สภาพแวดล้อมที่ร้อนจัดและเย็นจัดเป็นเรื่องปกติธรรมดาบนโลกใบนี้ พื้นที่ของภูเขาไฟที่ยังคุกรุ่น ซึ่งก่อให้เกิดน้ำเดือดและบางครั้งมีน้ำร้อนจัด กระจายอยู่ทั่วพื้นผิวโลก สิ่งเหล่านี้อาจอยู่ในรูปของสระน้ำร้อนและช่องระบายความร้อนใต้ทะเลลึก สภาพแวดล้อมที่หนาวเย็นเป็นเรื่องปกติมากขึ้น พื้นที่ขั้วโลกเหนือและใต้ พื้นที่อัลไพน์ และทะเลลึกเป็นตัวอย่างทั้งหมด สิ่งเหล่านี้แสดงถึงสภาพแวดล้อมสุดโต่งเดี่ยวที่ใหญ่ที่สุดในโลก
ตลอดศตวรรษที่ 20 สภาพแวดล้อมเหล่านี้ถูกมองว่าสุดโต่งเกิน
ไปสำหรับสิ่งมีชีวิตที่จะดำรงอยู่ หรือไม่เคยมีการสำรวจมาก่อน ในช่วงหลังของศตวรรษที่ 20 การพัฒนาวิธีการ ทางอณูชีววิทยาสมัยใหม่ นำไปสู่การค้นพบที่น่าประหลาดใจว่าจุลินทรีย์อาศัยอยู่อย่างมีความสุขที่ปลายทั้งสองด้านของระดับอุณหภูมิที่รุนแรงนี้ สิ่งมีชีวิตขนาดเล็กเหล่านี้ – ส่วนใหญ่เป็นแบคทีเรีย เชื้อรา อาร์เคีย และไวรัส – สามารถอยู่รอดได้ในน้ำเดือดและในดินทะเลทรายที่กลายเป็นน้ำแข็งของทวีปแอนตาร์กติก
จุลินทรีย์ไม่ได้เป็นเพียงสิ่งแปลกประหลาดที่มองไม่เห็นเท่านั้น พวกเขามีบทบาทที่สำคัญอย่างยิ่ง ในแง่ลบแต่ก็มีแง่บวกมากมายในแทบทุกส่วนของโลกรอบตัวเรา ตัวอย่างเช่น พวกเขามีหน้าที่รับผิดชอบในการผลิต ออกซิเจน เป็นส่วน ใหญ่ของโลก พวกเขายังจัดหาไนโตรเจนสำหรับการเจริญเติบโตของพืชช่วยกำจัดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกจากชั้นบรรยากาศและผลิตยาปฏิชีวนะที่รู้จักมากที่สุด
แต่จุลินทรีย์ที่อาศัยอยู่บริเวณขอบนอกของสิ่งมีชีวิตสามารถทำอะไรได้มากกว่านั้น สิ่งเหล่านี้สามารถสอนเราได้ว่าสิ่งมีชีวิตมีวิวัฒนาการอย่างไร เราอยู่รอดได้อย่างไร และที่ใดที่เราจะค้นหาชีวิตนอกโลกได้
จุลินทรีย์จำนวนมากที่สามารถอาศัยอยู่ในน้ำเดือดได้ถูกแยกออก พวกเขาเติบโตในห้องปฏิบัติการทั่วโลก ทำให้นักวิจัยสามารถเข้าถึงเซลล์ โมเลกุล และผลิตภัณฑ์ของพวกเขาได้โดยตรง สิ่งนี้ทำให้ง่ายต่อการตอบคำถามเกี่ยวกับการอยู่รอดและวิวัฒนาการของพวกมัน
หนึ่งในผู้ชนะในการเดิมพันการเติบโตที่อุณหภูมิสูงคือจุลินทรีย์ที่เรียกว่าPyrococcus furiosusซึ่งเป็นลูกบอลไฟที่โกรธจัด มันถูกแยกออกมาเมื่อ 30 ปีที่แล้วจากบ่อน้ำพุร้อนใต้น้ำตื้นบนชายหาดในเกาะ Vulcano โดยศาสตราจารย์ Karl Stetter บิดาแห่งจุลชีววิทยาอุณหภูมิสูง เติบโตได้ดีที่สุดที่อุณหภูมิ 100 ℃ ซึ่งเป็นจุดเดือดของน้ำ เป็นหนึ่งในจุลินทรีย์ที่รู้จักเพียงไม่กี่ชนิดที่สามารถเติบโตได้สูงกว่าอุณหภูมินี้ เราได้เรียนรู้มากมายจากสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ – ที่สำคัญที่สุด วิวัฒนาการได้
ออกแบบโปรตีนใหม่ให้ทนต่ออุณหภูมิที่สูงมากได้อย่างไร
ความก้าวหน้าครั้งยิ่งใหญ่ที่ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถระบุจุลินทรีย์ทั้งหมดที่อาศัยอยู่ในสภาพแวดล้อมต่างๆ ได้ แทนที่จะเป็นเพียงแค่จุลินทรีย์ที่เติบโตบนจานเพาะเชื้อหรือในขวดเพาะเลี้ยงเชื้อ เกิดขึ้นในช่วงปี 1980 ในเวลาไม่ถึงทศวรรษ การพัฒนาแนวคิด วิทยาศาสตร์ และเทคนิคทั้งหมดมารวมกัน สิ่งเหล่านี้รวมถึงความสามารถในการทำให้ DNA สิ่งแวดล้อมโดยรวมบริสุทธิ์ การพัฒนาลำดับเครื่องหมายพิเศษที่สามารถระบุชนิดของจุลินทรีย์ที่แตกต่างกัน และการกำเนิดของเทคนิคการหาลำดับ DNA ที่รวดเร็วและราคาถูกมาก
เรียกรวมกัน ว่าเมตาโกโนมิกส์ การพัฒนาเหล่านี้กระตุ้นสาขาจุลชีววิทยาอย่างมหาศาล พวกเขาได้ดำเนินการดังกล่าวในสาขาวิทยาศาสตร์ที่หลากหลาย ตั้งแต่วิธีการทางชีวภาพในการทำความสะอาดมลพิษและการปนเปื้อนในสิ่งแวดล้อม ไปจนถึงโรคในมนุษย์
เมตาเจโนมิกส์สมัยใหม่ – ซึ่งสามารถใช้ตรวจสอบความหลากหลายของจุลินทรีย์ในสภาพแวดล้อมใดๆ ได้ – ให้คำตอบแก่นักวิทยาศาสตร์สำหรับคำถามทางนิเวศวิทยาที่ง่ายที่สุดซึ่งเกิดจากสภาพแวดล้อมที่รุนแรง:
การวิจัยของเรามุ่งเน้นไปที่จุลชีววิทยาของสถานที่ที่หนาวเย็นและแห้งแล้งที่สุดในโลกในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา: ทวีปแอนตาร์กติก เราพบว่าแม้จะมีสภาพอากาศที่รุนแรง – มีแสงแดดน้อยหรือไม่มีเลยเป็นเวลาเกือบหกเดือนของปี และฤดูหนาวอุณหภูมิลดลงต่ำกว่า -50 ℃ – ดินทะเลทรายตามชายฝั่งเป็นที่อยู่อาศัยของจุลินทรีย์ที่ซับซ้อน
การมีอยู่ของสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ซึ่งปรับตัวให้อยู่รอดในสภาพแวดล้อมที่เลวร้ายที่สุดแห่งหนึ่งของโลก ทำให้เรามีเงื่อนงำเกี่ยวกับวิวัฒนาการ การปรับตัว และการเอาชีวิตรอดที่สามารถใช้ประโยชน์ได้หลายวิธี
นักวิทยาศาสตร์หลายคนหลงใหลในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงและชุมชนจุลินทรีย์ของพวกมัน และกำลังทำงานเพื่อตอบคำถามพื้นฐานที่เชื่อมโยงทั้งสอง:
คำถามและคำตอบเหล่านี้มีความสำคัญ ไม่เพียงแต่เพื่อทำความเข้าใจส่วนที่มองไม่เห็นของโลกรอบตัวเรามากขึ้นเท่านั้น แต่เพื่อให้เราเข้าใจส่วนสำคัญที่พวกมันมีบทบาทในการควบคุมกระบวนการที่สำคัญอย่างยิ่งยวดได้ดียิ่งขึ้น กระบวนการเหล่านี้รวมถึงการสร้างออกซิเจนและการจับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์บนโลก
นอกจากนี้ยังมีความสนใจอย่างมากในการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีชีวภาพของจุลินทรีย์ที่อาศัยอยู่ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงเหล่านี้ เช่นเดียวกับในการผลิตผลิตภัณฑ์ที่แปลกใหม่และมีประโยชน์ เช่น ยา
เทคโนโลยีชีวภาพของ extremophiles – จุลินทรีย์ที่อาศัยอยู่ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง – ยังคงเป็นประเด็นร้อน เรามีส่วนร่วมอย่างแข็งขันในโครงการเทคโนโลยีชีวภาพสุดโต่งหลายโครงการ เหล่านี้รวมถึง:
การประยุกต์ใช้จุลินทรีย์ที่มีอุณหภูมิสูงซึ่งสามารถใช้คาร์บอนมอนอกไซด์และน้ำเพื่อผลิตก๊าซไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงชีวภาพในอนาคต ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานที่มีค่า
ยีนจุลินทรีย์อุณหภูมิต่ำที่สามารถปรับปรุงความทนทานต่อความหนาวเย็นและความแห้งแล้งในพันธุ์พืช และ
เอนไซม์ที่ทนต่ออุณหภูมิสูงที่สามารถช่วยในการสลายเนื้อเยื่อพืชเพื่อใช้ในการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพและผลิตภัณฑ์ชีวภาพ
ในโลกที่ทรัพยากรกำลังลดน้อยลงและการมุ่งเน้นที่พลังงานหมุนเวียนเพิ่มมากขึ้น พวกคลั่งไคล้มีบทบาทอันมีค่าในการพัฒนากระบวนการทางเทคโนโลยีชีวภาพเชิงพาณิชย์ใหม่ๆ
