TERMOFILI: ZNAČILNOSTI, RAZVRSTITEV IN OKOLJA - BIOLOGIJA - 2026

Termofilnih so podtip ekstremofilnih značilna visoka prenašajo temperature med 50 ° C in 75 ° C, bodisi zato, ker se te vrednosti vzdržuje temperaturo v teh ekstremnih okoljih, bodisi zato, ker pogosto dosežejo.

Termofilni organizmi so na splošno bakterije ali arheje, vendar obstajajo metazoji (evkariontski organizmi, ki so heterotrofni in tkivni), ki se razvijejo tudi v vročih krajih.

Slika 1. Puščava Atacama v Čilu, eno najbolj sušnih krajev na svetu. Vir: pixabay.com

Znani so tudi morski organizmi, ki se lahko v simbiozi s termofilnimi bakterijami prilagodijo tem visokim temperaturam in so med drugim razvili tudi biokemične mehanizme, kot je spremenjen hemoglobin, velik volumen krvi, ki jim omogočajo, da prenašajo strupenost sulfidov in spojin. žveplo.

Verjamejo, da so termofilni prokarioti prve preproste celice v evoluciji življenja in da naseljujejo kraje z vulkansko dejavnostjo in gejše v oceanih.

Primeri tovrstnih termofilnih organizmov so tisti, ki živijo v bližini hidrotermalnih zračnikov ali zračnikov na dnu oceanov, kot so metanogene (metane, ki proizvajajo) bakterije in trnek riftia pachyptila.

Glavni habitati, kjer je mogoče najti termofile, so:

• Kopensko hidrotermalno okolje.
• Morska hidrotermalna okolja.
• Vroče puščave.

Značilnosti termofilnih organizmov

Temperatura: kritični abiotski dejavnik za razvoj mikroorganizmov

Temperatura je eden ključnih dejavnikov okolja, ki določa rast in preživetje živih bitij. Vsaka vrsta ima razpon temperatur, znotraj katerih lahko preživi, ​​vendar ima optimalno rast in razvoj pri specifičnih temperaturah.

Hitrost rasti vsakega organizma glede na temperaturo je mogoče grafično izraziti, pri čemer dobimo vrednosti, ki ustrezajo pomembnim kritičnim temperaturam (minimalne, optimalne in najvišje).

Najnižje temperature

Pri najnižjih rastnih temperaturah organizma pride do zmanjšanja pretočnosti celične membrane in zaustavimo procese prevoza in izmenjave materialov, kot sta vnos hranil in izstop strupenih snovi.

Med najnižjo in optimalno temperaturo se poveča stopnja rasti mikroorganizmov.

Optimalna temperatura

Pri optimalni temperaturi pride do presnovnih reakcij z največjo možno učinkovitostjo.

Najvišja temperatura

Nad optimalno temperaturo se zniža hitrost rasti do najvišje temperature, ki jo vsak organizem lahko prenaša.

Pri teh visokih temperaturah se strukturni in funkcionalni proteini, kot so encimi, denaturirajo in inaktivirajo, ker izgubijo svojo geometrijsko konfiguracijo in posebno prostorsko konfiguracijo, se citoplazmatska membrana zlomi, termična liza ali ruptura nastane zaradi vpliva toplote.

Vsak mikroorganizem ima svoje minimalne, optimalne in najvišje temperature za delovanje in razvoj. Pri teh treh temperaturah imajo termofili izjemno visoke vrednosti.

Razlikovalne značilnosti termofilnih organizmov

• Termofilni organizmi imajo visoko stopnjo rasti, vendar kratko življenjsko dobo.
• V celični membrani imajo veliko količino nasičenih maščob ali lipidov z dolgo verigo; Ta vrsta nasičenih maščob lahko absorbira toploto in se pri visokih temperaturah (taljenju) spremeni v tekoče stanje, ne da bi se uničila.
• Njeni strukturni in funkcionalni proteini so zelo toplotno stabilni (termostabilni), s pomočjo kovalentnih vezi in posebnih medmolekulskih sil, imenovanih londonske razpršilne sile.
• Imajo tudi posebne encime za vzdrževanje presnovnega delovanja pri visokih temperaturah.
• Znano je, da lahko ti termofilni mikroorganizmi uporabljajo sulfide in žveplove spojine v vulkanskih območjih kot vire hranilnih snovi, da jih pretvorijo v organsko snov.

Razvrstitev termofilnih organizmov

Termofilne organizme lahko razdelimo v tri široke kategorije:

• Zmerni termofili (optimalno med 50-60 ° C).
• Ekstremni termofili (optimalno blizu 70 ° C).
• Hipertermofili (optimalno blizu 80 ° C).

Termofilni organizmi in njihova okolja

Kopensko hidrotermalno okolje

Hidrotermalna mesta so presenetljivo pogosta in široko razširjena. Na splošno jih lahko razdelimo na tista, ki so povezana z vulkanskimi območji, in tista, ki niso.

Hidrotermalna okolja z najvišjimi temperaturami so na splošno povezana z vulkanskimi značilnostmi (kaldere, prelomi, tektonske meje plošč, bazeni zadnjega loka), ki omogočajo, da se magma dvigne v globino, kjer lahko neposredno vpliva na podzemno vodo globoko.

Slika 2. Tatio gejzirji, Atacama, Čile. Vir: Diego Delso

Vroče točke pogosto spremljajo tudi druge značilnosti, ki otežujejo razvoj življenja, na primer ekstremne pH vrednosti, organske snovi, kemična sestava in slanost.

Zato prebivalci kopenskih hidrotermalnih okolij preživijo ob različnih ekstremnih pogojih. Ti organizmi so znani kot poliestremofili.

Primeri organizmov, ki naseljujejo kopensko hidrotermalno okolje

V zemeljskih hidrotermalnih okoljih so bili ugotovljeni organizmi vseh treh področij (evkariontska, bakterijska in arhejska). Raznolikost teh organizmov določa predvsem temperatura.

Medtem ko raznovrstna paleta bakterijskih vrst naseljuje zmerno termofilna okolja, lahko fotoavtrofi prihajajo v prevlado v mikrobni skupnosti in tvorijo makroskopske strukture "podloge" ali "preproge".

Te "fotosintetske preproge" so prisotne na površini najbolj nevtralnih in alkalnih vročih vrelcev (pH večji od 7,0) pri temperaturah med 40-71 ° C, pri čemer so cianobakterije uveljavljene kot glavni prevladujoči proizvajalci.

Nad 55 ° C fotosintetične preproge večinoma naseljujejo enocelične cianobakterije, kot je Synechococcus sp.

Bakterije

Fotosintetske mikrobne preproge lahko naseljujejo pretežno tudi bakterije rodov Chloroflexus in Roseiflexus, oba člana reda Chloroflexales.

Kadar so povezane s cianobakterijami, vrste Chloreflexus in Roseiflexus optimalno rastejo v fotoheterotrofičnih pogojih.

Če je pH kisel, so pogosti rodovi Acidiosphaera, Acidiphilium, Desulfotomaculum, Hydrogenobaculum, Metilokorus, Sulfobacillus Thermoanaerobacter, Thermodesulfobium in Thermodesulfator.

V hipertermofilnih virih (med 72-98 ° C) je znano, da se ne zgodi fotosinteza, kar omogoča prevlado kemolitoavtrotrofnih bakterij.

Ti organizmi pripadajo tipu Aquificae in so svetovljanski; lahko oksidirajo vodik ali molekularno žveplo s kisikom kot sprejemnik elektronov in fiksirajo ogljik po poti reducirajoče trikarboksilne kisline (rTCA).

Loki

Večina obdelovalnih in nekultiviranih arhej, identificiranih v nevtralnem in alkalnem termalnem okolju, pripada tipu Crenarchaeota.

Vrste, kot so Thermofilum pendens, Thermosphaera agregans ali Stetteria hydrogenophila Nitrosocaldus yellowstonii, se razmnožujejo pod 77 ° C in Thermoproteus neutrophilus, Vulcanisaeta distributa, Thermofilum pendens, Aeropyruni pernix, Desulfurococcus in viris, virulfurococcus mobilis, višji viri, viruse, virulfococcus mobilis, višji viri, viruse, virulfococcus mobilis, virulfurococcus mobilis, virulfurococcus mobilis, virulfurococcus mobilis, virulfurococcus mobilis, višina

V kislem okolju najdemo arheje rodov: Sulfolobus, Sulfurococcus, Metallosphaera, Acidianus, Sulphurisphaera, Picrophilus, Thermoplasma, Ondanokladij in Galdivirga.

Evkarioti

Med evkarioti iz nevtralnih in alkalnih virov lahko omenimo Thermomyces lanuginosus, Scytalidium thermophilum, Echinamoeba thermarum, Marinamoeba termofilijo in Oramoeba funiarolia.

V kislih virih najdemo rodove: Pinnularia, Cyanidioschyzon, Cyanidium ali Galdieria.

Morska hidrotermalna okolja

Pri temperaturah od 2 ° C do 400 ° C, tlakih, ki presegajo nekaj tisoč funtov na kvadratni palec (psi), in visokih koncentracijah strupenega vodikovega sulfida (pH 2,8) so globokomorski hidrotermalni odzračevalci morda najbolj ekstremna okolja na našem planetu.

V tem ekosistemu mikrobi služijo kot spodnja vez v prehranski verigi, ki črpajo svojo energijo iz geotermalne toplote in kemikalij, ki jih najdemo globoko v Zemljini notranjosti.

Slika 4. Hidrotermalni odtočni in cevni črvi. Vir: photolib.noaa.gov

Primeri favne, povezane z morskim hidrotermalnim okoljem

Favna, povezana s temi viri ali odtoki, je zelo raznolika, razmerja med različnimi taksoni pa še niso povsem razumljena.

Med izoliranimi vrstami so tako bakterije kot arheje. Na primer, izolirali smo na primer arheje rodov Methanococcus, Methanopyus in termofilne anaerobne bakterije iz rodu Caminibacter.

Bakterije uspevajo v biofilmih, na katerih se hranijo več organizmov, kot so amfiped, copepods, polži, rakovice, rakovi, ribe in hobotnice.

Slika 5. Kozica iz rodu Rimicaris, prebivalci fumarolov. Vir: NOAA Okeanos Explorer Explorer, Mid-Cayman Rise Expedition 2011

Pogost scenarij so kopičenja školjk, Bathymodiolus thermophilus, dolga več kot 10 cm, grozdna razpoka v bazaltni lavi. Običajno jih spremljajo številni galateidni raki (Munidopsis subsquamosa).

Eden najbolj nenavadnih organizmov, ki ga najdemo, je tubeworm Riftia pachyptila, ki se lahko združuje v velikem številu in doseže velikosti blizu 2 metra.

Ti tubeworms nimajo ust, želodca ali anusa (torej nimajo prebavnega sistema); so popolnoma zaprta vreča, brez kakršnega koli odpiranja v zunanje okolje.

Slika 6. Kapljica Riftia pachyptila z anemoni in školjkami. Vir:
NOAA Okeanos Explorer Explorer, Galapagos Rift Expedition 2011

Svetlo rdeča barva pisala na konici je posledica prisotnosti zunajceličnega hemoglobina. Vodikov sulfid se prenaša po celični membrani, povezani z nitkami tega pluma, in prek zunajceličnega hemoglobina doseže specializirano "tkivo", imenovano trofosom, ki je v celoti sestavljeno iz simbiotskih kemosintetskih bakterij.

Za te gliste lahko rečemo, da imajo notranji "vrt" bakterij, ki se prehranjujejo z vodikovim sulfidom in zagotavljajo "hrano" črvu, izjemno prilagoditev.

Vroče puščave

Vroče puščave pokrivajo med 14 in 20% Zemljinega površja, približno 19-25 milijonov km.

Najbolj vroče puščave, kot so severna Afrika Sahara in puščave jugozahodne ZDA, Mehika in Avstralija, najdemo v celotnem tropu tako na severni kot južni polobli (med približno 10 ° in 30 ° 40 ° zemljepisne širine).

Vrste puščav

Opredelitvena značilnost vroče puščave je suhost. Po podnebni klasifikaciji Koppen-Geiger so puščave regije z letno količino padavin manj kot 250 mm.

Vendar so letne količine padavin lahko zavajajoč indeks, saj je izguba vode odločitev o vodnem proračunu.

Tako je opredelitev puščave v okoljskem programu Združenih narodov letni primanjkljaj vlage v normalnih podnebnih razmerah, kjer je potencialna evapotranspiracija (PET) petkrat večja od dejanskih padavin (P).

Visoka vsebnost PET je razširjena v vročih puščavah, ker se zaradi pomanjkanja oblačne oblačnosti sončno sevanje približa maksimumu v sušnih regijah.

Puščave lahko glede na stopnjo suhosti razdelimo na dve vrsti:

• Hiperidna: z indeksom aridnosti (P ​​/ PET) nižjim od 0,05.
• Agregati: z indeksom med 0,05 in 0,2.

Puščave ločimo od sušnih polsušnih zemljišč (P / PET 0,2-0,5) in od suhih podvlažnih (0,5-0,65).

Puščave imajo še druge pomembne lastnosti, kot so močna temperaturna nihanja in velika slanost njihovih tal.

Po drugi strani je puščava običajno povezana s sipinami in peskom, vendar ta slika ustreza le 15-20% vseh; kamnite in gorske pokrajine so najpogostejša puščavska okolja.

Primeri puščavskih termofilnih organizmov

Prebivalci puščav, ki so termofili, imajo vrsto prilagoditev, da se soočijo z neprijetnostmi, ki izvirajo iz pomanjkanja dežja, visokih temperatur, vetra, slanosti.

Kserofitne rastline so razvile strategije za preprečevanje potenja in shranjevanje čim več vode. Sočnost ali odebelitev stebel in listov je ena izmed najpogosteje uporabljenih strategij.

Razvidno je v družini Cactaceae, kjer so listi tudi spremenjeni v bodice, tako da preprečijo evapotranspiracijo in odganjajo rastlinojede.

Slika 7. Kaktus v Singapurskem botaničnem vrtu. Vir: Img Calvin Teo, z Wikimedia Commons

Rod Lithops ali kamnite rastline, ki izvira iz namibijske puščave, prav tako razvije sočnost, vendar v tem primeru rastlina zraste v tla, kamuflira se z okoliškimi kamni.

Slika 8. Lithops herrei kamnita puščava sočna rastlina. Vir: Stan Shebs, na botaničnem vrtu kalifornijske univerze

Po drugi strani živali, ki živijo v teh ekstremnih habitatih, razvijajo vse vrste prilagoditev, od fizioloških do etoloških. Tako imenovane kengurske podgane imajo na primer uriniranje z majhno količino in so te živali zelo učinkovite v svojem pomanjkljivem okolju.

Drugi mehanizem za zmanjšanje izgube vode je zvišanje telesne temperature; Na primer, telesna temperatura kamel v mirovanju se lahko poleti poveča s približno 34 ° C na več kot 40 ° C.

Temperaturne razlike so pri ohranjanju vode zelo pomembne za:

• Zvišana telesna temperatura pomeni, da se toplota shrani v telesu, namesto da se razprši z izhlapevanjem vode. Kasneje, ponoči, se lahko odvečna toplota izloči, ne da bi zapravili vodo.
• Dobitek toplote iz vročega okolja se zmanjša, ker se zmanjša temperaturni gradient.

Drug primer je peščena podgana (Psammomys obesus), ki je razvila prebavni mehanizem, ki jim omogoča, da se prehranjujejo le s puščavskimi rastlinami iz družine Chenopodiaceae, ki v listih vsebujejo velike količine soli.

Slika 9. Peščena podgana (Psammomys obesus). Vir: Gary L. Clark, iz Wikimedia Commons

Etološke (vedenjske) prilagoditve puščavskih živali so številne, a morda najbolj očitna pomeni, da je cikel aktivnosti in počitka obrnjen.

Na ta način te živali postanejo aktivne ob sončnem zahodu (nočna aktivnost) in prenehajo biti aktivne ob zori (dnevni počitek), zato njihovo aktivno življenje ne sovpada z najbolj vročimi urami.

Reference

1. Baker-Austin, C. in Dopson, M. (2007). Življenje v kislini: pH homeostaza v acidofilih. Trendi v mikrobiologiji 15, 165-171.
2. Berry, JA in Bjorkman, 0. (1980). Fotosintetski odziv in prilagajanje temperaturi v višjih obratih. Letni pregled fiziologije rastlin 31, 491-534.
3. Brock, TD (1978). Termofilni mikroorganizmi in življenje pri visokih temperaturah. Springer-Verlag, New York, 378 str.
4. Campos, VL, Escalante, G., Jafiez, J., Zaror, CA in Mondaca, AM (2009), Izolacija bakterij, ki oksidirajo arsenit, iz naravnega biofilma, povezanega z vulkanskimi kamninami puščave Atacama, Čile. Časopis za osnovno mikrobiologijo 49, 93–97.
5. Cary, CS, Shank, T. in Stein, J. (1998). Črvi se gnetejo pri ekstremnih temperaturah. Narava 391, 545–546.
6. Chevaldonne, P, Desbruyeres, D. in Childress, JJ (1992). Nekaterim je všeč vroče… in nekaterim je všeč tudi bolj vroče. Narava 359, 593–594.
7. Evenari, M., Lange, 01., Schulze, ED, Buschbom, U. in Kappen, L. (1975). Prilagodljivi mehanizmi v puščavskih rastlinah. V: Vemberg, FJ (ur.) Fiziološka prilagoditev okolju. Intext Press, Platteville, LISA, pp. 111–129.
8. Gibson, AC (1996). Strukturno-funkcijski odnosi toplih puščavskih rastlin. Springer, Heidelberg, Nemčija, 216 str.
9. Gutterman, Y. (2002). Strategije preživetja letnih puščavskih rastlin. Springer, Berlin, Nemčija, 368 str.
10. Lutz, RA (1988). Širjenje organizmov na globokomorskih hidrotermalnih zračnikih: pregled. Oceanologica Acta 8, 23–29.
11. Lutz, RA, Shank, TM, Fornari, DJ, Haymon, RM, Lilley, MD, Von Damm, KL in Desbruyeres, D. (1994). Hitra rast pri globokomorskih zračnikih. Narava 371, 663-664.
12. Rhoads, DC, Lutz, RA, Revelas, EC in Cerrato, RM (1981). Rast školjk na globokomorskih hidrotermalnih odprtinah vzdolž reke Galapagos. Znanost 214, 911–913.
13. Noy-Meir I. (1973). Puščavski ekosistemi: okolje in proizvajalci. Letni pregled ekoloških sistemov 4, 25–51.
14. Wiegel, J. in Adams, MWW (1998). Termofili: ključ do molekularne evolucije in nastanka življenja. Taylor in Francis, London, 346 str.