Značilne termofile, klasifikacija in okolja



The termofili so podtip ekstremofilnih organizmov, za katere je značilna prenašanje visokih temperatur, med 50 ° C in 75 ° C, bodisi zato, ker se v teh ekstremnih okoliščinah te temperaturne vrednosti ohranjajo ali ker so pogosto dosežene.

Termofilni organizmi so ponavadi bakterije ali arheje, vendar so metazoni (heterotrofni in tkivni eukariotski organizmi), ki se razvijajo tudi na vročih mestih..

Znani so tudi morski organizmi, ki se lahko v simbiozi s termofilnimi bakterijami prilagodijo tem visokim temperaturam in razvijejo tudi biokemične mehanizme, kot so spremenjeni hemoglobin, visok krvni volumen, ki jim omogočajo toleranco toksičnosti sulfidov in spojin. žvepla.

Domneva se, da so bili termofilni prokarionti prve preproste celice v evoluciji življenja in da so naseljevali mesta z vulkansko dejavnostjo in gejzirji v oceanih..

Primeri te vrste termofilnih organizmov so tisti, ki živijo v bližini hidrotermalnih odprtin ali fumarol na dnu oceanov, kot so metanolne bakterije (proizvajalci metana) in anelidi. Riftia pachyptila.

Glavni habitati, kjer lahko najdemo termofile, so:

  • Kopenska hidrotermalna okolja.
  • Morska hidrotermalna okolja.
  • Vroče puščave.

Indeks

  • 1 Značilnosti termofilnih organizmov
    • 1.1 Značilnosti termofilnih organizmov
  • 2 Razvrstitev termofilnih organizmov
  • 3 Termofilni organizmi in njihovo okolje
    • 3.1 Kopenska hidrotermalna okolja
    • 3.2 Primeri organizmov, ki živijo v kopenskih hidrotermalnih okoljih
    • 3.3 Bakterije
    • 3.4 Oboki
    • 3.5 Eukarioti
    • 3.6 Morska hidrotermalna okolja
    • 3.7 Primeri favne, ki so povezani z morskimi hidrotermičnimi okolji
    • 3.8 Vroče puščave
    • 3.9 Vrste puščav
    • 3.10 Primeri termofilnih puščavskih organizmov
  • 4 Reference

Značilnosti termofilnih organizmov

Temperatura: kritični abiotski faktor za razvoj mikroorganizmov

Temperatura je eden od ključnih okoljskih dejavnikov, ki pogojuje rast in preživetje živih bitij. Vsaka vrsta ima razpon temperatur, med katerimi lahko preživi, ​​vendar ima optimalno rast in razvoj pri specifičnih temperaturah.

Hitrost rasti vsakega organizma se lahko grafično izrazi glede na temperaturo, pri čemer dobimo vrednosti, ki ustrezajo kritičnim kritičnim temperaturam (minimalni, optimalni in maksimalni)..

Minimalne temperature

Pri minimalnih temperaturah rasti organizma pride do zmanjšanja pretočnosti celične membrane in ustavi se proces prevoza in izmenjave materialov, kot je vnos hranil in izločanje strupenih snovi..

Med minimalno temperaturo in optimalno temperaturo se poveča hitrost rasti mikroorganizmov.

Optimalna temperatura

Pri optimalni temperaturi pride do metaboličnih reakcij z največjo možno učinkovitostjo.

Najvišja temperatura

Nad optimalno temperaturo se zmanjša hitrost rasti do najvišje temperature, ki jo lahko vsak organizem dopušča.

Pri teh visokih temperaturah so strukturni in funkcionalni proteini denaturirani in inaktivirani kot encimi, ker izgubljajo geometrijsko konfiguracijo in posebno prostorsko konfiguracijo, se citoplazmatska membrana razgradi in toplotna liza ali ruptura nastane zaradi toplote.

Vsak mikroorganizem ima minimalne, optimalne in maksimalne temperature delovanja in razvoja. Termofili imajo pri teh treh temperaturah izjemno visoke vrednosti.

Posebnosti termofilnih organizmov

  • Termofilni organizmi imajo visoke stopnje rasti, vendar kratke življenjske čase.
  • V celični membrani imajo veliko lipidov ali nasičenih maščob dolge verige; ta vrsta nasičenih maščob lahko absorbira toploto in gre na tekoče stanje pri visokih temperaturah (talini), ne da bi bila uničena.
  • Njeni strukturni in funkcionalni proteini so zelo stabilni proti toploti (termostabilni), preko kovalentnih vezi in posebnih intermolekularnih sil, imenovanih disperzijske sile v Londonu..
  • Imajo tudi posebne encime za vzdrževanje metabolizma pri visokih temperaturah.
  • Znano je, da lahko ti termofilni mikroorganizmi uporabijo sulfide in bogate žveplove spojine v vulkanskih območjih kot vir hranil, ki jih pretvorijo v organske snovi..

Razvrstitev termofilnih organizmov

Termofilne organizme lahko razdelimo v tri širše kategorije:

  • Zmerni termofili (optimalno med 50-60 ° C).
  • Ekstremni termofili (optimalno blizu 70 ° C).
  • Hipertermofili (optimalno blizu 80 ° C).

Termofilni organizmi in njihovo okolje

Kopenska hidrotermalna okolja

Hidrotermalna mesta so presenetljivo pogosta in široko porazdeljena. Lahko jih na splošno razdelimo na tiste, ki so povezane z vulkanskimi območji, in na tiste, ki niso..

Hidrotermalna okolja, ki predstavljajo najvišje temperature, so običajno povezana z vulkanskimi značilnostmi (kotli, razpoke, meje tektonskih plošč, posterior bazeni), ki omogočajo magmi, da se dvigne do globine, kjer lahko neposredno vpliva na podzemno vodo. globoko.

Vroče točke pogosto spremljajo tudi druge značilnosti, ki otežujejo življenje, kot so pH, organska snov, kemična sestava in ekstremna slanost..

Prebivalci kopenskih hidrotermalnih okolij torej preživijo v prisotnosti več skrajnih razmer. Ti organizmi so znani kot polekstramofili.

Primeri organizmov, ki živijo v kopenskih hidrotermalnih okoljih

V kopenskih hidrotermalnih okoljih so bili identificirani organizmi iz treh področij (evkarionti, bakterije in arheje). Raznolikost teh organizmov je odvisna predvsem od temperature.

Medtem ko raznolike vrste bakterijskih vrst naseljujejo zmerno termofilna okolja, lahko fotoavtorofi prevladujejo v mikrobni skupnosti in tvorijo makroskopske strukture "preproge" ali "preproge"..

Te "fotosintezne preproge" so prisotne na površini večine nevtralnih in alkalnih termalnih vrelcev (pH večji od 7,0) pri temperaturah med 40 in 71 ° C, pri čemer so cianobakterije glavni prevladujoči proizvajalci.

Nad 55 ° C so fotosintetske preproge pretežno naseljene z enoceličnimi cianobakterijami, kot so Synechococcus sp.

Bakterije

Fotosintetične mikrobne preproge so lahko pretežno naseljene z bakterijami rodov Chloroflexus in Roseiflexus, oba člana reda Chloroflexales.

Ko so povezane s cianobakterijami, so vrste Klorefleks in Roseiflexus optimalno rastejo v fotoheterotrofnih pogojih.

Če je pH kislina, so rodovi pogosti Acidiosphaera, Acidiphilium, Desulfotomaculum, Hydrogenobaculum, Methylokorus, Sulfobacillus Thermoanaerobacter, Thermodesulfobium in Thermodesulfator.

V hipertermofilnih virih (med 72-98 ° C) je znano, da ne pride do fotosinteze, kar omogoča prevlado kemolitoautotrofnih bakterij..

Ti organizmi pripadajo vrsti Aquificae in so svetovljani; lahko oksidira vodik ali molekulsko žveplo s kisikom kot akceptor elektrona in popravi ogljik preko poti redukcijske trikarboksilne kisline (rTCA).

Arches

Večina kultiviranih in neobdelanih arhej, identificiranih v nevtralnih in alkalnih termalnih okoljih, spada v skupino Crenarchaeota.

Takšne vrste Thermofilum pendens, Thermosphaera aggregans o Stetteria hydrogenophila Nitrosocaldus yellowstonii, razmnoževati pod 77 ° C in. \ t Thermoproteus neutrophilus, Vulcanisaeta distributa, Thermofilum pendens, Aeropyruni pernix, Desulfurococcus mobilis e Ignisphaera aggregans, v virih s temperaturo nad 80 ° C.

V kislih okoljih obstajajo arheje rodov: Sulfolobus, Sulfurococcus, Metallosphaera, Acidianus, Sulfurisphaera, Picrophilus, Thermoplasma, Thennocladium in Galdivirga.

Eukarioti

V okviru evkariontov lahko navedemo nevtralne in alkalne vire Thermomyces lanuginosus, Scytalidium thermophilum, Echinamoeba thermarum, Marinamoeba termofilija in Oramoeba funiarolia.

V kislih virih lahko najdete žanre: Pinnularia, cianidioschyzon, cianidij o Galdieria.

Morska hidrotermalna okolja

Pri temperaturah od 2 ° C do več kot 400 ° C so tlaki, ki presegajo več tisoč funtov na kvadratni palec (psi), in visoke koncentracije toksičnega vodikovega sulfida (pH 2,8), globokomorski hidrotermalni ventili. najbolj ekstremnih okoljih na našem planetu.

V tem ekosistemu mikrobi služijo kot spodnja povezava v prehranjevalni verigi, ki pridobivajo svojo energijo iz geotermalne toplote in kemikalij, ki jih najdemo v globinah notranjosti Zemlje..

Primeri favne, ki so povezani z morskimi hidrotermičnimi okolji

Favna, povezana s temi viri ali odprtinami, je zelo raznolika in obstoječa razmerja med različnimi taksoni še niso popolnoma razumljena.

Med vrstami, ki so bile izolirane, so bakterije in arheje. Na primer, arheje rodu so bile izolirane Methanococcus, Methanopyus in anaerobne termofilne bakterije iz rodu Caminibacter.

Bakterije se razvijejo v biofilmih, ki se hranijo z več organizmi, kot so amfipodi, kopepodi, polži, raki škampov, cevni črvi, ribe in hobotnice..

Skupna panorama je sestavljena iz akumulacij školjk, Bathymodiolus thermophilus, dolžine več kot 10 cm, ki se skrivajo v razpokah bazaltne lave. Običajno jih spremljajo številni galapaški raki (Munidopsis subsquamosa).

Eden od najbolj nenavadnih najdenih organizmov je cevasti črv Riftia pachyptila, ki se lahko združijo v velike količine in dosežejo velikosti blizu 2 metrov.

Ti cevni črvi nimajo ust, želodca ali anusa (torej nimajo prebavnega sistema); so popolnoma zaprta vreča, brez odprtine za zunanje okolje.

Svetlo rdeča barva peresa na konici je posledica prisotnosti zunajceličnega hemoglobina. Vodikov sulfid se prenaša skozi celično membrano, povezano s filamenti tega peresnika, in preko zunajceličnega hemoglobina doseže specializirano "tkivo", imenovano trofosom, ki je v celoti sestavljeno iz simbiotičnih kemosintetičnih bakterij..

Lahko rečemo, da imajo ti črvi notranji "vrt" bakterij, ki se hranijo z vodikovim sulfidom in zagotavljajo "hrano" za črva, izjemno prilagajanje..

Vroče puščave

Vroče puščave pokrivajo med 14 in 20% površine Zemlje, približno 19-25 milijonov km.

Najbolj vroče puščave, kot so Sahara severne Afrike in puščave jugozahoda ZDA, Mehike in Avstralije, se nahajajo po vsej tropih tako na severni polobli kot tudi na južni polobli (med približno 10 ° in 30–30). 40 ° zemljepisne širine).

Vrste puščav

Značilna značilnost vroče puščave je sušnost. Glede na podnebne razvrstitve Koppen-Geiger, puščave so regije z letnimi padavinami manj kot 250 mm.

Vendar pa je letna količina padavin lahko zavajajoč indeks, saj je izguba vode odločilen dejavnik za vodni proračun.

Puščanska opredelitev Programa Združenih narodov za okolje je torej letni primanjkljaj vlažnosti v normalnih klimatskih razmerah, kjer je potencialna evapotranspiracija (PET) petkrat večja od dejanskih padavin (P)..

Visoki PET prevladuje v vročih puščavah, ker se zaradi pomanjkanja oblakov sončno sevanje približuje maksimumu v sušnih regijah.

Puščave se lahko razdelijo na dve vrsti glede na raven aridnosti:

  • Hyperáridos: z indeksom suhosti (P ​​/ PET) manj kot 0,05.
  • Agregati: z indeksom med 0,05 in 0,2.

Puščave se razlikujejo od suhih polsušnih zemljišč (P / PET 0,2-0,5) in suhih subhumidnih suhih zemljišč (0,5–0,65).

Puščave imajo druge pomembne značilnosti, kot so njihove velike temperaturne spremembe in visoka slanost tal.

Po drugi strani pa je puščava običajno povezana s sipinami in peskom, vendar ta slika ustreza le 15-20% vseh; kamnite in gorske pokrajine so najpogostejša puščavska okolja.

Primeri termofilnih organizmov puščave

Prebivalci puščav, ki so termofili, imajo vrsto prilagoditev, da se soočijo s težavami, ki nastanejo zaradi pomanjkanja dežja, visokih temperatur, vetrov, slanosti, med drugim..

Kserofitne rastline so razvile strategije za preprečevanje transpiracije in shranjevanje čim več vode. Sočnost ali zgoščevanje stebel in listov je ena najbolj uporabljenih strategij.

To je razvidno iz družine kaktusov, kjer so bili listi spremenjeni tudi v obliki bodic, da bi se izognili evapotranspiraciji in odganjanju rastlinojedcev.

Spol Lithops ali kamnite rastline, ki izvirajo iz puščave Namibije, prav tako razvija sočnost, vendar v tem primeru rastlina raste na tleh, se kamuflira z okoliškimi kamni.

Po drugi strani pa živali, ki živijo v teh ekstremnih habitatih, razvijajo vse vrste prilagoditev, od fizioloških do etoloških. Tako imenovani kengurujski podganji imajo na primer nizko volumsko, nizko volumsko uriniranje in te živali so zelo učinkovite v okolju, v katerem manjkajo vode..

Drugi mehanizem za zmanjšanje izgube vode je povečanje telesne temperature; na primer, telesna temperatura kamil v mirovanju se lahko poleti poveča s približno 34 ° C na več kot 40 ° C.

Temperaturne spremembe so zelo pomembne pri ohranjanju vode zaradi naslednjega:

  • Povečanje telesne temperature pomeni, da se toplota shranjuje v telesu, namesto da se raztopi skozi izhlapevanje vode. Kasneje, ponoči, lahko odvečno toploto izločimo brez vode.
  • Toplotni dobiček vročega okolja se zmanjša, ker se temperaturni gradient zmanjša.

Drug primer je pesek podgan (Psammomys obesus), ki je razvila prebavni mehanizem, ki jim omogoča hranjenje le v puščavskih rastlinah družine Chenopodiaceae, ki vsebujejo velike količine soli v listih.

Etološke (vedenjske) prilagoditve puščavskih živali so številne, vendar je morda najbolj očitno, da je cikel aktivnosti in počitka obrnjen..

Na ta način te živali postanejo aktivne ob sončnem zahodu (nočna dejavnost) in prenehajo biti v zori (dnevni počitek), njihovo aktivno življenje pa ne sovpada z najbolj vročimi urami..

Reference

  1. Baker-Austin, C. in Dopson, M. (2007). Življenje v kislini: pH homeostaza pri acidofilih. Trendi in Microbiology 15, 165-171.
  2. Berry, J.A. in Bjorkman, 0. (1980). Fotosintetični odziv in prilagoditev na temperaturo v višjih rastlinah. Letni pregled rastlinske fiziologije 31, 491-534.
  3. Brock, T.D. (1978). Termofilni mikroorganizmi in življenje pri visokih temperaturah. Springer-Verlag, New York, 378 str.
  4. Campos, V.L., Escalante, G., Jafiez, J., Zaror, C.A. in Mondaca, A.M. (2009), Izolacija bakterij, ki oksidirajo arzenit, iz naravnega biofilma, povezanega z vulkanskimi kamninami v puščavi Atacama, Čile. Journal of Basic Microbiology 49, 93-97.
  5. Cary, C.S., Shank, T. in Stein, J. (1998). Črvi uživajo v ekstremnih temperaturah. Nature 391, 545-546.
  6. Chevaldonne, P, Desbruyeres, D. in Childress, J.J. (1992). Nekaterim je všeč vroče ... in nekaterim je še všeč. Nature 359, 593-594.
  7. Evenari, M., Lange, 01., Schulze, E.D., Buschbom, U. in Kappen, L. (1975). Prilagodljivi mehanizmi v puščavskih rastlinah. V: Vemberg, F.J. (ed.) Fiziološka prilagoditev okolju. Intext Press, Platteville, LISA, str. 111-129.
  8. Gibson, A.C. (1996). Odnos strukture in funkcije toplih puščavskih rastlin. Springer, Heidelberg, Nemčija, 216 str.
  9. Gutterman, Y. (2002). Strategije preživetja letnih puščavskih rastlin. Springer, Berlin, Nemčija, 368 str.
  10. Lutz, R.A. (1988). Razpršenost organizmov v globokomorskih hidrotermalnih odprtinah: pregled. Oceanologica Act 8, 23-29.
  11. Lutz, R.A., Shank, T.M., Fornari, D.J., Haymon, R.M., Lilley, M.D., Von Damm, K.L. in Desbruyeres, D. (1994). Hitra rast pri globokomorskih odprtinah. Nature 371, 663-664.
  12. Rhoads, D.C., Lutz, R.A., Revelas, E.C. in Cerrato, R.M. (1981). Rast školjk v globokomorskih hidrotermalnih odprtinah vzdolž razpoke Galapagos. Science 214, 911-913.
  13. Noy-Meir I. (1973). Puščavski ekosistemi: okolje in proizvajalci. Letni pregled ekoloških sistemov 4, 25-51.
  14. Wiegel, J. in Adams, M.W.W. (1998). Termofili: ključi za molekularno evolucijo in izvor življenja. Taylor in Francis, London, 346 str.