ТЕРМОФИЛИ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, КЛАСИФИКАЦИЯ И СРЕДА - БИОЛОГИЯ - 2025

В термофилни са подвид на екстремофили характеризират с висока понасят температури между 50 ° С и 75 ° С, или тъй като тези стойности се поддържат температура в тези екстремни условия, или защото често достига.

Термофилните организми обикновено са бактерии или археи, обаче има метазои (еукариотни организми, които са хетеротрофни и тъкани), които също се развиват на горещи места.

Фигура 1. Пустинята Атакама в Чили, едно от най-сухите места в света. Източник: pixabay.com

Известно е също така, че морските организми, свързани в симбиоза с термофилни бактерии, могат да се адаптират към тези високи температури и освен това са разработили биохимични механизми като модифициран хемоглобин, висок обем на кръвта, който им позволява да понасят токсичността на сулфидите и съединенията. сяра.

Смята се, че термофилните прокариоти са първите прости клетки в еволюцията на живота и обитават места с вулканична активност и гейзери в океаните.

Примери за този тип термофилни организми са тези, които живеят в близост до хидротермални отвори или отвори на дъното на океаните, като метаногенни (метан-произвеждащи) бактерии и риатията паниптила Annelid.

Основните местообитания, където могат да се намерят термофили, са:

• Наземни хидротермални среди.
• Морски хидротермални среди.
• Горещи пустини.

Характеристики на термофилните организми

Температура: критичен абиотичен фактор за развитието на микроорганизми

Температурата е един от основните фактори на околната среда, който определя растежа и оцеляването на живите същества. Всеки вид има диапазон от температури, в рамките на който може да оцелее, но има оптимален растеж и развитие при специфични температури.

Скоростта на растеж на всеки организъм спрямо температурата може да бъде графично изразена, като се получат стойностите, съответстващи на важните критични температури (минимални, оптимални и максимални).

Минимални температури

При минимални температури на растеж на организма се наблюдава намаляване на течливостта на клетъчната мембрана и процесите на транспортиране и обмен на материали, като влизане на хранителни вещества и излизане на токсични вещества, могат да бъдат спрени.

Между минималната температура и оптималната температура се увеличава скоростта на растеж на микроорганизмите.

Оптимална температура

При оптимална температура метаболитните реакции протичат с възможно най-висока ефективност.

Максимална температура

Над оптималната температура се наблюдава намаляване на скоростта на растеж до максималната температура, която всеки организъм може да понася.

При тези високи температури структурни и функционални протеини като ензими се денатурират и инактивират, тъй като губят геометричната си конфигурация и особена пространствена конфигурация, цитоплазмената мембрана се разрушава и се получава термичен лизис или разкъсване поради ефекта на топлината.

Всеки микроорганизъм има своите минимални, оптимални и максимални температури за работа и развитие. Термофилите имат изключително високи стойности при тези три температури.

Отличителни характеристики на термофилните организми

• Термофилните организми имат високи темпове на растеж, но кратък живот.
• Те имат голямо количество дълговерижни наситени мазнини или липиди в клетъчната си мембрана; този вид наситени мазнини са способни да поемат топлина и да се превръщат в течно състояние при високи температури (топене), без да се разрушават.
• Структурните и функционалните му протеини са много стабилни срещу топлина (термостабилна), чрез ковалентни връзки и специални междумолекулни сили, наречени лондонски разсейващи сили.
• Те също имат специални ензими за поддържане на метаболитното функциониране при високи температури.
• Известно е, че тези термофилни микроорганизми могат да използват сулфидите и серните съединения в изобилие във вулканични райони като източници на хранителни вещества за превръщането им в органична материя.

Класификация на термофилните организми

Термофилните организми могат да бъдат разделени в три широки категории:

• Умерени термофили (оптимално между 50-60 ° C).
• Екстремни термофили (оптимално близо до 70 ° C).
• Хипертермофили (оптимално близо до 80 ° C).

Термофилни организми и техните среди

Наземни хидротермални среди

Хидротермалните обекти са изненадващо често срещани и широко разпространени. Те могат да бъдат широко разделени на такива, които са свързани с вулканични области, и такива, които не са.

Хидротермалната среда с най-високи температури обикновено се свързва с вулканични характеристики (калдери, разломи, тектонични граници на плочите, басейни на задната дъга), които позволяват на магмата да се издигне на дълбочина, където може да взаимодейства директно с подземните води Дълбок.

Фигура 2. Tatio Geysers, Atacama, Чили. Източник: Диего Делсо

Горещите точки също често са придружени от други характеристики, които затрудняват живота, като екстремни стойности на pH, органични вещества, химичен състав и соленост.

Следователно обитателите на земната хидротермална среда оцеляват при наличието на различни екстремни условия. Тези организми са известни като полиекстремофили.

Примери за организми, които обитават земна хидротермална среда

Организмите, принадлежащи и на трите домена (еукариотни, бактериални и археи) са идентифицирани в наземни хидротермални среди. Разнообразието на тези организми се определя главно от температурата.

Докато разнообразна гама от бактериални видове обитават умерено термофилна среда, фотоавтотрофите могат да доминират над микробната общност и да образуват макроскопични структури, подобни на "килим" или "килим".

Тези "фотосинтетични рогозки" присъстват на повърхността на повечето неутрални и алкални горещи извори (pH по-голямо от 7,0) при температури между 40-71 ° C, като установените цианобактерии са основните доминиращи производители.

Над 55 ° С, фотосинтетичните рогозки се обитават предимно от едноклетъчни цианобактерии като Synechococcus sp.

Бактерии

Фотосинтетичните микробни рогозки също могат да бъдат обитавани предимно от бактерии от родовете Chloroflexus и Roseiflexus, и двамата от групата Chloroflexales.

Когато са свързани с цианобактерии, видовете Chloreflexus и Roseiflexus растат оптимално при фотохетеротрофни условия.

Ако рН е кисел, родовете Acidiosphaera, Acidiphilium, Desulfotomaculum, Hydrogenobaculum, Methylokorus, Sulfobacillus Thermoanaerobacter, Thermodesulfobium и Thermodesulfator са често срещани.

В хипертермофилните източници (между 72-98 ° C) е известно, че фотосинтезата не се случва, което позволява преобладаването на хемолитоавтотрофни бактерии.

Тези организми принадлежат към вида Aquificae и са космополитични; те могат да окисляват водород или молекулна сяра с кислород като акцептор на електрон и да фиксират въглерод по пътя на редуциращата трикарбоксилова киселина (rTCA).

Arches

Повечето от култивираните и некултивирани археи, идентифицирани в неутрална и алкална термична среда, принадлежат към тила Crenarchaeota.

Видове като Thermofilum pendens, Thermosphaera agregans или Stetteria hydrogenophila Nitrosocaldus yellowstonii, пролиферират под 77 ° C и Thermoproteus neutrophilus, Vulcanisaeta distributa, Thermofilum pendens, Aeropyruni pernix, Desulfurococcus inrares, игрите с източник на игрите, източници на десулфурококфа, игрите и др.

В кисела среда се откриват археи от родовете: Sulfolobus, Sulurococcus, Metallosphaera, Acidianus, Sulphurisphaera, Picrophilus, Thermoplasma, Ondanocladium и Galdivirga.

евкариотни клетки

Сред еукариотите от неутрални и алкални източници могат да се посочат Thermomyces lanuginosus, Scytalidium thermophilum, Echinamoeba thermarum, Marininoeba thermophilia и Oramoeba funiarolia.

В кисели източници могат да бъдат открити родовете: Pinnularia, Cyanidioschyzon, Cyanidium или Galdieria.

Морски хидротермални среди

С температури от 2 ° С до над 400 ° С, налягания над няколко хиляди паунда на квадратен инч (psi) и високи концентрации на токсичен сероводород (pH от 2,8), дълбочинните хидротермални отвори са вероятно най-екстремните среди на нашата планета.

В тази екосистема микробите служат като дънна връзка в хранителната верига, извличайки енергията си от геотермална топлина и химикали, открити дълбоко във вътрешността на Земята.

Фигура 4. Хидротермални отдушници и тръбни червеи. Източник: photolib.noaa.gov

Примери за фауна, свързана с морска хидротермална среда

Фауната, свързана с тези източници или отвори, е много разнообразна и връзките между различните таксони все още не са напълно разбрани.

Сред изолираните видове са както бактериите, така и археите. Например, са изолирани археи от рода Methanococcus, Methanopyus и термофилни анаеробни бактерии от рода Caminibacter.

Бактериите процъфтяват в биофилми, с които се хранят множество организми като амфиподи, коподи, охлюви, скариди от раци, червеи, риби и октоподи.

Фигура 5. Скариди от рода Rimicaris, обитатели на фумароли. Източник: Програма на NOAA Okeanos Explorer, Средно-Кайманска експедиция 2011

Често срещан сценарий са натрупванията на мида, Bathymodiolus thermophilus с дължина над 10 см, струпване в пукнатини в базалтовата лава. Обикновено те са придружени от многобройни галатидни раци (Munidopsis subsquamosa).

Един от най-необичайните открити организми е тръбената рифатия пачиптила, която може да се групира в голям брой и да достигне размери, близки до 2 метра.

Тези тръбни червеи нямат уста, стомах или анус (тоест нямат храносмилателна система); те са напълно затворен сак, без отваряне към външната среда.

Фигура 6. Трубеният червей Riftia pachyptila с анемони и миди. Източник:

NOAA Okeanos Explorer Explorer, Galapagos Rift Expedition 2011

Яркочервеният цвят на писалката на върха се дължи на наличието на извънклетъчен хемоглобин. Сероводородът се транспортира през клетъчната мембрана, свързана с нишките на този шлейф, и чрез извънклетъчен хемоглобин достига до специализирана "тъкан", наречена трофосом, съставена изцяло от симбиотични хемосинтетични бактерии.

Може да се каже, че тези червеи имат вътрешна "градина" от бактерии, които се хранят със сероводород и осигуряват "храна" на червея, изключителна адаптация.

Горещи пустини

Горещите пустини покриват между 14 и 20% от земната повърхност, приблизително 19-25 милиона км.

Най-горещите пустини, като Сахара в Северна Африка и пустините от Югозападното САЩ, Мексико и Австралия, се срещат в тропиците както в северното, така и в южното полукълбо (между приблизително 10 ° и 30- 40 ° ширина).

Видове пустини

Определяща характеристика на горещата пустиня е сухотата. Според климатичната класификация на Копен-Гейгер пустините са региони с годишни валежи под 250 мм.

Годишните валежи обаче могат да бъдат подвеждащ индекс, тъй като загубата на вода е решение за бюджета на водата.

Така дефиницията на пустинната програма на Организацията на обединените нации е годишен дефицит на влага при нормални климатични условия, където потенциалната евапотранспирация (PET) е пет пъти по-голяма от реалните валежи (P).

Високият PET е разпространен в горещите пустини, тъй като поради липса на облачна покривка слънчевата радиация се приближава до максимума в засушливите райони.

Пустините могат да бъдат разделени на два вида според нивото им на сухота:

• Хипер-сух: с индекс на влажност (P / PET) по-малък от 0,05.
• Агрегати: с индекс между 0,05 и 0,2.

Пустините се разграничават от сухите полусухи земи (P / PET 0.2-0.5) и от подвлажни сухи земи (0,5-0,65).

Пустините имат и други важни характеристики, като силните температурни колебания и високата соленост на почвите им.

От друга страна, пустинята обикновено се свързва с дюни и пясък, но това изображение съответства само на 15-20% от всички тях; скалисти и планински пейзажи са най-честите пустинни среди.

Примери за пустинни термофилни организми

Жителите на пустините, които са термофили, имат редица адаптации, за да се справят с неприятностите, които възникват поради липсата на дъжд, високи температури, ветрове, соленост и други.

Ксерофитните растения са разработили стратегии за избягване на изпотяване и съхраняване на възможно най-много вода. Сукулентността или сгъстяването на стъблата и листата е една от най-използваните стратегии.

Това е очевидно в семейството на Cactaceae, където листата също са били модифицирани в шипове, както за предотвратяване на изпаряване, така и за отблъскване на тревопасните.

Фигура 7. Кактус в Сингапурската ботаническа градина. Източник: Img от Калвин Тео, от Wikimedia Commons

Родът Lithops или каменни растения, родом от Намибийската пустиня, също развива сочност, но в този случай растението расте на едно място със земята, камуфлирайки се с околните камъни.

Фигура 8. Lithops herrei - пустинно сочно растение. Източник: Stan Shebs, в Ботаническата градина в Калифорнийския университет

От друга страна, животните, които живеят в тези крайни местообитания, развиват всякакви адаптации, от физиологични до етологични. Например, така наречените кенгуру плъхове показват уриниране с малък обем и в малък брой, като по този начин тези животни са много ефективни в тяхната недостиг на вода среда.

Друг механизъм за намаляване на загубата на вода е повишаване на телесната температура; Например телесната температура на камилите в покой може да се повиши през лятото от около 34 ° C до над 40 ° C.

Температурните колебания са от голямо значение за опазването на водата за следното:

• Повишената телесна температура означава, че топлината се съхранява в тялото, вместо да се разсейва чрез изпаряване на водата. По-късно, през нощта, излишната топлина може да се изгони, без да се губи вода.
• Спечелването на топлина от горещата среда намалява, тъй като температурният градиент е намален.

Друг пример е пясъчният плъх (Psammomys obesus), който е разработил храносмилателен механизъм, който им позволява да се хранят само с пустинни растения от семейство Chenopodiaceae, които съдържат голямо количество соли в листата.

Фигура 9. Пясъчен плъх (Psammomys obesus). Източник: Гари Л. Кларк, от Wikimedia Commons

Етологичните (поведенчески) адаптации на пустинни животни са многобройни, но може би най-очевидната предполага, че цикълът на активност и почивка е обратен.

По този начин тези животни стават активни по залез (нощна активност) и престават да бъдат активни в зори (дневна почивка), като по този начин активният им живот не съвпада с най-горещите часове.

Препратки

1. Baker-Austin, C. and Dopson, M. (2007). Живот в киселина: рН хомеостаза в ацидофили. Тенденции в микробиологията 15, 165-171.
2. Berry, JA и Bjorkman, 0. (1980). Фотосинтетичен отговор и адаптиране към температурата във висшите растения. Годишен преглед на физиологията на растенията 31, 491-534.
3. Брок, TD (1978). Термофилни микроорганизми и живот при високи температури. Springer-Verlag, Ню Йорк, 378 стр.
4. Campos, VL, Escalante, G., Jafiez, J., Zaror, CA и Mondaca, AM (2009), Изолиране на окисляващи арсенит бактерии от естествен биофилм, свързан с вулканични скали на пустинята Атакама, Чили. Journal of Basic Microbiology 49, 93-97.
5. Cary, CS, Shank, T. и Stein, J. (1998). Червеите се забавляват при екстремни температури. Природа 391, 545-546.
6. Chevaldonne, P, Desbruyeres, D. and Childress, JJ (1992). Някои го харесват горещо… а някои го харесват още по-горещо. Природа 359, 593-594.
7. Evenari, M., Lange, 01., Schulze, ED, Buschbom, U. and Kappen, L. (1975). Адаптивни механизми в пустинните растения. Във: Vemberg, FJ (съст.) Физиологична адаптация към околната среда. Intext Press, Platteville, LISA, pp. 111-129.
8. Gibson, AC (1996). Структурно-функционални връзки на топлите пустинни растения. Спрингер, Хайделберг, Германия, 216 с.
9. Gutterman, Y. (2002). Стратегии за оцеляване на годишните пустинни растения. Спрингер, Берлин, Германия, 368 с.
10. Lutz, RA (1988). Разпръскване на организми в дълбоководни хидротермални отвори: преглед. Oceanologica Acta 8, 23-29.
11. Lutz, RA, Shank, TM, Fornari, DJ, Haymon, RM, Lilley, MD, Von Damm, KL и Desbruyeres, D. (1994). Бърз растеж при дълбоководни отвори. Природа 371, 663-664.
12. Rhoads, DC, Lutz, RA, Revelas, EC и Cerrato, RM (1981). Растеж на двучерупчести в дълбоководни хидротермални отвори по поречието на Галапагоския пролом. Science 214, 911-913.
13. Noy-Meir I. (1973). Пустинни екосистеми: околна среда и производители. Годишен преглед на екологичните системи 4, 25-51.
14. Wiegel, J. и Adams, MWW (1998). Термофили: ключовете за молекулярната еволюция и произхода на живота. Тейлър и Франсис, Лондон, 346 с.