ЕКСТРЕМОФИЛИ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ВИДОВЕ И ПРИМЕРИ - БИОЛОГИЯ - 2025

На екстремофили са организми, които живеят в екстремни условия, т.е. тези, които се отклоняват от условията, в които живеят най-известни организми от хора.

Термините „екстремен“ и „екстремофил“ са сравнително антропоцентрични, защото ние хората оценяваме местообитанията и техните обитатели въз основа на това, което би се считало за крайно за собственото ни съществуване.

Фигура 1. Tardigrades, Phylum, известен със своята способност да оцелява в много груби среди. Източник: Уилоу Габриел, лаборатория Голдщайн, чрез Wikimedia Commons

Поради горепосоченото, това, което характеризира екстремната среда е, че тя представя непоносими условия за хората по отношение на температурата, влажността, солеността, светлината, pH, наличността на кислород, нивата на токсичност, наред с други.

От не-антропоцентрична гледна точка, хората могат да бъдат екстремофили, в зависимост от организма, който ги е оценил. Например от гледна точка на строг анаеробен организъм, за който кислородът е токсичен, аеробните същества (като хората) биха били екстремофили. За човека, напротив, анаеробните организми са екстремофили.

Произход на термина "екстремофили"

В момента ние определяме като "екстремни" многобройни среди вътре и извън планетата Земя и постоянно откриваме организми, способни не само да оцелеят, но и да процъфтяват в голяма част от тях.

RD Macelroy

През 1974 г. RD Macelroy предлага термина „Extremophiles“, за да определи тези организми, които проявяват оптимален растеж и развитие при екстремни условия, за разлика от мезофилните организми, които растат в среда с междинни условия.

Според Macelroy:

„Екстремофилът е описателен за организмите, способни да населят среда, враждебна на мезофили, или организми, които растат само в междинна среда.“

Има две основни степени на екстремизъм в организмите: тези, които могат да понасят екстремни условия на околната среда и да станат доминиращи над другите; и тези, които растат и се развиват оптимално при екстремни условия.

Характеристики на екстремните среди

Определението на среда като „екстремна“ отговаря на антропогенна конструкция, основаваща се на отчитането на отдалечените крайности на изходната линия на определено състояние на околната среда (температура, соленост, радиация и др.), Което позволява оцеляване на човека.

Това име обаче трябва да се основава на определени характеристики на среда, от гледна точка на организма, който я обитава (а не от човешката гледна точка).

Тези характеристики включват: биомаса, производителност, биоразнообразие (брой видове и представителство на по-високи таксони), разнообразие от процеси в екосистемите и специфични адаптации към околната среда на въпросния организъм.

Общата сума на всички тези характеристики означава екстремното състояние на околната среда. Например, екстремната среда е тази, която обикновено представя:

• Ниска биомаса и производителност
• Преобладаване на архаични форми на живот
• Отсъствие на по-високи форми на живот
• Липса на фотосинтеза и азотна фиксация, но зависимост от други метаболитни пътища и специфични физиологични, метаболитни, морфологични и / или адаптации на жизнения цикъл.

Видове екстремофили в зоологичната скала

Едноклетъчни организми

Терминът Extremophilic често се отнася до прокариоти, като бактерии и понякога се използва взаимозаменяемо с Archaea.

Въпреки това, има голямо разнообразие от екстремофилни организми и познанията ни за филогенетичното разнообразие в екстремните местообитания се увеличават почти всеки ден.

Знаем например, че всички хипертермофили (любители на топлината) са членове на Архея и Бактерии. Еукариотите са често срещани сред психрофилите (любители на студа), ацидофилите (любителите на ниското pH), алкалофилите (любителите на високото pH), ксерофилите (любителите на сухата среда) и халофилите (любителите на солта).

Фигура 2. Гореща изворка в Националния парк Йелоустоун в САЩ, ярките цветове, които тези извори придобиват, са свързани с разпространението на термофилни бактерии. Източник: Jim Peaco, Национален парк, чрез Wikimedia Commons

Многоклетъчни организми

Многоклетъчните организми като безгръбначни и гръбначни животни също могат да бъдат екстремофили.

Например, някои психрофили включват малък брой жаби, костенурки и змия, които през зимата избягват вътреклетъчното замръзване в тъканите си, натрупват осмолити в клетъчната цитоплазма и позволяват замразяването само на извънклетъчна вода (външна за клетките), Друг пример е случаят с антарктическата нематода Panagrolaimus davidi, който може да преживее вътреклетъчното замръзване (замръзване на водата в клетките си), като може да расте и да се размножава след размразяване.

Също така рибите от семейство Channichthyidae, обитатели на студените води на Антарктида и на юг от американския континент, използват протеини против замръзване, за да защитят клетките си от пълното им замразяване.

Poly-екстремофили

Поли-екстремофилите са организми, които могат да преживеят повече от едно изключително състояние едновременно, като по този начин са често срещани във всички екстремни среди.

Например, пустинни растения, които преживяват екстремните горещини, както и ограничената наличност на вода и често висока соленост.

Друг пример са животните, които живеят на морското дъно, които са способни да издържат на изключително високо налягане, като липса на светлина и липса на хранителни вещества.

Най-често срещаните видове екстремни среди

Екологичните крайности традиционно се определят въз основа на абиотични фактори, като например:

• Температура.
• Наличие на вода.
• Налягане.
• рН.
• Соленост.
• Концентрация на кислород.
• Нива на радиация.

Екстремофилите са описани по подобен начин въз основа на екстремните условия, които издържат.

Най-важните екстремни среди, които можем да разпознаем според техните абиотични условия са:

Изключително студена среда

Изключително студена среда е тази, която често се задържа или пада за периоди (кратки или дълги) температури под 5 ° C. Те включват земните полюси, планинските райони и някои дълбоки местообитания на океана. Дори някои много горещи пустини през деня имат много ниски температури през нощта.

Има и други организми, които живеят в криосферата (където водата е в твърдо състояние). Например организмите, които живеят в ледени матрици, вечна замръзване, под постоянни или периодични снежни покрития, трябва да толерират множество крайности, включително студ, изсушаване и високи нива на радиация.

Екстремни топлинни среди

Изключително горещите местообитания са тези, които остават или периодично достигат температури над 40 ° C. Например горещи пустини, геотермални обекти и дълбоководни хидротермални отвори.

Те често се свързват с екстремно високи температури, среди, където наличната вода е много ограничена (постоянно или за редовни периоди от време), като горещи и студени пустини, както и някои ендолитни местообитания (които са разположени в скалите).

Екстремни среди под налягане

Други среди са подложени на високо хидростатично налягане, като бентосните зони на океаните и дълбоките езера. На тези дълбочини жителите му трябва да издържат на налягане, по-голямо от 1000 атмосфери.

Алтернативно, има хипобарични крайности (с ниско атмосферно налягане), в планините и в други повишени региони на света.

Фигура 3. Морски фумароли или хидротермални отвори. Пример за екстремна среда, обитавана от цяла общност от организми, в които има високо налягане и температура, както и изпускане на сяра. Източник: NOAA, чрез Wikimedia Commons

Изключително кисели и алкални среди

По принцип изключително киселинните среди са тези, които поддържат или редовно достигат стойности под pH 5.

По-специално ниското pH повишава „екстремното“ състояние на околната среда, тъй като увеличава разтворимостта на присъстващите метали и организмите, които живеят в тях, трябва да бъдат адаптирани да се изправят пред множество абиотични крайности.

Обратно, изключително алкални среди са тези, които остават или редовно регистрират стойности на pH над 9.

Примерите за екстремни pH среди включват езера, подземни води и силно кисели или алкални почви.

Фигура 4. Джуджето омар (Munidopsis polymorpha), обитател на пещерата и ендемик на остров Лансароте, Канарските острови. Сред типичните адаптации към този тип екстремни пещерни среди са: намаляване на размера, бледност и слепота. Източник: flickr.com/photos//5582888539

Хиперсалинова и аноксична среда

Хиперсалиновата среда се дефинира като концентрация на сол, по-голяма от тази на морската вода, която има 35 части на хиляда. Тези среди включват хиперсалин и солени езера.

С "физиологичен разтвор" не се говори за соленост поради натриев хлорид, тъй като може да има физиологични среди, където преобладаващата сол е нещо друго.

Фигура 5. Розово оцветяване на водата в Salina Las Cumaraguas, държава Falcón във Венецуела. Розовото оцветяване е продукт на водорасло, наречено Dunaliella salina, способно да устои на високи концентрации на натриев хлорид, присъстващ в физиологичен разтвор. Източник: HumbRios, от Wikimedia Commons

Местообитанията с ограничен свободен кислород (хипоксичен) или без кислород (аноксичен), постоянно или през равни интервали, също се считат за крайни. Например среди с тези характеристики биха били аноксичните басейни в океаните и езерата и по-дълбоките слоеве на утайката.

Фигура 6. Artemia monica, ракообразен, който живее в езерото Mono, в Калифорния (САЩ), физиологична среда (натриев бикарбонат) и високо pH. Източник: photolib.noaa.gov

Среди с висока радиация

Ултравиолетовото (UV) или инфрачервено (IR) излъчване също може да наложи екстремни условия на организмите. Екстремалните радиационни среди са тези, изложени на необичайно висока радиация или радиация извън нормалните граници. Например полярна среда и среда с голяма надморска височина (сухоземни и водни).

Phaeocystis pouchetii

Някои видове показват уклончиви механизми на високо UV или ИЧ лъчение. Например, морските водорасли на Антарктида Phaeocystis pouchetii произвежда водоразтворими „слънцезащитни кремове“, които силно абсорбират дължини на вълните от UV-B (280-320nm) и защитават клетките му от изключително високи нива на UV-B в рамките на 10 m. горен воден стълб (след почивка на морски лед).

Deinococcus radiodurans

Други организми са много толерантни към йонизираща радиация. Например, бактерията Deinococcus radiodurans може да запази генетичната си цялост чрез компенсиране на широко увреждане на ДНК след излагане на йонизиращо лъчение.

Тази бактерия използва междуклетъчни механизми за ограничаване на разграждането и ограничаване на дифузията на ДНК фрагменти. В допълнение, той има високоефективни протеини за възстановяване на ДНК.

Astyanax hubbsi

Дори в среда с явно ниско или никакво излъчване, екстремофилните организми са адаптирани да реагират на промените в нивата на радиация.

Например, Astyanax hubbsi, мексиканска пещера, в която живеят пещери, няма повърхностно осезаеми очни структури, но въпреки това може да различи малки разлики в околната светлина. Те използват екстраокуларни фоторецептори за откриване и реагиране на движещи се зрителни стимули.

Фигура 7. Сляпа риба от род Astyanax, обитател на пещерата. Източник: Shizhao, от Wikimedia Commons

Антропогенни крайности

В момента живеем в среда, в която са наложени екстремни условия на околната среда, изкуствено генерирани като ефект от човешките дейности.

Така наречените антропогенни въздействащи среди са изключително разнообразни, глобални по обхват и вече не могат да бъдат игнорирани при определяне на определени екстремни среди.

Например, среда, засегната от замърсяване (атмосферни, водни и почвени) - като изменение на климата и киселинен дъжд - добив на природни ресурси, физически смущения и свръхексплоатация.

Преходи и екотони

В допълнение към гореспоменатите екстремни среди, наземните еколози винаги са били запознати със специалния характер на преходните зони между две или повече разнообразни общности или среди, като например дървесната линия в планините или границата между горите и тревите., Те се наричат ​​колани за напрежение или екотони.

Екотоните съществуват и в морската среда, например преходът между лед и вода, представен от ръба на морския лед. Тези преходни зони обикновено показват по-голямо разнообразие на видовете и плътност на биомасата в сравнение с фланговите общности, до голяма степен защото организмите, които живеят в тях, могат да се възползват от ресурсите на съседната среда, което може да им даде предимство.

Въпреки това, екотоните са непрекъснато променящи се и динамични региони, често показват по-широк диапазон на вариации в абиотични и биотични условия за годишен период от съседната среда.

Това основателно може да се счита за „екстремно“, тъй като изисква от организмите непрекъснато да адаптират поведението си, фенологията (сезонно време) и взаимодействията с други видове.

Видовете, които живеят от двете страни на екотона, често са по-толерантни към динамиката, докато видовете, чийто обхват е ограничен до едната страна, преживяват другата страна като екстремна.

По принцип тези преходни зони също често са първи, които са засегнати от промени в климата и / или смущения, както естествени, така и антропогенни.

Животни и растения с различни етапи или фази

Не само че средите са динамични и могат да бъдат или да не са екстремни, но организмите също са динамични и имат жизнени цикли с различни етапи, адаптирани към конкретните условия на околната среда.

Може да се случи средата, която поддържа един от етапите на жизнения цикъл на организма, да е екстремна за друг от етапите.

Растения

Например, кокосът (Cocos nucifera) има семена, пригодени за транспортиране по море, но зрелото дърво расте на сушата.

В съдоносните съдови растения, като папрати и различни видове мъхове, гаметофитът може да бъде лишен от фотосинтетични пигменти, да няма корени и да зависи от влажността на околната среда.

Докато спорофитите имат коренища, корени и издънки, които издържат на горещи и сухи условия при пълна слънчева светлина. Разликата между спорофитите и гаметофитите е в същия ред като разликите между таксоните.

Животни

Много близък пример са съставени от младежките етапи на много видове, които по принцип имат непоносимост към околната среда, която обикновено заобикаля възрастния, така че те обикновено се нуждаят от защита и грижи през периода, през който придобиват уменията и силните страни, които им позволяват. позволяват да се справят с тези среди.

Препратки

1. Кохшима, С. (1984). Новостно студоустойчиво насекомо, открито в хималайски ледник. Природа 310, 225-227.
2. Macelroy, RD (1974). Някои коментари за еволюцията на екстрифилите. Биосистеми, 6 (1), 74–75. doi: 10.1016 / 0303-2647 (74) 90026-4
3. Marchant, HJ, Davidson, AT и Kelly, GJ (1991) UV-B защитаващи съединения в морските водорасли Phaeocystis pouchetti от Антарктида. Морска биология 109, 391-395.
4. Орен, А. (2005). Сто години изследвания на Dunaliella: 1905-2005. Солеви системи 1, дои: 10.1186 / 1746-1448 -1 -2.
5. Rothschild, LJ и Mancinelli, RL (2001). Живот в екстремни среди. Природа 409, 1092-1101.
6. Schleper, C., Piihler, G., Kuhlmorgen, B. and Zillig, W. (1995). Lite при изключително ниско pH. Природа 375, 741-742.
7. Storey, KB и Storey, JM (1996). Естествено оцеляване при замръзване при животни. Годишен преглед на екологията и систематиката 27, 365-386.
8. Teyke, T. и Schaerer, S. (1994) Сляпа мексиканска пещерна риба (Astyanax hubbsi) реагира на движещи се зрителни стимули. Journal of Experimental Biology 188, 89-1 () 1.
9. Yancey, PI I., Clark, ML, Eland, SC, Bowlus RD и Somero, GN (1982). Живот с воден стрес: еволюция на осмолитни системи. Наука 217, 1214-1222.