ЭКСТРЕМОФИЛЫ: ХАРАКТЕРИСТИКА, ВИДЫ И ПРИМЕРЫ - БИОЛОГИЯ - 2024

В экстремофилы организмах , которые живут в экстремальных условиях, то есть те , которые отклоняются от тех условий , в которых они живут наиболее известными организмы людей.

Термины «экстремальный» и «экстремофил» относительно антропоцентричны, потому что мы, люди, оцениваем среды обитания и их обитателей, основываясь на том, что можно было бы считать экстремальным для нашего собственного существования.

Рис. 1. Тихоходки - тип, известный своей способностью выживать в очень суровых условиях. Источник: Уиллоу Габриэль, лаборатория Голдштейна, через Wikimedia Commons.

В связи с вышеизложенным, что характеризует экстремальную среду, так это то, что она представляет собой невыносимые условия для людей в отношении ее температуры, влажности, солености, света, pH, доступности кислорода, уровней токсичности и прочего.

С неантропоцентрической точки зрения люди могут быть экстремофилами в зависимости от организма, который их оценивал. Например, с точки зрения строго анаэробного организма, для которого кислород токсичен, аэробные существа (например, люди) будут экстремофилами. Для человека же, напротив, анаэробные организмы - экстремофилы.

Происхождение термина «экстремофилы»

В настоящее время мы определяем как «экстремальные» многочисленные среды внутри и за пределами планеты Земля, и мы постоянно обнаруживаем организмы, способные не только выживать, но и широко процветать во многих из них.

RD Macelroy

В 1974 году Р. Д. Маселрой предложил термин «экстремофилы» для определения этих организмов, которые демонстрируют оптимальный рост и развитие в экстремальных условиях, в отличие от мезофильных организмов, которые растут в средах с промежуточными условиями.

По словам Маселроя:

«Экстремофил - это описание организмов, способных населять среду, враждебную мезофилам, или организмов, которые растут только в промежуточных средах».

У организмов есть две основные степени экстремизма: те, которые могут переносить экстремальные условия окружающей среды и доминировать над другими; и те, которые оптимально растут и развиваются в экстремальных условиях.

Характеристики экстремальных сред

Определение окружающей среды как «экстремальной» является ответом на антропогенную конструкцию, основанную на рассмотрении отдаленных экстремальных значений базовой линии определенных условий окружающей среды (температура, соленость, радиация и др.), Которые позволяют выжить человеку.

Однако это название должно быть основано на определенных характеристиках окружающей среды с точки зрения населяющего ее организма (а не с точки зрения человека).

Эти характеристики включают: биомассу, продуктивность, биоразнообразие (количество видов и представительство более высоких таксонов), разнообразие процессов в экосистемах и специфические приспособления рассматриваемого организма к окружающей среде.

Сумма всех этих характеристик обозначает экстремальное состояние окружающей среды. Например, экстремальная среда обычно представляет собой:

• Низкая биомасса и продуктивность
• Преобладание архаичных форм жизни
• Отсутствие высших форм жизни
• Отсутствие фотосинтеза и азотфиксации, но зависимость от других метаболических путей и конкретных физиологических, метаболических, морфологических и / или жизненных адаптаций.

Типы экстремофилов по зоологической шкале

Одноклеточные организмы

Термин экстремофильные часто относится к прокариотам, таким как бактерии, и иногда используется как синоним архей.

Однако существует большое разнообразие экстремофильных организмов, и наши знания о филогенетическом разнообразии в экстремальных средах обитания растут почти ежедневно.

Мы знаем, например, что все гипертермофилы (любители тепла) являются членами архей и бактерий. Эукариоты распространены среди психрофилов (любителей холода), ацидофилов (любителей низкого pH), алкалофилов (любителей высокого pH), ксерофилов (любителей сухой среды) и галофилов (любителей соли).

Рисунок 2. Горячий источник в Йеллоустонском национальном парке в США. Яркие цвета, которые приобретают эти источники, связаны с размножением термофильных бактерий. Источник: Джим Пико, Служба национальных парков, через Wikimedia Commons.

Многоклеточные организмы

Многоклеточные организмы, такие как беспозвоночные и позвоночные животные, также могут быть экстремофилами.

Например, некоторые психрофилы включают небольшое количество лягушек, черепах и змей, которые зимой избегают внутриклеточного замерзания своих тканей, накапливая осмолиты в цитоплазме клеток и позволяя замораживать только внеклеточную воду (вне клеток). ,

Другой пример - это антарктическая нематода Panagrolaimus davidi, которая может выдерживать внутриклеточное замораживание (замораживание воды внутри своих клеток), будучи способной расти и воспроизводиться после оттаивания.

Также рыбы семейства Channichthyidae, обитатели холодных вод Антарктиды и юга американского континента, используют протеины-антифризы для защиты своих клеток от их полного замерзания.

Поли-Экстремофилы

Полиэкстремофилы - это организмы, которые могут выживать более чем в одном экстремальном состоянии одновременно, поэтому они распространены во всех экстремальных условиях.

Например, пустынные растения, которые переживают сильную жару, а также ограниченную доступность воды и часто высокую соленость.

Другим примером могут быть животные, обитающие на морском дне, которые способны выдерживать чрезвычайно высокие нагрузки, такие как недостаток света и питательных веществ, среди прочего.

Наиболее распространенные типы экстремальных условий

Экстремальные экологические явления традиционно определяются на основе абиотических факторов, таких как:

• Температура.
• Наличие воды.
• Давление.
• рН.
• Соленость.
• Концентрация кислорода.
• Уровни радиации.

Аналогичным образом описываются экстремофилы на основе экстремальных условий, в которых они находятся.

Наиболее важными экстремальными условиями окружающей среды, которые мы можем распознать по абиотическим условиям, являются:

Экстремально холодная среда

К экстремально холодным средам относятся те, которые часто сохраняются или падают в течение периодов (коротких или длительных) температуры ниже 5 ° C. К ним относятся полюса Земли, горные районы и некоторые глубоководные места обитания океана. Даже в некоторых очень жарких пустынях днем ​​очень низкие температуры ночью.

Есть и другие организмы, которые живут в криосфере (где вода находится в твердом состоянии). Например, организмы, которые живут в ледяных матрицах, вечной мерзлоте, под постоянным или периодическим снежным покровом, должны выдерживать множество экстремальных явлений, включая холода, высыхание и высокие уровни радиации.

Экстремальная жара

Чрезвычайно жаркими считаются места обитания, которые остаются или периодически достигают температуры выше 40 ° C. Например, жаркие пустыни, геотермальные участки и глубоководные гидротермальные источники.

Они часто связаны с экстремально высокими температурами, средами, в которых доступная вода очень ограничена (постоянно или в течение регулярных периодов времени), такими как горячие и холодные пустыни и некоторые эндолитические среды обитания (которые расположены в скалах).

Среды с экстремальным давлением

Другие среды подвержены высокому гидростатическому давлению, например, бентические зоны океанов и глубокие озера. На этих глубинах его обитатели должны выдерживать давление более 1000 атмосфер.

В качестве альтернативы, существуют экстремальные гипобарические условия (низкого атмосферного давления) в горах и других высокогорных регионах мира.

Рисунок 3. Морские фумаролы или гидротермальные жерла. Пример экстремальной среды обитания целого сообщества организмов, в которой есть высокое давление и температура, а также сернистые выбросы. Источник: NOAA, через Wikimedia Commons.

Экстремальные кислотные и щелочные среды

В общем, чрезвычайно кислая среда - это среда, которая поддерживает или регулярно достигает значений pH ниже 5.

В частности, низкий pH увеличивает «экстремальные» условия окружающей среды, так как он увеличивает растворимость присутствующих металлов, и организмы, которые живут в них, должны быть адаптированы к многочисленным абиотическим крайностям.

И наоборот, чрезвычайно щелочная среда - это среда, в которой сохраняется или регулярно регистрируется значение pH выше 9.

Примеры сред с экстремальным pH включают озера, грунтовые воды и сильно кислые или щелочные почвы.

Рис. 4. Карликовый лобстер (Munidopsis polymorpha), обитатель пещер и эндемик острова Лансароте, Канарские острова. Среди типичных приспособлений к этому типу экстремальных условий пещеры: уменьшение размера, бледность и слепота. Источник: flickr.com/photos//5582888539

Гиперсоленая и бескислородная среда

Гиперсоленая среда определяется как среда с концентрацией соли выше, чем в морской воде, которая составляет 35 частей на тысячу. Эти среды включают гиперсоленые и соленые озера.

Под «солевым раствором» мы имеем в виду не только соленость из-за хлорида натрия, поскольку могут быть солевые среды, в которых преобладающей солью является что-то другое.

Рисунок 5. Розовый цвет воды в Салина-Лас-Кумарагуас, штат Фалькон, Венесуэла. Розовая окраска является продуктом водоросли под названием Dunaliella salina, способной противостоять высоким концентрациям хлорида натрия в физиологическом растворе. Источник: HumbRios, Wikimedia Commons.

Среды обитания с ограниченным свободным кислородом (гипоксия) или без кислорода (аноксия), постоянно или через определенные промежутки времени, также считаются экстремальными. Например, средами с такими характеристиками могут быть бескислородные бассейны океанов и озер, а также более глубокие слои отложений.

Рисунок 6. Artemia monica, ракообразное, обитающее в озере Моно в Калифорнии (США), в соленой среде (бикарбонат натрия) и с высоким pH. Источник: photolib.noaa.gov

Среда с высоким уровнем радиации

Ультрафиолетовое (УФ) или инфракрасное (ИК) излучение также может создавать экстремальные условия для организмов. Экстремальная радиационная среда - это среда, подверженная аномально высокой радиации или радиации за пределами нормального диапазона. Например, полярная и высокогорная среда (наземная и водная).

Phaeocystis pouchetii

Некоторые виды демонстрируют механизмы уклонения от сильного УФ- или ИК-излучения. Например, антарктические водоросли Phaeocystis pouchetii производят водорастворимые «солнцезащитные кремы», которые сильно поглощают длины волн УФ-В (280–320 нм) и защищают их клетки от чрезвычайно высоких уровней УФ-В в пределах 10 м. верхний слой воды (после вскрытия морского льда).

Дейнококк радиодуранс

Другие организмы очень терпимы к ионизирующему излучению. Например, бактерия Deinococcus radiodurans может сохранять свою генетическую целостность, компенсируя обширное повреждение ДНК после воздействия ионизирующего излучения.

Эта бактерия использует межклеточные механизмы, чтобы ограничить деградацию и ограничить диффузию фрагментов ДНК. Кроме того, он содержит высокоэффективные белки репарации ДНК.

Astyanax hubbsi

Даже в средах с явно низким уровнем радиации или без нее, экстремофильные организмы приспособлены реагировать на изменения уровней радиации.

Например, Astyanax hubbsi, мексиканская пещерная слепая рыба, не имеет внешне заметных структур глаз, но может различать небольшие различия в окружающем освещении. Они используют экстраокулярные фоторецепторы для обнаружения движущихся зрительных стимулов и реагирования на них.

Рисунок 7. Слепая рыба из рода Astyanax, пещерный обитатель. Источник: Шичжао, из Wikimedia Commons.

Антропогенные крайности

В настоящее время мы живем в среде, где навязываются экстремальные экологические условия, искусственно созданные в результате деятельности человека.

Так называемые среды с антропогенным воздействием чрезвычайно разнообразны, глобальны по своему охвату, и их больше нельзя игнорировать при определении определенных экстремальных сред.

Например, окружающая среда, подверженная загрязнению (атмосферное, водное и почвенное), такое как изменение климата и кислотные дожди, добыча природных ресурсов, физические нарушения и чрезмерная эксплуатация.

Переходы и экотоны

Помимо упомянутых выше экстремальных условий окружающей среды, наземные экологи всегда знали об особом характере переходных зон между двумя или более разнообразными сообществами или средами, такими как линия деревьев в горах или граница между лесами и лугами. , Их называют натяжными ремнями или экотонами.

Экотоны также существуют в морской среде, например, переход между льдом и водой, представленный кромкой морского льда. Эти переходные зоны обычно демонстрируют большее видовое разнообразие и плотность биомассы, чем фланкирующие сообщества, в основном потому, что живущие в них организмы могут использовать ресурсы прилегающей окружающей среды, что может дать им преимущество.

Однако экотоны представляют собой постоянно изменяющиеся и динамичные регионы, часто демонстрирующие более широкий диапазон изменений абиотических и биотических условий в течение годового периода, чем прилегающие среды.

Это можно с полным основанием считать «экстремальным», поскольку от организмов требуется постоянно адаптировать свое поведение, фенологию (сезонную погоду) и взаимодействие с другими видами.

Виды, которые живут по обе стороны от экотона, часто более терпимы к динамике, тогда как виды, чей ареал ограничен одной стороной, воспринимают другую сторону как крайнюю.

В целом эти переходные зоны также часто первыми подвергаются изменениям климата и / или нарушениям, как естественным, так и антропогенным.

Животные и растения с различными стадиями или фазами

Не только окружающая среда динамична и может быть или не быть экстремальной, но и организмы также динамичны и имеют жизненные циклы с различными стадиями, адаптированными к конкретным условиям окружающей среды.

Может случиться так, что среда, поддерживающая одну из стадий жизненного цикла организма, окажется экстремальной для другой стадии.

растения

Например, у кокосового ореха (Cocos nucifera) есть семя, адаптированное для транспортировки по морю, но зрелое дерево растет на суше.

У спороносных сосудистых растений, таких как папоротники и различные виды мхов, гаметофит может быть лишен фотосинтетических пигментов, не иметь корней и зависеть от влажности окружающей среды.

В то время как у спорофитов есть корневища, корни и побеги, которые выдерживают жаркие и сухие условия при полном солнечном свете. Различия между спорофитами и гаметофитами в том же порядке, что и различия между таксонами.

животные

Очень близкий пример - ювенильные стадии многих видов, которые обычно нетерпимы к окружающей среде, которая обычно окружает взрослых, поэтому им обычно требуется защита и забота в течение периода, в течение которого они приобретают необходимые им навыки и силы. позволяют иметь дело с этими средами.

Ссылки

1. Кохшима, С. (1984). Новое холодостойкое насекомое, обнаруженное в гималайском леднике. Nature 310, 225-227.
2. Macelroy, RD (1974). Некоторые комментарии по поводу эволюции экстремалов. Биосистемы, 6 (1), 74–75. DOI: 10.1016 / 0303-2647 (74) 90026-4
3. Марчант, Х.Дж., Дэвидсон, А.Т. и Келли, Г.Дж. (1991), соединения, защищающие от ультрафиолетового излучения В морской водоросли Phaeocystis pouchetti из Антарктиды. Морская биология 109, 391-395.
4. Орен, А. (2005). Сто лет исследований Дуналиеллы: 1905-2005 гг. Солевые системы 1, DOI: 10.1186 / 1746-1448 -1-2.
5. Ротшильд, Л. Дж. И Манчинелли, Р. Л. (2001). Жизнь в экстремальных условиях. Nature 409, 1092-1101.
6. Шлепер, К., Пийлер, Г., Кюльморген, Б. и Зиллиг, В. (1995). Lite при очень низком pH. Nature 375, 741-742.
7. Стори, КБ и Стори, Дж. М. (1996). Выживаемость животных при естественном замораживании. Ежегодный обзор экологии и систематики 27, 365-386.
8. Тейке Т. и Шерер С. (1994) Слепые мексиканские пещерные рыбы (Astyanax hubbsi) реагируют на движущиеся зрительные стимулы. Журнал экспериментальной биологии 188, 89-1 () 1.
9. Янси, П. И., Кларк, М. Л., Эланд, С. К., Боулс Р. Д. и Сомеро, Г. Н. (1982). Жизнь с водным стрессом: эволюция осмолитных систем. Science 217, 1214–1222.