Характерні термофіли, класифікація та середовища



The термофіли є підтипом екстремофільних організмів, які характеризуються переносимими високими температурами, між 50 ° С і 75 ° С, або тому, що в цих екстремальних умовах ці значення температури підтримуються, або тому, що вони часто досягаються.

Термофільні організми зазвичай є бактеріями або археями, проте є метазої (гетеротрофні і тканинні еукаріотичні організми), які також розвиваються в гарячих місцях..

Відомо також, що морські організми, асоційовані в симбіозі з термофільними бактеріями, можуть пристосуватися до цих високих температур і що вони також розробили біохімічні механізми, такі як модифікований гемоглобін, високий об'єм крові, серед іншого, що дозволяє їм переносити токсичність сульфідів і сполук. сірки.

Вважається, що термофільні прокаріоти були першими простими клітинами в еволюції життя і що вони населяли місця з вулканічною активністю і гейзерами в океанах..

Прикладами цього типу термофільних організмів є ті, що живуть поблизу гідротермальних отворів або фумарол на дні океанів, таких як метаногенні бактерії (виробники метану) і аннеліди. Riftia pachyptila.

Основними середовищами, де можна знайти термофіли, є:

  • Наземні гідротермічні середовища.
  • Морські гідротермічні середовища.
  • Гарячі пустелі.

Індекс

  • 1 Характеристика термофільних організмів
    • 1.1 Відмінні особливості термофільних організмів
  • 2 Класифікація термофільних організмів
  • 3 Термофільні організми та їх середовище
    • 3.1 Наземні гідротермічні середовища
    • 3.2 Приклади організмів, що населяють наземні гідротермічні середовища
    • 3.3 Бактерії
    • 3.4 Арки
    • 3.5 Еукаріот
    • 3.6 Морські гідротермічні середовища
    • 3.7 Приклади фауни, пов'язані з морськими гідротермічними середовищами
    • 3.8 Гарячі пустелі
    • 3.9 Види пустель
    • 3.10 Приклади теплофільних організмів пустелі
  • 4 Посилання

Характеристика термофільних організмів

Температура: критичний абіотичний фактор для розвитку мікроорганізмів

Температура є одним з ключових факторів навколишнього середовища, що зумовлює зростання і виживання живих істот. Кожен вид має діапазон температур, між якими він може вижити, однак, він має оптимальний ріст і розвиток при конкретних температурах.

Швидкість росту кожного організму може бути виражена графічно в порівнянні з температурою, отримуючи значення, що відповідають критичним критичним температурам (мінімальний, оптимальний і максимальний)..

Мінімальні температури

При мінімальних температурах росту організму відбувається зниження плинності клітинної мембрани і можуть зупинятися процеси транспортування і обміну матеріалами, наприклад вхід поживних речовин і вихід токсичних речовин.

Між мінімальною температурою і оптимальною температурою зростає швидкість росту мікроорганізмів.

Оптимальна температура

При оптимальній температурі відбуваються метаболічні реакції з максимально можливим ККД.

Максимальна температура

Над оптимальною температурою спостерігається зменшення швидкості росту до максимальної температури, яку можна переносити кожним організмом.

При цих високих температурах структурні і функціональні білки денатуруються і інактивуються як ферменти, оскільки вони втрачають геометричну конфігурацію і особливу просторову конфігурацію, цитоплазматична мембрана руйнується і відбувається термічний лізис або розрив внаслідок нагрівання.

Кожен мікроорганізм має свої мінімальні, оптимальні і максимальні температури експлуатації і розвитку. Термофіли мають виключно високі значення при цих трьох температурах.

Відмінні особливості термофільних організмів

  • Термофільні організми мають високі темпи зростання, але короткі терміни життя.
  • Вони мають багато ліпідів або довголанцюгових насичених жирів в їх клітинної мембрані; цей тип насичених жирів здатний поглинати тепло і переходити в рідкий стан при високих температурах (розплаві), не руйнуючись.
  • Її структурні та функціональні білки дуже стійкі проти тепла (термостабільні), через ковалентні зв'язки і спеціальні міжмолекулярні сили, звані дисперсійними силами Лондона.
  • Вони також мають спеціальні ферменти для підтримки метаболічного функціонування при високих температурах.
  • Відомо, що ці термофільні мікроорганізми можуть використовувати сульфіди і рясні сполуки сірки в вулканічних зонах, як джерела поживних речовин для перетворення їх в органічну речовину.

Класифікація термофільних організмів

Термофільні організми можна розділити на три великі категорії:

  • Помірні термофіли (оптимальна від 50 до 60 ° C).
  • Екстремальні термофіли (оптимальні, близькі до 70 ° C).
  • Гіпертермофіли (оптимально близькі до 80 ° C).

Термофільні організми та їх середовища

Наземні гідротермічні середовища

Гідротермальні ділянки дивно поширені і широко поширені. Вони можуть бути розділені на ті, які пов'язані з вулканічними зонами, і ті, які не є..

Гідротермічні середовища, які представляють найвищі температури, зазвичай пов'язані з вулканічними властивостями (котли, розломи, межі тектонічних пластин, задні басейни дуги), які дозволяють магмі підніматися на глибину, де вона може безпосередньо взаємодіяти з підземними водами глибокий.

Гарячі точки також часто супроводжуються іншими характеристиками, які ускладнюють життя, такі як рН, органічна речовина, хімічний склад і надзвичайна солоність..

Мешканці наземних гідротермальних середовищ, отже, виживають при наявності декількох екстремальних умов. Ці організми відомі як поліекстрамофіли.

Приклади організмів, що населяють наземні гідротермічні середовища

Організми, що належать до трьох доменів (еукаріоти, бактерії і археї), були виявлені в наземних гідротермальних середовищах. Різноманітність цих організмів визначається головним чином температурою.

У той час як різноманітні види бактеріальних видів населяють помірно теплолюбні середовища, фотоавтотрофи можуть домінувати в мікробному співтоваристві і утворювати макроскопічні "килимки" або "килимові" структури..

Ці «фотосинтетичні килими» присутні на поверхні більшості нейтральних і лужних термальних джерел (рН більше 7,0) при температурах від 40 до 71 ° С, причому ціанобактерії встановлені як основні домінуючі виробники.

Над 55 ° С, фотосинтетичні килими переважно населені одноклітинними ціанобактеріями, такими як Синехокок sp.

Бактерії

Фотосинтетичні мікробні килими також можуть бути переважно населені бактеріями родів Хлорофлекс і Рожевийфлекс, обидва члена порядку Chloroflexales.

Коли вони пов'язані з ціанобактеріями, то видів Хлорефлекс і Рожевийфлекс оптимально ростуть у фотогетеротрофних умовах.

Якщо рН є кислотою, то пологи загальні Acidiosphaera, Acidiphilium, Desulfotomaculum, Hydrogenobaculum, Methylokorus, Sulfobacillus Thermoanaerobacter, Thermodesulfobium і Термодесульфатор.

У гіпертермофільних джерелах (між 72-98 ° С) відомо, що не відбувається фотосинтезу, що дозволяє переважати хемолітоавтотрофних бактерій.

Ці організми належать до типу Aquificae і є космополітичними; може окиснювати водень або молекулярну сірку киснем як акцептором електронів і фіксувати вуглець за допомогою шляху відновлення трикарбонової кислоти (rTCA).

Арки

Більшість культивованих і некультивованих архей, ідентифікованих в нейтральних і лужних теплових середовищах, належать до типу Crenarchaeota.

Види типу Thermofilum pendens, Thermosphaera aggregans o Stetteria hydrogenophila Nitrosocaldus yellowstonii, проліферують нижче 77 ° С і Thermoproteus neutrophilus, Vulcanisaeta distributa, Thermofilum pendens, Aeropyruni pernix, Desulfurococcus mobilis e Ignisphaera aggregans, у джерелах з температурою більше 80 ° C.

У кислому середовищі є археї родів: Sulfolobus, Sulfurococcus, Metallosphaera, Acidianus, Sulfurisphaera, Picrophilus, Thermoplasma, Thennocladium і Галдівірга.

Еукаріот

У межах еукаріотів можна назвати нейтральні і лужні джерела Thermomyces lanuginosus, Scytalidium thermophilum, Echinamoeba thermarum, Маринамеба термофілія і Oramoeba funiarolia.

У кислотних джерелах можна знайти жанри: Pinnularia, Cyanidioschyzon, Cyanidium o Galdieria.

Морські гідротермічні середовища

При температурах від 2 ° С до більш ніж 400 ° С, тиску, що перевищує кілька тисяч фунтів на квадратний дюйм (psi), і високих концентрацій токсичного сірководню (pH 2,8), глибоководні гідротермальні вентиляційні отвори можливо, найбільш екстремальні середовища на нашій планеті.

У цій екосистемі мікроби служать нижньою ланкою в харчовому ланцюзі, отримуючи свою енергію від геотермального тепла і хімічних речовин, що знаходяться в глибині внутрішнього простору Землі..

Приклади фауни, пов'язані з морськими гідротермічними середовищами

Фауна, пов'язана з цими джерелами або отворами, дуже різноманітна, і існуючі відносини між різними таксонами ще не повністю зрозумілі.

Серед видів, які були виділені - це як бактерії, так і археї. Наприклад, археї роду були виділені Methanococcus, Methanopyus і анаеробних термофільних бактерій роду Caminibacter.

Бактерії розвиваються в біоплівках, які харчуються різними організмами, такими як амфіподи, копеподи, равлики, краби-креветки, трубчасті хробаки, риби і восьминоги.

Загальна панорама складається з скупчень мідій, Bathymodiolus thermophilus, довжиною більше 10 см, які туляться в тріщинах базальтової лави. Вони, як правило, супроводжуються численними галапагоськими крабами (Munidopsis subsquamosa).

Одним з найбільш незвичайних виявлених організмів є трубчастий черв'як Riftia pachyptila, які можуть бути згруповані у великих кількостях і досягати розмірів близько 2 метрів.

У цих трубчастих глистів немає рота, шлунка або ануса (тобто вони не мають травної системи); вони є повністю закритим мішком, без будь-якого відкриття до зовнішнього середовища.

Яскраво-червоний колір пера на кінчику обумовлений наявністю позаклітинного гемоглобіну. Сірководень транспортується через клітинні мембрани, пов'язані з нитками цього пера, і через позаклітинний гемоглобін він досягає спеціалізованої "тканини", званої трофосомою, повністю складається з симбіотичних хемосинтетичних бактерій..

Можна сказати, що ці хробаки мають внутрішній «сад» бактерій, які харчуються сірководнем і забезпечують «їжу» для черв'яка, надзвичайну адаптацію.

Гарячі пустелі

Гарячі пустелі охоплюють від 14 до 20% поверхні Землі, приблизно 19-25 млн. Км.

Найбільш гарячі пустелі, такі як Сахара Північної Африки і пустелі південно-заходу США, Мексики та Австралії, знаходяться по всьому тропіках як у Північній півкулі, так і в південній півкулі (приблизно від 10 ° до 30- 40 ° широти).

Види пустель

Визначальною характеристикою гарячої пустелі є посушливість. Згідно з кліматичною класифікацією Копен-Гейгера, пустелі є регіонами з річним випаданням опадів менше 250 мм.

Однак річний обсяг опадів може бути вводить в оману показник, оскільки втрата води є вирішальним фактором бюджету води.

Таким чином, визначення пустелі Програми ООН з навколишнього середовища є щорічним дефіцитом вологості в нормальних кліматичних умовах, де потенційна евапотранспірація (ПЕТ) в п'ять разів перевищує фактичні опади (Р)..

У гарячих пустелях переважає високий ПЕТ, оскільки через відсутність хмарного покриву сонячне випромінювання наближається до максимуму в посушливих районах.

Пустелі можна розділити на два типи залежно від рівня їх посушливості:

  • Гіперрідос: з індексом сухість (Р / ПЕТ) менше 0,05.
  • Агрегати: з індексом від 0,05 до 0,2.

Пустелі відрізняються від посушливих напівпосушливих земель (Р / ПЕТ 0,2-0,5) і сухих субгумідних сухих земель (0,5-0,65).

Пустелі мають інші важливі характеристики, такі як їх сильні температурні коливання і висока солоність їх грунтів.

З іншого боку, пустеля, як правило, пов'язана з дюнами і піском, однак цей образ відповідає лише 15-20% всіх; Скельні та гірські ландшафти є найбільш частими пустельними середовищами.

Приклади термофільних організмів пустелі

Мешканці пустель, які є термофілами, мають низку пристосувань, щоб зіткнутися з лихами, які виникають через відсутність дощу, високих температур, вітрів, солоності, серед інших..

Ксерофітні рослини розробили стратегії, щоб уникнути транспірації і зберігати якомога більше води. Сукулентність або потовщення стебел і листя - одна з найбільш використовуваних стратегій.

Це проявляється в сімействі Cactaceae, де листя також модифіковані у вигляді шипів, щоб уникнути евапотранспірації та відштовхувати травоїдних тварин..

Стать Lithops або кам'яні рослини, рідні для пустелі Намібії, також розвиває суккулентність, але в цьому випадку рослина росте на рівні землі, замаскуючи себе оточуючими каменями.

З іншого боку, тварини, які живуть у цих екстремальних місцях проживання, розвивають всі види адаптацій, від фізіологічних до етологічних. Наприклад, так звані щури-кенгуру мають низькооб'ємне, малооб'ємне сечовипускання, і ці тварини дуже ефективні в їх водному дефіцитному середовищі..

Іншим механізмом зниження втрат води є підвищення температури тіла; наприклад, температура тіла відпочиваючих верблюдів може збільшуватися влітку з приблизно 34 ° С до більш ніж 40 ° С.

Температурні коливання мають велике значення для збереження водних ресурсів, тому що:

  • Підвищення температури тіла означає, що тепло зберігається в тілі, а не розсіюється через випаровування води. Пізніше, вночі, надлишок тепла може бути вигнаний без води.
  • Посилення тепла в гарячому середовищі зменшується, оскільки градієнт температури зменшується.

Інший приклад - піщаний пацюк (Psammomys obesus), який розробив механізм травлення, що дозволяє їм годувати лише пустельні рослини сімейства хеноподібних, які містять велику кількість солей у листках.

Етологічні (поведінкові) адаптації пустельних тварин численні, але, мабуть, найбільш очевидним є те, що цикл активності та спокою змінився.

Таким чином, ці тварини стають активними на заході (нічна діяльність) і перестають бути на світанку (денний відпочинок), їх активне життя не співпадає з найгарячішими годинами.

Список літератури

  1. Baker-Austin, C. і Dopson, M. (2007). Життя в кислоті: рН гомеостаз в ацидофілах. Тенденції в мікробіології 15, 165-171.
  2. Berry, J.A. і Бьоркман, 0. (1980). Фотосинтетична реакція та адаптація до температури у вищих рослинах. Річний огляд фізіології рослин 31, 491-534.
  3. Brock, T.D. (1978). Термофільні мікроорганізми і життя при високих температурах. Springer-Verlag, Нью-Йорк, 378 с.
  4. Campos, V.L., Escalante, G., Jafiez, J., Zaror, C.A. і Mondaca, A.M. (2009), Виділення арсеніт-окислюючих бактерій з природного біоплівки, пов'язаної з вулканічними породами пустелі Атакама, Чилі. Журнал Basic Microbiology 49, 93-97.
  5. Cary, C.S., Shank, T. and Stein, J. (1998). Черв'яки гріються в екстремальних температурах. Nature 391, 545-546.
  6. Chevaldonne, P, Desbruyeres, D. and Childress, J.J. (1992). Деяким подобається гаряче ... а деяким подобається ще гаряче. Nature 359, 593-594.
  7. Evenari, M., Lange, 01., Schulze, E.D., Buschbom, U., Kappen, L. (1975). Адаптивні механізми в пустельних рослинах. У: Vemberg, F.J. (ред.) Фізіологічна адаптація до навколишнього середовища. Intext Press, Platteville, LISA, с. 111-129.
  8. Gibson, A.C. (1996). Структурно-функціональні зв'язки теплих пустельних рослин. Springer, Heidelberg, Germany, 216 pp.
  9. Gutterman, Y. (2002). Стратегії виживання щорічних рослин пустелі. Springer, Берлін, Німеччина, 368 с.
  10. Lutz, R.A. (1988). Розсіювання організмів на глибоководних гідротермальних отворах: огляд. Закон Океанології 8, 23-29.
  11. Lutz, R.A., Shank, T.M., Fornari, D.J., Haymon, R.M., Lilley, M.D., Von Damm, K.L. і Desbruyeres, D. (1994). Швидкий ріст на глибоководних отворах. Nature 371, 663-664.
  12. Rhoads, D.C., Lutz, R.A., Revelas, E.C. і Cerrato, R.M. (1981). Зростання двостулкових молюсків на глибоководних гідротермальних вентиляційних отворах вздовж Галапагоської тріщини. Science 214, 911-913.
  13. Ной-Меїр І. (1973). Пустельні екосистеми: навколишнє середовище і виробники. Щорічний огляд екологічних систем 4, 25-51.
  14. Wiegel, J. and Adams, M.W.W. (1998). Термофіли: ключі до молекулярної еволюції і походження життя. Тейлор і Френсіс, Лондон, 346 с.