TERMOFILI: RAKSTUROJUMS, KLASIFIKĀCIJA UN VIDE - BIOLOĢIJA - 2025

Termofīlajā ir apakštips extremophiles kas raksturojas ar augstu pieļaut temperatūru starp 50 ° C un 75 ° C, vai nu tāpēc, ka šīs vērtības tiek saglabāta temperatūra šajās ekstrēmos apstākļos, vai tāpēc, ka bieži sasniegšanas.

Termofīlie organismi parasti ir baktērijas vai arhaea, tomēr ir arī mezozoīni (eikariotu organismi, kas ir heterotrofiski un audi), kas arī attīstās karstā vietā.

1. attēls. Atacama tuksnesis Čīlē, vienā no sausākajām vietām pasaulē. Avots: pixabay.com

Ir zināmi arī jūras organismi, kas, saistīti ar simbiozi ar termofīlajām baktērijām, var pielāgoties šīm augstām temperatūrām un kuri ir arī izstrādājuši bioķīmiskos mehānismus, piemēram, modificētu hemoglobīnu, augstu asins daudzumu, cita starpā, kas ļauj tiem paciest sulfīdu un savienojumu toksicitāti. sērs.

Tiek uzskatīts, ka termofīlie prokarioti ir pirmās vienkāršās šūnas dzīves evolūcijā un apdzīvo okeānos vietas ar vulkānisko aktivitāti un geizeriem.

Šāda veida termofīlie organismi ir tādi, kas dzīvo hidrotermisko vai ventilācijas atveru tuvumā okeānu apakšā, piemēram, metanogeniskas (metānu ražojošas) baktērijas un annelid Riftia pachyptila.

Galvenie biotopi, kur var atrast termofilus, ir:

• Zemes hidrotermālā vide.
• Jūras hidrotermālā vide.
• Karstie tuksneši.

Termofīlo organismu raksturojums

Temperatūra: kritisks abiotiskais faktors mikroorganismu attīstībai

Temperatūra ir viens no galvenajiem vides faktoriem, kas nosaka dzīvo lietu augšanu un izdzīvošanu. Katrai sugai ir dažādas temperatūras, kurās tā var izdzīvot, tomēr tai ir optimāla augšana un attīstība īpašās temperatūrās.

Katra organisma augšanas ātrumu pret temperatūru var grafiski izteikt, iegūstot vērtības, kas atbilst svarīgām kritiskajām temperatūrām (minimālā, optimālā un maksimālā).

Minimālā temperatūra

Pie minimālās organisma augšanas temperatūras samazinās šūnu membrānas plūstamība un var tikt apturēti transportēšanas un materiālu apmaiņas procesi, piemēram, barības vielu iekļūšana un toksisko vielu izvadīšana.

Starp minimālo un optimālo temperatūru palielinās mikroorganismu augšanas ātrums.

Optimāla temperatūra

Optimālā temperatūrā vielmaiņas reakcijas notiek ar visaugstāko iespējamo efektivitāti.

Maksimālā temperatūra

Virs optimālās temperatūras augšanas ātrums samazinās līdz maksimālajai temperatūrai, ko katrs organisms var paciest.

Šajās augstās temperatūrās strukturālie un funkcionālie proteīni, piemēram, fermenti, tiek denaturēti un inaktivēti, jo tie zaudē savu ģeometrisko konfigurāciju un īpašo telpisko konfigurāciju, citoplazmatiskā membrāna saplīst un siltuma ietekmē notiek termiskā sadalīšanās vai plīsums.

Katram mikroorganismam ir minimālā, optimālā un maksimālā temperatūra darbībai un attīstībai. Termofiliem ir ārkārtīgi augstas vērtības šajās trīs temperatūrās.

Termofīlo organismu atšķirīgās iezīmes

• Termofīliem organismiem ir augsts augšanas ātrums, bet īss mūžs.
• Viņu šūnu membrānā ir liels daudzums garu ķēžu piesātinātu tauku vai lipīdu; šāda veida piesātinātie tauki spēj absorbēt siltumu un augstā temperatūrā (kušanas) pārvērsties šķidrā stāvoklī, tos neiznīcinot.
• Tās strukturālie un funkcionālie proteīni ir ļoti karstumizturīgi (termostabili) caur kovalentām saitēm un īpašiem starpmolekulāriem spēkiem, kurus sauc par Londonas izkliedes spēkiem.
• Viņiem ir arī īpaši fermenti, lai uzturētu vielmaiņas darbību augstā temperatūrā.
• Ir zināms, ka šie termofīlie mikroorganismi kā barības vielu avotus var izmantot sulfīdus un sēra savienojumus, kas ir bagātīgi vulkānu apgabalos, lai tos pārveidotu par organiskām vielām.

Termofīlo organismu klasifikācija

Termofīlos organismus var iedalīt trīs plašās kategorijās:

• Mēreni termofīli (optimāli temperatūrā no 50 līdz 60 ° C).
• Īpaši termofīli (optimāli tuvu 70 ° C).
• Hipertermofīli (optimāli tuvu 80 ° C).

Termofīlie organismi un to vide

Zemes hidrotermālā vide

Hidrotermālās vietas ir pārsteidzoši izplatītas un plaši izplatītas. Tos plaši var iedalīt tajos, kas saistīti ar vulkānu apgabaliem, un tajos, kas nav.

Hidrotermiskā vide ar visaugstāko temperatūru parasti tiek saistīta ar vulkānu īpašībām (kalderas, kļūmes, plāksnes tektoniskās robežas, aizmugures loka baseini), kas ļauj magmai pacelties līdz dziļumam, kur tā var tieši mijiedarboties ar gruntsūdeņiem. dziļi.

2. attēls. Tetio geizeri, Atacama, Čīle. Avots: Diego Delso

Karstos punktus bieži papildina arī citas īpašības, kas apgrūtina dzīves attīstību, piemēram, ārkārtējas pH vērtības, organiskās vielas, ķīmiskais sastāvs un sāļums.

Tādēļ sauszemes hidrotermiskās vides iedzīvotāji izdzīvo dažādu ekstremālu apstākļu klātbūtnē. Šie organismi ir pazīstami kā poliekstremofili.

To organismu piemēri, kas apdzīvo sauszemes hidrotermisko vidi

Sauszemes hidrotermiskajā vidē ir identificēti organismi, kas pieder visiem trim domēniem (eikariotu, baktēriju un arhaea). Šo organismu daudzveidību galvenokārt nosaka temperatūra.

Kaut arī mēreni termofīlā vidē apdzīvo daudzveidīgs baktēriju sugu klāsts, fotoautotrofi var nonākt mikrobu kopienā un veidot makroskopiskas “paklāja” vai “paklāja” veida struktūras.

Šie “fotosintētiskie paklāji” atrodas uz neitrālo un sārmaināko karsto avotu (pH virs 7,0) virsmas temperatūrā no 40 līdz 71 ° C, un zilaļģes ir galvenās ražotājas.

Temperatūrā virs 55 ° C fotosintētiskos paklājus galvenokārt apdzīvo vienšūnu zilaļģes, piemēram, Synechococcus sp.

Baktērijas

Fotosintētiskos mikrobu paklājus pārsvarā var apdzīvot arī Chloroflexus un Roseiflexus ģinšu baktērijas - abi Chloroflexales kārtas locekļi.

Chloreflexus un Roseiflexus sugas, kas saistītas ar zilaļģēm, optimāli aug fotoheterotrofiskos apstākļos.

Ja pH ir skābs, biežas ir Acidiosphaera, Acidiphilium, Desulfotomaculum, Hydrogenobaculum, Methylokorus, Sulfobacillus Thermoanaerobacter, Thermodesulfobium un Thermodesulfator ģints.

Ir zināms, ka hipertermofīlos avotos (temperatūrā no 72 līdz 98 ° C) fotosintēze nenotiek, kas ļauj pārsniegt ķīmijotoautotrofās baktērijas.

Šie organismi pieder pie patvēruma Aquificae un ir kosmopolīti; tie var oksidēt ūdeņradi vai molekulāro sēru ar skābekli kā elektronu akceptoru un fiksēt oglekli caur reducējošās trikarbonskābes (rTCA) ceļu.

Arkas

Lielākā daļa kultivēto un nekultivēto archaea, kas identificēta neitrālā un sārmainā termiskajā vidē, pieder pie Cfarear Crenarchaeota.

Tādas sugas kā Thermofilum pendens, Thermosphaera aggregans vai Stetteria hydrophiropla Nitrosocaldus yellowstonii izplatās zem 77 ° C un Thermoproteus neutrophilus, Vulcanisaeta distributa, Thermofilum pendens, Aeropyruni pernix, Desulfurococcus mobilis un 80 ° C augstāka temperatūra nekā Ignisphaera aggregans.

Skābā vidē ir atrodami ģinšu archaea: Sulfolobus, Sulfurococcus, Metallosphaera, Acidianus, Sulfurisphaera, Picrophilus, Thermoplasma, Thennocladium un Galdivirga.

Eikarioti

Starp eikariotiem no neitrāliem un sārmainiem avotiem var minēt Thermomyces lanuginosus, Scytalidium thermophilum, Echinamoeba thermarum, Marinamoeba thermophilia un Oramoeba funiarolia.

Skābos avotos var atrast ģintis: Pinnularia, Cyanidioschyzon, Cyanidium vai Galdieria.

Jūras hidrotermālā vide

Temperatūrā no 2 ° C līdz vairāk nekā 400 ° C, spiedienā, kas pārsniedz vairākus tūkstošus mārciņu uz kvadrātcollu (psi), un augstā toksiskā sērūdeņraža koncentrācijā (pH 2,8) dziļūdens hidrotermālās ventilācijas atveres ir iespējams, ekstrēmākā vide uz mūsu planētas.

Šajā ekosistēmā mikrobi kalpo kā apakšējais posms pārtikas ķēdē, iegūstot enerģiju no ģeotermālā siltuma un ķīmiskajām vielām, kas atrodamas dziļi Zemes iekšienē.

4. attēls. Hidrotermiskās ventilācijas un cauruļu tārpi. Avots: photolib.noaa.gov

Faunas piemēri, kas saistīti ar jūras hidrotermisko vidi

Fauna, kas saistīta ar šiem avotiem vai ventilācijas atverēm, ir ļoti dažāda, un attiecības starp dažādiem taksoniem vēl nav pilnībā izzinātas.

Starp izolētajām sugām ir gan baktērijas, gan arhaea. Piemēram, ir izolētas Methanococcus, Methanopyus ģints archaea un Caminibacter ģints termofīlās anaerobās baktērijas.

Baktērijas plaukst bioplēvēs, no kurām barojas vairāki organismi, piemēram, amfipodi, kapapodi, gliemeži, krabju garneles, cauruļvadi, zivis un astoņkāji.

5. attēls. Rimicaris ģints garneles, fumaroles iedzīvotāji. Avots: NOAA Okeanos Explorer programma, Mid-Cayman Rise Expedition 2011

Izplatīts scenārijs ir gliemenes, Bathymodiolus thermophilus uzkrāšanās, kas ir garākas par 10 cm un kas sagrupējas plaisās bazaltā. Parasti tos pavada daudzi galateid krabji (Munidopsis subsquamosa).

Viens no neparastākajiem organismiem ir cauruļvads Riftia pachyptila, kas var sagrupēties lielā skaitā un sasniegt izmērus tuvu 2 metriem.

Šiem cauruļvadiem nav mutes, kuņģa vai tūpļa (tas ir, viņiem nav gremošanas sistēmas); tie ir pilnīgi noslēgti maisiņi bez atvēršanas ārējai videi.

6. attēls. Cauruļvads Riftia pachyptila ar anemoniem un gliemenēm. Avots:
NOAA Okeanos Explorer programma, Galapagos Rift Expedition 2011

Pildspalvveida pilnšļirces spilgti sarkanā krāsa ir saistīta ar ārpusšūnu hemoglobīna klātbūtni. Sērūdeņradis tiek transportēts pa šūnas membrānu, kas saistīta ar šīs plūmes pavedieniem, un caur ārpusšūnu hemoglobīnu nonāk specializētā "audā", ko sauc par trofosomu, un kas pilnībā sastāv no simbiotiskām ķemosintētiskām baktērijām.

Var teikt, ka šiem tārpiem ir baktēriju iekšējais "dārzs", kas barojas ar sērūdeņradi un nodrošina tārpam "ēdienu", kas ir ārkārtēja adaptācija.

Karstie tuksneši

Karstie tuksneši klāj no 14 līdz 20% no Zemes virsmas, aptuveni 19-25 miljoni km.

Karstākie tuksneši, piemēram, Ziemeļāfrikas Sahāra un ASV dienvidrietumu, Meksikas un Austrālijas tuksneši, ir sastopami visā tropikā gan ziemeļu, gan dienvidu puslodē (starp aptuveni 10 ° un 30- 40 ° platuma grādos).

Tuksnešu veidi

Karstā tuksneša raksturīgā pazīme ir sausums. Saskaņā ar Koppen-Geiger klimata klasifikāciju tuksneši ir reģioni ar gada nokrišņu daudzumu, kas mazāks par 250 mm.

Tomēr gada nokrišņu daudzums var būt maldinošs indekss, jo ūdens zudumi ir ūdens budžeta lēmēji.

Tādējādi Apvienoto Nāciju Organizācijas Vides programmas tuksneša definīcija ir gada mitruma deficīts normālos klimatiskajos apstākļos, kur potenciālā iztvaikošanas absorbcija (PET) ir piecas reizes lielāka nekā faktiskie nokrišņi (P).

Augsts PET ir izplatīts karstajos tuksnešos, jo mākoņu pārklājuma trūkuma dēļ saules radiācija tuvojas maksimālajam līmenim sausajos reģionos.

Tuksnešus var iedalīt divos veidos pēc to sausuma līmeņa:

• Hiperūdens: ar sausuma indeksu (P / PET), kas mazāks par 0,05.
• Agregāti: ar indeksu no 0,05 līdz 0,2.

Tuksnešus atšķir no sausajām pussausajām zemēm (P / PET 0,2–0,5) un no zemu mitrajām sausām zemēm (0,5–0,65).

Tuksnešiem ir arī citas svarīgas īpašības, piemēram, spēcīgas temperatūras svārstības un augsnes augsts sāļums.

No otras puses, tuksnesis parasti tiek saistīts ar kāpām un smiltīm, tomēr šis attēls atbilst tikai 15-20% no visiem; akmeņainās un kalnainās ainavas ir biežākā tuksneša vide.

Tuksneša termofīlo organismu piemēri

Tuksnešu, kas ir termofīli, iedzīvotājiem ir virkne pielāgojumu, lai cita starpā saskartos ar nelabvēlīgajām parādībām, kuras cita starpā rada lietus, augstas temperatūras, vēja un sāļuma trūkums.

Xerophytic augi ir izstrādājuši stratēģijas, lai izvairītos no sviedriem un pēc iespējas vairāk ūdens. Kātiņu un lapu sulīgums vai sabiezēšana ir viena no visbiežāk izmantotajām stratēģijām.

Tas ir acīmredzams Cactaceae ģimenē, kur lapas ir pārveidotas arī muguriņu veidā, lai izvairītos no iztvaikošanas un atvairītu zālēdājus.

7. attēls. Kaktuss Singapūras botāniskajā dārzā. Avots: Img, Calvin Teo, no Wikimedia Commons

Lithops ģints vai akmens augi, kas ir dzimtene Namībijas tuksnesī, arī izstrādā sulīgumu, bet šajā gadījumā augs aug vienā līmenī ar zemi, maskējoties ar apkārtējiem akmeņiem.

8. attēls. Lithops herrei ir klintīm līdzīgs tuksneša sulīgs augs. Avots: Stens Šebs, Kalifornijas Universitātes Botāniskajā dārzā

No otras puses, dzīvniekiem, kas dzīvo šajos galējos biotopos, attīstās visa veida adaptācija, sākot no fizioloģiskiem līdz etoloģiskiem. Piemēram, tā dēvētās ķengurs žurkas urinē mazā daudzumā un nelielā skaitā, tādējādi šie dzīvnieki ir ļoti efektīvi savā ūdens trūkuma vidē.

Vēl viens ūdens zuduma samazināšanas mehānisms ir ķermeņa temperatūras paaugstināšanās; Piemēram, atpūtas kamieļu ķermeņa temperatūra vasarā var paaugstināties no aptuveni 34 ° C līdz vairāk nekā 40 ° C.

Temperatūras svārstībām ir liela nozīme ūdens saglabāšanā:

• Paaugstināta ķermeņa temperatūra nozīmē, ka siltums ķermenī tiek uzkrāts, nevis izkliedēts iztvaikojot ūdeni. Vēlāk, naktī, lieko siltumu var izvadīt, netērējot ūdeni.
• Siltuma ieguvums no karstās vides samazinās, jo samazinās temperatūras gradients.

Vēl viens piemērs ir smilšu žurka (Psammomys obesus), kas ir izstrādājusi gremošanas mehānismu, kas ļauj tiem baroties tikai ar Chenopodiaceae dzimtas tuksneša augiem, kuru lapās ir liels daudzums sāļu.

9. attēls. Smilšu žurka (Psammomys obesus). Avots: Gerijs L. Klarks, no Wikimedia Commons

Tuksneša dzīvnieku etoloģiskie (uzvedības) pielāgojumi ir daudz, bet, iespējams, acīmredzamākais nozīmē, ka aktivitātes un atpūtas cikls ir apgriezts.

Tādā veidā šie dzīvnieki kļūst aktīvi saulrietā (nakts aktivitātes) un pārstāj būt aktīvi rītausmā (dienas atpūta), tādējādi viņu aktīvā dzīve nesakrīt ar karstākajām stundām.

Atsauces

1. Beikers-Ostins, C. un Dopsons, M. (2007). Dzīve skābē: pH homeostāze acidofilos. Tendences mikrobioloģijā 15, 165-171.
2. Berijs, JA un Bjorkmans, 0. (1980). Fotosintēzes reakcija un pielāgošanās temperatūrai augstākajos augos. Gada pārskats par augu fizioloģiju 31, 491-534.
3. Broks, TD (1978). Termofīlie mikroorganismi un dzīve augstā temperatūrā. Springer-Verlag, Ņujorka, 378 lpp.
4. Kamposs, VL, Escalante, G., Jafiez, J., Zaror, CA un Mondaca, AM (2009), Arsenītu oksidējošo baktēriju izolēšana no dabiskā bioplēves, kas saistīta ar Atacama tuksneša, Čīle, vulkāniskajiem iežiem. Journal of Basic Microbiology 49, 93-97.
5. Cary, CS, Shank, T. un Stein, J. (1998). Tārpi pīkst ekstremālā temperatūrā. Daba 391, 545-546.
6. Chevaldonne, P, Desbruyeres, D. un Childress, JJ (1992). Dažiem tas patīk karsts… un citiem patīk vēl karstāks. Daba 359, 593-594.
7. Evenari, M., Lange, 01., Schulze, ED, Buschbom, U. un Kappen, L. (1975). Adaptīvie mehānismi tuksneša augos. In: Vemberg, FJ (ed.) Fizioloģiskā adaptācija videi. Intext Press, Platteville, LISA, lpp. 111.-129.
8. Gibsons, AC (1996). Silto tuksnešu augu struktūras un funkcijas attiecības. Springers, Heidelberga, Vācija, 216 lpp.
9. Guttermans, Y. (2002). Gada tuksneša augu izdzīvošanas stratēģijas. Springer, Berlīne, Vācija, 368 lpp.
10. Lutz, RA (1988). Organismu izkliede dziļūdens hidrotermiskajā ventilācijā: pārskats. Oceanologica Acta 8, 23.-29.
11. Lutz, RA, Shank, TM, Fornari, DJ, Haymon, RM, Lilley, MD, Von Damm, KL un Desbruyeres, D. (1994). Straujš pieaugums dziļūdens atverēs. Daba 371, 663-664.
12. Rhoads, DC, Lutz, RA, Revelas, EC un Cerrato, RM (1981). Gliemenu pieaugums dziļūdens hidrotermiskajās atverēs gar Galapagu riftu. Zinātne 214, 911–913.
13. Noy-Meir I. (1973). Tuksneša ekosistēmas: vide un ražotāji. Ekoloģisko sistēmu gada pārskats 4, 25-51.
14. Wiegel, J. and Adams, MWW (1998). Termofili: atslēgas molekulārajai evolūcijai un dzīvības izcelsmei. Teilors un Francisks, Londona, 346 lpp.