Кипяток, радиация, вакуум, вечная мерзлота, ядовитые рассолы, подземные глубины и раскаленные пустыни — там, где для большинства организмов жизнь невозможна, экстремофилы чувствуют себя как дома. Более того, многие из них настолько узко приспособлены к своему аду, что в обычных условиях живут хуже.
Самая знаменитая звезда этого мира — тихоходка. Это микроскопическое беспозвоночное переживает высушивание, заморозку, дефицит кислорода и даже открытый космос. В экспериментах некоторые тихоходки выживали после десяти дней в вакууме и под космической радиацией. Их секрет — криптобиоз: организм почти полностью выключает обмен веществ, а специальные защитные молекулы и белки помогают уберечь клетки и ДНК от разрушения. Именно поэтому ученые изучают тихоходок как модель для хранения тканей, лекарств и, возможно, однажды — органов для трансплантации.
Есть и другие феноменально живучие организмы. Некоторые виды комаров-звонцов выносят нехватку кислорода, а у других включаются мощные механизмы защиты от обезвоживания. Личинки способны почти полностью высохнуть, потеряв 97% воды, практически остановить обмен веществ и потом ожить после увлажнения. А другие личинки способны зимовать, вмерзнув в лед, а затем возвращаться к жизни после оттаивания. Их находили даже в суровых арктических районах, включая полярные пустыни.
Именно на звонцах исследователи изучают молекулы и гены, которые в будущем помогут лучше хранить клетки, ткани и другие биоматериалы.
В калифорнийской Долине Смерти летом жара кажется несовместимой с жизнью. Температура здесь поднимается до 57°C. Но Аризонский медовый куст (Tidestromia oblongifolia) чувствует себя здесь прекрасно, да еще и цветет. Пока другие растения сгорают, он тонко перестраивает свою внутреннюю биохимию, защищая фотосинтетический аппарат от перегрева. Такие механизмы особенно интересны ученым: на их основе пытаются понять, как создавать культуры, способные переживать волны экстремальной жары.
Буквально в недрах Земли живет круглый «дьявольский червь» (Halicephalobus mephisto). Его нашли в южноафриканской шахте на глубине более трех километров. Бежать ему было некуда, и он приспособился к щелочи в воде, высоким температурам и почти полному отсутствию кислорода. Согласно исследованиям, чтобы выжить, червь когда-то позаимствовал ген у грибков, живущих в корнях растений.
В Мертвом море тоже есть жизнь, хотя соли там в 10 раз больше, чем в Мировом океане. Здесь обитают солелюбивые микробы и водоросли Dunaliella, которые накапливают каротиноиды, включая бета-каротин. В Израиле из них делают очень популярную косметику. Экстремальные соленые экосистемы вообще считаются перспективным источником необычных ферментов, пигментов и молекул для биотехнологий и медицины.
Чернобыль дал еще один поразительный пример. На стенах разрушенного реактора обнаружили черные грибы Cladosporium sphaerospermum, питающиеся радиацией. Их темный пигмент меланин не только защищает от сильного ионизирующего излучения, но и помогает использовать его себе на пользу. Механизм этого до конца еще не понятен. Но гипотеза такова: радиацию грибы превращают в химическую энергию, чтобы резко ускорить обмен веществ. По сути это аналог фотосинтеза.
Эти грибы даже отправляли на МКС: там проверяли, могут ли они частично экранировать радиацию. Это помогло бы людям спастись от космического излучения.
В горячих источниках Йеллоустоуна живут микробы, которым подходит температура около 70°C, высокая кислотность или, наоборот, щелочная среда. Среди них есть и археи, производящие метан. Такие организмы особенно важны для астробиологии: по ним ученые пытаются понять, где еще во Вселенной жизнь теоретически может удержаться.
Чемпион по выносливости среди бактерий — это знаменитая бактерия «Конан» (Deinococcus radiodurans). Ее прославила феноменальная способность восстанавливать ДНК даже после того, как ее разорвет на куски. Впервые этот организм обнаружили в 1956 году в мясных консервах, которые пытались стерилизовать радиацией. Банки облучили дозой, которая считалась смертельной для микробов, но мясо все равно испортилось — внутри выжила бактерия, чья устойчивость поразила ученых. В недавних экспериментах ее еще раз проверили на прочность: имитировали столкновение с астероидом при давлении в 1,4 гигапаскаля (это в 14 раз выше, чем в самой глубокой точке Марианской впадины). Бактерии «Конан» выжили и даже не получили повреждений. А при давлении в 2,4 гигапаскаля у них частично разрушились мембраны, но 60% из популяции все равно остались целы. Дальше ученые пойти не смогли — установка, на которой проводили эксперимент, начала разрушаться раньше бактерий.
Есть и организмы, которые будто тренируются для жизни на Марсе. В пустынях Израиля и в сухих долинах Антарктиды находили эндолитные цианобактерии — они живут прямо внутри камня, где он хотя бы немного защищает их от ультрафиолета, холода и высыхания. Например, они были в породе возрастом 13 миллионов лет. После того, как их отправили в питательную среду, бактерии «воскресли». Среди них особенно известна одна цианобактерия (Chroococcidiopsis), которая умеет переживать длительное обезвоживание и высокую радиацию. Эти микробы были живее всех живых после полутора лет путешествия снаружи МКС. Поэтому их рассматривают как возможных кандидатов для будущих биотехнологий за пределами Земли.
Экстремофилы не просто поражают воображение. Они подсказывают, как хранить биоматериалы, очищать токсичные среды, выращивать растения в условиях климатического стресса и даже защищаться от радиации в космосе, чтобы когда-нибудь освоить другие планеты. И каждый такой организм показывает человечеству, что границы жизни гораздо шире, чем нам когда-то казалось.