Экстремофилы

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

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/низкие температуры, чрезмерное давление и т. п.). По сравнению с этим, организмы, обитающие в более умеренной среде могут быть названы мезофилами или нейтрофилами.

Характеристики[править | править вики-текст]

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 ученые 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". В феврале 2013 года ученые сообщили об обнаружении бактерии, обитающей в холоде и темноте озера, захороненного под полумильной толщей льда в Антарктиде [1]. 17-го марта 2013 года исследователи представили данные, предполагающие обилие микробной жизни на дне Марианской впадины. Другие ученые опубликовали схожие исследования, что микробы обитают внутри скал на глубине 1900 футов ниже морского дна, под 8500 футами океана у берегов северо-западных Соединенных Штатов. Согласно одному из исследователей, "Вы можете обнаружить микробы повсюду - они чрезвычайно приспособляемы к условиям и выживают где бы они не находились".

Морфология[править | править вики-текст]

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, они не считаются экстремофилами, потому что не приспособлены к жизни в таких условиях.  Вероятность их смерти увеличивается, чем дольше они подвергаются воздействию экстремальной среды. 

Классификация[править | править вики-текст]

Во всем 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 и называются полиэкстремофилами. Например, организмы, живущие внутри горячих скал глубоко под поверхностью Земли являются термофильными и барофильными, подобно Thermococcus barophilus. 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.

Термины[править | править вики-текст]

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 умрет даже в присутствии незначительного количества кислорода.

Криптоэндолит - организм, живущий в микроскопических пространствах внутри скал, таких как поры между зерен 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 %.

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 востановленных 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 растворенных тяжелых металлов в растворе, таких как медь, кадмий, мышьяк и цинк; примеры включают Ferroplasma Sp., Cupriavidus metallidurans и GFAJ-1.

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 землей; 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.

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.

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 cлужат примером данному типу.

Астробиология[править | править вики-текст]

Область астробиологии связана с теориям возникновения, такими как панспермия, а также затрагивает вопросы о распределении, природе и будущем жизни во Вселенной. В ней, экологи-микробиологи, астрономы, планетарные ученые, геохимики, философы и исследователи конструктивно сотрудничая, направляют поиски жизни на других планетах. Астробиологи особенно заинтересованы в изучении экстремофилов, 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, проведенные 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 (т.е. 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 сверх ускорения, которые обычно можно найти только в космических условиях, например, на очень массивных звездах или в ударных волнах сверхновых. Анализ показал, что небольшой размер клеток прокариот имеет важное значение для успешного роста при гипергравитации.

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

29 апреля 2013 года, ученые Политехнического Института Ренсселера, спонсируемого НАСА, сообщили, что за время космического полета 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 ".

19 мая 2014 года, ученые 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.

20 августа 2014 года, ученые подтвердили существование микроорганизмов, живущих в полумиле подо льдом Антарктиды.

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

Примеры[править | править вики-текст]

Часто опознаются новые подтипы "-филов" и список подкатегорий экстремофилов постоянно растет. 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. 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. Исследование этих прокариот может помочь в оcвещении механизма, как токсичности бора, так и его дефицита.

Промышленное использование[править | править вики-текст]

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 найдется применение в удалении перекиси водорода в промышленных процессах, таких как: целлюлозно-бумажном и текстильном отбеливании, пищевой пастеризации и обеззараживании поверхности упаковок пищевых продуктов.

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.

Перенос ДНК[править | править вики-текст]

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. 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. 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.

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.

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. Клеточная агрегация С. acidocaldarius, вызванная ультрафиолетом, посредничает в обмене хромосомного маркёра с высокой частотой. Скорость рекомбинации на три порядка выше чем у не индуцированных культур. Frols и др. и Ajon и др. предположили, что клеточная агрегации улучшает видоспецифичный перенос ДНК между клетками Sulfolobus, для восстановления поврежденной ДНК с помощью гомологичной рекомбинации. Van Wolferen и др. 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 (смотреть Трансформация (генетика) ).

Внеклеточные мембранные везикулы могут быть вовлечены в передачу ДНК между различными видами гипертермофильных археев. Было показано, что плазмиды, как и вирусный геном 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.

Ссылки[править | править вики-текст]


  1. Gorman, James. Scientists Find Life in the Cold and Dark Under Antarctic Ice. New York Times (February 6, 2013).