Cechy, typy i przykłady ekstremofilów



The ekstremofile są organizmami żyjącymi w ekstremalnych środowiskach, czyli takich, które oddalają się od warunków, w których żyje większość organizmów znanych ludziom..

Terminy „ekstremalny” i „ekstremofilny” są względnie antropocentryczne, ponieważ ludzie oceniają siedliska i ich mieszkańców, w zależności od tego, co byłoby uważane za ekstremalne dla naszego własnego istnienia.

Z tego względu to, co charakteryzuje ekstremalne środowisko, to to, że przedstawia ono warunki nie do zniesienia dla ludzi, dotyczące między innymi temperatury, wilgotności, zasolenia, światła, pH, dostępności tlenu, poziomów toksyczności..

Z perspektywy nieantropocentrycznej ludzie mogą być istotami ekstremofilnymi, w zależności od organizmu, który je oceniał. Na przykład z punktu widzenia ścisłego organizmu beztlenowego, dla którego tlen jest toksyczny, istoty tlenowe (jak ludzie) byłyby ekstremofilami. Dla człowieka, przeciwnie, organizmy beztlenowe są ekstremofilami.

Indeks

  • 1 Pochodzenie terminu „ekstremofile”
    • 1,1 R. D. Macelroy
  • 2 Charakterystyka środowisk ekstremalnych
  • 3 Rodzaje ekstremofili w skali zoologicznej
    • 3.1 Organizmy jednokomórkowe
    • 3.2 Organizmy wielokomórkowe
    • 3.3 Poli-ekstremofile
  • 4 Najczęstsze typy środowisk ekstremalnych
    • 4.1 Ekstremalne chłody
    • 4.2 Ekstremalne warunki cieplne
    • 4.3 Środowiska o ekstremalnym ciśnieniu
    • 4.4 Ekstremalne środowisko kwasowe i zasadowe
    • 4.5 Środowiska hipersalinowe i anoksyczne
    • 4.6 Środowisko o wysokim poziomie promieniowania
    • 4.7 Koniec antropogeniczny
  • 5 przejść i ekotonów
  • 6 Zwierzęta i rośliny z kilkoma etapami lub fazami
    • 6.1 Rośliny
    • 6.2 Zwierzęta
  • 7 referencji

Pochodzenie terminu „ekstremofile”

Obecnie definiujemy jako „skrajne” liczne środowiska wewnątrz i na zewnątrz planety Ziemia i nieustannie odkrywamy organizmy zdolne, nie tylko do przetrwania, ale także do powodzenia w wielu z nich.

R. D. Macelroy

W 1974 r. R. D. Macelroy zaproponował określenie „ekstremofile”, aby zdefiniować te organizmy, które wykazują optymalny wzrost i rozwój w ekstremalnych warunkach, w przeciwieństwie do organizmów mezofilnych, które rosną w środowiskach warunków pośrednich.

Według Macelroya:

„Extremófilo to opis organizmów zdolnych do zamieszkiwania w środowiskach wrogo nastawionych do mezofili lub organizmów, które rosną tylko w środowiskach pośrednich„.

Istnieją dwa podstawowe stopnie ekstremizmu w organizmach: te, które mogą tolerować ekstremalny stan środowiska i dominacja nad innymi; oraz te, które rosną i rozwijają się optymalnie w ekstremalnych warunkach.

Charakterystyka środowisk ekstremalnych

Wyznaczenie środowiska jako „ekstremalnego” reaguje na antropogeniczną konstrukcję, opartą na rozważeniu odległych końców linii podstawowej pewnego warunku środowiskowego (temperatura, zasolenie, między innymi promieniowanie), który pozwala przetrwać człowiekowi.

Jednak to określenie musi opierać się na pewnych cechach środowiska, z perspektywy organizmu, który je zamieszkuje (zamiast perspektywy ludzkiej).

Cechy te obejmują: biomasę, produktywność, różnorodność biologiczną (liczbę gatunków i reprezentację wyższych taksonów), różnorodność procesów w ekosystemach i szczególne dostosowania do środowiska danego organizmu.

Suma wszystkich tych cech oznacza skrajny stan środowiska. Na przykład ekstremalne środowisko to takie, które ogólnie przedstawia:

  • Niska biomasa i wydajność
  • Przewaga archaicznych form życia
  • Brak wyższych form życia
  • Brak fotosyntezy i wiązania azotu, ale zależność od innych szlaków metabolicznych i adaptacji fizjologicznych, metabolicznych, morfologicznych i / lub specyficznych dla cyklu życia.

Rodzaje ekstremofilów w skali zoologicznej

Organizmy jednokomórkowe

Termin ekstremofil często odnosi się do prokariotów, takich jak bakterie, i czasami jest używany zamiennie z Archeonem..

Istnieje jednak duża różnorodność organizmów ekstremofilnych, a nasza wiedza na temat różnorodności filogenetycznej w ekstremalnych siedliskach rośnie prawie codziennie.

Wiemy na przykład, że wszystkie hipertermofile (kochające ciepło) są członkami Archaea i Bakterii. Eukarionty są powszechne wśród psychrofili (miłośników zimna), acidofilów (miłośników niskiego pH), alkofilów (miłośników wysokiego pH), kserofilów (miłośników suchego środowiska) i halofilów (miłośników soli).

Organizmy wielokomórkowe

Organizmami wielokomórkowymi, takimi jak zwierzęta bezkręgowe i kręgowce, mogą być również ekstremofile.

Na przykład niektóre psychrofile obejmują niewielką liczbę żab, żółwi i węża, które w okresie zimowym unikają wewnątrzkomórkowego zamrażania w swoich tkankach, gromadząc osmolity w cytoplazmie komórkowej i umożliwiając zamrożenie tylko wody pozakomórkowej (zewnętrznej względem komórek).

Innym przykładem jest przypadek nicienia antarktycznego Panagrolaimus davidi, które mogą przetrwać zamrażanie wewnątrzkomórkowe (zamarzanie wody wewnątrz komórek), mogą rosnąć i rozmnażać się po rozmrożeniu.

Również ryby z rodziny Channichthyidae, mieszkańcy zimnych wód Antarktyki i południa kontynentu amerykańskiego, stosują białka przeciw zamarzaniu, aby chronić swoje komórki przed ich całkowitym zamarznięciem.

Poly-ekstremofile

Poli-ekstremofile to organizmy, które mogą przetrwać więcej niż jeden ekstremalny stan jednocześnie, dlatego są powszechne we wszystkich ekstremalnych środowiskach.

Na przykład rośliny pustynne, które przetrwają ekstremalne upały, ograniczoną dostępność wody i często wysokie zasolenie.

Innym przykładem mogą być zwierzęta zamieszkujące dno morskie, które są w stanie wytrzymać między innymi bardzo wysokie ciśnienie, takie jak brak światła i brak składników odżywczych..

Najczęstsze typy środowisk ekstremalnych

Tradycyjnie skrajności środowiskowe są definiowane w oparciu o czynniki abiotyczne, takie jak:

  • Temperatura.
  • Dostępność wody.
  • Ciśnienie.
  • pH.
  • Zasolenie.
  • Stężenie tlenu.
  • Poziomy promieniowania.

Podobnie ekstremofile opisywane są na podstawie ekstremalnych warunków, które to wspierają.

Najważniejsze środowiska ekstremalne, które możemy rozpoznać zgodnie z ich abiotycznymi warunkami, to:

Ekstremalne chłody

Ekstremalne chłody to takie, które są utrzymywane lub spadają często w okresach (krótkich lub długich) temperatur poniżej 5 ° C. Należą do nich słupy lądowe, regiony górskie i niektóre siedliska głębinowe. Nawet niektóre bardzo gorące pustynie w ciągu dnia mają bardzo niskie temperatury w nocy.

Istnieją inne organizmy, które żyją w kriosferze (gdzie woda jest w stanie stałym). Na przykład organizmy, które żyją w lodowych macierzach, wiecznej zmarzlinie, pod stałą lub okresową pokrywą śnieżną, muszą tolerować wiele skrajności, w tym chłód, wysychanie i wysokie poziomy promieniowania.

Ekstremalne warunki cieplne

Ekstremalnie gorące siedliska to te, które pozostają lub okresowo osiągają temperatury powyżej 40 ° C. Na przykład gorące pustynie, miejsca geotermalne i głębinowe kominy hydrotermalne.

Są one często związane z ekstremalnie wysokimi temperaturami, środowiska, w których dostępna woda jest bardzo ograniczona (uporczywie lub przez regularne okresy czasu), takie jak zimne i gorące pustynie oraz niektóre siedliska endolityczne (które znajdują się w skałach).

Środowiska o ekstremalnym ciśnieniu

Inne środowiska są narażone na wysokie ciśnienie hydrostatyczne, takie jak strefy denne oceanów i głębokie jeziora. Na tych głębokościach jego mieszkańcy muszą wytrzymać ciśnienie powyżej 1000 atmosfer.

Alternatywnie, w górach i innych wysokich regionach świata występują skrajności hipobaryczne (o niskim ciśnieniu atmosferycznym).

Ekstremalne kwasy i środowiska zasadowe

Ogólnie rzecz biorąc, bardzo kwaśne środowiska to takie, które utrzymują lub regularnie osiągają wartości poniżej pH 5.

W szczególności niskie pH zwiększa „ekstremalny” stan środowiska, ponieważ zwiększa rozpuszczalność obecnych metali, a żyjące w nich organizmy muszą być przystosowane do stawiania czoła wielu skrajnym abiotycznym.

I odwrotnie, ekstremalnie alkaliczne środowiska to takie, które pozostają lub regularnie rejestrują wartości pH powyżej 9..

Przykłady ekstremalnych środowisk pH obejmują jeziora, wody gruntowe i gleby, silnie kwaśne lub alkaliczne.

Środowiska hipersalinowe i anoksyczne

Środowiska hipersalinowe definiuje się jako te o stężeniu soli wyższym niż stężenia wody morskiej, która ma 35 części na tysiąc. Te środowiska obejmują hipersalinę i słone jeziora.

W przypadku „soli fizjologicznej” nie mówimy tylko o zasoleniu chlorkiem sodu, ponieważ mogą występować środowiska solankowe, w których przeważająca sól jest inną solą.

Siedliska z ograniczonym wolnym tlenem (niedotlenieniem) lub brakiem tlenu (beztlenowy), uporczywie lub w regularnych odstępach czasu, są również uważane za skrajne. Na przykład środowiska o takich cechach byłyby basenami beztlenowymi w oceanach i jeziorach oraz najgłębszymi warstwami osadów.

Wysokie środowisko promieniowania

Promieniowanie ultrafioletowe (UV) lub podczerwone (IR) może również nakładać ekstremalne warunki na organizmy. Ekstremalne warunki w promieniowaniu to te, które są narażone na nienormalnie wysokie promieniowanie lub promieniowanie poza normalnym zakresem. Na przykład środowisko polarne i duża wysokość (ziemska jako wodna).

Phaeocystis pouchetii

Niektóre gatunki wykazują mechanizmy wymijające wysokiego promieniowania UV lub IR. Na przykład wodorosty antarktyczne Phaeocystis pouchetii produkuje rozpuszczalne w wodzie „filtry przeciwsłoneczne”, które silnie absorbują długości fal UV-B (280–320 nm) i chronią komórki przed ekstremalnie wysokimi poziomami UV-B w górnych 10 m słupa wody (po łamanie lodu morskiego).

Deinococcus radiodurans

Inne organizmy są bardzo tolerancyjne na promieniowanie jonizujące. Na przykład bakteria Deinococcus radiodurans może zachować swoją integralność genetyczną poprzez kompensację rozległych uszkodzeń DNA po ekspozycji na promieniowanie jonizujące.

Bakteria ta wykorzystuje mechanizmy międzykomórkowe w celu ograniczenia degradacji i ograniczenia dyfuzji fragmentów DNA. Ponadto posiada wysoce wydajne białka do naprawy DNA.

Astyanax hubbsi

Nawet w środowiskach o niskim poziomie promieniowania lub bez promieniowania organizmy ekstremofilne są przystosowane do reagowania na zmiany poziomu promieniowania.

Na przykład, Astyanax hubbsi, ślepa meksykańska ryba zamieszkująca jaskinie, nie przedstawia powierzchownie dostrzegalnych struktur oka, a mimo to potrafi odróżnić małe różnice w świetle otoczenia. Wykorzystują pozagałkowe fotoreceptory do wykrywania i reagowania na bodźce wzrokowe w ruchu.

Końce antropogeniczne

Obecnie żyjemy w środowisku, w którym narzucone są ekstremalne warunki środowiskowe, sztucznie generowane w wyniku działalności człowieka.

Tak zwane środowiska o antropogenicznym oddziaływaniu są bardzo zróżnicowane, mają zasięg globalny i nie można ich dłużej ignorować przy definiowaniu pewnych ekstremalnych środowisk.

Na przykład środowiska dotknięte zanieczyszczeniami (atmosferycznymi, wodnymi i glebowymi) - jak zmiany klimatyczne i kwaśne deszcze -, wydobywanie zasobów naturalnych, zaburzenia fizyczne i nadmierna eksploatacja.

Przejścia i ekotony

Oprócz wspomnianych wyżej ekstremalnych środowisk, ziemscy ekolodzy zawsze byli świadomi szczególnej natury stref przejściowych między dwiema lub więcej zróżnicowanymi społecznościami lub środowiskami, takich jak linia drzew w górach lub granica między lasami a łąkami. , Są to tak zwane pasy napięcia lub ekotony.

Ekotony istnieją również w środowisku morskim, na przykład przejście między lodem a wodą reprezentowane przez krawędź lodu morskiego. Te strefy przejściowe zazwyczaj wykazują większą różnorodność gatunkową i gęstość biomasy niż społeczności oskrzydlające, głównie dlatego, że żyjące w nich organizmy mogą korzystać z zasobów sąsiednich środowisk, co może dać im przewagę.

Jednakże ekotony są ciągle zmieniającymi się i dynamicznymi regionami, które często wykazują szerszy zakres zmienności w warunkach abiotycznych i biotycznych w okresie rocznym niż sąsiednie środowiska.

Można to racjonalnie uznać za „ekstremalne”, ponieważ wymaga, aby organizmy stale dostosowywały swoje zachowanie, fenologię (czas sezonowy) i interakcje z innymi gatunkami.

Gatunki żyjące po obu stronach ekotonu są często bardziej tolerancyjne wobec dynamiki, podczas gdy gatunki, których zasięg jest ograniczony z jednej strony, doświadczają drugiej strony jako skrajnej.

Ogólnie rzecz biorąc, te strefy przejściowe są również często dotknięte zmianami klimatu i / lub zmian, zarówno naturalnych, jak i antropogenicznych.

Zwierzęta i rośliny z kilkoma etapami lub fazami

Środowiska są nie tylko dynamiczne, ale mogą być ekstremalne lub nie, ale organizmy są również dynamiczne i mają cykle życia o różnych etapach, dostosowane do określonych warunków środowiskowych.

Może się zdarzyć, że środowisko, które obsługuje jeden z etapów cyklu życiowego organizmu, jest ekstremalne dla innego etapu.

Rośliny

Na przykład kokos (Cocos nucifera), przedstawia nasienie przystosowane do transportu drogą morską, ale dojrzałe drzewo rośnie na lądzie.

W zarodnikowych roślinach naczyniowych, takich jak paprocie i różne rodzaje mchów, gametofit może być pozbawiony barwników fotosyntetycznych, nie ma korzeni i zależy od wilgotności środowiska.

Podczas gdy sporofity mają kłącza, korzenie i pąki, które wytrzymują warunki upałów i suchości w pełnym słońcu. Różnica między sporofitami a gametofitami jest taka sama, jak różnice między taksonami.

Zwierzęta

Bardzo bliskim przykładem są stadia młodzieńcze wielu gatunków, które na ogół nie tolerują środowiska, które zazwyczaj otacza dorosłego, dlatego zazwyczaj wymagają ochrony i opieki w okresie, w którym zdobywają potrzebne im umiejętności i mocne strony. pozwalają radzić sobie z tymi środowiskami.

Referencje

  1. Kohshima, S. (1984). Nowatorski odporny na zimno owad znaleziony w lodowcu Himalajów. Naturę 310, 225-227.
  2. Macelroy, R. D. (1974). Kilka uwag na temat ewolucji ekstremofili. Biosystems, 6 (1), 74-75. doi: 10.1016 / 0303-2647 (74) 90026-4
  3. Marchant, H.J., Davidson, A.T. i Kelly, G.J. (1991) Związki ochronne UV-B w algach morskich Phaeocystis pouchetti z Antarktydy. Marine Biology 109, 391-395.
  4. Oren, A. (2005). Sto lat Dunaliella badania: 1905-2005. Saline Systems 1, doi: 10.1186 / 1746-1448 -1 -2.
  5. Rothschild, L.J. i Mancinelli, R.L. (2001). Życie w ekstremalnych środowiskach. Nature 409, 1092-1101.
  6. Schleper, C., Piihler, G., Kuhlmorgen, B. i Zillig, W. (1995). Lite przy skrajnie niskim pH. Nature 375, 741-742.
  7. Storey, K.B. i Storey, J.M. (1996). Naturalne przeżycie zamrażania zwierząt. Annual Review of Ecology and Systematics 27, 365-386.
  8. Teyke, T. and Schaerer, S. (1994) Blind meksykańskie ryby jaskiniowe (Astyanax hubbsi) odpowiedział na ruchome bodźce wzrokowe. Journal of Experimental Biology 188, 89-1 () 1.
  9. Yancey, P.I., Clark, M.L., Eland, S.C., Bowlus R.D. i Somero, G.N. (1982). Życie ze stresem wodnym: ewolucja układów osmolitycznych. Science 217, 1214-1222.