nature.2014.15249. Дата обращения 23 May 2014.
  22. Fox D (August 2014). “Lakes under the ice: Antarctica's secret garden”. Nature. 512 (7514): 244—6. Bibcode:2014Natur.512..244F. DOI:10.1038/512244a. PMID 25143097.
  23. Mack, Eric Life Confirmed Under Antarctic Ice; Is Space Next?. Forbes (20 August 2014).
  24. Mastascusa V, Romano I, Di Donato P, Poli A, Della Corte V, Rotundi A, Bussoletti E, Quarto M, Pugliese M, Nicolaus B (September 2014). “Extremophiles survival to simulated space conditions: an astrobiology model study”. Origins of Life and Evolution of the Biosphere. 44 (3): 231—7. Bibcode:2014OLEB...44..231M. DOI:10.1007/s11084-014-9397-y. PMC 4669584. PMID 25573749.
  25. Bob Grant 60,000-Year-Old Life Found in Crystals in Mexican Cave. the-scientist.com. 2017-02-21
  26. Barney BL, Pratt SN, Austin DE (June 2016). “Survivability of bare, individual Bacillus subtilis spores to high-velocity surface impact: Implications for microbial transfer through space”. Planetary and Space Science. 125: 20—26. Bibcode:2016P&SS..125...20B. DOI:10.1016/j.pss.2016.02.010.
  27. Microbial Life Found in Hydrocarbon Lake. the physics arXiv blog 15 April 2010.
  28. Schulze-Makuch, Haque, Antonio, Ali, Hosein, Song, Yang, Zaikova, Beckles, Guinan, Lehto, Hallam. Microbial Life in a Liquid Asphalt Desert.
  29. Ahmed I, Yokota A, Fujiwara T (March 2007). “A novel highly boron tolerant bacterium, Bacillus boroniphilus sp. nov., isolated from soil, that requires boron for its growth”. Extremophiles. 11 (2): 217—24. DOI:10.1007/s00792-006-0027-0. PMID 17072687.
  30. Bioenergy and Industrial Microbiology. Idaho National Laboratory. U.S. Department of Energy.
  31. Extremophiles: Microbiology and Biotechnology. — Caister Academic Press, 2012. — ISBN 978-1-904455-98-1.
  32. Johnsborg O, Eldholm V, Håvarstein LS (December 2007). “Natural genetic transformation: prevalence, mechanisms and function”. Research in Microbiology. 158 (10): 767—78. DOI:10.1016/j.resmic.2007.09.004. PMID 17997281.
  33. Moseley BE, Setlow JK (September 1968). “Transformation in Micrococcus radiodurans and the ultraviolet sensitivity of its transforming DNA”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 61 (1): 176—83. Bibcode:1968PNAS...61..176M. DOI:10.1073/pnas.61.1.176. PMC 285920. PMID 5303325.
  34. Koyama Y, Hoshino T, Tomizuka N, Furukawa K (April 1986). “Genetic transformation of the extreme thermophile Thermus thermophilus and of other Thermus spp”. Journal of Bacteriology. 166 (1): 338—40. DOI:10.1128/jb.166.1.338-340.1986. PMC 214599. PMID 3957870.
  35. Rosenshine I, Tchelet R, Mevarech M (September 1989). “The mechanism of DNA transfer in the mating system of an archaebacterium”. Science. 245 (4924): 1387—9. Bibcode:1989Sci...245.1387R. DOI:10.1126/science.2818746. PMID 2818746.
  36. 1 2 Fröls S, Ajon M, Wagner M, Teichmann D, Zolghadr B, Folea M, Boekema EJ, Driessen AJ, Schleper C, Albers SV, et al. (November 2008). “UV-inducible cellular aggregation of the hyperthermophilic archaeon Sulfolobus solfataricus is mediated by pili formation”. Molecular Microbiology. 70 (4): 938—52. DOI:10.1111/j.1365-2958.2008.06459.x. PMID 18990182.
  37. 1 2 3 Ajon M, Fröls S, van Wolferen M, Stoecker K, Teichmann D, Driessen AJ, Grogan DW, Albers SV, Schleper C, et al. (November 2011). “UV-inducible DNA exchange in hyperthermophilic archaea mediated by type IV pili”. Molecular Microbiology. 82 (4): 807—17. DOI:10.1111/j.1365-2958.2011.07861.x. PMID 21999488.
  38. van Wolferen M, Ajon M, Driessen AJ, Albers SV (July 2013). “How hyperthermophiles adapt to change their lives: DNA exchange in extreme conditions”. Extremophiles. 17 (4): 545—63. DOI:10.1007/s00792-013-0552-6. PMID 23712907.
  39. Evolutionary Origin and Adaptive Function of Meiosis, Meiosis. — InTech, 2013. — ISBN 978-953-51-1197-9.
  40. 1 2 Gaudin M, Krupovic M, Marguet E, Gauliard E, Cvirkaite-Krupovic V, Le Cam E, Oberto J, Forterre P (April 2014). “Extracellular membrane vesicles harbouring viral genomes”. Environmental Microbiology. 16 (4): 1167—75. DOI:10.1111/1462-2920.12235. PMID 24034793.
  41. Gaudin M, Gauliard E, Schouten S, Houel-Renault L, Lenormand P, Marguet E, Forterre P (February 2013). “Hyperthermophilic archaea produce membrane vesicles that can transfer DNA”. Environmental Microbiology Reports. 5 (1): 109—16. DOI:10.1111/j.1758-2229.2012.00348.x. PMID 23757139.
  42. Krupovic M, Gonnet M, Hania WB, Forterre P, Erauso G (2013). “Insights into dynamics of mobile genetic elements in hyperthermophilic environments from five new Thermococcus plasmids”. PLOS One. 8 (1): e49044. Bibcode:2013PLoSO...849044K. DOI:10.1371/journal.pone.0049044. PMC 3543421. PMID 23326305.

ЛитератураПравить