Extreme Organism

In 1903, the first explorer to trudge across the McMurdo Dry Valleys of the Antarctic wrote, “We have seen no living thing, not even a moss or lichen." He greatly overstated his observations, however. To the expert eye of a biologist, with a little help maybe from a microscope, this ostensibly dead zone is far from lifeless. In the dry streambeds of the parched and frozen land live twenty species of light-converting bacteria, a comparable variety of mostly single-celled algae, and an abundance of microscopic invertebrate creatures that rely on them for nourishment. All of these in turn depend on the melt-water from ice fields, coursing through the rough streambeds during the brief summer, for their annual growth. In the even more brutal conditions on the barren ground away from the creeks and rivers, groups of microbes and fungi subsist, together with other small organisms such as mites that prey on them. At the top of this food chain are four species of worms, each specialized to consume different species than their three cousins. These last creatures―all but invisible to the naked eye―are the largest of the organisms that inhabit the barren region. They are the Valleys’ equivalent of elephants and tigers.

Extremophiles are species such as these adapted to surviving at the far edge of biological capability. Many populate the environmental ends of the Earth in places that seem uninhabitable to gigantic, fragile animals such as humans. They constitute, for instance, the “gardens" of the Antarctic sea ice. The thick ice sheets, which blanket millions of square kilometers of ocean water around the continent, seem forbiddingly hostile to life. But they are filled with channels of slushy saltwater in which single-celled algae flourish year-round. As the ice melts and erodes during the polar summer, the algae sink into the water below, where they are consumed by miniature shrimp-like krill. These in turn are the prey of fish whose blood is kept liquid in the frigid water, like gasoline in a car engine in winter, by biochemical anti-freezes.

During more than three billion years of evolution, bacteria in particular have pushed the boundaries of physical adaptation. one species of these tiny living creatures, an acid lover, thrives in the sulfur springs of Yellowstone National Park. At the opposite end of the scale, other alkaline-loving bacteria occupy soda lakes around the world, where few other living things can survive. The barophiles, “pressure lovers," colonize the floor of the deepest reaches of the ocean. Samples taken there revealed hundreds of species of bacteria and fungi. Transferred to the laboratory, some of the bacteria were able to grow at the same pressure found in their natural habitat, which is a thousand times greater than that near the ocean surface.

The outer reach of physiological flexibility of any kind may have been reached by bacteria called Deinococcus radiodurans that can live through radiation so intense that the glass of a container holding them is cooked to a discolored and brittle state. A human exposed to 1,000 rads of radiation energy dies within one or two weeks. At 1,000 times this amount―1 million rads―the growth of this bacteria is slowed, but all the bacteria in a colony still survive. At 1.75 million rads, 37 percent make it through, and even at 3 million rads, a very small number still endure. The secret of this superbug is its extraordinary ability to repair broken DNA. By comparison, one conventional bacteria that is a dominant inhabitant of the human stomach and intestines can repair two or three breaks in its genetic code at one time. But the superbug can manage five hundred breaks. The special molecular repair techniques it uses remain unknown.

Deinococcus radiodurans and its close relatives are not just extremophiles but world travelers who settle in a wide range of places. They have been found, for example, in the excrement of llamas in the Andes, in rocks of the Antarctic, in the tissue of Atlantic fish, and even in cans of ground pork and beef. They can thrive where few other organisms venture. They are Earth’s ultimate migrants, looking for life in all the worst places.

Given their durability and resilience, superbugs are even candidates for space travel. Microbiologists have begun to ask whether the toughest among them might drift away from Earth, launched by stratospheric winds into space, eventually to settle alive on Mars. Conversely, native microbes from Mars―or beyond our Solar System―might have colonized Earth by seeding the third planet from our Sun with its first life. Such is the theory of the origin of life called “panspermia," once ridiculed, but now an undeniable possibility.

極限環境生物
　南極のマクマード・ドライ・バレーを歩いて横断した最初の探検家は，1903年にこう書いている。「我々が生き物を目にすることは全くなかった。コケや地衣類すらもだ」。しかし，彼は自分の観察をかなり誇張していた。生物学者の熟練した観察眼には，顕微鏡の助けを少々かりればだが，一見死の世界に見えるこの地にもたくさんの生物が生息しているように見えるのだ。この乾燥した凍土の干上がった河床には，光合成を行う20種のバクテリア，それと同じぐらいの種類の一般に単細胞である藻類，さらに，この藻に依存して栄養を補給する数多くの無脊椎動物が生息している。そして，これらの生物はいずれも，短い夏の時期に氷原から解け出て荒れた河床を流れる水に依存して，毎年成長している。小川や河川から離れている荒野のさらに過酷な環境においても，微生物や菌類の群が，それらを餌とするダニなど，他の小さな生物と共に生息している。こうした食物連鎖の最上位にいるのは，四種類のミミズであり，それぞれが他の三種とは異なる生物種を餌とするよう分化している。最後に言及したこの生物は，裸眼ではほとんど見えないのだが，この荒れ地に生息する最大の生物なのである。彼らは，マクマード・ドライ・バレーでは，ゾウやトラに相当する生物なのだ。
　極限環境微生物とは，これらの生物のように，生物学的能力の極限状況でも生き残れるよう適応している生物種のことである。その多くは地球の極限的環境，人間のように巨大で脆弱な動物には生息不可能に見える場所に住んでいる。彼らは，例えば，南極の海氷の中に「庭園」を作っている。南極の分厚い氷床は，大陸周辺の海水を何百万平方キロメートルも覆っており，生物には全く適してないように見える。しかし，この氷床には，軟氷状の海水の流れが数多く存在し，その中では単細胞の藻類が一年中繁茂しているのだ。南極の夏の間に氷床が解けて腐食されると，藻は海水中に沈み，そこで極小のエビに似たオキアミに食べられる。これら（オキアミ）は，今度は，魚の餌食となる。魚の血液は，冬の自動車のエンジンのガソリンのように，生化学的な不凍液によって，超低温の海水中でも液状に保たれているのだ。
　30億年以上にわたる生物の進化において，中でもバクテリアは，身体的な適応の限界を押し広げてきた。この極小生物の一種で，酸を好む種は，イエローストーン国立公園の硫黄泉の中に生息している。これとは正反対に，アルカリを好む他種のバクテリアは世界各地の塩水湖に生息しているが，ここで生存できる生物は他にはほとんどいない。好圧菌，つまり「圧力を好むバクテリア」は，海洋の最深部の海底に生息する。［1996年，日本人の科学者らが，小さな無人潜水機を使って，35,750フィートの深さがあるマリアナ海溝の底泥を採取した。］そこで採取されたサンプルには，何百種というバクテリアや菌類が含まれていた。このバクテリアの中には，実験室に移され，元の生息環境と同じ圧力をかけられても成長できるものがいたが，この圧力とは，海面近くの圧力の千倍である。
　全生物の中で，生理学的柔軟性の最極限に到達したのは，おそらくデイノコッカス・ラディオデュランスと呼ばれるバクテリアであろう。このバクテリアは，入っているガラス容器が変色し，もろくなるほど強い放射線にも耐えられる。1,000ラドの放射能にさらされた人間は，1，2週間以内に死んでしまう。その千倍の放射線量である100万ラドになると，このバクテリアの成長は遅くなるが，それでもなおコロニー内のすべてのバクテリアが生存している。175万ラドだと37パーセントが生き残り，さらに300万ラドになっても，ごくわずかはまだ生き延びる。この超強力バクテリアの秘密は，損傷したDNAを修復するその並外れた能力にある。これとは対照的に，人間の胃腸の中で最も多く存在しているある通常のバクテリア種は，同時に2つか3つの遺伝子コードの損傷しか修復できない。ところが，この超強力バクテリアは，500もの損傷に対処できるのだ。このバクテリアが用いている特殊な細胞修復技術は，まだ解明されていない。
　デイノコッカス・ラディオデュランスとその近縁種は，極限環境微生物であるだけではなく，世界旅行者でもあり，様々な場所に住みついている。彼らは，例えば，アンデス山中のラマのふん便や，南極大陸の岩石，大西洋の魚の細胞組織，さらには，豚・牛のひき肉の缶詰の中でも見つかっている。彼らは，他の生物がほとんど行かないような場所でも生存できるのだ。彼らは，地球の究極的移住者であり，あらゆる最悪の地で生きようとする。
　その耐久力と復元力からすると，超強力バクテリアは，宇宙旅行の候補者でさえある。微生物学者は，超強力バクテリアの中でも最も丈夫なものが地球から離れて，成層圏風によって宇宙に飛ばされ，やがて火星に生息するのではないか，と考えつつある。逆に，火星，あるいは太陽系外から来た微生物が，太陽から3番目に位置するこの惑星，地球にその最初の生命の種を植えつけ，生息するようになったのかもしれない。生命の起源に関するこうした説は「パンスペルミア説」（汎胞子説）と呼ばれるが，かつては嘲笑されていたものの，今では否定しがたい可能性を持っている。