EKSTREMOFILI: KARAKTERISTIKE, VRSTE I PRIMJERI - BIOLOGIJA - 2025

U ekstremofili su organizmi koji žive u ekstremnim uvjetima, odnosno one koje odstupaju od uvjeta u kojima žive najpoznatije organizama od strane ljudi.

Pojmovi "ekstremni" i "ekstremofilni" relativno su antropocentrični, jer mi ljudi procjenjujemo staništa i njihove stanovnike, na temelju onoga što bi se smatralo ekstremnim za naše vlastito postojanje.

Slika 1. Tardigrades, Phylum poznat po svojoj sposobnosti da opstane u vrlo grubim okruženjima. Izvor: Willow Gabriel, Goldstein Lab, putem Wikimedia Commonsa

Zbog gore navedenog, ekstremno okruženje karakterizira to što predstavlja nepodnošljive uvjete za ljudska bića s obzirom na temperaturu, vlažnost, slanost, svjetlost, pH, dostupnost kisika, razinu toksičnosti.

Iz ne-antropocentričke perspektive, ljudska bića mogla bi biti ekstremofili, ovisno o organizmu koji ih je procijenio. Na primjer, s gledišta strogog anaerobnog organizma, za koji je kisik toksičan, aerobna bića (poput ljudi) bili bi ekstremofili. Za čovjeka, naprotiv, anaerobni organizmi su ekstremofili.

Podrijetlo izraza "ekstremnofili"

Trenutno definiramo kao "ekstremna" brojna okruženja unutar i izvan planete Zemlje i neprestano otkrivamo organizme koji su sposobni, ne samo preživjeti, već i uvelike napredovati u mnogim od njih.

RD Macelroy

Godine 1974., RD ​​Macelroy je predložio izraz "Extremophiles" kako bi se definirali ti organizmi koji pokazuju optimalan rast i razvoj u ekstremnim uvjetima, za razliku od mezofilnih organizama koji rastu u okruženju s srednjim uvjetima.

Prema Macelroyu:

"Ekstremofil je opis za organizme koji su sposobni naseljavati okoliš neprijateljski na mezofile, ili organizme koji rastu samo u srednjim sredinama."

Postoje dva osnovna stupnja ekstremizma u organizmima: ona koja mogu podnijeti ekstremno stanje okoliša i postati dominantna nad drugima; i one koji rastu i razvijaju se optimalno u ekstremnim uvjetima.

Karakteristike ekstremnih okruženja

Imenovanje okoliša kao "ekstremno" reagira na antropogenu konstrukciju, koja se temelji na razmatranju udaljenosti krajnjih vrijednosti određenog stanja okoliša (između ostalog, temperature, slanosti, zračenja), što omogućuje čovjekov opstanak.

Međutim, ta se oznaka mora temeljiti na određenim karakteristikama okoliša, iz perspektive organizma koji ga naseljava (a ne iz ljudske perspektive).

Ove karakteristike uključuju: biomasu, produktivnost, biološku raznolikost (broj vrsta i zastupljenost viših svojti), raznolikost procesa u ekosustavima i specifične prilagodbe okolišnom organizmu.

Ukupan zbroj svih tih karakteristika označava ekstremno stanje okruženja. Na primjer, ekstremno okruženje je ono koje uglavnom predstavlja:

• Niska biomasa i produktivnost
• Prevladavanje arhaičnih životnih oblika
• Odsutnost viših životnih oblika
• Nepostojanje fotosinteze i fiksacije dušika, ali ovisnost o drugim metaboličkim putevima i specifičnim fiziološkim, metaboličkim, morfološkim i / ili prilagodbama životnog ciklusa.

Vrste ekstremofila na zoološkoj ljestvici

Jednoćelijski organizmi

Izraz Extremophilic često se odnosi na prokariote, poput bakterija, a ponekad se koristi naizmjenično s Archaea.

Međutim, postoji veliki izbor ekstremofiličnih organizama i naše znanje o filogenetskoj raznolikosti u ekstremnim staništima povećava se gotovo svakodnevno.

Znamo, na primjer, da su svi hipertermofili (ljubitelji topline) članovi Archaea i Bakterija. Eukarioti su uobičajeni među psihrofilima (ljubitelji hladnoće), acidofili (ljubitelji niskog pH), alkalofili (ljubitelji visokog pH), kserofili (ljubitelji suhog okoliša) i halofili (ljubitelji soli).

Slika 2. Vruće izvorište u Nacionalnom parku Yellowstone u SAD-u, svijetle boje koje ta vrela stječu povezane su sa širenjem termofilnih bakterija. Izvor: Jim Peaco, Služba nacionalnog parka, putem Wikimedia Commonsa

Višećelijski organizmi

Višećelijski organizmi, poput beskralježnjaka i kralježnjaka, također mogu biti ekstremofili.

Na primjer, neki psihrofili uključuju mali broj žaba, kornjača i zmija, koji tijekom zime izbjegavaju unutarćelijsko smrzavanje u svojim tkivima, nakupljajući osmolate u staničnoj citoplazmi i dopuštajući smrzavanje samo izvanćelijske vode (vanjske prema stanicama), Drugi primjer je slučaj antarktičke nematode Panagrolaimus davidi, koja može preživjeti unutarćelijsko smrzavanje (smrzavanje vode unutar svojih stanica), sposobno rasti i razmnožavati se nakon odmrzavanja.

Također ribe obitelji Channichthyidae, stanovnici hladnih voda Antarktike i juga američkog kontinenta, koriste proteine ​​antifriza kako bi zaštitili svoje stanice od potpunog smrzavanja.

Poli-ekstremofili

Poli-ekstremofili su organizmi koji mogu preživjeti istodobno više od jednog ekstremnog stanja i tako su uobičajeni u svim ekstremnim sredinama.

Na primjer, pustinjske biljke koje prežive ekstremne vrućine, kao i ograničenu dostupnost vode, a često i visoku slanost.

Drugi primjer bi bile životinje koje žive na morskom dnu, koje mogu izdržati izuzetno visok pritisak, poput nedostatka svjetlosti i nedostatka hranjivih sastojaka, između ostalog.

Najčešći tipovi ekstremnih okruženja

Okolišni krajnosti tradicionalno se definiraju na temelju abiotskih čimbenika, kao što su:

• Temperatura.
• Dostupnost vode.
• Pritisak.
• pH.
• Slanost.
• Koncentracija kisika.
• Razine zračenja.

Ekstremofili su na sličan način opisani na temelju ekstremnih uvjeta u kojima prolaze.

Najvažnija ekstremna okruženja koja možemo prepoznati prema njihovim abiotskim uvjetima su:

Izuzetno hladno okruženje

Izuzetno hladna okruženja su ona koja postoje i često padaju tijekom razdoblja (kratkih ili dugih) temperatura ispod 5 ° C. Oni uključuju zemaljske stupove, planinska područja i neka duboka okeanska staništa. Čak i neke vruće pustinje tijekom dana imaju vrlo niske temperature noću.

Postoje i drugi organizmi koji žive u kriosferi (gdje je voda u čvrstom stanju). Na primjer, organizmi koji žive u ledenim matricama, permafrost, pod stalnim ili povremenim snježnim pokrivačima, moraju tolerirati više ekstremnih stanja, uključujući hladnoću, isušivanje i visoke razine zračenja.

Ekstremna toplinska okruženja

Izuzetno vruća staništa su ona koja ostaju ili povremeno dosežu temperature iznad 40 ° C. Na primjer, vruće pustinje, geotermalna nalazišta i dubokomorski hidrotermalni otvori.

Oni su često povezani s ekstremno visokim temperaturama, okruženjima u kojima je raspoloživa voda vrlo ograničena (uporno ili tijekom redovitih razdoblja), poput vrućih i hladnih pustinja, i nekim endolitičkim staništima (koja se nalaze unutar stijena).

Ekstremna tlačna okruženja

Ostala su okruženja izložena visokom hidrostatičkom tlaku, poput bentoških zona oceana i dubokih jezera. Na tim dubinama njegovi stanovnici moraju izdržati pritiske veće od 1000 atmosfere.

Alternativno, u planinama iu ostalim povišenim dijelovima svijeta postoje hipobarični krajnosti (niskog atmosferskog tlaka).

Slika 3. Morski fumaroli ili hidrotermalni otvori. Primjer ekstremnog okoliša u kojem živi čitava zajednica organizama, u kojem su visoki tlak i temperatura, kao i sumporni ispuštanja. Izvor: NOAA, putem Wikimedia Commonsa

Izuzetno kisela i alkalna okruženja

Općenito, izrazito kisela okruženja su ona koja održavaju ili redovito dosežu vrijednosti ispod pH 5.

Nizak pH naročito povećava „ekstremno“ stanje okoliša, jer povećava topljivost prisutnih metala, a organizmi koji žive u njima moraju se prilagoditi suočavanju s više abiotskih krajnosti.

Suprotno tome, izuzetno alkalna okruženja su ona koja ostaju ili redovito registriraju pH vrijednosti iznad 9.

Primjeri okruženja s ekstremnim pH uključuju jezera, podzemne vode i visoko kisela ili alkalna tla.

Slika 4. Patuljasti jastog (Munidopsis polymorpha), stanovnik špilje i endem otoka Lanzarote, Kanarski otoci. Među tipičnim adaptacijama ove vrste ekstremnih špiljskih okruženja su: smanjenje veličine, blijedost i sljepoća. Izvor: flickr.com/photos//5582888539

Hipersalinsko i anoksično okruženje

Hipersalinske sredine definiraju se kao one s koncentracijom soli većom od one u morskoj vodi koja ima 35 dijelova na tisuću. Ova okruženja uključuju hipersalinska i slana jezera.

S "fiziološkom otopinom" ne mislimo samo na salinitet zbog natrijevog klorida, jer može postojati slana sredina u kojoj je prevladavajuća sol nešto drugo.

Slika 5. Ružičasta boja vode u Salina Las Cumaraguas, država Falcón u Venezueli. Ružičasta boja je proizvod alge zvane Dunaliella salina, koja je sposobna oduprijeti se visokim koncentracijama natrijevog klorida prisutnih u fiziološkoj otopini. Izvor: HumbRios, iz Wikimedia Commons

Staništa s ograničenim slobodnim kisikom (hipoksičnim) ili bez prisutnog kisika (anoksični), bilo uporno ili u pravilnim intervalima, također se smatraju ekstremnim. Na primjer, okruženje s tim karakteristikama bili bi anoksicni bazeni u oceanima i jezerima i dublji slojevi sedimenata.

Slika 6. Artemia monica, rak koji živi u Mono Lakeu, u Kaliforniji (SAD), slanom okruženju (bikarbonat natrija) i visokom pH. Izvor: photolib.noaa.gov

Okoliš sa visokim zračenjem

Ultraljubičasto (UV) ili infracrveno (IR) zračenje također može nametnuti ekstremne uvjete organizmima. Ekstremno zračenje je izloženo nenormalno visokom zračenju ili zračenju izvan normalnog raspona. Na primjer, polarna i velika nadmorska visina (kopnena i vodena).

Phaeocystis pouchetii

Neke vrste pokazuju izbjegavajuće mehanizme visokog UV ili IR zračenja. Na primjer, morska alga Antarktika Phaeocystis pouchetii proizvodi "topljive u vodi" topljive u vodi koje snažno apsorbiraju valne duljine UV-B (280-320nm) i štite njezine stanice od ekstremno visokih razina UV-B unutar 10 m. gornji vodeni stup (nakon probijanja morskog leda).

Deinococcus radiodurans

Ostali organizmi su vrlo tolerantni na ionizirajuće zračenje. Primjerice, bakterija Deinococcus radiodurans može sačuvati svoj genetski integritet kompenzirajući široka oštećenja DNA nakon izlaganja ionizirajućem zračenju.

Ova bakterija koristi međućelijske mehanizme da ograniči razgradnju i ograniči difuziju fragmenata DNA. Uz to, ima visoko učinkovite proteine ​​za popravljanje DNK.

Astyanax hubbsi

Čak i u okruženjima s naizgled niskim ili nikakvim zračenjem, ekstremofilni organizmi su prilagođeni da odgovore na promjene u razini zračenja.

Na primjer, Astyanax hubbsi, meksička slijepa riba u kojoj se nalazi pećina, nema površinski vidljive strukture očiju, ali ipak može razlikovati male razlike u ambijentalnoj svjetlosti. Koriste se ekstraokularni fotoreceptori za otkrivanje i reagiranje na pokretne vizualne podražaje.

Slika 7. Slijepa riba roda Astyanax, stanovnik pećine. Izvor: Shizhao, iz Wikimedia Commons

Antropogeni krajnosti

Trenutno živimo u okruženju u kojem su nametnuti ekstremni okolišni uvjeti, umjetno stvoreni kao posljedica ljudskih aktivnosti.

Takozvana antropogena okruženja iznimno su raznolika, globalna po svom djelokrugu i više se ne mogu zanemariti pri definiranju određenih ekstremnih okruženja.

Na primjer, okruženje pod utjecajem onečišćenja (atmosferska, vode i tla) - poput klimatskih promjena i kiselih kiša -, vađenja prirodnih resursa, fizičkih poremećaja i prekomjerne eksploatacije.

Prijelazi i ekotoni

Osim gore spomenutih ekstremnih okruženja, zemaljski ekolozi uvijek su bili svjesni posebne prirode prijelaznih zona između dvije ili više raznolikih zajednica ili okruženja, poput stabla u planinama ili granice između šuma i travnjaka., To se naziva pojasevima za zatezanje ili ekotonom.

Ekotoni postoje i u morskom okolišu, na primjer, prijelaz između leda i vode predstavljenog rubom morskog leda. Ove tranzicijske zone obično pokazuju veću raznolikost vrsta i gustoću biomase od bočnih zajednica, uglavnom zato što organizmi koji žive u njima mogu iskoristiti resurse iz susjednih okoliša, što im može dati prednost.

Međutim, ekotoni se neprestano mijenjaju i dinamična područja, često pokazuju širi raspon varijacija u abiotskim i biotskim uvjetima tijekom godišnjeg razdoblja u odnosu na susjedna okruženja.

To bi se moglo smatrati ekstremnim, jer zahtijeva da organizmi neprestano prilagođavaju svoje ponašanje, fenologiju (sezonsko vrijeme) i interakcije s drugim vrstama.

Vrste koje žive s obje strane ekotona često su tolerantnije prema dinamici, dok vrste čiji je raspon ograničen na jednu stranu doživljavaju drugu stranu kao ekstremne.

Općenito, ove su tranzicijske zone često prve pod utjecajem promjena klime i / ili poremećaja, prirodnih i antropogenih.

Životinje i biljke u različitim fazama ili fazama

Ne samo da su okruženja dinamična, a mogu biti i nisu ekstremna, već su i organizmi dinamični i imaju životne cikluse u različitim fazama, prilagođeni određenim okolišnim uvjetima.

Može se dogoditi da okolina koja podržava jednu od faza životnog ciklusa organizma bude ekstremna za drugu fazu.

Bilje

Na primjer, kokos (Cocos nucifera) ima sjeme prilagođeno za transport morskim putem, ali zrelo stablo raste na kopnu.

U vaskularnim biljkama koje sadrže spore, poput paprati i različitih vrsta mahovine, gametofit može biti lišen fotosintetskim pigmentima, nema korijena i ovisi o vlažnosti okoliša.

Dok sporofiti imaju rizome, korijenje i izdanke koji podnose vruće i suhe uvjete na punom suncu. Razlika između sporofita i gametofita je istim redoslijedom kao i razlike između svojti.

životinje

Vrlo blizak primjer su starije faze mnogih vrsta, koje su netolerantne prema okolišu koji obično okružuje odraslu osobu, pa im je potrebna zaštita i briga tijekom razdoblja u kojem stječu potrebne vještine i snage. dopustiti da se bave tim sredinama.

Reference

1. Kohshima, S. (1984). Novi insekt hladno podnošljiv nađen u himalajskom ledenjaku. Priroda 310, 225-227.
2. Macelroy, RD (1974). Neki komentari o evoluciji krajnika. Biosustavi, 6 (1), 74–75. doi: 10.1016 / 0303-2647 (74) 90026-4
3. Marchant, HJ, Davidson, AT i Kelly, GJ (1991.) od UV-B zaštitnih spojeva u morskoj algi Phaeocystis pouchetti s Antarktika. Morska biologija 109, 391-395.
4. Oren, A. (2005). Sto godina Dunaliella istraživanja: 1905-2005. Slani sustavi 1, doi: 10.1186 / 1746-1448 -1 -2.
5. Rothschild, LJ i Mancinelli, RL (2001). Život u ekstremnim okruženjima. Priroda 409, 1092-1101.
6. Schleper, C., Piihler, G., Kuhlmorgen, B. i Zillig, W. (1995). Lite kod izuzetno niskog pH. Priroda 375, 741-742.
7. Storey, KB i Storey, JM (1996). Prirodni preživljavanje od smrzavanja kod životinja. Godišnji pregled ekologije i sistematike 27, 365-386.
8. Teyke, T. i Schaerer, S. (1994) Slijepe meksičke pećinske ribe (Astyanax hubbsi) reagiraju na pokretne vizualne podražaje. Časopis za eksperimentalnu biologiju 188, 89-1 () 1.
9. Yancey, PI I., Clark, ML, Eland, SC, Bowlus RD i Somero, GN (1982). Živjeti sa vodenim stresom: evolucija osmolitnih sustava. Znanost 217, 1214-1222.