TERMOFILEK: JELLEMZŐK, OSZTÁLYOZÁS ÉS KÖRNYEZETEK - BIOLÓGIA - 2026

A termofil az extremophiles altípusa, amelyet magas tolerációs hőmérséklet jellemez 50-50 ° C között, akár azért, mert ezeket az értékeket ezen a szélsőséges környezetben fenntartják a hőmérséklet, akár azért, mert gyakran elérik a hőmérsékletet.

A termofil organizmusok általában baktériumok vagy archaea, azonban vannak metazoanok (heterotróf és szöveti eukarióta szervezetek), amelyek forró helyeken is kialakulnak.

1. ábra: Atacama sivatag, Chile, a világ egyik legszárazabb helye. Forrás: pixabay.com

A tengeri szervezetekről szintén ismert, hogy a termofil baktériumokkal szimbiózisban alkalmazkodva képesek alkalmazkodni ezekhez a magas hőmérsékletekhez, és kifejlesztettek olyan biokémiai mechanizmusokat is, mint például módosított hemoglobin, magas vérmennyiség, amelyek többek között lehetővé teszik számukra a szulfidok és vegyületek toxicitásának tolerálását. kén.

A termofil prokariótákról úgy gondolják, hogy az élet első evolúciójának első egyszerű sejtjei voltak, és vulkanikus aktivitású helyeken és gejzír helyeken laknak az óceánokban.

Az ilyen típusú termofil organizmusokra példák azok, amelyek hidrotermikus szellőzőnyílások vagy óceánok alján lévő szellőzőnyílások közelében élnek, mint például a metanogenikus (metánt termelő) baktériumok és az annelid Riftia pachyptila.

A fő élőhelyek, ahol a termofilok megtalálhatók:

• Földi hidrotermikus környezet.
• Tengeri hidrotermikus környezet.
• Forró sivatagok.

A termofil organizmusok jellemzői

Hőmérséklet: kritikus abiotikus faktor a mikroorganizmusok fejlődésében

A hőmérséklet az egyik legfontosabb környezeti tényező, amely meghatározza az élőlények növekedését és túlélését. Minden fajnak hőmérsékleti tartománya van, amelyen belül képes túlélni, azonban optimális növekedése és fejlődése van meghatározott hőmérsékleteken.

Az egyes organizmusok növekedési sebessége a hőmérséklettől függően grafikusan kifejezhető, a fontos kritikus hőmérsékleteknek megfelelő értékek (minimum, optimális és maximális) megszerzésével.

Minimális hőmérséklet

A szervezet minimális növekedési hőmérsékletein csökken a sejtmembrán folyékonysága, és megállítható a szállítás és az anyagok cseréje, például a tápanyagok bejutása és a mérgező anyagok kilépése.

A minimális hőmérséklet és az optimális hőmérséklet között növekszik a mikroorganizmusok növekedési sebessége.

Optimális hőmérséklet

Az optimális hőmérsékleten a metabolikus reakciók a lehető legnagyobb hatékonysággal zajlanak.

Maximális hőmérséklet

Az optimális hőmérséklet felett a növekedési sebesség csökken annak a maximális hőmérsékletnek a eléréséig, amelyet minden szervezet képes tolerálni.

Ezen a magas hőmérsékleten a strukturális és funkcionális fehérjék, például az enzimek denaturálódnak és inaktiválódnak, mivel elveszítik geometriai konfigurációjukat és sajátos térbeli konfigurációjukat, a citoplazmatikus membrán megszakad, és a hő hatása miatt termikus lízis vagy repedés következik be.

Minden mikroorganizmus minimális, optimális és maximális hőmérsékleten működik és fejlődik. A termofilek értéke rendkívül magas ezen a három hőmérsékleten.

A termofil organizmusok megkülönböztető tulajdonságai

• A termofil organizmusok magas növekedési rátával rendelkeznek, de élettartamuk rövid.
• Nagyon sok hosszú láncú telített zsír vagy lipid van a sejtmembránjukban; ez a fajta telített zsír képes hőelnyelni és folyékony állapotba kerülni magas hőmérsékleten (olvadás) anélkül, hogy megsemmisülne.
• Szerkezeti és funkcionális proteinjei nagyon hőstabilok (hőstabil) kovalens kötések és speciális molekuláris intermolekuláris erők révén, amelyeket London szórási erőknek hívnak.
• Különleges enzimekkel is rendelkeznek, amelyek magas hőmérsékleten fenntartják az anyagcserét.
• Ismeretes, hogy ezek a termofil mikroorganizmusok a vulkanikus területeken gazdag szulfidokat és kénvegyületeket tápanyagforrásként használhatják, hogy ezeket szerves anyaggá alakítsák.

A termofil organizmusok osztályozása

A termofil organizmusok három nagy kategóriába sorolhatók:

• Mérsékelt termofilek (optimális 50-60 ° C között).
• Extrém termofilek (optimális 70 ° C közelében).
• Hyperthermofilek (optimális 80 ° C közelében).

Termofil organizmusok és környezetük

Földi hidrotermikus környezet

A hidrotermális helyek meglepően gyakran és széles körben eloszlottak. Nagyjából fel lehet osztani azokat, amelyek a vulkáni területekkel vannak társítva, és amelyek nem.

A legmagasabb hőmérsékletű hidrotermikus környezeteket általában a vulkanikus tulajdonságokkal (kalderok, hibák, lemeztektonikus határok, hátsó ív-medencék) társítják, amelyek lehetővé teszik, hogy a magma olyan mélyre emelkedjen, ahol közvetlenül kölcsönhatásba léphet a talajvízzel. mély.

2. ábra: Tatio gejzírek, Atacama, Chile. Forrás: Diego Delso

A forró pontokat gyakran más olyan tulajdonságok kísérik, amelyek megnehezítik az élet kialakulását, például a szélsőséges pH-értékek, a szerves anyag, a kémiai összetétel és a sótartalom.

A szárazföldi hidrotermikus környezet lakói tehát különféle szélsőséges körülmények között élnek túl. Ezeket az organizmusokat polyextremophiles néven ismerték.

Példák a földi hidrotermikus környezetben élő szervezetekre

A földi hidrotermális környezetben mindhárom doménhez tartozó organizmusokat (eukarióta, baktériumok és archaea) azonosítottuk. Ezen organizmusok sokféleségét elsősorban a hőmérséklet határozza meg.

Míg a baktériumfajok sokfélesége mérsékelten termofil környezetben él, addig a fotoautotrófok uralhatják a mikrobiális közösséget, és makroszkopikus „szőnyeg” vagy „szőnyeg” jellegű struktúrákat képezhetnek.

Ezek a "fotoszintetikus szőnyegek" a leginkább semleges és lúgos forró források felületén vannak (pH 7,0-nál nagyobb) 40-71 ° C közötti hőmérsékleten, és a meghatározó domináns cianobaktériumok dominálnak.

55 ° C felett a fotoszintetikus szőnyegeket túlnyomórészt egysejtű cianobaktériumok, például a Synechococcus sp.

baktériumok

A fotoszintézisű mikrobiális szőnyegek túlnyomórészt a Chloroflexus és a Roseiflexus nemzetségbe tartozó baktériumokban is élhetnek, amelyek mindkét tagja a Chloroflexales rend.

A cianobaktériumokkal való kapcsolat esetén a Chloreflexus és a Roseiflexus fajok fotoheterotróf körülmények között optimálisan növekednek.

Ha a pH savas, akkor az Acidiosphaera, Acidiphilium, Desulfotomaculum, Hydrogenobaculum, Methylokorus, Sulfobacillus Thermoanaerobacter, Thermodesulfobium és Thermodesulfator nemzetségek jellemzőek.

Hipertermofil forrásokban (72-98 ° C között) ismert, hogy a fotoszintézis nem fordul elő, ami lehetővé teszi a kemolitoautotróf baktériumok túlsúlyát.

Ezek az organizmusok az Aquificae állatok közé tartoznak és kozmopolita; oxidálhatják a hidrogént vagy a molekuláris ként oxigénnel elektronakceptorként, és rögzíthetik a szénet a redukáló trikarbonsav (rTCA) útvonalon.

Arches

A semleges és lúgos termikus környezetben azonosított megművelt és nem művelt archaa nagy része a Crenarchaeota fajhoz tartozik.

Az olyan fajok, mint a Thermofilum pendens, a Thermosphaera aggregánok vagy a Stetteria hydrophiropla Nitrosocaldus yellowstonii, 77 ° C alatt szaporodnak, valamint a Thermoproteus neutrophilus, a Vulcanisaeta distributa, a Thermofilum pendens, az Aeropyruni pernix, a Desulfurococcus mobilis hőmérséklete magasabb, mint az Ignisphaera aggregans hőmérséklete, 80 ° C-on, vagy az Ignisphaera aggregans.

Savas környezetben a nemzetségek archaea: Sulfolobus, Sulfurococcus, Metallosphaera, Acidianus, Sulfurisphaera, Picrophilus, Thermoplasma, Thennocladium és Galdivirga.

Eukarióták

A semleges és lúgos forrásokból származó eukarióták között megemlíthetők a Thermomyces lanuginosus, a Scytalidium thermophilum, az Echinamoeba thermarum, a Marinamoeba thermophilia és az Oramoeba funiarolia.

Savas forrásokban a Pinnularia, Cyanidioschyzon, Cyanidium vagy Galdieria nemzetségek találhatók.

Tengeri hidrotermikus környezet

2 ° C-tól 400 ° C-ig terjedő hőmérsékleten, több ezer font / hüvelyk (psi) nyomást meghaladó nyomáson és a mérgező hidrogén-szulfid magas koncentrációján (pH 2,8) a mélytengeri hidrotermikus szellőzőnyílások talán a legszélsőségesebb környezet a bolygónkon.

Ebben az ökoszisztémában a mikrobák alsó láncként szolgálnak az élelmiszerláncban, energiájukat a geotermikus hőből és a Föld belsejében mélyen található vegyi anyagokból nyerik.

4. ábra. Hidrotermikus légtelenítő és csőférgek. Forrás: photolib.noaa.gov

Példák a tengeri hidrotermikus környezettel kapcsolatos állatvilágra

Az ezekhez a forrásokhoz vagy szellőzőnyílásokhoz kapcsolódó fauna nagyon változatos, és a különféle taxonok közötti kapcsolatok még nem teljesen ismertek.

Az izolált fajok között szerepelnek a baktériumok és az archaea is. Például a Methanococcus, a Methanopyus nemzetség archaea és a Caminibacter nemzetség termofil anaerob baktériumai izolálódtak.

A baktériumok virágzanak olyan biofilmekben, amelyeken több szervezet él, mint például kétéltű állatok, kagylók, csigák, rák garnélarák, csőférgek, halak és polipok.

5. ábra. A Rimicaris nemzetség garnéla, a fumaroles lakosai. Forrás: NOAA Okeanos Explorer program, Közép-Kajmán Rise Expedition 2011

Általános forgatókönyv: a kagyló, a Bathymodiolus thermophilus felhalmozódása, több mint 10 cm hosszú, a bazaltos láva repedéseiben halmozódva. Ezeket általában számos galateid rák (Munidopsis subsquamosa) kíséri.

Az egyik legszokatlanabb organizmus a Riftia pachyptila csövesférge, amely nagy számban csoportosulhat és 2 méter közelébe kerül.

Ezeknek a csöveknek nincs szájuk, gyomoruk vagy végbélnyílásuk (vagyis nincs emésztőrendszerük); teljesen zárt tasak, anélkül, hogy bármiféle nyílt volna a külső környezethez.

6. ábra. A Riftia pachyptila csőférgelt kökörcsin és kagylóval. Forrás:

NOAA Okeanos Explorer program, Galapagos Rift Expedition 2011

A toll élénkvörös színét a csúcsán az extracelluláris hemoglobin jelenléte okozza. A hidrogén-szulfid átjut a sejtmembránon keresztül, amelyhez ennek a gyökérnek a szálai kapcsolódnak, és az extracelluláris hemoglobin révén eljut egy speciális "szövethez", amelyet trofoszómának neveznek, és amelyet teljes egészében szimbiotikus kemoszintetikus baktériumok alkotnak.

Ezeknek a férgeknek azt mondják, hogy a baktériumok belső "kertjében" vannak, amelyek hidrogén-szulfiddal táplálkoznak és "férget" biztosítanak a férgek számára, rendkívüli alkalmazkodáshoz.

Forró sivatagok

A forró sivatagok a Föld felszínének 14 és 20% -át fedik le, körülbelül 19-25 millió km-re.

A legforróbb sivatagok, például az Észak-Afrika Szaharája és az USA délnyugati, Mexikó és Ausztrália sivatagai az egész trópuson megtalálhatók mind az északi, mind a déli féltekén (körülbelül 10 ° és 30 ° C között). 40 ° szélesség).

A sivatagok típusai

A forró sivatag egyik meghatározó tulajdonsága a szárazság. A Koppen-Geiger éghajlati osztályozása szerint a sivatagok olyan régiók, ahol az éves csapadékmennyiség kevesebb, mint 250 mm.

Az éves csapadék azonban megtévesztő mutató lehet, mivel a vízvesztés a víz költségvetési döntése.

Így az Egyesült Nemzetek Környezetvédelmi Programjának meghatározása a sivatagnak éves nedvességhiányt jelent normál éghajlati viszonyok között, ahol a potenciális evapotranszpiráció (PET) ötszöröse a tényleges csapadéknak (P).

A magas PET jellemző a forró sivatagokban, mivel a felhőtakaró hiánya miatt a napsugárzás a száraz régiókban megközelíti a maximumot.

A sivatagokat szeparációs szintjük szerint két típusra lehet osztani:

• Hyperidid: szárazsági index (P / PET) kisebb, mint 0,05.
• Aggregátumok: 0,05 és 0,2 közötti indextel.

A sivatagokat különbözik a száraz félszáraz területektől (P / PET 0,2–0,5) és a száraz, páratartalmú területektől (0,5–0,65).

A sivatagok más fontos jellemzőkkel bírnak, mint például erős hőmérsékleti ingadozások és talajuk magas sótartalma.

Másrészt a sivatagot általában a dűnékkel és a homokkal társítják, ám ez a kép mindegyiknek csak 15-20% -ának felel meg; a sziklás és a hegyvidéki táj a leggyakoribb sivatagi környezet.

Példák a sivatagi termofil szervezetekre

A sivatagban élők, akik termofilok, számos alkalmazkodással rendelkeznek, hogy szembenézzenek a hátrányokkal, amelyek többek között az eső hiánya, a magas hőmérséklet, a szelek és a sótartalom miatt merülnek fel.

A Xerophytic növények stratégiákat fejlesztettek ki az izzadás elkerülésére és a lehető legtöbb víz tárolására. A szárok és levelek zamatossága vagy megvastagodása az egyik leggyakrabban alkalmazott stratégia.

Nyilvánvaló a Cactaceae családban, ahol a leveleket tüskék formájában is módosították, mind az evapotranszpiráció elkerülése, mind a növényevők visszaszorítása érdekében.

7. ábra Kaktusz a szingapúri botanikus kertben. Forrás: Img, Calvin Teo, a Wikimedia Commonsból

A namíbiai sivatagban őshonos Lithops nemzet vagy kőnövények szintén zavarosságot fejlesztenek ki, de ebben az esetben a növény a talajjal síkban növekszik, elfedve magát a környező kövekkel.

8. ábra. A Lithops herrei egy sziklaszerű sivatagi zamatos növény. Forrás: Stan Shebs, a kaliforniai egyetemi botanikus kertben

Másrészt az ilyen szélsőséges élőhelyekben élő állatok mindenféle adaptációt fejlesztenek ki, fiziológiától az etológiaiig. Például az úgynevezett kenguru patkányok kis mennyiségű vizelést mutatnak, és kis számban vannak, így ezek az állatok nagyon hatékonyak vízhiányos környezetükben.

A vízveszteség csökkentésének másik mechanizmusa a testhőmérséklet emelkedése; Például a pihenő tevék testhőmérséklete nyáron körülbelül 34 ° C-ról 40 ° C-ra emelkedhet.

A hőmérséklet-ingadozások nagy jelentőséggel bírnak a vízmegőrzés szempontjából a következőkben:

• A megemelt testhőmérséklet azt jelenti, hogy a hő a testben tárolódik, ahelyett, hogy a víz párolgása révén eloszlik. Később, éjszaka a fölösleges hő kiüríthető a víz pazarlása nélkül.
• A forró környezet hőhatása csökken, mivel csökken a hőmérsékleti gradiens.

További példa a homok patkány (Psammomys obesus), amely olyan emésztési mechanizmust fejlesztett ki, amely lehetővé teszi számukra, hogy csak a Chenopodiaceae család sivatagi növényein táplálkozjanak, amelyek a levelekben nagy mennyiségben tartalmaznak sót.

9. ábra. Homok patkány (Psammomys obesus). Forrás: Gary L. Clark, a Wikimedia Commonsból

A sivatagi állatok etológiai (viselkedésbeli) adaptációja számos, de a legnyilvánvalóbb azt sugallja, hogy a tevékenység-pihenő ciklus megfordul.

Ilyen módon ezek az állatok naplementekor aktiválódnak (éjszakai tevékenység), és hajnalban (nappali pihenőn) nem aktívak, így aktív életük nem esik egybe a legforróbb órákkal.

Irodalom

1. Baker-Austin, C. és Dopson, M. (2007). Élet a savban: a pH-homeosztázis a savasofilekben. Trends in Microbiology 15, 165-171.
2. Berry, JA és Bjorkman, 0. (1980). Fotoszintetikus válasz és a hőmérséklethez való adaptáció magasabb növényekben. Éves áttekintés a növényi élettanról 31, 491-534.
3. Brock, TD (1978). Termofil mikroorganizmusok és élet magas hőmérsékleten. Springer-Verlag, New York, 378 pp.
4. Campos, VL, Escalante, G., Jafiez, J., Zaror, CA és Mondaca, AM (2009), Arzenit-oxidáló baktériumok izolálása a természetes biofilmből, amely a chilei Atacama-sivatag vulkanikus kőzeteivel társul. Journal of Basic Microbiology 49, 93-97.
5. Cary, CS, Shank, T. és Stein, J. (1998). A férgek szélsőséges hőmérsékleten sürgetnek. Nature 391, 545-546.
6. Chevaldonne, P., Desbruyeres, D. és Childress, JJ (1992). Néhánynak meleg van, másoknak pedig még melegebb. Nature 359, 593-594.
7. Evenari, M., Lange, 01., Schulze, ED, Buschbom, U. és Kappen, L. (1975). Adaptív mechanizmusok a sivatagi növényekben. In: Vemberg, FJ (szerk.) A környezet élettani adaptációja. Intext Press, Platteville, LISA, pp. 111-129.
8. Gibson, AC (1996). A meleg sivatagi növények szerkezet-funkció kapcsolatai. Springer, Heidelberg, Németország, 216 pp.
9. Gutterman, Y. (2002). Az éves sivatagi növények túlélési stratégiái. Springer, Berlin, Németország, 368 pp.
10. Lutz, RA (1988). Organizmusok elterjedése a mélytengeri hidrotermikus szellőzőnyílásokban: áttekintés. Oceanologica Acta 8, 23-29.
11. Lutz, RA, Shank, TM, Fornari, DJ, Haymon, RM, Lilley, MD, Von Damm, KL és Desbruyeres, D. (1994). Gyors növekedés a mélytengeri nyílásoknál. Nature 371, 663-664.
12. Rhoads, DC, Lutz, RA, Revelas, EC és Cerrato, RM (1981). A kagylók növekedése a mélytengeri hidrotermikus szellőzőnyílásokban a Galapagos-rift mentén. Science 214, 911-913.
13. Noy-Meir I. (1973). Sivatagi ökoszisztémák: környezet és termelők. Az ökológiai rendszerek éves áttekintése 4, 25-51.
14. Wiegel, J. és Adams, MWW (1998). Termofilek: a molekuláris evolúció kulcsa és az élet eredete. Taylor és Francis, London, 346 pp.