EXTREMOPHILES: JELLEMZŐK, TÍPUSOK ÉS PÉLDÁK - BIOLÓGIA - 2025

Az extremopilek olyan szervezetek, amelyek extrém környezetben élnek, azaz azok, amelyek eltérnek azoktól a körülményektől, amelyekben az emberek által a legismertebb organizmusok élnek.

A "szélsőséges" és az "extremofil" kifejezések viszonylag antropocentrikusak, mivel az emberek az élőhelyeket és azok lakóit azért értékelik, hogy mi létezhetünk szélsőségesnek.

1. ábra. A Tardigrades, egy olyan menedékjog, amely ismert a nagyon durva környezetben való túlélésre. Forrás: Willow Gabriel, Goldstein Lab, a Wikimedia Commons segítségével

A fentiek miatt a szélsőséges környezetet az jellemzi, hogy elfogadhatatlan körülményeket teremt az emberek számára hőmérséklete, páratartalma, sósága, fénye, pH-ja, oxigénellátása, toxicitási szintje szempontjából.

Nem antropocentrikus szempontból az emberek extremofilek lehetnek, attól függően, hogy melyik organizmus értékelte őket. Például egy szigorúan anaerob organizmus szempontjából, amelyre az oxigén mérgező, az aerob lények (mint az emberek) extremofilek lehetnek. Az ember számára éppen ellenkezőleg, az anaerob organizmusok extremophiles.

Az "extrémofilek" kifejezés eredete

Jelenleg számos szélsőséges környezetet definiálunk a Föld bolygón és azon kívül, és folyamatosan felfedezzük azokat a organizmusokat, amelyek nemcsak túlélni tudják, hanem sokukban is széles körben virágzik.

RD Macelroy

RD Macelroy 1974-ben javasolta az "extrémofilek" kifejezést, hogy meghatározza ezeket az organizmusokat, amelyek extrém körülmények között optimális növekedést és fejlődést mutatnak, szemben a mezofil organizmusokkal, amelyek köztes körülmények között nőnek fel.

Macelroy szerint:

"Az extrémofília leíró szervek olyan szervezetek számára, amelyek képesek mezofilekkel szemben ellenséges környezetet megtenni, vagy olyan szervezetekre, amelyek csak a közepes környezetben növekednek."

A szervezetekben két alapvető szélsőségesség létezik: azok, amelyek tolerálják a szélsőséges környezeti feltételeket és dominálnak másokkal szemben; és azok, amelyek extrém körülmények között optimálisan növekednek és fejlődnek.

A szélsőséges környezetek jellemzői

A környezet "szélsőséges" -ként való megnevezése válaszol egy antropogén konstrukcióra, egy bizonyos környezeti állapot (többek között hőmérséklet, sós só, sugárzás) alapvonalainak távoli szélsőségeinek figyelembe vételével, amelyek lehetővé teszik az emberi túlélést.

Ennek a névnek azonban a környezet bizonyos tulajdonságain kell alapulnia, az ott élő szervezet szempontjából (nem pedig az emberi szempontból).

Ezek a jellemzők a következőket foglalják magukban: biomassza, termelékenység, biodiverzitás (a fajok száma és a magasabb taxonok ábrázolása), az ökoszisztémákban zajló folyamatok sokfélesége és a kérdéses szervezet környezetének sajátos adaptációja.

Mindezen jellemzők összesített összege a környezet extrém állapotát jelöli. Például egy extrém környezet az, amely általában bemutatja:

• Alacsony biomassza és termelékenység
• Az archaikus életformák túlnyomó része
• Magasabb életformák hiánya
• A fotoszintézis és a nitrogénrögzítés hiánya, de függőség más anyagcsere útvonalaktól és a specifikus élettani, anyagcsere, morfológiai és / vagy életciklus-adaptációktól.

Extrémofilek típusai az állattani skálán

Egysejtű organizmusok

Az extrémofil kifejezés gyakran prokariótákra, például baktériumokra utal, és néha felcserélhetően alkalmazandó Archaea-val.

Szélsőséges extrémofil organizmusok léteznek, és a szélsőséges élőhelyek filogenetikai sokféleségének ismerete szinte minden nap növekszik.

Tudjuk például, hogy minden hipertermofil (hő-szerelmes) az Archaea és a baktériumok tagjai. Az eukarióták a pszichofilek (a hideg kedvelői), az acidofilek (az alacsony pH-értéket kedvelők), az alkalofilek (a magas pH-értéket kedvelők), a xerofilek (a száraz környezet szerelmesei) és a halogénesek (a só szerelmesei) között gyakoriak.

2. ábra. Az Egyesült Államokban a Yellowstone Nemzeti Park meleg forrása, a fényes színek, amelyeket ezek a források kapnak, a termofil baktériumok szaporodásával kapcsolatosak. Forrás: Jim Peaco, a Nemzeti Park Szolgálata, a Wikimedia Commons segítségével

Többsejtű organizmusok

A többsejtű organizmusok, mint például a gerinctelen és gerinces állatok, extremophiilek is lehetnek.

Például néhány pszichofil közé tartozik néhány békák, teknősök és kígyó, amelyek télen elkerülik az intracelluláris fagyasztást a szövetekben, felhalmozódnak az ozmolitákra a sejt citoplazmájában és csak az extracelluláris víz fagyasztását teszik lehetővé (a sejteken kívül)..

Egy másik példa a Panagrolaimus davidi antarktiszi fonálféreg esete, amely képes megmaradni az intracelluláris fagyáson (a sejtekben lévő víz fagyasztása), és felolvadás után képes növekedni és szaporodni.

Ugyancsak a Channichthyidae család halai, az Antarktisz és az amerikai kontinens déli hideg vizeinek lakói fagyálló fehérjéket használnak, hogy megvédjék a sejteket a teljes fagyásuktól.

Poly-Extremophíies

A poli-extrémofilek olyan szervezetek, amelyek egyszerre több szélsőséges állapotot is képes túlélni, így minden szélsőséges környezetben általánosak.

Például a sivatagi növények, amelyek túlélik a szélsőséges hőt, valamint a korlátozott vízellátást és gyakran magas sótartalmat.

Egy másik példa a tengerfenékben élő állatok, amelyek képesek megbirkózni nagyon magas nyomásokkal, mint például a fényhiány és a tápanyagok hiánya.

A szélsőséges környezetek leggyakoribb típusai

A környezeti szélsőségeket hagyományosan abiotikus tényezők alapján határozzák meg, mint például:

• Hőfok.
• A víz rendelkezésre állása.
• Nyomás.
• pH.
• Sótartalom.
• Oxigénkoncentráció.
• Sugárzási szintek.

Az extrémofileket hasonló módon írják le az általuk elviselt szélsőséges körülmények alapján.

A legfontosabb extrém környezetek, amelyeket abiotikus körülményeik alapján felismerhetünk:

Rendkívül hideg környezet

Rendkívül hideg környezetek azok, amelyek 5 ° C alatti hőmérsékleten (rövid vagy hosszú ideig) gyakran fennállnak vagy gyakran esnek. Ide tartoznak a Föld pólusai, a hegyvidéki régiók és néhány mély óceáni élőhely. Még a nap folyamán néhány nagyon meleg sivatagban is nagyon alacsony a hőmérséklet.

Vannak más szervezetek is, amelyek a krioszférában élnek (ahol a víz szilárd állapotban van). Például a jégmátrixokban, örökké fagyos, állandó vagy időszakos hótakarás alatt élő organizmusoknak sok szélsőséget kell tolerálniuk, ideértve a hideget, a kiszáradást és a magas szintű sugárzást.

Extrém hőviszonyok

Rendkívül forró élőhelyek azok, amelyek 40 ° C feletti hőmérsékletet megtartanak vagy időszakonként elérik. Például forró sivatagok, geotermikus helyek és mélytengeri hidrotermikus szellőzők.

Gyakran társulnak szélsőségesen magas hőmérsékletekkel, olyan környezetekkel, ahol a rendelkezésre álló víz nagyon korlátozott (állandóan vagy rendszeres időtartamra), például forró és hideg sivatagok, valamint néhány endolit élőhely (amelyek a sziklákban helyezkednek el).

Extrém nyomásviszonyok

Más környezetek - például az óceánok és a mély tavak bentikus zónái - magas hidrosztatikus nyomásnak vannak kitéve. Ezen a mélységben a lakosoknak ki kell bírniuk az 1000 légkört meghaladó nyomást.

Alternatív megoldásként vannak hipobarikus szélsőségek (alacsony légköri nyomás) a hegyekben és a világ többi megemelt régiójában.

3. ábra. Tengeri fumarolok vagy hidrotermikus szellőzők. Példa egy extrém környezetre, amelyet egy egész közösség él, ahol magas a nyomás és a hőmérséklet, valamint a kénkibocsátás. Forrás: NOAA, a Wikimedia Commonson keresztül

Extrém savas és lúgos környezet

Általában a rendkívül savas környezetek azok, amelyek fenntartják vagy rendszeresen elérik a pH 5 értéket.

Különösen az alacsony pH-érték növeli a környezet „szélsőséges” állapotát, mivel növeli a jelen lévő fémek oldhatóságát, és az abban élő organizmusokat alkalmazni kell a többszörös abiotikus szélsőségekkel szemben.

Ezzel szemben a rendkívül lúgos környezetek azok, amelyek megtartják vagy rendszeresen regisztrálják a 9-nél nagyobb pH-értéket.

A szélsőséges pH-értékű környezetre példa a tavak, a talajvíz és az erősen savas vagy lúgos talaj.

4. ábra: A törpe homár (Munidopsis polymorpha), egy barlanglakó és a Kanári-szigetek Lanzarote szigetére endemikus. Az ilyen típusú szélsőséges barlangkörnyezethez jellemző tipikus alkalmazkodások között szerepel a méret csökkentése, a sápadtság és a vakság. Forrás: flickr.com/photos//5582888539

Hypersaline és anoxikus környezet

A szuperszint környezetet olyan környezetként definiálják, amelynek sókoncentrációja nagyobb, mint a tengervíz sókoncentrációja, amelyben ezer 35 rész van. Ezek a környezetek magukban foglalják a hiperszin és a sós tagokat.

A "sóoldattal" nem csak a nátrium-klorid miatti sótartalomra utalunk, mivel vannak olyan sós környezetek, ahol az uralkodó só valami más.

5. ábra: A víz rózsaszínű színe a Salina Las Cumaraguas faluban, Falcón államban, Venezuela. A rózsaszínű szín a Dunaliella salina nevű alga terméke, amely képes ellenállni a sóoldatban lévő magas nátrium-klorid-koncentrációknak. Forrás: HumbRios, a Wikimedia Commonsból

Azon élőhelyeket, ahol korlátozott mennyiségű szabad oxigén (hipoxiás) vagy nincs jelen oxigén (anoxikus), sem állandóan, sem rendszeres időközönként, szélsőségesnek tekintik. Ilyen jellemzőkkel rendelkező környezet például az óceánok és tavak anoxikus medencéi és a mélyebb üledékrétegek lehetne.

6. ábra. Artemia monica, egy rákfélék, amelyek Mono-tóban élnek Kaliforniában (USA), sós környezetben (nátrium-hidrogén-karbonát) és magas pH-val. Forrás: photolib.noaa.gov

Magas sugárzású környezet

Az ultraibolya (UV) vagy infravörös (IR) sugárzás szélsőséges körülményeket is kivethet az organizmusokra. A szélsőséges sugárzási környezetek azok, amelyek abnormálisan magas sugárzásnak vagy a normál tartományon kívüli sugárzásnak vannak kitéve. Például sarki és nagy tengerszint feletti magassági (szárazföldi és vízi) környezet.

Phaeocystis pouchetii

Néhány faj a nagy UV vagy IR sugárzás kitérő mechanizmusait mutatja. Például az Antarktiszi tengeri moszat Phaeocystis pouchetii olyan vízoldható "napvédőket" állít elő, amelyek erősen elnyelik az UV-B hullámhosszokat (280-320 nm), és védik sejtjeit 10 méteren belül a rendkívül magas UV-B szinttől. felső vízoszlop (a tengeri jégtörés után).

Deinococcus radiodurans

Más szervezetek nagyon toleránsak az ionizáló sugárzással szemben. Például a Deinococcus radiodurans baktérium megőrizheti genetikai integritását azáltal, hogy az ionizáló sugárzásnak való kitettség után kompenzálja a kiterjedt DNS-károsodást.

Ez a baktérium az intercelluláris mechanizmusokat használja a degradáció és a DNS-fragmensek diffúziójának korlátozására. Ezen felül rendkívül hatékony DNS-javító fehérjékkel rendelkezik.

Astyanax hubbsi

Az extrémfóliás organizmusok még látszólag alacsony sugárterhelésű környezetben is, vagy anélkül, hogy reagálnak a sugárzási szint változására.

Például az Astyanax hubbsi, egy mexikói barlanglakó vakbél, nem rendelkezik felületesen érzékelhető szemszerkezettel, mégis megkülönbözteti a környezeti fény kis eltéréseit. Extraokuláris fotoreceptorokat használnak a mozgó vizuális ingerek felismerésére és azokra reagálásra.

7. ábra. Az Astyanax nemzetség vak vakjai, barlanglakó. Forrás: Shizhao, a Wikimedia Commonsból

Antropogén szélsőségek

Jelenleg olyan környezetben élünk, ahol szélsőséges környezeti feltételeket vetnek fel, amelyeket mesterségesen generálnak az emberi tevékenységek hatására.

Az úgynevezett antropogén hatáskörnyezetek rendkívül változatosak, globálisak, és bizonyos szélsőséges környezetek meghatározásakor már nem hagyhatók figyelmen kívül.

Például a környezetszennyezés (légköri, víz és talaj) - például az éghajlatváltozás és savas esők -, a természeti erőforrások kinyerése, a fizikai zavarok és a túlzott kiaknázás.

Átmenetek és ökotonok

A fent említett szélsőséges környezeteken kívül a szárazföldi ökológusok mindig is tisztában voltak a két vagy több különféle közösség vagy környezet közötti átmeneti zónák sajátosságával, például a hegyvidéki fák vonalával vagy az erdők és a gyep közötti határral.. Ezeket feszítőszalagoknak vagy ökotonnak hívják.

Az ökotonok a tengeri környezetben is léteznek, például a jég és a víz közötti átmenet a tengeri jég széle által képviselt. Ezek az átmeneti zónák jellemzően nagyobb fajdiverzitást és biomassza-sűrűséget mutatnak, mint a szomszédos közösségek, főleg azért, mert az azokban élő szervezetek kihasználhatják a szomszédos környezetek erőforrásait, ami előnyt jelenthet számukra.

Az ökotonok azonban folyamatosan változnak és dinamikus régiók, gyakran az abiotikus és biotikus körülmények egy évtizedes eltéréseinek szélesebb spektrumát mutatják, mint a szomszédos környezetek.

Ezt ésszerűen "szélsőségesnek" lehet tekinteni, mert megköveteli az organizmusok viselkedésének, fenológiájának (szezonális időjárási viszonyok) és más fajokkal való kölcsönhatások folyamatos alkalmazkodását.

Az ökoton mindkét oldalán élő fajok gyakran jobban tolerálják a dinamikát, míg azok a fajok, amelyeknek egyik oldalára korlátozódik, a másik oldalt szélsőségesnek tartják.

Általában véve ezeket az átmeneti övezeteket gyakran elsőként érintik az éghajlati változások és / vagy a természetes és antropogén éghajlati zavarok.

Állatok és növények különböző stádiumokban vagy fázisokban

Nem csak a környezet dinamikus, és lehet, hogy nem is szélsőséges, hanem az organizmusok is dinamikusak, és életciklusuk különböző stádiumú, az adott környezeti körülményekhez igazítva.

Előfordulhat, hogy a környezet, amely egy szervezet életciklusának egyik szakaszát támogatja, extrém egy másik szakaszban.

Növények

Például a kókuszdió (Cocos nucifera) magja tengeri szállításra alkalmas, de az érett fa szárazföldön nő.

A spórát hordozó vaszkuláris növényekben, például páfrányokban és különféle mohafélékben a gametofitától mentes lehet a fotoszintézisű pigmentek, nincs gyökere és a környezeti páratartalomtól függ.

Míg a sporofiták rizómái, gyökerei és hajtásai teljes napsütésben ellenállnak a forró és száraz feltételeknek. A sporofiták és a gametofiták közötti különbség ugyanolyan sorrendben van, mint a taxonok közötti különbség.

állatok

Egy nagyon közeli példát számos faj fiatalkori stádiumai képeznek, amelyek általában nem tolerálják a felnőttet általában körülvevő környezetet, tehát általában védelemre és gondozásra van szükségük abban az időszakban, amelyben képességeiket és erősségeiket elsajátítják. engedje meg, hogy kezelje ezeket a környezeteket.

Irodalom

1. Kohshima, S. (1984). Új, hidegen toleráló rovar, amelyet egy himalájai gleccseren találtak. Nature 310, 225-227.
2. Macelroy, RD (1974). Néhány megjegyzés az extrémfilek alakulásáról. Biosystems, 6. (1), 74–75. doi: 10.1016 / 0303-2647 (74) 90026-4
3. Marchant, HJ, Davidson, AT és Kelly, GJ (1991) UV-B védő vegyületek az Antarktiszból származó Phaeocystis pouchetti tengeri algákban. Marine Biology 109, 391-395.
4. Oren, A. (2005). Száz éves Dunaliella kutatás: 1905-2005. Saline Systems 1, doi: 10.1186 / 1746-1448 -1 -2.
5. Rothschild, LJ és Mancinelli, RL (2001). Élet szélsőséges környezetben. Nature 409, 1092-1101.
6. Schleper, C., Piihler, G., Kuhlmorgen, B. és Zillig, W. (1995). Lite nagyon alacsony pH-n. Nature 375, 741-742.
7. Storey, KB és Storey, JM (1996). Természetes fagyos túlélés az állatokban. Az ökológia és szisztematika éves áttekintése 27, 365-386.
8. Teyke, T. és Schaerer, S. (1994) A vak mexikói barlanghal (Astyanax hubbsi) reagál a mozgó vizuális ingerekre. Journal of Experimental Biology 188, 89-1 () 1.
9. Yancey, PI I., Clark, ML, Eland, SC, Bowlus RD és Somero, GN (1982). Vízstressz mellett élni: az ozmolita rendszerek fejlődése. Science 217, 1214-1222.