Екстремофільні характеристики, типи і приклади



The екстремофіли вони є організмами, які живуть в екстремальних умовах, тобто ті, які відходять від умов, в яких живе більшість організмів, відомих людям..

Терміни "екстремальний" і "екстремофільний" відносно антропоцентричні, тому що люди оцінюють середовища існування та їхніх мешканців, залежно від того, що буде вважатися екстремальним для нашого власного існування.

Отже, те, що характеризує екстремальне середовище, полягає в тому, що він представляє нестерпні умови для людей щодо його температури, вологості, солоності, світла, рН, доступності кисню, рівнів токсичності, серед інших..

З неантропоцентричної точки зору, люди можуть бути екстремофільними істотами, залежно від організму, який оцінював їх. Наприклад, з точки зору строгого анаеробного організму, для якого кисень токсичний, аеробні істоти (як і люди) були б екстремофілами. Для людини, навпаки, анаеробні організми є екстремофілами.

Індекс

  • 1 Походження терміну "екстремофіли"
    • 1.1 Р. Д. Мацелрой
  • 2 Характеристика екстремальних середовищ
  • 3 Види екстремофілів у зоологічному масштабі
    • 3.1 Одноклітинні організми
    • 3.2 Багатоклітинні організми
    • 3.3 Полі-екстремофіли
  • 4 Найбільш поширені типи екстремальних середовищ
    • 4.1 Екстремальні холодні середовища
    • 4.2 Екстремальні теплові середовища
    • 4.3 Середовища з екстремальним тиском
    • 4.4 Екстремальні кислотні та лужні середовища
    • 4.5 Гіперсаліновий і аноксичний середовища
    • 4.6 Високі радіаційні середовища
    • 4.7 Антропогенні цілі
  • 5 Переходи і екотони
  • 6 Тварини і рослини з декількома стадіями або фазами
    • 6.1 Рослини
    • 6.2 Тварини
  • 7 Посилання

Походження терміну "екстремофіли"

В даний час ми визначаємо як "крайності" численні середовища всередині і за межами планети Земля, і ми постійно відкриваємо організми, здатні не тільки вижити, але й процвітати в багатьох з них.

Р. Д. Мацелрой

У 1974 р. Р. Д. Макелрой запропонував термін "екстремофіли", щоб визначити ці організми, які представляють оптимальний ріст і розвиток в екстремальних умовах, на відміну від мезофільних організмів, які ростуть в середовищі проміжних умов.

Згідно Macelroy:

"Extremófilo є описовим для організмів, здатних населяти середовища, ворожі до мезофілів, або організми, які тільки ростуть у проміжних середовищах".

Є два основних ступеня екстремізму в організмах: ті, що можуть терпіти екстремальний екологічний стан і стає домінуючим над іншими; і ті, що ростуть і розвиваються оптимально в екстремальних умовах.

Характеристика екстремальних середовищ

Деномінація середовища як «екстремальна» відповідає на антропогенну конструкцію, засновану на врахуванні віддалених кінців базової лінії певного екологічного стану (температура, солоність, радіація, серед інших), що дозволяє вижити людині.

Однак ця деномінація повинна базуватися на певних характеристиках середовища, з точки зору організму, який його населяє (замість людської перспективи)..

До таких характеристик відносяться: біомаса, продуктивність, біорізноманіття (кількість видів і представництво вищих таксонів), різноманітність процесів в екосистемах і конкретні адаптації до навколишнього середовища даного організму..

Сума всіх цих характеристик означає екстремальний стан середовища. Наприклад, екстремальне середовище - це таке:

  • Низька біомаса та продуктивність
  • Перевага архаїчних форм життя
  • Відсутність вищих життєвих форм
  • Відсутність фотосинтезу і фіксації азоту, але залежність від інших метаболічних шляхів і фізіологічних, метаболічних, морфологічних та / або життєвих циклів адаптацій.

Види екстремофілів у зоологічному масштабі

Одноклітинні організми

Термін «екстремофіл» часто відноситься до прокаріотів, таких як бактерії, і іноді використовується взаємозамінно з Archaea..

Однак існує велика різноманітність екстремофільних організмів, і наше знання філогенетичного різноманіття в екстремальних місцях існування збільшується майже щодня.

Ми знаємо, наприклад, що всі гіпертермофіли (теплолюбні) є членами Archaea і Bacteria. Еукаріоти поширені серед психрофілів (любителів холоду), ацидофілів (любителів низького рН), алкалофілів (любителів високого рН), ксерофілів (любителів сухих середовищ) і галофілів (любителі солі).

Багатоклітинні організми

Багатоклітинні організми, такі як безхребетні тварини і хребетні, також можуть бути екстремофілами.

Наприклад, деякі психрофіли включають невелику кількість жаб, черепах і змії, які протягом зими уникають внутрішньоклітинного заморожування в їх тканинах, накопичуючи осмоліти в цитоплазмі клітини і дозволяючи заморожувати тільки позаклітинні води (зовнішні до клітин)..

Іншим прикладом є випадок антарктичних нематод Panagrolaimus davidi, які можуть пережити внутрішньоклітинне заморожування (заморожування води всередині ваших клітин), можуть рости і розмножуватися після відтавання.

Також риби сімейства Channichthyidae, мешканці холодних вод Антарктики і півдня американського континенту, використовують антифризні білки для захисту своїх клітин від їх повного замерзання..

Полі-екстремофіли

Полі-екстремофіли - це організми, які можуть переживати більше одного екстремального стану одночасно, тому є звичайними у всіх екстремальних умовах.

Наприклад, рослини пустелі, які виживають як в умовах надзвичайної теплоти, обмеженої доступності води, так і часто до високої солоності.

Іншим прикладом можуть бути тварини, які населяють морське дно, здатні витримувати дуже високий тиск, наприклад, відсутність світла і відсутність поживних речовин, серед інших..

Найбільш поширені типи екстремальних середовищ

Традиційно екологічні крайності визначаються на основі абіотичних факторів, таких як:

  • Температура.
  • Наявність води.
  • Тиск.
  • рН.
  • Солоність.
  • Концентрація кисню.
  • Рівні радіації.

Аналогічно, екстремофіли описуються на основі екстремальних умов, які підтримують.

Найбільш важливими екстремальними середовищами, які ми можемо визнати відповідно до їх абіотичних умов, є:

Екстремальне холодне середовище

Екстремальні холодні середовища - це ті, які часто зберігаються або падають протягом періодів (коротких або довгих) температур нижче 5 ° С. До них відносяться полюси землі, гірські райони і деякі глибокі океанічні середовища. Навіть дуже гарячі пустелі протягом дня мають дуже низькі температури протягом ночі.

Є інші організми, які живуть в кріосфері (де вода знаходиться в твердому стані). Наприклад, організми, які живуть у матрицях льоду, вічної мерзлоти, під постійним або періодичним сніговим покривом, повинні переносити численні крайності, включаючи холод, висушування та високий рівень випромінювання.

Екстремальні теплові середовища

Надзвичайно гарячі місця проживання - це ті, що зберігаються або періодично досягають температури вище 40 ° C. Наприклад, гарячі пустелі, геотермальні ділянки і глибоководні гідротермальні вентиляційні отвори.

Вони часто асоціюються з екстремально високими температурами, середовищами, де доступна вода дуже обмежена (постійно або регулярно), таких як холодні і гарячі пустелі, а також деякі ендолітні середовища існування (які знаходяться в скелях)..

Середовища з екстремальним тиском

Інші середовища піддаються високому гідростатичному тиску, такому як донні зони океанів і глибокі озера. На цих глибинах його мешканці повинні витримувати тиск вище 1000 атмосфер.

Альтернативно, існують гіпобаричні крайності (низького атмосферного тиску), в горах і в інших високих регіонах світу.

Екстремальні кислотні та лужні середовища

Загалом, дуже кислотні середовища є такими, які підтримують або регулярно досягають значень нижче pH 5.

Низький рН, зокрема, підвищує «екстремальний» стан навколишнього середовища, оскільки він підвищує розчинність присутніх металів і організми, які живуть в них, повинні бути пристосовані до різних абіотичних екстремумів.

І навпаки, надзвичайно лужні середовища - це ті, які залишаються або регулярно реєструють значення рН вище 9..

Приклади екстремальних середовищ рН включають озера, грунтові води і грунти, висококислі або лужні.

Гіперсолоновий і безкисневий середовища

Гіперсалінові середовища визначаються як такі, у яких концентрація солей вище, ніж у морській воді, яка має 35 частин на тисячу. Ці середовища включають гіперсолоні та солоні озера.

З "сольовим" ми не маємо на увазі тільки солоність хлоридом натрію, оскільки може бути солоне середовище, де переважна сіль є іншою.

Місцем існування з обмеженим вільним киснем (гіпоксичний) або без присутності кисню (безкисневого), або постійно, або через регулярні проміжки часу, також вважають екстремальним. Наприклад, середовища з такими характеристиками були б аноксидні басейни в океанах і озерах, а також найглибші шари відкладень.

Високі радіаційні середовища

Ультрафіолетове (УФ) або інфрачервоне (ІЧ) випромінювання також може накладати екстремальні умови на організми. Екстремальні середовища в радіації - це ті, що піддаються аномально високому випромінюванню або випромінюванню за межами нормального діапазону. Наприклад, полярні середовища та великі висоти (наземні, як водні).

Phaeocystis pouchetii

Деякі види виявляють ухильні механізми високого УФ або ІЧ-випромінювання. Наприклад, антарктичні водорості Phaeocystis pouchetii виробляє водорозчинні "сонцезахисні засоби", які сильно поглинають довжини хвиль UV-B (280-320 нм) і захищають ваші клітини від надзвичайно високих рівнів УФ-В у верхній частині 10м водяного стовпа (після розрив морського льоду).

Deinococcus radiodurans

Інші організми дуже толерантні до іонізуючого випромінювання. Наприклад, бактерія Deinococcus radiodurans може зберегти свою генетичну цілісність, компенсуючи значне пошкодження ДНК після впливу іонізуючого випромінювання.

Ця бактерія використовує міжклітинні механізми для обмеження деградації та обмеження дифузії фрагментів ДНК. Крім того, він має високоефективні білки репарації ДНК.

Astyanax hubbsi

Навіть у середовищах з очевидно низьким випромінюванням або без радіації екстремофільні організми пристосовані для реагування на зміни рівня радіації.

Наприклад, Astyanax hubbsi, Сліпа мексиканська риба, що населяє печери, не представляє поверхнево відчутних очних структур і, тим не менш, може відрізняти невеликі відмінності в навколишньому світлі. Вони використовують екстраокулярні фоторецептори для виявлення та реагування на візуальні стимули при русі.

Антропогенні кінці

В даний час ми живемо в середовищі, де накладаються екстремальні умови навколишнього середовища, штучно спричинені як наслідки людської діяльності.

Так звані середовища з антропогенним впливом надзвичайно різноманітні, мають глобальний простір і більше не можуть бути проігноровані при визначенні певних екстремальних умов..

Наприклад, середовища, на які впливають забруднення (атмосферні, водні та грунтові), такі як зміна клімату та кислотні дощі, видобуток природних ресурсів, фізичне порушення та надмірне використання.

Переходи і екотони

На додаток до екстремальних середовищ, згаданих вище, наземні екологи завжди знали про особливу природу перехідних зон між двома або більше різноманітними спільнотами або середовищами, такими як лінія дерев у горах або кордон між лісами та луками. , Це називаються натяжні ремені або екотони.

Екотони також існують у морському середовищі, наприклад, перехід між льодом і водою, представлений краєм морського льоду. Ці перехідні зони зазвичай демонструють більшу різноманітність видів і щільність біомаси, ніж флангові спільноти, в основному тому, що організми, які живуть в них, можуть скористатися ресурсами сусідніх середовищ, що може дати їм перевагу.

Проте, екотони постійно змінюються і динамічні регіони, які часто демонструють більш широкий діапазон зміни абіотичних і біотичних умов протягом щорічного періоду, ніж сусідні середовища..

Це можна було б вважати "екстремальним", оскільки вимагає, щоб організми постійно адаптували свою поведінку, фенологію (сезонний час) та взаємодію з іншими видами.

Види, які живуть по обидві сторони екотону, часто є більш толерантними до динаміки, тоді як види, чий діапазон обмежений однією стороною, відчувають іншу сторону як екстремалу.

Загалом, ці перехідні зони також часто є першими, на які впливають зміни клімату та / або зміни, як природні, так і антропогенні.

Тварини і рослини з декількома стадіями або фазами

Не тільки середовища динамічні, вони можуть бути екстремальними чи ні, але організми також є динамічними і мають життєві цикли з різними стадіями, адаптованими до конкретних умов навколишнього середовища..

Може статися, що середовище, яке підтримує один з етапів життєвого циклу організму, є екстремальним для іншого етапу.

Рослини

Наприклад, кокос (Cocos nucifera), представляє насіння, пристосоване для транспортування морем, але зріле дерево росте на суші.

У спороносних судинних рослинах, таких як папороті та різні види мохів, гаметофіт може бути позбавлений фотосинтетичних пігментів, не мати коріння і залежати від вологості навколишнього середовища.

При цьому спорофіти мають кореневища, коріння і бруньки, які витримують умови тепла і сухості при повному сонячному світлі. Різниця між спорофітами і гаметофітами знаходиться в тому ж порядку, що і відмінності між таксонами.

Тварини

Дуже близьким прикладом є юнацькі стадії багатьох видів, які, як правило, нетерпимі до середовища, яке зазвичай оточує дорослих, тому вони зазвичай потребують захисту та догляду протягом періоду, протягом якого вони набувають необхідні навички та сили. дозволяють мати справу з цими середовищами.

Список літератури

  1. Kohshima, S. (1984). Нове холодостійке комаха, знайдене в гімалайському льодовику. Nature 310, 225-227.
  2. Macelroy, Р. Д. (1974). Деякі коментарі щодо еволюції екстремофілів. Biosystems, 6 (1), 74-75. doi: 10.1016 / 0303-2647 (74) 90026-4
  3. Marchant, H.J., Davidson, A.T. і Kelly, G.J. (1991) UV-B захисні сполуки в морській водорості Phaeocystis pouchetti з Антарктиди. Морська біологія 109, 391-395.
  4. Oren, A. (2005). Сто років Dunaliella дослідження: 1905-2005. Солоні системи 1, doi: 10.1186 / 1746-1448 -1 -2.
  5. Rothschild, L.J. і Mancinelli, R.L. (2001). Життя в екстремальних умовах. Nature 409, 1092-1101.
  6. Schleper, C., Piihler, G., Kuhlmorgen, B. і Zillig, W. (1995). Lite при надзвичайно низькому pH. Nature 375, 741-742.
  7. Сторі, К.Б. і Storey, J.M. (1996). Природне виживання заморожування у тварин. Щорічний огляд екології та систематики 27, 365-386.
  8. Teyke, Т. і Schaerer, S. (1994) Сліпа мексиканська печерна риба (Astyanax hubbsi) реагували на рухомі візуальні стимули. Журнал експериментальної біології 188, 89-1 () 1.
  9. Yancey, P.I., Clark, M.L., Eland, S.C., Bowlus R.D. і Somero, G.N. (1982). Життя з водним стресом: еволюція осмолітних систем. Science 217, 1214-1222.