A biodiversidade ocupa diversos ambientes da Terra, com inúmeras espécies desempenhando papéis ecológicos diferentes e formando interações ecológicas complexas nos ecossistemas. Uma consequência inescapável dessa abundância de espécies na natureza é a ubiquidade da vida, isto é, espécies são encontradas em todos os hábitats do planeta, por mais que estes pareçam inabitáveis. Por exemplo, muitos microrganismos ocupam ambientes improváveis, tais como rochas 10 quilômetros abaixo do solo ou do oceano, aerossóis (partículas de água) na atmosfera a 10 quilômetros de altitude, além de muitos ambientes aquáticos hipersalinos ou de alta temperatura.

Essa ubiquidade da vida, que também ocupa diversos ambientes extremos, só é possível por causa da seleção natural, que resultou em incontáveis espécies de microrganismos, fungos, animais e plantas localmente adaptadas, ao longo de 4 bilhões de história evolutiva na Terra. Os ambientes extremos requerem adaptações únicas, e poucas espécies conseguem habitá-los definitivamente.

Os ambientes polares, por exemplo, são habitados por espécies com inúmeras características que permitiram sua adaptação ao frio intenso e à falta de iluminação solar em grande parte do ano. No hemisfério Sul, os pinguins são exemplos clássicos de animais adaptados ao frio polar, à água e ao continente gelado. São pelo menos 19 espécies diferentes com adaptações em diversos níveis ao ambiente polar, entre os quais o pinguim-imperador, que possui capacidades extremas de isolamento térmico, produção de calor e manejo energético que permitem sua sobrevivência e reprodução exclusiva no gelo da Antártida ao longo do ano todo.

Algumas adaptações a ambientes extremos também se mostraram muito úteis nas aplicações biotecnológicas e industriais. Um exemplo clássico é a enzima termoestável de síntese de DNA da bactéria de águas quentes Thermus aquaticus, a Taq DNA polimerase. Esta enzima revolucionou as técnicas de biologia molecular e sequenciamento de DNA a partir do final da década de 1980, permitindo as reações em cadeia da polimerase, ou PCR. Na indústria são utilizadas diversas enzimas naturais ou bioengendradas, tais como as celulases, as quitinases e as peroxidases termoestáveis de Streptomyces thermoviolaceus, que podem ser utilizadas em diferentes processos de produção envolvendo essas reações químicas em alta temperatura.

Espécies do deserto evoluíram inúmeras adaptações para sobrevivência e reprodução nesse ambiente com escassez de água e condições extremas de temperatura. Várias espécies de plantas e animais possuem diferentes respostas adaptativas, embora algumas sejam convergentes, isto é, são parecidas, mas se originaram de forma independente. Por exemplo, alguns cactos de desertos subtropicais possuem espinhos cônicos que ajudam a reduzir a evaporação e facilitam a coleta de água da neblina. Muitos besouros do deserto coletam água através de seus élitros (asas rígidas) com texturas hidrofóbicas que direcionam a água condensada para sua boca, solução que aparece de forma análoga em alguns lagartos de desertos subtropicais que utilizam canais superficiais na pele para transportar água até sua boca. Essas soluções da natureza também inspiraram o desenvolvimento de equipamentos e artefatos de transporte e coleta de água de neblina por condensação. Equipamentos, processos e técnicas sintéticas que imitam adaptações, processos e sistemas encontrados na natureza são chamadas de soluções biomiméticas.

Outros exemplos inusitados de organismos adaptados a ambientes extremos são: i) a mosca Helaeomyia petrolei que habita e se reproduz em poças de petróleo bruto; ii) a bactéria Deinococcus radiodurans capaz de viver em ambientes com altas doses de radioatividade, uma propriedade que parece ser consequência da adaptação à dessecação; iii) o fungo Purpureocillium lilacinum, isolado de sedimentos da Fossa das Marianas próxima ao Japão, possui muitas adaptações do metabolismo de ácidos graxos, defesas antioxidantes e biossíntese de metabólitos secundários sob alta pressão hidrostática.

Onde há recursos e oportunidades, vamos encontrar formas de vida adaptadas às condições locais. Na verdade, os primeiros organismos unicelulares de 4 bilhões de anos atrás podem ser também considerados extremófilos, um nome usado para essas espécies de ambientes extremos. Eram provavelmente parecidos aos microrganismos anaeróbicos que hoje habitam fissuras geotérmicas do fundo dos oceanos, onde também existem diferentes grupos de invertebrados adaptados a essas fontes hidrotermais.