EKSTREMOFILI: ZNAČILNOSTI, VRSTE IN PRIMERI - BIOLOGIJA - 2026

V ekstremofili so organizmi, ki živijo v ekstremnih okoljih, torej tiste, ki odstopajo od pogojev, v katerih živijo najbolj znanih organizmov z ljudmi.

Izraza "ekstrem" in "ekstremofil" sta razmeroma antropocentrična, saj ljudje ocenjujemo habitate in njihove prebivalce na podlagi tega, kar bi se štelo za skrajnost našega lastnega obstoja.

Slika 1. Tardigrades, Phylum, znan po svoji sposobnosti preživetja v zelo grobih okoljih. Vir: Willow Gabriel, Goldstein Lab, prek Wikimedia Commons

Zaradi zgoraj omenjenega je ekstremno okolje značilno, da predstavlja nevzdržne razmere za človeka glede njegove temperature, vlažnosti, slanosti, svetlobe, pH, razpoložljivosti kisika, ravni strupenosti.

Z ne antropocentričnega vidika so lahko človeka skrajne osebe, odvisno od organizma, ki jih je ocenjeval. Na primer, s stališča strogega anaerobnega organizma, za katerega je kisik strupen, bi aerobna bitja (tako kot ljudje) bila ekstremofili. Nasprotno, anaerobni organizmi so za človeka ekstremofili.

Izvor izraza "Extremophiles"

Trenutno definiramo kot "ekstremno" številna okolja znotraj in zunaj planeta Zemlje in nenehno odkrivamo organizme, ki so sposobni ne samo preživeti, temveč tudi v mnogih od njih uspevati.

RD Macelroy

Leta 1974 je RD Macelroy predlagal izraz "Extremophiles", da bi opredelil te organizme, ki kažejo optimalno rast in razvoj v ekstremnih pogojih, v nasprotju z mezofilnimi organizmi, ki rastejo v okoljih z vmesnimi pogoji.

Kot pravi Macelroy:

"Extremofhile je opis za organizme, ki lahko naseljujejo okolja, sovražna mesofilom, ali organizme, ki rastejo le v vmesnih okoljih."

V organizmi obstajata dve osnovni stopnji ekstremizma: tisti, ki lahko preneseta ekstremno okoljsko stanje in postaneta prevladujoča nad drugimi; in tiste, ki rastejo in se optimalno razvijajo v ekstremnih pogojih.

Značilnosti ekstremnih okolij

Poimenovanje okolja kot "ekstremno" se odziva na antropogeno konstrukcijo, ki temelji na upoštevanju oddaljenih skrajnosti izhodišč določenega stanja okolja (med drugim temperature, slanosti, sevanja), ki omogoča preživetje človeka.

Vendar mora to ime temeljiti na določenih značilnostih okolja z vidika organizma, ki ga naseljuje (ne pa s človeške perspektive).

Te značilnosti vključujejo: biomaso, produktivnost, biotsko raznovrstnost (število vrst in zastopanost višjih taksonov), raznolikost procesov v ekosistemih in posebne prilagoditve okolju zadevnega organizma.

Vsota vseh teh značilnosti označuje ekstremno stanje okolja. Na primer, ekstremno okolje je tisto, ki na splošno predstavlja:

• Nizka biomasa in produktivnost
• Prevlada arhaičnih življenjskih oblik
• Odsotnost višjih življenjskih oblik
• Odsotnost fotosinteze in dušične fiksacije, vendar odvisnost od drugih presnovnih poti in posebnih fizioloških, metaboličnih, morfoloških in / ali prilagoditev življenjskega cikla.

Vrste ekstremofilov na zoološki lestvici

Enocelični organizmi

Izraz Extremophilic se pogosto nanaša na prokariote, kot so bakterije, in jih včasih uporabljamo zamenljivo z Archaea.

Vendar pa obstaja veliko raznolikosti ekstremofilnih organizmov in naše znanje o filogenetski raznolikosti v ekstremnih habitatih narašča skoraj vsak dan.

Vemo, na primer, da so vsi hipertermofili (ljubitelji toplote) pripadniki Archaea in bakterij. Eukarioti so pogosti med psihrofili (ljubitelji mraza), acidofili (ljubitelji nizkega pH), alkalofili (ljubitelji visokega pH), kserofili (ljubitelji suhega okolja) in halofili (ljubitelji soli).

Slika 2. Vroča izvira v nacionalnem parku Yellowstone v ZDA, svetle barve, ki jih ti izviri pridobijo, so povezane s širjenjem termofilnih bakterij. Vir: Jim Peaco, Služba nacionalnega parka, prek Wikimedia Commons

Večcelični organizmi

Večcelični organizmi, kot so nevretenčarji in vretenčarji, so lahko tudi ekstremofili.

Na primer, nekateri psihrofili vključujejo majhno število žab, želv in kač, ki se pozimi izognejo medceličnemu zmrzovanju v svojih tkivih, nabirajo osmolate v celični citoplazmi in omogočajo zamrzovanje le zunajcelične vode (zunaj celic) .

Drug primer je antarktična ogorčica Panagrolaimus davidi, ki lahko preživi medcelično zamrzovanje (zamrznitev vode znotraj svojih celic), ki lahko raste in se razmnožuje po odmrzovanju.

Tudi ribe družine Channichthyidae, prebivalci hladnih voda Antarktike in juga ameriške celine, uporabljajo proteine ​​proti zmrzovanju, da zaščitijo svoje celice pred popolnim zmrzovanjem.

Poli ekstremofili

Poli ekstremofili so organizmi, ki lahko hkrati preživijo več kot eno ekstremno stanje in so tako pogosti v vseh ekstremnih okoljih.

Na primer, puščavske rastline, ki preživijo izjemno vročino, pa tudi omejeno razpoložljivost vode in pogosto visoko slanost.

Drug primer so živali, ki naseljujejo morsko dno, ki lahko prenesejo zelo visoke pritiske, kot sta pomanjkanje svetlobe in pomanjkanje hranil.

Najpogostejše vrste ekstremnih okolij

Okoljski ekstremi so tradicionalno opredeljeni na podlagi abiotskih dejavnikov, kot so:

• Temperatura.
• Razpoložljivost vode.
• Pritisk.
• pH.
• Slanost.
• Koncentracija kisika.
• Ravni sevanja.

Podobno so opisani ekstremofili na podlagi ekstremnih razmer, ki jih preživijo.

Najpomembnejša ekstremna okolja, ki jih lahko prepoznamo glede na njihove abiotske pogoje, so:

Izjemno hladna okolja

Izredno hladna okolja so tista, ki vztrajajo ali pogosto padejo v obdobjih (kratkih ali dolgih) temperatur pod 5 ° C. Sem spadajo zemeljski drogovi, gorske regije in nekateri globoki habitati. Celo nekatere zelo vroče puščave čez dan imajo ponoči zelo nizke temperature.

Obstajajo tudi drugi organizmi, ki živijo v kriosferi (kjer je voda v trdnem stanju). Na primer, organizmi, ki živijo v ledenih matrikah, večno zmrzali, pod stalnimi ali občasnimi snežnimi pokrovi, morajo prenašati več skrajnosti, vključno z mrazom, izsuševanjem in visokimi stopnjami sevanja.

Ekstremno toplotno okolje

Izredno vroči habitati so tisti, ki ostanejo ali občasno dosežejo temperaturo nad 40 ° C. Na primer, vroče puščave, geotermalna mesta in globokomorski hidrotermalni zračniki.

Pogosto so povezani z ekstremno visokimi temperaturami, okolji, kjer je razpoložljiva voda zelo omejena (vztrajno ali v rednih časovnih obdobjih), kot so vroče in hladne puščave, in nekateri endolitični habitati (ki se nahajajo znotraj kamnin).

Ekstremna tlačna okolja

Druga okolja so pod visokim hidrostatskim tlakom, kot so bentoške cone oceanov in globoka jezera. Na teh globinah morajo njegovi prebivalci vzdržati tlake, večje od 1000 atmosfer.

Druga možnost je, da v gorah in drugih povišanih regijah sveta obstajajo hipobarični skrajnosti (nizkega atmosferskega tlaka).

Slika 3. Morski fumaroli ali hidrotermalni zračniki. Primer ekstremnega okolja, v katerem živi celotna skupnost organizmov, kjer so visoki tlak in temperatura, pa tudi žveplovi izpusti. Vir: NOAA, prek Wikimedia Commons

Izjemno kisla in alkalna okolja

Na splošno so izjemno kisla okolja tista, ki ohranjajo ali redno dosegajo vrednosti pod pH 5.

Zlasti nizek pH povečuje "ekstremno" stanje okolja, saj povečuje topnost prisotnih kovin in organizme, ki živijo v njih, je treba prilagoditi več abiotskim skrajnostim.

Nasprotno pa so izredno alkalna okolja tista, ki ostanejo ali redno beležijo pH vrednosti nad 9.

Primeri ekstremnih pH okolij so jezera, podzemna voda in visoko kisla ali alkalna tla.

Slika 4. Škratov jastog (Munidopsis polymorpha), prebivalec jam in endem otoka Lanzarote na Kanarskih otokih. Med značilne prilagoditve te vrste ekstremnih jamskih okolij so: zmanjšanje velikosti, bledica in slepota. Vir: flickr.com/photos//5582888539

Hipersalinsko in anoksično okolje

Hipersalinska okolja so opredeljena kot tista s koncentracijo soli, večjo od koncentracije morske vode, ki ima 35 delov na tisoč. Ta okolja vključujejo hipersalinska in slana jezera.

S "fiziološko raztopino" ne mislimo le na slanost zaradi natrijevega klorida, saj lahko obstajajo slana okolja, kjer je prevladujoča sol nekaj drugega.

Slika 5. Rožnato obarvanje vode v Salini Las Cumaraguas, država Falcón v Venezueli. Rožnato obarvanje je proizvod alge, imenovane Dunaliella salina, ki se lahko upira visokim koncentracijam natrijevega klorida, ki je prisoten v fiziološki raztopini. Vir: HumbRios, iz Wikimedia Commons

Habitati z omejenim prostim kisikom (hipoksični) ali brez kisika (anoksični), bodisi stalno ali v rednih presledkih, se prav tako štejejo za ekstremne. Na primer, okolje s temi značilnostmi bi bili anoksični bazeni v oceanih in jezerih ter globlji sloji usedlin.

Slika 6. Artemia monica, rak, ki živi v Mono Lakeu v Kaliforniji (ZDA), v slanem okolju (natrijev bikarbonat) in visokem pH. Vir: photolib.noaa.gov

Okolje z visokim sevanjem

Tudi ultravijolično (UV) ali infrardeče (IR) sevanje lahko povzroči ekstremne razmere za organizme. Ekstremna sevalna okolja so tista, ki so izpostavljena nenormalno visokim sevanjem ali sevanju zunaj običajnega območja. Na primer, polarno in višinsko okolje (kopensko in vodno).

Phaeocystis pouchetii

Nekatere vrste kažejo evasive mehanizme visokega UV ali IR sevanja. Na primer, morske alge Antarktike Phaeocystis pouchetii proizvajajo v vodi topne "sončne kreme", ki močno absorbirajo valovne dolžine UV-B (280-320nm) in zaščitijo njene celice pred izjemno visokimi stopnjami UV-B v 10 m. zgornji vodni stolpec (po premoru z morskim ledom).

Deinococcus radiodurans

Drugi organizmi so zelo strpni do ionizirajočega sevanja. Na primer, bakterija Deinococcus radiodurans lahko ohrani svojo genetsko celovitost z izravnavo obsežne poškodbe DNK po izpostavitvi ionizirajočemu sevanju.

Ta bakterija uporablja medcelične mehanizme, da omeji razgradnjo in omeji difuzijo fragmentov DNK. Poleg tega ima visoko učinkovite proteine ​​za obnovo DNK.

Astyanax hubbsi

Tudi v okoljih z navidezno nizkim sevanjem ali brez njega so ekstremofilni organizmi prilagojeni, da se odzovejo na spremembe ravni sevanja.

Na primer, mehiška slepa riba Astyanax hubbsi, ki nima površinsko zaznavnih očesnih struktur, vendar lahko razlikuje majhne razlike v svetlobi okolice. Uporabljajo ekstraokularne fotoreceptorje za odkrivanje in odzivanje na gibljive vidne dražljaje.

Slika 7. Slepe ribe iz rodu Astyanax, jamarski prebivalec. Vir: Shizhao, iz Wikimedia Commons

Antropogeni skrajnosti

Trenutno živimo v okolju, kjer so naložene ekstremne okoljske razmere, umetno ustvarjene kot učinek človekovih dejavnosti.

Tako imenovana antropogena okolja vplivov so izjemno raznolika, globalna po obsegu in jih ni mogoče več zanemariti, ko definiramo določena ekstremna okolja.

Na primer, okolja, ki jih prizadene onesnaževanje (ozračje, voda in tla) - kot so podnebne spremembe in kisli dež - pridobivanje naravnih virov, fizične motnje in prekomerno izkoriščanje.

Prehodi in ekotoni

Poleg zgoraj omenjenih ekstremnih okolij so kopenski ekologi že od nekdaj poznali posebno naravo prehodnih območij med dvema ali več različnimi skupnostmi ali okolji, na primer drevesno črto v gorah ali mejo med gozdovi in ​​travinji. . Temu pravimo napenjalni pasovi ali ekotoni.

Ekotoni obstajajo tudi v morskem okolju, na primer prehod med ledom in vodo, ki ga predstavlja rob morskega ledu. Ta prehodna območja ponavadi kažejo večjo raznolikost vrst in gostoto biomase kot bočne skupnosti, predvsem zato, ker organizmi, ki živijo v njih, lahko izkoristijo vire sosednjih okolij, kar jim lahko daje prednost.

Vendar se ekotoni nenehno spreminjajo in so dinamična območja, ki pogosto kažejo širši razpon variacij v abiotskih in biotskih pogojih v letnem obdobju kot v sosednjih okoljih.

To bi bilo mogoče utemeljiti kot "ekstremno", saj od organizmov zahteva, da nenehno prilagajajo svoje vedenje, fenologijo (sezonsko vreme) in interakcije z drugimi vrstami.

Vrste, ki živijo na obeh straneh ekotona, so pogosto bolj strpne do dinamike, medtem ko vrste, katerih obseg je omejen na eno stran, doživljajo drugo stran kot skrajno.

Na splošno so na ta prehodna območja pogosto prve vplivale tudi podnebne in / ali antropogene spremembe podnebja in / ali motnje.

Živali in rastline z različnimi stopnjami ali fazami

Ne samo, da so okolja dinamična in so lahko ali pa tudi niso ekstremna, ampak so tudi organizmi dinamični in imajo življenjske cikle z različnimi stopnjami, prilagojene posebnim okoljskim razmeram.

Lahko se zgodi, da je okolje, ki podpira eno od stopenj življenjskega cikla organizma, ekstremno za drugo fazo.

Rastline

Na primer, kokos (Cocos nucifera) ima seme, prilagojeno za prevoz po morju, vendar zrelo drevo raste na kopnem.

V vaskularnih rastlinah, ki vsebujejo spore, kot so praproti in različne vrste mahov, je lahko gametofit brez fotosintetskih pigmentov, nima korenin in je odvisen od vlažnosti okolja.

Medtem ko imajo sporofiti korenike, korenine in poganjke, ki vzdržijo vroče in suhe razmere pri polni sončni svetlobi. Razlika med sporofiti in gametofiti je v istem vrstnem redu kot razlike med taksoni.

Živali

Zelo blizu so primeri mladoletnih stadij mnogih vrst, ki so na splošno netolerantne do okolja, ki običajno obdaja odraslega, zato običajno potrebujejo zaščito in nego v obdobju, ko pridobijo spretnosti in moči, ki jim to omogočajo. omogočajo, da se ukvarjajo s temi okolji.

Reference

1. Kohshima, S. (1984). Novo hladno odporna žuželka, ki jo najdemo v himalajskem ledeniku. Narava 310, 225-227.
2. Macelroy, RD (1974). Nekaj ​​komentarjev o razvoju skrajnih krogov. Biosistemi, 6 (1), 74–75. doi: 10.1016 / 0303-2647 (74) 90026-4
3. Marchant, HJ, Davidson, AT in Kelly, GJ (1991) UV-B zaščitne spojine v morski algi Phaeocystis pouchetti z Antarktike. Morska biologija 109, 391–395.
4. Oren, A. (2005). Sto let raziskav Dunalielle: 1905–2005. Salin Systems 1, doi: 10.1186 / 1746-1448 -1 -2.
5. Rothschild, LJ in Mancinelli, RL (2001). Življenje v ekstremnih okoljih. Narava 409, 1092-1101.
6. Schleper, C., Piihler, G., Kuhlmorgen, B. in Zillig, W. (1995). Lite pri izredno nizkem pH. Narava 375, 741–742.
7. Storey, KB in Storey, JM (1996). Preživljanje naravnega zmrzovanja pri živalih. Letni pregled ekologije in sistematike 27, 365–386.
8. Teyke, T. in Schaerer, S. (1994) Slepe mehiške jamske ribe (Astyanax hubbsi) se odzivajo na gibljive vizualne dražljaje. Časopis za eksperimentalno biologijo 188, 89-1 () 1.
9. Yancey, PI I., Clark, ML, Eland, SC, Bowlus RD in Somero, GN (1982). Življenje z vodnim stresom: evolucija osmolitnih sistemov. Znanost 217, 1214–1222.