TERMOFILAI: CHARAKTERISTIKOS, KLASIFIKACIJA IR APLINKA - BIOLOGIJA

Termofilinis esame ekstremofilai pasižymi dideliu potipis toleruoti temperatūra tarp 50 ° C ir 75 ° C, arba todėl, kad šios vertybės yra palaikoma temperatūra šiose ypatingoje aplinkoje, arba dėl to, dažnai pasiekti.

Termofiliniai organizmai paprastai yra bakterijos arba archajos, tačiau yra ir metazoanų (eukariotinių organizmų, kurie yra heterotrofiniai ir audiniai), kurie vystosi ir karštose vietose.

1 paveikslas. Atakamos dykuma Čilėje, vienoje iš sausiausių vietų pasaulyje. Šaltinis: pixabay.com

Taip pat yra žinoma, kad jūrų organizmai, susieti su simbioze su termofilinėmis bakterijomis, gali prisitaikyti prie šių aukštų temperatūrų, taip pat sukūrė biocheminius mechanizmus, tokius kaip modifikuotas hemoglobinas, didelis kraujo tūris, be kita ko, leidžiančius jiems toleruoti sulfidų ir junginių toksiškumą. sieros.

Manoma, kad termofiliniai prokariotai yra pirmosios paprastos ląstelės gyvenimo evoliucijoje ir vandenynuose gyvena vulkaninio aktyvumo bei geizerių vietose.

Tokio tipo termofilinių organizmų pavyzdžiai yra tie, kurie gyvena netoli hidroterminių angų ar angų vandenynų dugne, pavyzdžiui, metanogeninės (metaną gaminančios) bakterijos ir anelidinė Riftia pachyptila.

Pagrindinės buveinės, kuriose galima rasti termofilų:

Sausumos hidroterminė aplinka.
Jūrų hidroterminė aplinka.
Karštos dykumos.

Termofilinių organizmų charakteristikos

Temperatūra: kritinis abiotinis mikroorganizmų vystymosi veiksnys

Temperatūra yra vienas iš pagrindinių aplinkos veiksnių, lemiančių gyvų daiktų augimą ir išgyvenimą. Kiekviena rūšis turi tam tikrą temperatūrų diapazoną, kuriame ji gali išgyventi, tačiau ji turi optimalų augimą ir vystymąsi esant tam tikrai temperatūrai.

Kiekvieno organizmo augimo greitis, palyginti su temperatūra, gali būti išreikštas grafiškai, gaunant reikšmes, atitinkančias svarbią kritinę temperatūrą (mažiausią, optimalią ir maksimalią).

Minimali temperatūra

Esant minimaliai organizmo augimo temperatūrai, sumažėja ląstelių membranos sklandumas ir gali būti sustabdyti medžiagų transportavimo ir apsikeitimo procesai, tokie kaip maistinių medžiagų patekimas ir nuodingų medžiagų pašalinimas.

Tarp minimalios ir optimalios temperatūros padidėja mikroorganizmų augimo greitis.

Optimali temperatūra

Esant optimaliai temperatūrai, metabolinės reakcijos vyksta kuo efektyviau.

Maksimali temperatūra

Virš optimalios temperatūros augimo greitis sumažėja iki maksimalios temperatūros, kurią kiekvienas organizmas gali toleruoti.

Esant tokiai aukštai temperatūrai, struktūriniai ir funkciniai baltymai, tokie kaip fermentai, denatūruojami ir neaktyvinami, nes jie praranda savo geometrinę konfigūraciją ir savitą erdvinę konfigūraciją, citoplazmos membrana nutrūksta ir dėl šilumos poveikio atsiranda šiluminė lizė arba plyšimas.

Kiekvienas mikroorganizmas turi minimalią, optimalią ir maksimalią temperatūrą, reikalingą veiklai ir vystymuisi. Termofilų vertės šiose trijose temperatūrose yra ypač aukštos.

Skiriamieji termofilinių organizmų bruožai

Termofilinių organizmų augimo greitis yra didelis, tačiau trumpas jų gyvenimo laikotarpis.
Jų ląstelių membranoje yra didelis kiekis sočiųjų riebalų arba lipidų; šis sočiųjų riebalų tipas yra pajėgus absorbuoti šilumą ir virsti skystu pavidalu aukštoje temperatūroje (lydyti), nesunaikinamas.
Jo struktūriniai ir funkciniai baltymai yra labai stabilūs šilumai (termiškai stabilūs) per kovalentinius ryšius ir specialiąsias tarpmolekulines jėgas, vadinamas Londono išsklaidymo jėgomis.
Jie taip pat turi specialius fermentus, kurie palaiko medžiagų apykaitą aukštoje temperatūroje.
Yra žinoma, kad šie termofiliniai mikroorganizmai gali naudoti sulfidus ir sieros junginius, kurių gausu vulkaniniuose plotuose, kaip maistinių medžiagų šaltinį, paverčiant juos organinėmis medžiagomis.

Termofilinių organizmų klasifikacija

Termofilinius organizmus galima suskirstyti į tris dideles kategorijas:

Vidutiniai termofilai (optimalus 50–60 ° C).
Ekstremalūs termofilai (optimalus artimas 70 ° C).
Hipertermofilai (optimalus artimas 80 ° C).

Termofiliniai organizmai ir jų aplinka

Sausumos hidroterminė aplinka

Hidroterminės vietos yra stebėtinai paplitusios ir plačiai paplitusios. Jie gali būti suskirstyti į tuos, kurie yra susiję su ugnikalnių teritorijomis, ir tuos, kurie nėra.

Hidroterminė aplinka, kurioje vyrauja aukščiausia temperatūra, paprastai siejama su ugnikalnių ypatybėmis (kalderomis, gedimais, plokščių tektoninėmis ribomis, užpakalinio lanko baseinais), leidžiančiais magmai pakilti į gylį, kur ji gali tiesiogiai sąveikauti su požeminiu vandeniu. giliai.

2 paveikslas. Tatio geizeriai, Atacama, Čilė. Šaltinis: Diego Delso

Karštus taškus dažnai lydi ir kitos savybės, kurios apsunkina gyvenimo vystymąsi, tokios kaip kraštutinės pH vertės, organinės medžiagos, cheminė sudėtis ir druskingumas.

Todėl sausumos hidroterminės aplinkos gyventojai išgyvena esant įvairioms ekstremalioms sąlygoms. Šie organizmai yra žinomi kaip poliekstremofilai.

Organizmų, gyvenančių sausumos hidroterminėje aplinkoje, pavyzdžiai

Organizmai, priklausantys visoms trims sritims (eukariotinėms, bakterinėms ir archajinėms), buvo nustatyti sausumos hidroterminėje aplinkoje. Šių organizmų įvairovę daugiausia lemia temperatūra.

Nors įvairios bakterijų rūšys gyvena vidutiniškai termofilinėje aplinkoje, fotoautotrofai gali dominuoti mikrobų bendruomenėje ir sudaryti makroskopines „kilimėlio“ ar „kilimo“ tipo struktūras.

Šie „fotosintetiniai kilimėliai“ yra ant neutraliausių ir šarminių karštųjų versmių (kurių pH didesnis kaip 7,0) paviršiaus, esant 40–71 ° C temperatūrai.

Virš 55 ° C fotosintetiniuose kilimėliuose daugiausia gyvena vienaląsčiai melsvadumbliai, tokie kaip Synechococcus sp.

Bakterijos

Fotosintetiniuose mikrobų kilimėliuose taip pat daugiausia gali būti Chloroflexus ir Roseiflexus genčių bakterijos, abi Chloroflexales kategorijos narės.

Chloreflexus ir Roseiflexus rūšys, susijusios su melsvabakterijomis, optimaliai auga fotoheterotrofinėmis sąlygomis.

Jei pH yra rūgštus, dažnos yra Acidiosphaera, Acidiphilium, Desulfotomaculum, Hydrogenobaculum, Methylokorus, Sulfobacillus Thermoanaerobacter, Thermodesulfobium ir Thermodesulfator gentys.

Hipertermofiliniuose šaltiniuose (tarp 72–98 ° C) yra žinoma, kad fotosintezė nevyksta, o tai leidžia vyrauti chemolitoautotrofinėms bakterijoms.

Šie organizmai priklauso pelkinei Aquificae ir yra kosmopolitiniai; jie gali oksiduoti vandenilį arba molekulinę sierą deguonimi kaip elektronų akceptoriumi ir fiksuoti anglį redukuojančiosios karboksirūgšties (rTCA) keliu.

Arkos

Didžioji dalis auginamų ir nekultivuotų archajų, identifikuotų neutralioje ir šarminėje šiluminėje aplinkoje, priklauso „Crenarchaeota“.

Tokios rūšys, kaip Thermofilum pendens, Thermosphaera agregatai ar Stetteria hydrophila Nitrosocaldus yellowstonii, dauginasi žemesnėje nei 77 ° C temperatūroje ir Thermoproteus neutrophilus, Vulcanisaeta distributa, Thermofilum pendens, Aeropyruni pernix, Desulfurococcus mobilis ir 80 ° C šaltiniuose, Ignisphaera agregatuose.

Rūgščioje aplinkoje randama genčių archaja: Sulfolobus, Sulphurococcus, Metallosphaera, Acidianus, Sulfurisphaera, Picrophilus, Thermoplasma, Thennocladium ir Galdivirga.

Eukariotai

Tarp eukariotų iš neutralių ir šarminių šaltinių galima paminėti Thermomyces lanuginosus, Scytalidium thermophilum, Echinamoeba thermarum, Marinamoeba thermophilia ir Oramoeba funiarolia.

Rūgštinguose šaltiniuose galima rasti genčių: Pinnularia, Cyanidioschyzon, Cyanidium arba Galdieria.

Jūrų hidroterminė aplinka

Kai temperatūra svyruoja nuo 2 ° C iki daugiau kaip 400 ° C, slėgis viršija kelis tūkstančius svarų kvadratiniam coliui (psi) ir yra aukšto lygio toksiško vandenilio sulfido (pH 2,8), giliavandenėse hidroterminėse angose yra galbūt ekstremaliausia aplinka mūsų planetoje.

Šioje ekosistemoje mikrobai tarnauja kaip apatinė grandinė maisto grandinėje, savo energiją išgaunant iš geoterminio šilumos ir chemikalų, esančių giliai Žemės viduje.

4 pav. Hidroterminės ventiliacijos ir vamzdžių sliekai. Šaltinis: photolib.noaa.gov

Faunos, susijusios su jūrine hidrotermine aplinka, pavyzdžiai

Su šiais šaltiniais ar angomis susijusi fauna yra labai įvairi, o santykiai tarp skirtingų taksonų dar nėra iki galo išaiškinti.

Tarp rūšių, kurios buvo išskirtos, yra ir bakterijos, ir archaja. Pavyzdžiui, buvo išskirtos Methanococcus, Methanopyus genties archaea ir Caminibacter genties termofilinės anaerobinės bakterijos.

Bakterijos klesti bioplėviuose, kuriuose maitinasi daugybė organizmų, tokių kaip varliagyviai, elniasparniai, sraigės, krabų krevetės, vamzdeliai, žuvys ir aštuonkojai.

5 paveikslas. Rimicaris genties krevetės, fumarolių gyventojai. Šaltinis: „NOAA Okeanos Explorer“ programa, „Mid-Cayman Rise Expedition 2011“

Bendras scenarijus yra daugiau nei 10 cm ilgio midijos, Bathymodiolus thermophilus sankaupos, susikaupusios įtrūkimuose bazaltinėje lavoje. Paprastai juos lydi daugybė galateidinių krabų (Munidopsis subsquamosa).

Vienas iš labiau neįprastų organizmų yra vamzdelis Riftia pachyptila, kuris gali susiburti dideliais kiekiais ir pasiekti dydį, artimą 2 metams.

Šie vamzdeliai neturi burnos, skrandžio ar išangės (tai yra, jie neturi virškinimo sistemos); jie yra visiškai uždaras maišelis, be jokio atvėrimo į išorinę aplinką.

6 pav. Vamzdinis kirminas Riftia pachyptila su anemonais ir midijomis. Šaltinis:
NOAA „Okeanos Explorer“ programa, „Galapagos Rift Expedition 2011“

Ryškiai raudona švirkštimo priemonės spalva gale atsiranda dėl tarpląstelinio hemoglobino. Vandenilio sulfidas pernešamas per ląstelės membraną, susijusią su šio pliūpsnio siūlais, ir per tarpląstelinį hemoglobiną pasiekia specializuotą „audinį“, vadinamą trofosoma, sudarytą vien iš simbiotinių chemosintetinių bakterijų.

Galima sakyti, kad šie kirminai turi vidinį „sodą“ bakterijų, kurios maitinasi vandenilio sulfidu ir teikia kirmėlėms „maistą“, nepaprastą adaptaciją.

Karštos dykumos

Karštos dykumos užima nuo 14 iki 20% Žemės paviršiaus, maždaug 19–25 mln. Km.

Karščiausios dykumos, tokios kaip Šiaurės Afrikos Sachara ir pietvakarių JAV, Meksikos ir Australijos dykumos, yra visame tropikuose tiek šiauriniame, tiek pietiniame pusrutuliuose (tarp 10–30 40 ° platumos).

Dykumų rūšys

Ryški karštos dykumos savybė yra sausumas. Pagal Koppeno-Geigero klimato klasifikaciją dykumos yra regionai, kuriuose metinis kritulių kiekis yra mažesnis nei 250 mm.

Tačiau metiniai krituliai gali būti klaidinantis indeksas, nes vandens praradimas yra vandens biudžeto lemėjas.

Taigi Jungtinių Tautų aplinkos programos dykumos apibrėžimas yra metinis drėgmės deficitas normaliomis klimato sąlygomis, kai galimas evapotranspiracija (PET) yra penkis kartus didesnis už faktinius kritulius (P).

Aukštas PET yra paplitęs karštose dykumose, nes dėl debesų trūkumo saulės radiacija sausumos regionuose artėja prie didžiausios.

Dykumas galima suskirstyti į dvi rūšis pagal jų sausumo laipsnį:

Ypač sausas: kai sausumo indeksas (P / PET) yra mažesnis nei 0,05.
Užpildai: su indeksu nuo 0,05 iki 0,2.

Dykumos skiriasi nuo sausringų pusiau sausringų žemių (P / PET 0,2–0,5) ir nuo sausų, drėgnų žemių (0,5–0,65).

Dykumos turi ir kitų svarbių savybių, tokių kaip stiprūs temperatūros pokyčiai ir didelis jų dirvožemio druskingumas.

Kita vertus, dykuma paprastai siejama su kopomis ir smėliu, tačiau šis vaizdas atitinka tik 15–20% visų jų; uoliniai ir kalnuoti kraštovaizdžiai yra dažniausia dykumų aplinka.

Dykumos termofilinių organizmų pavyzdžiai

Dykumų gyventojai, kurie yra termofilai, turi daugybę prisitaikymų, kad galėtų susidurti su negandomis, atsirandančiomis dėl lietaus trūkumo, aukštos temperatūros, vėjų, druskingumo.

Kserofitiniai augalai sukūrė strategijas, kaip išvengti prakaitavimo ir kaupti kuo daugiau vandens. Stiebų ir lapų sultingumas ar sustorėjimas yra viena iš dažniausiai naudojamų strategijų.

Tai akivaizdu kaktinių šeimos (Cactaceae) šeimoje, kur lapai taip pat yra modifikuoti spygliais, kad būtų išvengta evapotranspiracijos ir atstumti žolėdžius augalus.

7 pav. Kaktusai Singapūro botanikos sode. Šaltinis: Img, Calvin Teo, iš „Wikimedia Commons“

Lithops genties arba akmens augalų, kilusių iš Namibijos dykumos, vaisius taip pat išsivysto, tačiau šiuo atveju augalas auga po žeme, maskuodamas aplinkinius akmenis.

8 pav. Lithops herrei sukuria į uolieną panašų sultingą augalą. Šaltinis: Stan Shebs, Kalifornijos universiteto botanikos sode

Kita vertus, gyvūnai, gyvenantys šiose ekstremaliose buveinėse, vystosi įvairiai: nuo fiziologinių iki etologinių. Pvz., Vadinamosios kengūros žiurkės nedaug šlapinasi, todėl šie gyvūnai yra labai veiksmingi savo mažai vandens turinčioje aplinkoje.

Kitas vandens nuostolių mažinimo mechanizmas yra kūno temperatūros padidėjimas; Pavyzdžiui, ramybės kupranugarių kūno temperatūra vasarą gali padidėti nuo maždaug 34 ° C iki daugiau nei 40 ° C.

Temperatūros svyravimai turi didelę reikšmę vandens išsaugojimui:

Padidėjusi kūno temperatūra reiškia, kad kūnas kaupia šilumą, o ne išsiskiria išgarindamas vandenį. Vėliau naktį, šilumos perteklius gali būti pašalintas neišleidžiant vandens.
Šilumos pelnas iš karštos aplinkos mažėja, nes sumažėja temperatūros gradientas.

Kitas pavyzdys yra smėlio žiurkė (Psammomys obesus), sukūrusi virškinimo mechanizmą, leidžiantį jiems maitintis tik Chenopodiaceae šeimos dykumos augalais, kurių lapuose yra didelis kiekis druskos.

9 pav. Smėlio žiurkė (Psammomys obesus). Šaltinis: Gary L. Clark, iš „Wikimedia Commons“

Etologiniai (elgesio) dykumų gyvūnų pritaikymai yra daug, tačiau turbūt akivaizdžiausias reiškia, kad aktyvumo ir poilsio ciklas yra atvirkštinis.

Tokiu būdu šie gyvūnai tampa aktyvūs saulėlydžio metu (naktinis aktyvumas) ir nustoja būti aktyvūs auštant (dienos poilsiui), taigi jų aktyvus gyvenimas nesutampa su karščiausiomis valandomis.

Nuorodos

Baker-Austin, C. ir Dopson, M. (2007). Gyvenimas rūgštyje: pH homeostazė acidofiliuose. Mikrobiologijos tendencijos 15, 165–171.
Berry, JA ir Bjorkman, 0. (1980). Aukštesnių augalų fotosintetinis atsakas ir prisitaikymas prie temperatūros. Metinė augalų fiziologijos apžvalga 31, 491–534.
Brock, TD (1978). Termofiliniai mikroorganizmai ir gyvenimas aukštoje temperatūroje. „Springer-Verlag“, Niujorkas, 378 p.
Campos, VL, Escalante, G., Jafiez, J., Zaror, CA ir Mondaca, AM (2009), Arsenitą oksiduojančių bakterijų išskyrimas iš natūralaus bioplėvelės, susijusios su Atakamos dykumos, Čilės, vulkaninėmis uolienomis. Journal of Basic Microbiology 49, 93–97.
Cary, CS, Shank, T. ir Stein, J. (1998). Kirminai kepa kraštutines temperatūras. Gamta 391, 545–546.
Chevaldonne, P, Desbruyeres, D. ir Childress, JJ (1992). Kai kuriems tai patinka karšta …, o kai kuriems - dar karščiau. Gamta 359, 593–594.
Evenari, M., Lange, 01., Schulze, ED, Buschbom, U. ir Kappen, L. (1975). Adaptyvūs mechanizmai dykumų augaluose. In: Vemberg, FJ (red.) Fiziologinė adaptacija prie aplinkos. „Intext Press“, „Platteville“, LISA, p. 111–129.
Gibson, AC (1996). Šiltų dykumos augalų struktūros ir funkcijos ryšiai. „Springer“, Heidelbergas, Vokietija, 216 p.
Guttermanas, Y. (2002). Metinių dykumų augalų išlikimo strategijos. „Springer“, Berlynas, Vokietija, 368 p.
Lutz, RA (1988). Organizmų pasiskirstymas giliavandenėse hidroterminėse angose: apžvalga. „Oceanologica Acta 8“, 23–29.
Lutz, RA, Shank, TM, Fornari, DJ, Haymon, RM, Lilley, MD, Von Damm, KL ir Desbruyeres, D. (1994). Spartus giliavandenių kanalų augimas. Gamta 371, 663-664.
Rhoads, DC, Lutz, RA, Revelas, EC ir Cerrato, RM (1981). Dvigeldžių augimas giliavandenėse hidroterminėse angose palei Galapagų rifą. Mokslas 214, 911–913.
Noy-Meir I. (1973). Dykumos ekosistemos: aplinka ir gamintojai. Metinė ekologinių sistemų apžvalga 4, 25–51.
Wiegel, J. ir Adams, MWW (1998). Termofilai: molekulinės evoliucijos raktai ir gyvybės kilmė. Tayloras ir Pranciškus, Londonas, 346 p.

TERMOFILAI: CHARAKTERISTIKOS, KLASIFIKACIJA IR APLINKA - BIOLOGIJA - 2025