極限環境微生物: これらの生物はどのようにして生命の限界を押し上げるのでしょうか?

あなたの理想的な環境は何ですか？晴れ、気温は華氏 72 度 (摂氏 22 度)、そよ風はありますか?金属を侵食するほど酸性の、ほぼ沸騰した水の中で暮らすのはどうだろうか？それとも、どの海よりもはるかに塩辛い、濁った酸素のないスープの中に住んでいますか？極限環境微生物にとって、これらの条件は完璧に聞こえるかもしれません。

この生物は微生物であることが多く、高温、酸性またはアルカリ性の環境、または極度の圧力など、通常、ほとんどの生命体にとって住みにくいと考えられている極端な環境条件でも繁殖することができます。極限環境微生物を理解することで、地球上の生命の多様性についての知識が広がり、他の惑星や衛星など、宇宙の他の場所の極限環境における生命の可能性についての貴重な洞察が得られます。

この記事では、生命の起源の理解への貢献、産業科学における実際の応用、他の惑星での地球外生命体の探索との潜在的な関連性という 3 つの主要な分野における極限環境微生物の役割を探っていきます。

極限環境微生物とは何ですか?

極限環境微生物は、「極限」環境に生息する生物です。この名前は、RD マックエルロイという名前の科学者によって 1974 年に初めて使用され、文字通り「極度の愛情」を意味します 。

これらの丈夫な生き物が注目に値するのは、彼らが住んでいる環境のためだけではなく、それらの多くが通常の穏やかな環境と思われる環境では生き残ることができないためでもあります。例えば、微生物であるフェロプラズマ・アシディフィラムは生存するために大量の鉄を必要とし、その量は他のほとんどの生命体を殺すことになる。

他の極限環境微生物と同様に、 F.アシディフィラムは、深海の噴出孔、間欠泉、核廃棄物など、ほとんどの生物が現在一部の極限環境微生物に好まれている環境と同様の過酷な環境で生きていた地球上の古代を思い出させるかもしれない。

ただし、極限環境微生物は単なる細菌ではありません 。それらは、古細菌、真正細菌、真核生物の 3 つの部門すべてに由来します。 (次に分類法についてさらに詳しく見ていきます。)

したがって、極限環境微生物は多様なグループであり、いくつかの驚くべき候補者 (たとえば、酵母) がメンバーシップの資格を備えています。また、必ずしも厳密に極限環境微生物と呼ばれるわけではありません。たとえば、a は非常に塩辛い環境で育つため、そのように名付けられました。

極限環境微生物のこれらの極限条件への適応には、汚染された場所のような厳しい環境での生存と繁殖を可能にするさまざまな生物学的プロセスが含まれます。たとえば、熱水噴出孔で見られる一部の極限環境細菌は、化学合成の炭素源として二酸化炭素を使用できます。化学合成は、深海の環境における食物連鎖に不可欠です。

地下発見

1960 年代、研究者たちはグレート ソルトレークなどの場所で極限環境微生物の研究を開始し、科学者たちは地球上で生命がどのように始まったかを再評価するようになりました。その後、数多くの種類の細菌が地下深くで発見され、この地域は以前は（太陽光が不足しているため）死んだゾーンと考えられていましたが、現在では生命の起源を解明する手がかりとみなされています。実際、地球上の細菌の大部分は地下に生息しています 。

これらの特殊な岩石に生息する極限環境微生物は内石と呼ばれます (地下の細菌はすべて内石ですが、一部の内石は非細菌生物です)。科学者たちは、内石は岩脈を通って移動する栄養素を吸収するか、無機岩石上に存在しているのではないかと推測しています。

一部の内石は、約 38 億年前に発達した最も初期の生命体と遺伝的に似ている可能性があります。比較のために、地球の誕生は約 45 億年で、多細胞生物は単細胞の微生物に比べて比較的最近になって発達しました 。

極限環境微生物の分類

毎年、研究者は何千もの新種を発見し、命名しています。近年、微生物は種の発見におけるこの大きな成長において重要な役割を果たしています。地球上では 200 万種以上の種が確認されていますが、一部の専門家は 870 万種以上が存在する可能性があると推測しています 。

王国

しかし、新種の発見には、名前を付けてカタログ化するだけではありません。生き物を比較するには、優れた分類システムに勝るものはありません。使用されている最も一般的な 2 つの方法は、5 王国システムと 3 ドメイン システムです。

1960 年代後半に作成された 5 つの王国は、生命を細菌を含む原核生物 (膜に結合した核と細胞小器官を欠く細胞) の王国であるモネラと、4 つの真核生物 (膜に結合した核と細胞小器官を持つ細胞) の王国である原生生物に分けます。 、菌類、植物科、動物界。

しばらくの間、5 つの王国は科学者にとって有益であるように見えました。しかし 1970 年代に、という名前の科学者は、見た目の違いではなく、遺伝的な違いに基づいて生物を分類することを決定しました。

ウース氏が分類の取り組みを始めたとき、以前はすべて原核生物だったために細菌として一括りにされていたいくつかの種類の生物の間には区別があることに気づきました。

3番目のドメインを明らかにする

ウーズの画期的な研究は、生命の多様性に対する私たちの理解を再構築しました。彼は、細菌と別の未確認の生物群が数十億年前に共通の祖先から分岐したことを示唆する証拠を発見した。

これら他の生物の独自性を認識して、ウースは原核生物のモネラ王国を古細菌 (以前は古細菌) と真正細菌の 2 つの領域に再構成しました。彼は、核を持つ生物のための 3 番目の領域である真核生物を指定しました。

古細菌の多くは極限環境微生物（極限条件で繁殖することを意味します）であり、生存のための独特のリボソームRNA（rRNA）と特殊な細胞膜適応を持っています。対照的に、真正細菌、または「真正細菌」は、より最近に起源があり、病原体を含みます。

広い真核生物ドメインには核を持つ生物が含まれ、さらに原生生物、菌類、植物界、動物界などの界に分かれます。一部の真核生物（真の核と膜に結合した細胞小器官を含む生物）は、極限環境でも繁栄します。 (人間はこの領域に該当します。)

これらの分類方法は、時折議論を引き起こす一方で、極限環境微生物と他の生命体の区別について貴重な洞察を提供します。

極限環境微生物の分類のサンプル

極限環境微生物が好む環境をいくつか紹介する前に、特定の種類の極限環境微生物を分類するために使用される追加の名前のリストを次に示します。

このような極限環境で生き残るには

環境が極端と呼ばれるのは、人間にとって正常なこととの関係においてのみですが、極限環境生物にとって好ましい環境は「正常」です。そして地球外では、人間の生存を可能にする条件はおそらく稀だろう。その結果、いわゆる極限環境とそこに生息する極限環境微生物がより一般的になる可能性があります。

ここ地球上では、次のような多くの要因が「極端」というラベルを獲得する可能性があります。

これらの要因は、非常に暑い、または非常に寒い、強酸性または強アルカリ性の 2 つのいずれかで極端になる場合があることに注意してください。私たちが見たり遭遇したりするほとんどの生物は、華氏 41 度 (摂氏 5 度) から華氏 104 度 (摂氏 40 度) の範囲の温度で生存していますが、極限生命体は原子炉、ペンギン グアノ、火山、実質的に無酸素地帯で発見されています。 、ユタ州のグレートソルト湖のような信じられないほど塩辛い地域や、昆虫を含む多くの動物の消化器系に存在します。

極限状態で繁殖したあるケースでは、アラスカの氷の中に細菌が埋もれているのが発見された。氷が溶けると、何万年も眠っていた細菌が何事もなかったかのように活動を再開した。

南極のウンターゼー湖は、極限環境の好例です。この水はメタンが豊富で、pH は洗濯洗剤に匹敵するアルカリ性です。

酸性環境

すでに述べたように、これらの生物の中には良好な酸性環境を好むものがあります。しかし、どのくらい酸っぱいのでしょうか？まず、酸度の測定方法を見てみましょう。 「水素の電位」または pH は、物質の酸性またはアルカリ性の尺度であり、溶液中の水素イオン (H+) の濃度を示します。 pH に関しては、0 が最も酸性であり、14 が最も塩基性またはアルカリ性です。

人間は pH 6.5 ～ 7.5 を好みますが、好酸性菌は pH レベルが 0 ～ 5 の範囲の場所で繁殖します。人間の胃は実際にこのカテゴリーに分類され、私たちの体内には好極限性微生物が住んでいます。

一般に、好酸性菌は細胞膜を強化することで酸性環境でも生存します。バイオフィルム（微生物のコロニーが集合し、ぬるぬるした細胞外保護膜を作る）や細胞膜を保護する脂肪酸を生成するものもあります。体内の pH を調整して、より穏やかなレベルの約 6.5 に保つことができる人もいます。

高アルカリ性環境にある極限環境微生物は、内部の pH を制御し、高アルカリ性の影響に耐えることができる酵素を持っています。

そのような極限環境微生物の 1 つは、カリフォルニアのモノ湖の泥堆積物に生息する細菌であり、その発見はスピロヘタ アメリカーナです。 14 種の既知のスピロヘータの 1 つであるこの極限環境微生物は、8.0 ～ 10.5 のアルカリ性 pH を必要とします。また、嫌気性なので酸素のある環境では生きられません。

スピロヘータは硫黄を含む泥の堆積物を好み、酸素に依存しません。たとえば、 Spirochaeta Thermophila は深海の熱水噴出孔の近くに生息しています。モノ湖の泥は pH 10 のアルカリ性で、非常に塩分が多く、硫化物が多く含まれています。この湖がこのようになったのは、この湖が末端の湖であるためです。水は流入しますが、流出はしません。水が蒸発すると、化学物質とミネラルが残り、高濃度になります。

間欠泉と川

他の多くの注目すべき極限環境も極限環境微生物の住処となっています。シベリアにある間欠泉も含め、世界中の数多くの間欠泉では、その温水プールや噴出口に極限環境微生物が生息しています。

米国のイエローストーン国立公園には、さまざまなレベルの温度、酸性度、硫黄を含む数千の間欠泉、泉、その他の地熱施設があり、さまざまな種類の極限環境微生物が存在します。

スペインのリオ ティント川は、この地域で数千年にわたって採掘が行われてきたため、重金属が豊富に含まれています。同様に、北カリフォルニアのアイアン マウンテンの水には重金属と酸 (採掘の副産物) が非常に多く含まれており、金属製のシャベルで 1 日で飲み込んでしまうほどです。

しかし、ここでも、地下鉱山の奥深くで、古細菌と真正細菌の領域の微生物は、保護と栄養素の吸収の両方にバイオフィルムを使用して、なんとか生き延びています。

Thermus Aquaticus およびその他の極限環境生物を機能させる

1960 年代、生物学者のトーマス ブロック博士は、イエローストーン国立公園の温泉で細菌を調査していたとき、前例のない事実に遭遇しました。それは、その地域に生息する細菌が異常な高温で繁殖しているということでした。新しく命名されたThermus aquaticusは、ほぼ華氏212度（摂氏100度）、つまりほぼ沸騰した水の中に生息していた。

T. aquaticus は生物学における 2 つの画期的な発見の基礎を提供し、最初の古細菌であることが証明されました。 （古細菌は細菌とは異なり、独自のタイプの rRNA を持つ多様な生物群であることを思い出してください。）同様に重要なのは、この極限環境微生物が TAQ ポリメラーゼとして知られる酵素を生産し、PCR (ポリメラーゼ連鎖反応) で産業上の応用が見出されたことです。

PCR を使用すると、科学者は数時間の間にDNAを何十億回も複製できます。このプロセスがなければ、法医学から遺伝子検査に至るまで、DNA 複製を必要とするほぼすべての作業が不可能になります。

他の極限環境微生物も産業および医学研究用途で有用であることが証明されているが、おそらくT. aquaticusほど優れたものはないだろう。科学者たちは、人間に見られるものと同様のタンパク質を生成する少なくとも1つの極限環境微生物を調べた。このタンパク質は、関節炎などのさまざまな自己免疫疾患や状態において役割を果たしているようです。

アルカリ性物質からの酵素は、洗濯用洗剤や食器用洗剤の製造に使用されます。動物の皮から毛を取り除くのにも使用されます。イエローストーン産の別のアルカリ性物質は、過酸化水素を分解するタンパク質を生成するため、紙の製造や廃棄物の処理に使用されます。

放射線耐性

NASA は、放射線に対して非常に耐性のある極限環境微生物、デイノコッカス・ラジオデュランスを研究しています。この微生物は、人間の致死量よりも 500% 高い放射線量に耐えることができます 。興味深いことに、放射線は実際に微生物の DNA を細かく破壊します。しかし多くの場合、DNA は再構築され、再び正常に機能するようになります。

これは、DNA の壊れた部分を落とし、特殊な酵素を使用して正常な DNA を他のまだ健全な DNA 部分に結合させ、次にこれらの新しく形成された長い DNA 鎖に結合する相補的な部分を作成することによってこれを実現します。

D. radiodurans がどのようにしてこれを行うのかを理解すれば、科学者は死んだ細胞を生き返らせることができるかもしれません。 NASA にとって、この DNA 耐性を利用することは、より優れた宇宙服や宇宙船を製造するためのヒントを提供する可能性があります。

パンスペルミアと宇宙生物学

パンスペルミアとは、原始的な生命体が惑星間を移動し、その旅を生き延びることができるという考えです。一部の人にとって、パンスペルミアは地球上の生命の起源の可能性を示しています。なぜなら、他の惑星からの微生物（そう、地球外生命体について話しているのです）がここに到着し、その後の発展途上のすべての種の祖先として機能した可能性があるからです。

この概念は非現実的で推測的だと嘲笑されることが多いですが、最近のいくつかの研究でパンスペルミアの信頼性が高まっています。

ある研究では、8本足の微小な無脊椎動物であるクマムシの一部が、宇宙と太陽の放射線にさらされて10日間過ごした後も生き残ることができたことが判明した。他のさまざまな研究活動の合間に、科学者たちは、細菌、地衣類、無脊椎動物に分類される生物が、真空の宇宙で少なくとも一定の期間を生き延びていることを発見しました。岩の上にいるなど、放射線からある程度身を守ると、生物が旅を生き延びるのに役立つようです。

しかし、宇宙旅行者たちはどこに着陸しても、生きて成長できる環境を必要とします。

これらの考えを念頭に置くと、私たち人間は宇宙人である可能性があると言えるでしょうか?一般的なパンスペルミア理論の 1 つは、地球上の生命の起源は火星であり、約 45 億年前、火星は私たちの惑星よりもはるかに生命に適していたという説です 。

さらに、地球と火星に多数の小惑星が衝突した時期である後期重爆撃により、約 40 億年前に地球に生命が誕生した可能性があります。

しかし、これが本当であれば、そして多くの科学者はそうではないと考えていますが、生命は別の太陽系や星から来たものではないことはほぼ間違いありません。その距離は、生命が生存するには遠すぎると今でも広く考えられています。

宇宙生物学と微生物生命体

パンスペルミアのような突飛な理論の代わりに、私たちの起源に対する答えは、宇宙生物学、つまり宇宙全体の生命の研究を通じて得られるかもしれません。宇宙生物学は、地球外の生命体が極限環境に生息している可能性があると考えられているため、極限環境微生物の研究に大きく依存しています。

しかし、宇宙生物学は、宇宙の他の場所での生命の探求だけではありません。また、生命の起源、生命にとって最適な成長に役立つ環境、生命がどのように発達するか、生命が許容できる限界についての基本的な疑問も考察します。

宇宙生物学の中心は、地球上のすべての生物の元の祖先の探索です。これは、最終普遍共通祖先 ()、最終共通祖先 (LCA)、または始祖とさまざまに呼ばれます。科学者らは、LUCAは30億年以上前に過酷な嫌気性環境に生息していた極限環境生物だったと考えている。

それでも、科学者たちは、それ以前の生物（人間やLUCAなど）からDNAベースの生物、RNAベースの生物、そして最後にFirst Living Organism（FLO）に至るまでのことについても議論しています。

しかし、この探求は、私たちにさらに基本的な質問、つまり、人生とは何なのかを示します。生命とはアミノ酸の束でしょうか？同様に、地球が化学的な世界から生物学的な世界に移行したのはいつですか?生命とは自らを複製できるものなのでしょうか？進化できる何か？

私たちがどこから来たのかというこれらの疑問を探るとき、極限環境微生物、つまり私たちの過去からの奇妙な生存者は、間違いなく生物学のエキサイティングな未来の一部となるでしょう。