EXTREMOPHILES: EGENSKABER, TYPER OG EKSEMPLER - BIOLOGI - 2025

De extremofiler er organismer, der lever i ekstreme miljøer, dvs. dem, der afviger fra de vilkår, de lever mest kendte organismer af mennesker.

Udtrykkene "ekstrem" og "ekstremofil" er relativt antropocentriske, fordi mennesker vurderer levesteder og deres indbyggere, baseret på hvad der ville blive betragtet som ekstrem for vores egen eksistens.

Figur 1. Tardigrades, en Phylum kendt for sin evne til at overleve i meget uslebne miljøer. Kilde: Willow Gabriel, Goldstein Lab, via Wikimedia Commons

På grund af det førnævnte er det, der kendetegner et ekstremt miljø, at det præsenterer utålelige betingelser for mennesker med hensyn til dets temperatur, fugtighed, saltholdighed, lys, pH, ilttilgængelighed, toksicitetsniveauer, blandt andre.

Fra et ikke-antropocentrisk perspektiv kunne mennesker være ekstremofile, afhængigt af den organisme, der vurderede dem. F.eks. Fra en streng anaerob organisme, for hvilken ilt er giftigt, ville aerobe væsener (som mennesker) være ekstremofile. For mennesket er tværtimod anaerobe organismer ekstremofile.

Oprindelsen af ​​udtrykket "Extremophiles"

Vi definerer i øjeblikket som "ekstreme" adskillige miljøer i og uden for planeten Jorden, og vi opdager konstant organismer, der ikke kun er i stand til at overleve, men også til at trives i mange af dem.

RD Macelroy

I 1974 foreslog RD Macelroy udtrykket "Extremophiles" til at definere disse organismer, der udviser optimal vækst og udvikling under ekstreme forhold, i modsætning til mesofile organismer, der vokser i miljøer med mellemliggende forhold.

Ifølge Macelroy:

"Ekstremofil er en beskrivende beskrivelse af organismer, der er i stand til at befolke miljøer, der er fjendtlige over for mesofile, eller organismer, der kun vokser i mellemmiljøer."

Der er to grundlæggende grader af ekstremisme i organismer: dem, der kan tolerere en ekstrem miljøtilstand og blive dominerende over andre; og dem, der vokser og udvikler sig optimalt under ekstreme forhold.

Egenskaber ved ekstreme miljøer

Betegnelsen på et miljø som "ekstrem" reagerer på en menneskeskabelig konstruktion, der er baseret på hensyntagen til de fjerne ekstremer i basislinjen i en bestemt miljøtilstand (temperatur, saltholdighed, stråling, blandt andre), hvilket tillader menneskelig overlevelse.

Dog skal dette navn være baseret på visse karakteristika ved et miljø fra perspektivet på den organisme, der bebor den (snarere end det menneskelige perspektiv).

Disse egenskaber inkluderer: biomasse, produktivitet, biodiversitet (antal arter og repræsentation af højere taxaer), mangfoldighed af processer i økosystemer og specifikke tilpasninger til miljøet for den pågældende organisme.

Summen af ​​alle disse egenskaber angiver den ekstreme tilstand af et miljø. For eksempel er et ekstremt miljø generelt, der præsenterer:

• Lav biomasse og produktivitet
• Overvekt af arkaiske livsformer
• Fravær af højere livsformer
• Fravær af fotosyntese og nitrogenfiksering men afhængighed af andre metaboliske veje og specifikke fysiologiske, metaboliske, morfologiske og / eller livscyklustilpasninger.

Typer af ekstremofiler på zoologisk skala

Enscellulære organismer

Udtrykket Extremophilic refererer ofte til prokaryoter, såsom bakterier, og bruges undertiden ombytteligt med Archaea.

Der er dog en lang række ekstremofile organismer, og vores viden om den fylogenetiske mangfoldighed i ekstreme levesteder stiger næsten dagligt.

Vi ved for eksempel, at alle hyperthermophiles (varmeelskere) er medlemmer af Archaea og Bacteria. Eukaryoter er almindelige blandt psykrofiler (elskere af kulde), acidofile (elskere af lav pH), alkalofile (elskere af høj pH), xerofiler (elskere af tørre miljøer) og halofile (elskere af salt).

Figur 2. Den varme forår i Yellowstone National Park i USA, de lyse farver, som disse fjedre får, er relateret til spredning af termofile bakterier. Kilde: Jim Peaco, National Park Service, via Wikimedia Commons

Multicellulære organismer

Multicellulære organismer, såsom hvirvelløse dyr og hvirveldyr, kan også være ekstremofile.

For eksempel inkluderer nogle psykrofiler et lille antal frøer, skildpadder og en slange, som om vinteren undgår intracellulær frysning i deres væv, akkumulerer osmolytter i cellecytoplasma og kun tillader frysning af ekstracellulært vand (eksternt til celler).

Et andet eksempel er tilfældet med den antarktiske nematode Panagrolaimus davidi, der kan overleve intracellulær frysning (frysning af vandet inden i dens celler), der er i stand til at vokse og formere sig efter optøning.

Også fiskene fra familien Channichthyidae, indbyggere i det kolde vand i Antarktis og det sydlige af det amerikanske kontinent, bruger frostvæskeproteiner for at beskytte deres celler mod deres fulde frysning.

Poly-ekstremofiler

Poly-ekstremofile er organismer, der kan overleve mere end en ekstrem tilstand på samme tid, hvilket er almindelige i alle ekstreme miljøer.

F.eks. Ørkenplanter, der overlever ekstrem varme såvel som begrænset vandtilgængelighed og ofte høj saltholdighed.

Et andet eksempel er dyrene, der beboer havbunden, som er i stand til at modstå ekstremt højt tryk, som f.eks. Mangel på lys og mangel på næringsstoffer.

Mest almindelige typer ekstreme miljøer

Miljøekstremer er traditionelt defineret baseret på abiotiske faktorer, såsom:

• Temperatur.
• Vandtilgængelighed.
• Tryk.
• pH.
• Saltindhold.
• Oxygenkoncentration.
• Strålingsniveauer.

Ekstremofile er på lignende måde beskrevet på baggrund af de ekstreme forhold, de har.

De vigtigste ekstreme miljøer, som vi kan genkende i henhold til deres abiotiske forhold, er:

Ekstreme kolde omgivelser

Ekstremt kolde miljøer er dem, der vedvarer eller falder ofte i perioder (kort eller lang) med temperaturer under 5 ° C. Disse inkluderer jordens poler, bjergområder og nogle dybe havhabitater. Selv nogle meget varme ørkener i løbet af dagen har meget lave temperaturer om natten.

Der er andre organismer, der lever i kryosfæren (hvor vand er i fast tilstand). For eksempel skal organismer, der lever i ismatriser, permafrost, under permanente eller periodiske snødæk, tolerere flere ekstremer, herunder kulde, udtørring og høje strålingniveauer.

Ekstreme varmemiljøer

Ekstremt varme levesteder er dem, der forbliver eller periodisk når temperaturer over 40 ° C. For eksempel varme ørkener, geotermiske steder og dybhavs-hydrotermiske åbninger.

De er ofte forbundet med ekstreme høje temperaturer, miljøer, hvor tilgængeligt vand er meget begrænset (vedvarende eller i regelmæssige perioder), såsom varme og kolde ørkener, og nogle endolitiske levesteder (findes inden for klipper).

Ekstreme trykmiljøer

Andre miljøer er udsat for et højt hydrostatisk tryk, såsom havbundszoner og dybe søer. På disse dybder skal dens indbyggere modstå tryk, der er større end 1000 atmosfærer.

Alternativt er der hypobariske ekstremer (med lavt atmosfærisk tryk), i bjerge og i andre forhøjede regioner i verden.

Figur 3. Marine fumaroles eller hydrotermiske ventilationsåbninger. Eksempel på et ekstremt miljø beboet af et helt samfund af organismer, hvor der er højt tryk og temperatur samt svovlholdige udledninger. Kilde: NOAA, via Wikimedia Commons

Ekstreme syre- og alkaliske miljøer

Generelt er ekstremt sure miljøer dem, der opretholder eller regelmæssigt når værdier under pH 5.

Især lav pH øger den "ekstreme" tilstand i et miljø, da det øger opløseligheden af ​​de tilstedeværende metaller, og de organismer, der lever i dem, skal tilpasses til at blive udsat for flere abiotiske ekstremer.

Omvendt er ekstremt alkaliske miljøer dem, der forbliver eller regelmæssigt registrerer pH-værdier over 9.

Eksempler på ekstreme pH-miljøer inkluderer søer, grundvand og stærkt sure eller basiske jordarter.

Figur 4. Dværghummer (Munidopsis polymorpha), en huleboer og endemisk til øen Lanzarote, De Kanariske Øer. Blandt de typiske tilpasninger til denne type ekstreme hulemiljøer er: reduktion i størrelse, blevhed og blindhed. Kilde: flickr.com/photos//5582888539

Hypersaline og anoksiske miljøer

Hypersaline miljøer er defineret som dem med saltkoncentrationer større end havvand, der har 35 dele pr. Tusinde. Disse miljøer inkluderer hypersaline og saltvandssøer.

Med "saltvand" henviser vi ikke kun til saltholdighed på grund af natriumchlorid, da der kan være saltmiljøer, hvor det dominerende salt er noget andet.

Figur 5. Lys farve på vandet i Salina Las Cumaraguas, Falcón-staten i Venezuela. Den lyserøde farve er produktet af en alge kaldet Dunaliella salina, der er i stand til at modstå høje koncentrationer af natriumchlorid, der er til stede i saltvand. Kilde: HumbRios, fra Wikimedia Commons

Habitater med begrænset fri ilt (hypoxisk) eller ingen ilt til stede (anoxisk), hverken vedvarende eller med regelmæssige intervaller, betragtes også som ekstreme. F.eks. Vil miljøer med disse egenskaber være de anoksiske bassiner i havene og søerne og de dybere sedimentlag.

Figur 6. Artemia monica, et krebsdyr, der bor i Mono Lake i Californien (USA), et saltvand (natriumbicarbonat) og høj pH-værdi. Kilde: photolib.noaa.gov

Miljøer med høj stråling

Ultraviolet (UV) eller infrarød (IR) stråling kan også pålægge organismer ekstreme forhold. Ekstreme strålingsmiljøer er dem, der udsættes for unormalt høj stråling eller stråling uden for det normale interval. F.eks. Polære miljøer og højhøjde (terrestrisk og akvatisk).

Phaeocystis pouchetii

Nogle arter viser undvigende mekanismer for høj UV- eller IR-stråling. F.eks. Producerer den antarktiske tang Phaeocystis pouchetii vandopløselige "solcremer", der stærkt absorberer UV-B-bølgelængder (280-320nm) og beskytter dens celler mod ekstremt høje niveauer af UV-B inden for 10 m. øverste vandsøjle (efter havispause).

Deinococcus radiodurans

Andre organismer er meget tolerante over for ioniserende stråling. For eksempel kan bakterien Deinococcus radiodurans bevare dens genetiske integritet ved at kompensere for omfattende DNA-skader efter udsættelse for ioniserende stråling.

Denne bakterie bruger intercellulære mekanismer til at begrænse nedbrydning og begrænse diffusionen af ​​DNA-fragmenter. Derudover har det meget effektive proteiner til DNA-reparation.

Astyanax hubbsi

Selv i tilsyneladende lave eller ingen strålingsmiljøer er ekstremofile organismer tilpasset til at reagere på ændringer i strålingsniveauer.

For eksempel har Astyanax hubbsi, en mexicansk hulbeboende blindfisk, ikke overfladisk synlige øjenstrukturer, men kan dog skelne små forskelle i omgivelseslys. De bruger ekstraokulære fotoreceptorer til at detektere og reagere på bevægende visuelle stimuli.

Figur 7. Blind fisk af slægten Astyanax, huleboer. Kilde: Shizhao, fra Wikimedia Commons

Antropogene ekstremer

Vi lever i øjeblikket i et miljø, hvor ekstreme miljøforhold er pålagt, kunstigt genereret som en effekt af menneskelige aktiviteter.

Såkaldte menneskeskabte påvirkningsmiljøer er ekstremt varierede, globale i omfang og kan ikke længere ignoreres, når man definerer visse ekstreme miljøer.

F.eks. Miljøer, der er påvirket af forurening (atmosfærisk, vand og jord) - som klimaændringer og surt regn-, udvinding af naturressourcer, fysisk forstyrrelse og overudnyttelse.

Overgange og økotoner

Ud over de ekstreme miljøer, der er nævnt ovenfor, har jordøkologer altid været opmærksomme på overgangszonernes specielle karakter mellem to eller flere forskellige samfund eller miljøer, såsom trælinjen i bjergene eller grænsen mellem skove og græsarealer.. Disse kaldes spændingsbælter eller økotoner.

Økotoner findes også i det marine miljø, f.eks. Overgangen mellem is og vand repræsenteret ved havisens kant. Disse overgangsområder udviser typisk større artsdiversitet og biomassetæthed end de flankerende samfund, stort set fordi de organismer, der lever i dem, kan drage fordel af ressourcerne i de tilstødende miljøer, hvilket kan give dem en fordel.

Imidlertid ændrer økotoner kontinuerligt og dynamiske regioner, der ofte viser et bredere spektrum af variation i abiotiske og biotiske forhold over en årlig periode end tilstødende miljøer.

Dette kan med rimelighed betragtes som "ekstrem", fordi det kræver, at organismer kontinuerligt tilpasser deres adfærd, fænologi (sæsonvejr) og interaktion med andre arter.

Arter, der lever på begge sider af økotonen, er ofte mere tolerante over for dynamik, mens arter, hvis række er begrænset til den ene side, oplever den anden side som ekstrem.

Generelt er disse overgangsområder ofte også de første, der påvirkes af ændringer i klima og / eller forstyrrelser, både naturlige og menneskeskabte.

Dyr og planter med forskellige stadier eller faser

Miljøer er ikke kun dynamiske og kan eller er måske ikke ekstreme, men organismer er også dynamiske og har livscyklusser med forskellige stadier tilpasset særlige miljøforhold.

Det kan ske, at miljøet, der understøtter et af stadierne i en organisms livscyklus, er ekstremt for et andet af stadierne.

Planter

For eksempel har kokosnødden (Cocos nucifera) et frø, der er tilpasset til transport ad søvejen, men det modne træ vokser på land.

I vaskulære sporbærende planter, såsom bregner og forskellige typer mos, kan gametophyten være blottet for fotosyntetiske pigmenter, har ingen rødder og er afhængig af miljøfugtighed.

Mens sporofytter har jordstængler, rødder og skud, der tåler varme og tørre forhold i fuld sollys. Forskellen mellem sporofytter og gametofytter er i samme rækkefølge som forskellene mellem taxa.

Dyr

Et meget tæt eksempel består af ungdommens stadier af mange arter, som generelt er intolerante overfor miljøet, der normalt omgiver voksen, så de kræver normalt beskyttelse og pleje i den periode, hvor de tilegner sig de færdigheder og styrker, der tillader dem. tillad at håndtere disse miljøer.

Referencer

1. Kohshima, S. (1984). Et nyt koldtolerant insekt fundet i en Himalaya-gletsjer. Natur 310, 225-227.
2. Macelroy, RD (1974). Nogle kommentarer om ekstremefiles udvikling. Biosystems, 6 (1), 74–75. doi: 10.1016 / 0303-2647 (74) 90026-4
3. Marchant, HJ, Davidson, AT og Kelly, GJ (1991) UV-B-beskyttende forbindelser i den marine alge Phaeocystis pouchetti fra Antarktis. Marine biologi 109, 391-395.
4. Oren, A. (2005). Hundrede års Dunaliella-forskning: 1905-2005. Saltvandssystemer 1, doi: 10.1186 / 1746-1448 -1 -2.
5. Rothschild, LJ og Mancinelli, RL (2001). Livet i ekstreme miljøer. Natur 409, 1092-1101.
6. Schleper, C., Piihler, G., Kuhlmorgen, B. og Zillig, W. (1995). Lite ved ekstremt lav pH. Natur 375, 741-742.
7. Storey, KB og Storey, JM (1996). Naturlig frysning overlevelse hos dyr. Årlig gennemgang af økologi og systematik 27, 365-386.
8. Teyke, T. og Schaerer, S. (1994) Blind mexicansk hulefisk (Astyanax hubbsi) reagerer på bevægende visuelle stimuli. Journal of Experimental Biology 188, 89-1 () 1.
9. Yancey, PI I., Clark, ML, Eland, SC, Bowlus RD og Somero, GN (1982). At leve med vandspænding: udvikling af osmolyt-systemer. Videnskab 217, 1214-1222.