Кроме холодолюбивых рыб существуют разные другие земные существа, приспособленные к жизни на холоде. К ним относятся бореальные (из холодного Северного полушария) древесные виды, которые замерзают, но для образования кристаллов льда используют внеклеточные пространства.{21} Помимо растений, многие организмы также выработали методы сопротивления замерзанию, особенно существа, населяющие антарктические местообитания. На паковых льдах, окружающих Антарктиду, обитают сотни видов бактерий, простейших и водорослей. Облигатным психрофилам для выживания требуется именно холод. Оптимальная температура для их роста составляет около 50 градусов по Фаренгейту (10 градусов по Цельсию), и они не выживают при воздействии температуры 68 градусов по Фаренгейту (20 градусов по Цельсию).
Приспособленные к холоду формы жизни вроде фотосинтезирующих эукариот Chlamydomonas nivalis, Chloromonas (Scotiella), Ankistrodesmus, Raphionema, Mycanthococcus и некоторых динофлагеллят (мелкие морские существа) часто видны простым глазом, потому что они окрашивают снег. Если бы кто-то осмелился предложить вам съесть снег, вам, вероятно, нечего было бы особенно бояться. Похоже, что мы в достаточной степени защищены от психрофильной инфекции, поскольку все патогены животных (болезнетворные микробы) явно принадлежат к мезофильным бактериям, то есть, к бактериям, оптимальный рост которых происходит при температуре от 68 до 113 градусов по Фаренгейту (20-45 градусов по Цельсию).
Некоторые наземные организмы могут выдерживать периоды неблагоприятных условий благодаря тому, что способны надолго впадать в спячку. Поскольку мы задаемся вопросом о возможности существования жизни в космическом пространстве и возможной передаче жизни с одной планеты на другую, эта способность может быть полезной для организмов, путешествующих автостопом на ледяных кометах или другом замороженном мусоре. В 1997 году различные снимки со спутника НАСА показали, что Земля ежедневно подвергается бомбардировке тысячами снежков размером с дом, которые распадаются высоко над поверхностью Земли и проливаются мягким космическим дождём. Если это спорное открытие окажется верным, то оно говорит о том, что Земля постоянно собирала воду и, возможно, на протяжении геологического времени приобрела несколько океанов.
Однако даже если микробы могут выжить в ледяных головах комет или в кусках льда на земле, замороженные микроорганизмы не могут существовать вечно. Излучение, вызванное либо радиоактивностью горных пород, либо космическими лучами, струящимися с неба, повреждает ДНК и за миллионы лет убивает микробы. Даже при очень низких температурах для восстановления ДНК и замены старых аминокислот была бы нужна метаболическая активность на очень низком уровне. Тем не менее, существует много интересных примеров бактерий, которые оставались живыми на протяжении целых эпох в сибирской вечной мерзлоте. Эти замечательные выживальщики практически ничего не делали на протяжении 3 миллионов лет, и это происходило при температуре 15 градусов по Фаренгейту ниже 0, без солнечного света, без воздуха и без свежей пищи. Даже при температуре 24 градуса по Фаренгейту (-4 градуса по Цельсию) у бактерий всё ещё происходит обмен веществ. Вместо того чтобы размножаться, они находятся на грани между жизнью и смертью, пока проходят эпохи, а цивилизации возникают и гибнут. Если такие существа возникли на Земле естественным образом, есть вероятность существования форм жизни в различных мирах с полярными льдами (например, Меркурий, наша Луна и Марс) и в мирах, покрытых большим количеством льда (например, на различных спутниках Юпитера, Сатурна и других внешних планет, а также на кометах и астероидах).
Мы можем многое узнать о холодолюбивых организмах, изучая существ, обитающих в подземных антарктических озёрах. Учёный из НАСА Дейл Андерсен исследовал дно озера Хоар в Антарктиде, просверлив отверстия во льду. Он обнаружил там водорослевые маты, похожие на примитивную жизнь, которая господствовала на Земле 3 миллиарда лет назад. На окружающей суше он также нашёл водоросли, бактерии, лишайники и мхи, которые цепляются за жизнь в долине, которая достаточно холодная и сухая, чтобы стать моделью Марса. Если на Марсе есть жизнь или ископаемые остатки жизни из более ранней, более влажной истории этой планеты, то она может напоминать эти антарктические колонии. По мере того как мы всё больше узнаём о жизни в Антарктике, НАСА может воспользоваться этой информацией для улучшения проектирования космических аппаратов-роботов, которые занимаются поиском марсианской жизни.
В регионах с кратковременными циклами замерзания/оттаивания и суточными колебаниями температуры, составляющими до 72 градусов по Фаренгейту (40 градусов по Цельсию), также существуют несколько антарктических организмов. Одним из таких существ является Heteromita globosa, гетеротрофный жгутиконосец.{22} В этих условиях также существуют не менее 24 видов простейших (одноклеточных организмов с ядрами) и некоторые кустистые лишайники и мхи. Многие организмы, обитающие в морском льду Антарктики, которые обычно растут при температуре 28 градусов по Фаренгейту (-2 градуса по Цельсию), плохо себя чувствуют при подъёме температуры выше 36 градусов по Фаренгейту (2 градуса по Цельсию). Некоторые любители холода гибнут, когда их нагревают до комнатной температуры, потому что их мембраны не выдерживают высокой температуры. При стабильно низкой температуре моря жгутиконосцы утратили способность синтезировать некоторые компоненты мембран, возможно, липиды или жирные кислоты, что делает невозможным их рост при более высоких температурах.{23}
Ацидофилы — любители кислоты
В своём романе «У критической точки» американский писатель Хол Клемент рассказывает об инопланетянах, которые живут в серной кислоте. Смогли бы инопланетяне действительно жить в кислоте настолько сильной, что она обжигала бы нашу кожу при малейшем прикосновении? До самого недавнего времени были известны лишь четыре земных организма, все из числа эукариот, которые растут в чрезвычайно кислой среде, где значение рН близко к 0. Это Cyanidium caldarium и три гриба: Acontium cylatium, Cephalosporium sp. и Trichosporon cerebriae. Это не означает, что внутреннее содержимое их клеток кислое. Фактически, Cyanidium поддерживает рН своей внутренней среды близким к нейтральному. В 1995 году были обнаружены два ацидофильных прокариота: Picrophilus oshimae и P. Torridus; оба вида — термофильные археи, обнаруженные в Японии, в сольфатарах, естественных источниках испарений, в которых сернистые газы смешиваются с горячим паром.{24} На Земле есть множество примеров простейших и грибков, живущих при чуть более умеренных значениях рН, — например, те, что благоденствуют в желудках некоторых животных.
Относительная кислотность или щелочность раствора указывается по шкале рН, которая является мерой концентрации ионов водорода в растворе. Нейтральные растворы имеют рН 7,0. Значение рН менее 7,0 указывает на кислотность (повышенную концентрацию ионов водорода), а выше 7,0 — щелочность (пониженную концентрацию ионов водорода). Многие важные молекулярные процессы внутри живых клеток протекают в очень узком диапазоне рН. Следовательно, чтобы жить, клетки должны регулировать внутренний уровень рН. Уровень рН может локально отличаться в пределах организма; однако у большинства тканей он находится в пределах одной единицы рН от нейтрального значения.
Хотя в этом разделе мы уделяем особое внимание эукариотам, я хотел бы оставить комментарий в отношении нескольких ацидофильных бактерий. Многие из бактерий растут в диапазоне значений рН, близких к нейтральным, от 5,0 до 8,0, хотя немногие виды бактерий приспособились к жизни в более кислых или щелочных условиях. Например, когда в ходе горных работ угольные пласты подвергаются воздействию воздуха, залежи пиритного сульфида железа подвергаются атаке Thiobacillus ferrooxidans, которая вырабатывает серную кислоту и снижает рН до 2,0 или даже до 0,7. Этот организм может выдерживать высокие концентрации ионов железа, меди, кобальта, никеля и цинка, и кислотность до pH 1,3. Многие бактерии процветают в кислых болотах, сосновых лесах и озёрах с рН от 3,7 до 5,5. Любитель кислой среды Sulfolobus acidocaldarius обладает высокой устойчивостью к кислотам, которые достаточно сильны, чтобы разъесть вашу кожу за считанные секунды.
