已有证据表明，某些生命形式能够生存于地球上最极端的环境中，包括盐沼以及极端的高温和低温环境。
嗜极微生物是指能够在这些极端条件下生存并茁壮成长的微生物。
了解这些微生物有助于推动医疗保健及其他领域的科学发现。
用《侏罗纪公园》顾问伊恩·马尔科姆博士那句名言来说，“生命总会找到出路”。在海洋深处、火山温泉中、四米厚的冰层之下：科学家们能想到的几乎每一个在地球上寻找生命的地方，我们都已经找到了生命。
这些生物为应对极端环境而采用的方法，教会了我们如何更好地保护自身身体、如何复制DNA以更好地诊断疾病，也让我们了解到生命如何在长达1亿年的全球性冰河时代中存活下来。
在我的整个职业生涯中，我一直在收集来自极端环境的生物。第一种是一种名为盐生杜氏藻（Dunaliella salina）的单细胞藻类，它栖息于盐沼中。盐沼是指广阔而平坦的陆地，水分蒸发后留下了极高浓度的盐分。盐分看似不太可能成为生物应激的明显诱因，但它足以从细胞中吸出足够的水分使其破裂，从而导致生物死亡。
我的研究旨在确定盐生杜氏藻（D. salina）是否属于“嗜极生物”（即喜爱极端环境的生物），还是仅仅能够耐受高盐环境、并偏好低盐环境。事实证明后一种情况显然并不成立：实际上，我从未找到其最适状态，因为盐添加得越多，它生长得越旺盛。它确实是一种真正的嗜极生物。
盐生杜氏藻通过在细胞内储存高浓度的甘油（一种带甜味的液态化学物质）来应对盐分胁迫，借此平衡水分的吸引方向，从而阻止水分因渗透作用而从细胞中流失。它还必须应对其栖息的干燥、暴露的盐沼中极高强度的紫外线辐射。正因如此，它体内含有高浓度的β-胡萝卜素——一种维生素A的形式，可保护其免受紫外线损伤。
在历史上最重要的生物技术成功案例之一中，盐生杜氏藻如今已被商业化培育，用于膳食补充剂和护肤品，尤其是用于能够保护肌肤免受紫外线辐射的粉底和面霜。实际上，科学家们窃取了这些微生物的“超能力”，即能够承受紫外线辐射的能力，来保护我们的肌肤。
然而，或许更具意义的发现来自“嗜热生物”，即喜热生物。科学家正是从这些嗜热微生物中提取出了耐热蛋白，这些蛋白质能够在60°C以上保持其分子结构，而60°C正是拆分并复制DNA以便进行检测所需的温度。例如，如果您做过新冠PCR检测，那么您的DNA样本就经历过这一过程。这种将DNA复制或“扩增”至我们可以检测到的水平的能力，已经彻底变革了生物学与医学科学。
在约克大学，我研究了一种名为硫化叶菌属（Sulfolobus）的超嗜热微生物的细胞机制。这些令人惊叹的微生物属于古菌域，是继细菌和真核生物之后的第三大生命分支。
硫化叶菌不仅能在活火山的75–80°C高温中安家，还能在高酸性、pH值为2–3的环境中茁壮成长，这类环境常见于火山温泉中，其酸度大致与柠檬汁或醋相当。了解它们的秘密，可能有助于我们发现在更高温度下仍能保持稳定的分子，从而提供更加多样的分析手段，助力医疗保健、遗传学和环境研究取得进展。
从热到冷
自从与嗜热生物打交道以来，我的研究把我带到了地球生命的另一个极端。在过去四年里，我一直在研究生活在北极和南极的微生物。虽然从远处看，地球两极似乎纯净无瑕，未受生命影响，但微生物依然存在，甚至繁衍生息。
这些微生物中有许多为景观增添了鲜艳的色彩，这要归功于它们醒目的光合色素。其中一个例子是粉绿色的藻类雪华，被称为“西瓜雪”。钻穿南极乌恩特塞湖等冰封湖泊的表面，你会发现鲜紫色的光合蓝细菌垫，之所以呈现这种颜色，是因为冰层之下光线极弱。它们的紫色色素使其能更有效地吸收绿光，而绿光是穿透深水和厚冰的主要波长。
值得注意的是，尽管光照和养分匮乏，蓝绿藻细菌仍可附着于极地地区岩石内部及下方微小的孔隙中。在如此恶劣的环境中，能够产生能量并输入食物链的光合生命极少，因此这些蓝细菌是当地生态系统的关键基础。
当我的同事们在伦敦自然历史博物馆研究那些色彩斑斓的群落时，我一直在研究被称为“冷圈黑洞”（冰冻水域）的冰尘孔。冰尘孔是含有暗色沉积物的小型融水袋，使冰川融化区呈现出斑点状外观。尽管它们通常只有5–20厘米宽，但我和同事们在每一个冰尘孔中都发现了数百种微观生物。
有观点认为，这些物种多样性热点可能在“雪球地球”时期为多种微生物提供了庇护所。该时期是指发生于7.2亿至6.35亿年前的全球性冰河时代，恰好早于化石记录中动物的出现。我们的星球经历过多次冰川作用，但成冰纪雪球地球尤为严重，冰层一直延伸至赤道。
为检验冰尘孔生物在雪球地球时期的生存能力，我们比较了在南极夏季恒定温度（0.5°C）下培养的冰尘孔生物，与在每24小时周期内有12小时冻结于-5°C的冰尘孔的生长情况。一个月后，我们的初步结果显示，0.5°C组与-5°C组之间没有可观察到的差异。令人惊讶的是，每晚完全冻结甚至没有减缓这些生物的生长。
希望这项研究不仅有助于我们了解生命如何在过去的极端气候中存活，也有助于理解现代气候与微生物生态系统之间的联系如何运作。
