Charakteristické termofily, klasifikácia a prostredie



termofilné sú subtypom extrémofilných organizmov, ktoré sú charakterizované tolerovaním vysokých teplôt, medzi 50 ° C a 75 ° C, buď preto, že v týchto extrémnych prostrediach sú tieto hodnoty teploty udržiavané, alebo preto, že sú často dosiahnuté.

Termofilné organizmy sú zvyčajne baktérie alebo archaea, existujú však metazoany (eukaryotické organizmy, ktoré sú heterotrofné a tkanivové), ktoré sa tiež vyvíjajú na horúcich miestach.

Morské organizmy sú tiež známe tým, že v symbióze s termofilnými baktériami sa môžu prispôsobiť týmto vysokým teplotám a že tiež vyvinuli biochemické mechanizmy, ako je napríklad modifikovaný hemoglobín, vysoký krvný objem, medzi inými, ktoré im umožňujú tolerovať toxicitu sulfidov a zlúčenín. síry.

Predpokladá sa, že termofilné prokaryoty boli prvými jednoduchými bunkami vo vývoji života a že obývali miesta s vulkanickou aktivitou a gejzírmi v oceánoch..

Príklady tohto typu termofilných organizmov sú tie, ktoré žijú v blízkosti hydrotermálnych prieduchov alebo fumarolov na dne oceánov, ako sú metanogénne baktérie (výrobcovia metánu) a annelidy. Riftia pachyptila.

Hlavné biotopy, v ktorých sa nachádzajú teplomery, sú:

  • Pozemné hydrotermálne prostredie.
  • Morské hydrotermálne prostredie.
  • Horúce púšte.

index

  • 1 Charakteristika termofilných organizmov
    • 1.1 Charakteristické vlastnosti termofilných organizmov
  • 2 Klasifikácia termofilných organizmov
  • 3 Termofilné organizmy a ich prostredie
    • 3.1 Suchozemské hydrotermálne prostredie
    • 3.2 Príklady organizmov, ktoré obývajú suchozemské hydrotermálne prostredie
    • 3.3 Baktérie
    • 3.4 Oblúky
    • 3.5 Eukaryoty
    • 3.6 Morské hydrotermálne prostredie
    • 3.7 Príklady fauny súvisiacej s morským hydrotermálnym prostredím
    • 3.8 Horúce púšte
    • 3.9 Druhy púští
    • 3.10 Príklady termofilných púštnych organizmov
  • 4 Odkazy

Charakteristika termofilných organizmov

Teplota: kritický abiotický faktor pre rozvoj mikroorganizmov

Teplota je jedným z kľúčových environmentálnych faktorov, ktoré podmieňujú rast a prežitie živých bytostí. Každý druh má rozsah teplôt, medzi ktorými môže prežiť, má však optimálny rast a vývoj pri špecifických teplotách.

Rýchlosť rastu každého organizmu sa môže vyjadriť graficky v závislosti od teploty, pričom sa získajú hodnoty zodpovedajúce kritickým kritickým teplotám (minimálne, optimálne a maximálne)..

Minimálne teploty

Pri minimálnych teplotách rastu organizmu dochádza k zníženiu tekutosti bunkovej membrány a zastavenie procesov transportu a výmeny materiálov, ako je vstup živín a únik toxických látok..

Medzi minimálnou teplotou a optimálnou teplotou rastie rýchlosť rastu mikroorganizmov.

Optimálna teplota

Pri optimálnej teplote sa metabolické reakcie vyskytujú s maximálnou možnou účinnosťou.

Maximálna teplota

Nad optimálnou teplotou dochádza k poklesu rýchlosti rastu na maximálnu teplotu, ktorú môže každý organizmus tolerovať.

Pri týchto vysokých teplotách sú štruktúrne a funkčné proteíny denaturované a inaktivované ako enzýmy, pretože strácajú geometrickú konfiguráciu a konkrétnu priestorovú konfiguráciu, cytoplazmatická membrána sa rozkladá a dochádza k tepelnej lýze alebo prasknutiu v dôsledku tepla.

Každý mikroorganizmus má svoje minimálne, optimálne a maximálne teploty prevádzky a vývoja. Termofily majú pri týchto troch teplotách mimoriadne vysoké hodnoty.

Charakteristické vlastnosti termofilných organizmov

  • Termofilné organizmy majú vysokú rýchlosť rastu, ale krátku životnosť.
  • Vo svojej bunkovej membráne majú veľa lipidov alebo nasýtených tukov s dlhým reťazcom; tento typ nasýtených tukov je schopný absorbovať teplo a prejsť do kvapalného stavu pri vysokých teplotách (tavenine) bez toho, aby bol zničený.
  • Jeho štrukturálne a funkčné proteíny sú veľmi stabilné voči teplu (termostabilné), prostredníctvom kovalentných väzieb a špeciálnych intermolekulových síl nazývaných disperzné sily Londýna..
  • Majú tiež špeciálne enzýmy na udržanie metabolickej funkcie pri vysokých teplotách.
  • Je známe, že tieto termofilné mikroorganizmy môžu používať sulfidy a bohaté zlúčeniny síry v sopečných oblastiach, ako zdroje živín na ich premenu na organickú hmotu..

Klasifikácia termofilných organizmov

Termofilné organizmy možno rozdeliť do troch širokých kategórií:

  • Mierne termofily (optimálne medzi 50-60 ° C).
  • Extrémne termofily (optimálne blízko 70 ° C).
  • Hypertermofily (optimálne blízko 80 ° C).

Termofilné organizmy a ich prostredie

Pozemné hydrotermálne prostredie

Hydrotermálne lokality sú prekvapivo bežné a široko rozšírené. Môžu byť široko rozdelené na tie, ktoré sú spojené s vulkanickými oblasťami a tými, ktoré nie sú..

Hydrotermálne prostredia, ktoré predstavujú najvyššie teploty, sú zvyčajne spojené s vulkanickými črtami (kotly, poruchy, hranice tektonických dosiek, zadné oblúkové nádrže), ktoré umožňujú, aby magma vstúpila do hĺbky, kde môže priamo pôsobiť na podzemnú vodu. povrchné.

Horúce miesta sú tiež často sprevádzané ďalšími vlastnosťami, ktoré sťažujú život, ako je pH, organická hmota, chemické zloženie a extrémna slanosť..

Obyvatelia pozemného hydrotermálneho prostredia preto prežívajú v prítomnosti niekoľkých extrémnych podmienok. Tieto organizmy sú známe ako polyextramofily.

Príklady organizmov, ktoré obývajú suchozemské hydrotermálne prostredie

Organizmy patriace do troch domén (eukaryoty, baktérie a archaea) boli identifikované v suchozemskom hydrotermálnom prostredí. Rozmanitosť týchto organizmov je určená hlavne teplotou.

Zatiaľ čo rôznorodé druhy bakteriálnych druhov obývajú stredne teplomilné prostredie, fotoautotrofy môžu dominovať v mikrobiálnej komunite a vytvárať makroskopické "rohože" alebo "kobercové" štruktúry..

Tieto "fotosyntetické koberce" sú prítomné na povrchu väčšiny neutrálnych a alkalických termálnych prameňov (pH vyšší ako 7,0) pri teplotách medzi 40 - 71 ° C, pričom hlavnými dominantnými producentmi sú cyanobaktérie..

Nad 55 ° C sú fotosyntetické koberce prevažne obývané jednobunkovými cyanobaktériami, ako sú napr. Synechococcus sp.

baktérie

Fotosyntetické mikrobiálne koberce môžu byť tiež prevažne obývané baktériami rodov Chloroflexus a Roseiflexus, obaja členovia rádu Chloroflexales.

Keď sú spojené s cyanobaktériami, druh Chloreflexus a Roseiflexus optimálne rastú vo fotoheterotrofických podmienkach.

Ak je pH kyseliny, rody sú bežné Acidiosphaera, Acidiphilium, Desulfotomaculum, Hydrogenobaculum, Methylokorus, Sulfobacillus Thermoanaerobacter, Thermodesulfobium a Thermodesulfator.

V hypertermofilných zdrojoch (medzi 72-98 ° C) je známe, že fotosyntéza sa nevyskytuje, čo umožňuje prevahu chemolitoutotrofných baktérií.

Tieto organizmy patria do kmeňa Aquificae a sú kozmopolitné; môže oxidovať vodík alebo molekulovú síru kyslíkom ako akceptorom elektrónov a fixovať uhlík cestou redukujúcej trikarboxylovej kyseliny (rTCA).

archea

Väčšina kultivovaných a nekultivovaných archaea identifikovaných v neutrálnom a alkalickom termálnom prostredí patrí do kmeňa Crenarchaeota..

Druhy podobné Thermofilum pendens, Thermosphaera aggregans alebo Stetteria hydrogenophila Nitrosocaldus yellowstonii, sa šíri pod 77 ° C a Thermoproteus neutrophilus, Vulcanisaeta distributa, Thermofilum pendens, Aeropyruni pernix, Desulfurococcus mobilis a Ignisphaera aggregans, v zdrojoch s teplotou vyššou ako 80 ° C.

V kyslom prostredí sú archaea rodov: Sulfolobus, Sulfurococcus, Metallosphaera, Acidianus, Sulphurisphaera, Picrophilus, Thermoplasma, Thennocladium a Galdivirga.

eukaryotických

V eukaryotoch sa môžu citovať neutrálne a alkalické zdroje Thermomyces lanuginosus, Scytalidium thermophilum, Echinamoeba thermarum, Marinamoeba thermophilia a Oramoeba funiarolia.

V zdrojoch kyselín nájdete žánre: Pinnularia, Cyanidioschyzon, Cyanidium alebo Galdieria.

Morské hydrotermálne prostredie

Pri teplotách v rozsahu od 2 ° C do viac ako 400 ° C, tlaky presahujúce niekoľko tisíc libier na štvorcový palec (psi) a vysoké koncentrácie toxického sírovodíka (pH 2,8), hlbokomorské hydrotermálne vetracie otvory sú možno najextrémnejšie prostredie na našej planéte.

V tomto ekosystéme mikróby slúžia ako dolný článok potravinového reťazca, pričom získavajú svoju energiu z geotermálneho tepla a chemikálií nachádzajúcich sa v hĺbkach vnútra Zeme..

Príklady fauny spojené s morským hydrotermálnym prostredím

Fauna spojená s týmito zdrojmi alebo prieduchmi je veľmi rôznorodá a existujúce vzťahy medzi rôznymi taxónmi ešte nie sú úplne pochopené.

Medzi izolovanými druhmi sú baktérie aj archaea. Izolovali sa napríklad archaea rodu Methanococcus, Methanopyus a anaeróbne termofilné baktérie rodu Caminibacter.

Baktérie sa vyvíjajú v biofilmoch, ktoré sa živia viacerými organizmami, napríklad amfipodmi, copepodmi, slimákmi, krabmi kreviet, tubulárnymi červami, rybami a chobotnicami..

Spoločná panoráma pozostáva z nahromadenia mušlí, Bathymodiolus thermophilus, s dĺžkou viac ako 10 cm, ktorá sa vlieva v trhlinách čadičovej lávy. Tieto sú zvyčajne sprevádzané mnohými kraby Galapág (Munidopsis subsquamosa).

Jedným z najneobvyklejších organizmov je tubulárny červ Riftia pachyptila, ktoré môžu byť zoskupené vo veľkých množstvách a dosahujú veľkosti blízke 2 metrom.

Tieto tubulárne červy nemajú ústa, žalúdok alebo konečník (to znamená, že nemajú tráviaci systém); sú to úplne uzavreté vrecko bez akéhokoľvek otvorenia vonkajšieho prostredia.

Jasne červená farba pera na špičke je spôsobená prítomnosťou extracelulárneho hemoglobínu. Sírovodík sa transportuje cez bunkovú membránu spojenú s vláknami tohto pera a cez extracelulárny hemoglobín sa dostane do špecializovaného "tkaniva", ktoré sa nazýva trofosóm, zložený výlučne zo symbiotických chemosyntetických baktérií.

Dá sa povedať, že títo červi majú vnútornú "záhradu" baktérií, ktoré sa živia sírovodíkom a poskytujú "potravu" pre červ, mimoriadnu adaptáciu.

Horúce púšte

Horúce púšte pokrývajú 14 až 20% povrchu Zeme, približne 19-25 miliónov km.

Najhorúcejšie púšte, ako napríklad Sahara severnej Afriky a púšte juhozápadnej časti USA, Mexika a Austrálie, sa nachádzajú v trópoch v severnej pologuli aj na južnej pologuli (medzi približne 10 ° a 30 °). 40 ° zemepisnej šírky).

Druhy púští

Definujúcou charakteristikou horúcej púšte je suchosť. Podľa klimatickej klasifikácie Koppen-Geiger sú púšte regióny s ročnými zrážkami menšími ako 250 mm.

Ročné zrážky však môžu byť zavádzajúcim indexom, pretože strata vody je rozhodujúcim faktorom rozpočtu na vodu.

Definícia Programu OSN pre životné prostredie v púšti je teda ročným deficitom vlhkosti v normálnych klimatických podmienkach, kde potenciálna evapotranspirácia (PET) je päťkrát väčšia ako skutočné zrážky (P)..

Vysoký PET prevláda v horúcich púšťach, pretože v dôsledku nedostatku oblačnosti sa slnečné žiarenie blíži k maximu v suchých oblastiach.

Púšte môžu byť rozdelené do dvoch typov podľa úrovne ich suchosti:

  • Hyperáridos: s indexom aridity (P / PET) nižším ako 0,05.
  • Agregáty: s indexom medzi 0,05 a 0,2.

Púšte sa odlišujú od suchých polosuchých pôd (P / PET 0,2-0,5) a suchých suchých suchých pôd (0,5-0,65)..

Púšte majú ďalšie dôležité vlastnosti, ako sú ich silné teplotné výkyvy a vysoká slanosť ich pôd.

Na druhej strane, púšť je obyčajne spojená s dunami a pieskom, tento obraz však zodpovedá len 15-20% všetkých; skalnaté a horské krajiny sú najčastejším púštnym prostredím.

Príklady termofilných organizmov púšte

Obyvatelia púští, ktorí sú termofilmi, majú sériu úprav, aby mohli čeliť nepriaznivým situáciám, ktoré vyplývajú z nedostatku dažďa, vysokých teplôt, vetra, slanosti, okrem iného..

Rastliny xerofitov vyvinuli stratégie, aby sa zabránilo transpirácii a uchovávali čo najviac vody. Šťavnatosť alebo zahusťovanie stoniek a listov je jednou z najpoužívanejších stratégií.

V rodine Cactaceae je zrejmé, že listy boli tiež modifikované vo forme chrbtice, aby sa zabránilo evapotranspirácii a odpudzovali bylinožravce..

Pohlavie Lithops alebo kamenné rastliny, pôvodom z púšte Namíbie, tiež rozvíjajú šťavnatosť, ale v tomto prípade rastlina rastie na úrovni zeme, maskuje sa okolitými kameňmi.

Na druhej strane, zvieratá, ktoré žijú v týchto extrémnych biotopoch, vyvíjajú všetky druhy adaptácií, od fyziologických až po etologické. Napríklad takzvané klokany potkany vykazujú nízkoobjemové, nízkoobjemové močenie a tieto zvieratá sú veľmi účinné vo svojom prostredí s nedostatkom vody..

Ďalším mechanizmom na zníženie straty vody je zvýšenie telesnej teploty; napríklad, telesná teplota odpočinku ťavy sa môže zvýšiť v lete z asi 34 ° C na viac ako 40 ° C.

Teplotné výkyvy majú veľký význam pre ochranu vôd, pretože:

  • Zvýšenie telesnej teploty znamená, že teplo je uložené v tele namiesto toho, aby sa rozptýlilo odparovaním vody. Neskôr, v noci, môže byť prebytočné teplo vypudené bez vody.
  • Tepelný zisk horúceho prostredia sa znižuje, pretože teplotný gradient sa znižuje.

Ďalším príkladom je krysa \ tPsammomys obesus), ktorý vyvinul mechanizmus trávenia, ktorý im umožňuje kŕmiť sa iba na púštnych rastlinách čeľade Chenopodiaceae, ktoré obsahujú veľké množstvo solí v listoch..

Etologické (behaviorálne) adaptácie púštnych zvierat sú početné, ale zrejme najzrejmejším z nich je, že cyklus aktivity a odpočinku je obrátený..

Týmto spôsobom sa tieto zvieratá stanú aktívnymi pri západe slnka (nočná aktivita) a prestanú byť za úsvitu (denný odpočinok), ich aktívny život sa nezhoduje s najteplejšími hodinami.

referencie

  1. Baker-Austin, C. a Dopson, M. (2007). Život v kyseline: pH homeostáza v acidofiloch. Trends in Microbiology 15, 165-171.
  2. Berry, J.A. a Bjorkman, 0. (1980). Fotosyntetická odozva a adaptácia na teplotu vo vyšších rastlinách. Výročná správa Plant Physiology 31, 491-534.
  3. Brock, T.D. (1978). Termofilné mikroorganizmy a život pri vysokých teplotách. Springer-Verlag, New York, 378 str.
  4. Campos, V. L., Escalante, G., Jafiez, J., Zaror, C.A. a Mondaca, A.M. (2009), Izolácia baktérií oxidujúcich arsenit z prírodného biofilmu spojeného s vulkanickými horninami púšte Atacama v Čile. Journal of Basic Microbiology 49, 93-97.
  5. Cary, C.S., Shank, T. a Stein, J. (1998). Červy sa vyhrievajú pri extrémnych teplotách. Nature 391, 545-546.
  6. Chevaldonne, P, Desbruyeres, D. a Childress, J.J. (1992). Niektorí, ako je to horúce ... a niektoré ako to ešte teplejšie. Nature 359, 593-594.
  7. Evenari, M., Lange, 01., Schulze, E.D., Buschbom, U. a Kappen, L. (1975). Adaptívne mechanizmy v púštnych rastlinách. In: Vemberg, F.J. (ed.) Fyziologická adaptácia na životné prostredie. Intext Press, Platteville, LISA, str. 111-129.
  8. Gibson, A.C. (1996). Štruktúrne funkcie teplých púštnych rastlín. Springer, Heidelberg, Nemecko, 216 pp.
  9. Gutterman, Y. (2002). Stratégie prežitia ročných púštnych rastlín. Springer, Berlin, Nemecko, 368 str.
  10. Lutz, R.A. (1988). Disperzia organizmov v hlbokomorských hydrotermálnych prieduchoch: prehľad. 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. a Desbruyeres, D. (1994). Rýchly rast v hlbokomorských prieduchoch. Nature 371, 663-664.
  12. Rhoads, D.C., Lutz, R.A., Revelas, E.C. a Cerrato, R.M. (1981). Rast lastúrnikov na hlbokomorských hydrotermálnych prieduchoch pozdĺž Galapágy. Science 214, 911-913.
  13. Noy-Meir I. (1973). Púštne ekosystémy: životné prostredie a výrobcovia. Výročná správa o ekologických systémoch 4, 25-51.
  14. Wiegel, J. a Adams, M.W.W. (1998). Termofily: kľúče k molekulárnej evolúcii a vzniku života. Taylor a Francis, Londýn, 346 str.