EXTREMOFIILIT: OMINAISUUDET, TYYPIT JA ESIMERKIT - BIOLOGIA - 2025

Ekstremofiilejä ovat eläviä organismeja äärimmäisissä olosuhteissa, eli ne, jotka poikkeavat olosuhteet, joissa he elävät tunnetuimmat organismien ihmisten.

Termit "äärimmäinen" ja "ekstremofiili" ovat suhteellisen antropokeskeisiä, koska ihmiset arvioivat elinympäristöjä ja niiden asukkaita sen perusteella, mitä pidettäisiin äärimmäisenä oman olemassaolon kannalta.

Kuva 1. Tardigrades, turvapaikka, joka tunnetaan kyvystään selviytyä hyvin kovissa ympäristöissä. Lähde: Willow Gabriel, Goldstein Lab, Wikimedia Commonsin kautta

Edellä mainitun vuoksi äärimmäiselle ympäristölle on luonteenomaista, että se tarjoaa ihmisille sietämättömiä olosuhteita muun muassa lämpötilan, kosteuden, suolapitoisuuden, valon, pH: n, hapen saatavuuden ja myrkyllisyyden suhteen.

Ei-antropokeskeisestä näkökulmasta ihminen voi olla ekstremofiilejä riippuen organismista, joka niitä arvioi. Esimerkiksi tiukasti anaerobisen organismin näkökulmasta, jolle happi on myrkyllinen, aerobiset olennot (kuten ihmiset) olisivat ekstremofiilejä. Ihmiselle päinvastoin, anaerobiset organismit ovat ekstremofiilejä.

Termin "Extremophiles" alkuperä

Määrittelemme tällä hetkellä "äärimmäisiksi" lukuisiksi ympäristöiksi maapallolla ja sen ulkopuolella ja löydämme jatkuvasti organismeja, jotka eivät vain pysty selviytymään, vaan myös monissa niistä laajasti kukoistamaan.

RD Macelroy

RD Macelroy ehdotti vuonna 1974 termiä "ekstremofiilit" näiden organismien määrittelemiseksi, joilla on optimaalinen kasvu ja kehitys äärimmäisissä olosuhteissa, toisin kuin mesofiilisissä organismeissa, jotka kasvavat ympäristöissä, joissa välitilat ovat.

Macelroyn mukaan:

"Extremofiili on kuvaileva organismeille, jotka kykenevät asuttamaan mesofiileille vihamielisessä ympäristössä, tai organismeissa, jotka kasvavat vain keskitilassa."

Organismeissa on kaksi äärimmäisyystasoa: sellaiset, jotka sietävät äärimmäisiä ympäristöolosuhteita ja tulevat hallitseviksi muihin nähden; ja ne, jotka kasvavat ja kehittyvät optimaalisesti äärimmäisissä olosuhteissa.

Äärimmäisten ympäristöjen ominaisuudet

Ympäristön nimitys "äärimmäiseksi" vastaa ihmisen toimintaan perustuvaa rakennetta, joka perustuu tietyn ympäristöolosuhteiden (lämpötila, suolapitoisuus, säteily, muun muassa) lähtökohdan etäisten äärimmäisten äärilajien huomioimiseen, mikä mahdollistaa ihmisen selviytymisen.

Tämän nimen on kuitenkin perustuttava tiettyihin ympäristön ominaisuuksiin ympäröivän organismin näkökulmasta (mieluummin kuin ihmisen näkökulmasta).

Näitä ominaisuuksia ovat: biomassa, tuottavuus, biologinen monimuotoisuus (lajien lukumäärä ja korkeampien taksonien edustaminen), ekosysteemien prosessien monimuotoisuus ja kyseisen organismin erityiset mukautukset ympäristöön.

Kaikkien näiden ominaisuuksien summa tarkoittaa ympäristön äärimmäistä tilaa. Esimerkiksi äärimmäinen ympäristö on sellainen, joka yleensä edustaa:

• Alhainen biomassa ja tuottavuus
• Arkaaisten elämänmuotojen ylivoima
• Korkeampien elämänmuotojen puuttuminen
• Fotosynteesin ja typen kiinnittymisen puuttuminen, mutta riippuvuus muista metaboliareiteistä ja erityisistä fysiologisista, metabolisista, morfologisista ja / tai elinkaaren mukautuksista.

Ekstremofiilien tyypit eläintieteellisessä asteikossa

Yksisoluiset organismit

Termi Extremophilic viittaa usein prokaryootteihin, kuten bakteereihin, ja sitä käytetään toisinaan vuorottelevasti Archaea kanssa.

Extremofiilisiä organismeja on kuitenkin paljon ja tieto fylogeneettisestä monimuotoisuudesta äärimmäisissä elinympäristöissä kasvaa melkein päivittäin.

Tiedämme esimerkiksi, että kaikki hyperthermofiilit (lämmön ystävät) ovat Archaea ja bakteerien jäseniä. Eukaryootit ovat yleisiä psykofiileissä (kylmän ystävät), happofiileissä (alhaisen pH: n ystävät), alkalofiileissä (korkean pH: n ystävät), kserofiileissä (kuivien ympäristöjen ystävät) ja halofiileissa (suolan ystävät).

Kuva 2. Kuuma lähde Yellowstonen kansallispuistossa Yhdysvalloissa, näiden lähteiden hankkimat kirkkaat värit liittyvät termofiilisten bakteerien lisääntymiseen. Lähde: Jim Peaco, National Park Service, Wikimedia Commonsin kautta

Monisoluiset organismit

Monisoluiset organismit, kuten selkärangattomat ja selkärankaiset eläimet, voivat myös olla ekstremofiilejä.

Esimerkiksi joihinkin psykofiileihin kuuluu pieni määrä sammakoita, kilpikonnia ja käärmettä, jotka talven aikana välttävät solujen sisäistä jäätymistä kudoksiinsa, keräämällä osmolyyttejä solusytoplasmaan ja sallii jäädyttää vain solunulkoisen veden (solujen ulkopuolella)..

Toinen esimerkki on antarktinen nematodi Panagrolaimus davidi, joka kykenee selviytymään solunsisäisestä jäätymisestä (veden jäädyttäminen soluissaan) ja kykenevä kasvamaan ja lisääntymään sulamisen jälkeen.

Myös Channichthyidae-perheen kalat, Antarktikan ja Amerikan mantereen eteläisten kylmien vesien asukkaat, käyttävät jäätymisenestoproteiineja suojaamaankseen solujaan niiden täydelliseltä jäätymiseltä.

Poly-ekstremofiilejä

Poly-ekstremofiilit ovat organismeja, jotka voivat selviytyä useammasta kuin yhdestä äärimmäisestä tilanteesta samanaikaisesti, ja ovat siten yleisiä kaikissa ääriympäristöissä.

Esimerkiksi aavikkokasvit, jotka selviävät äärimmäisestä kuumuudesta sekä rajoitetusta veden saatavuudesta ja usein korkeasta suolapitoisuudesta.

Toinen esimerkki olisi merenpohjassa elävät eläimet, jotka kykenevät kestämään erittäin suuria paineita, kuten valon ja ravinteiden puute.

Yleisimmät tyypit äärimmäisissä ympäristöissä

Ympäristön ääripäät määritellään perinteisesti abioottisten tekijöiden perusteella, kuten:

• Lämpötila.
• Veden saatavuus.
• Paine.
• pH: ssa.
• Suolapitoisuus.
• Happipitoisuus.
• Säteilytasot.

Extremofiileja kuvataan samalla tavalla niiden kestävien ääriolosuhteiden perusteella.

Tärkeimmät ääriympäristöt, jotka voimme tunnistaa niiden abioottisten olosuhteiden perusteella, ovat:

Äärimmäiset kylmät olosuhteet

Erittäin kylmiä ympäristöjä ovat sellaiset, jotka jatkuvat tai putoavat usein alle (5 ° C) lämpötiloissa (lyhyinä tai pitkinä). Näitä ovat maan pylväät, vuoristoiset alueet ja jotkut syvän valtameren elinympäristöt. Joissakin erittäin kuumissa aavikoissa päivällä on erittäin matalat lämpötilat yöllä.

On muitakin organismeja, jotka elävät kryosfäärissä (jossa vesi on kiinteässä tilassa). Esimerkiksi organismien, jotka elävät jäämatriiseissa, ikiroutaa, pysyvien tai ajoittaisten lumipeitteiden alla, on sietävä useita ääripäitä, mukaan lukien kylmä, kuivuminen ja korkea säteilytaso.

Äärimmäiset lämpöolosuhteet

Erittäin kuumia elinympäristöjä ovat sellaiset, jotka pysyvät tai saavuttavat ajoittain yli 40 ° C lämpötilan. Esimerkiksi kuumat aavikot, geotermiset kohteet ja syvänmeren hydrotermiset tuuletusaukot.

Ne liittyvät usein erittäin korkeisiin lämpötiloihin, ympäristöihin, joissa käytettävissä oleva vesi on erittäin rajallista (jatkuvasti tai säännöllisesti), kuten kuumiin ja kylmiin aavikoihin ja joihinkin endoliittisiin elinympäristöihin (löytyy kallioista).

Äärimmäiset paineympäristöt

Muihin ympäristöihin kohdistuu korkea hydrostaattinen paine, kuten valtamerten ja syvien järvien pohjavyöhykkeet. Näillä syvyyksillä sen asukkaiden on kestettävä yli 1000 ilmakehän paineita.

Vaihtoehtoisesti on hypobaarisia ääripäitä (matala ilmakehän paine) vuorilla ja muilla kohonneilla alueilla maailmassa.

Kuva 3. Meren fumaroolit tai hydrotermiset tuuletusaukot. Esimerkki äärimmäisestä ympäristöstä, jossa asuu koko yhteisöyhteisö, jossa on korkea paine ja lämpötila sekä rikkipitoiset päästöt. Lähde: NOAA, Wikimedia Commonsin kautta

Äärimmäiset happamat ja emäksiset ympäristöt

Yleensä erittäin happamia ympäristöjä ovat sellaiset, joissa pH-arvot pysyvät alle tai saavuttavat säännöllisesti arvot alle 5.

Erityisesti matala pH lisää ympäristön "äärimmäistä" tilaa, koska se lisää läsnä olevien metallien liukoisuutta ja niissä eläviä organismeja on mukautettava vastaamaan moniin abioottisiin ääripäihin.

Sitä vastoin erittäin emäksisiä ympäristöjä ovat ne, joiden pH-arvot pysyvät yllä tai säännöllisesti yli 9.

Esimerkkejä äärimmäisistä pH-ympäristöistä ovat järvet, pohjavedet ja erittäin happamat tai alkaliset maaperät.

Kuva 4. Kääpiö hummeri (Munidopsis polymorpha), luola-asukas ja endeeminen Kanziansaarten Lanzaroten saarelle. Tyypillisiä mukautuksia tämäntyyppisiin ääriolosuhteisiin ovat: koon pienentäminen, kalpeus ja sokeus. Lähde: flickr.com/photos//5582888539

Hypersaliini ja hapettomat ympäristöt

Hypersaliiniympäristöllä tarkoitetaan ympäristöä, joiden suolapitoisuudet ovat suurempia kuin merivedessä, jossa on 35 osaa tuhatta. Näihin ympäristöihin kuuluvat hypersaliini- ja suolavedet.

"Fysiologisella suolaliuoksella" emme tarkoita vain natriumkloridin aiheuttamaa suolapitoisuutta, koska voi olla suolaliuosympäristöjä, joissa vallitseva suola on jotain muuta.

Kuva 5. Veden vaaleanpunainen väri Salina Las Cumaraguassa, Falcónin osavaltiossa Venezuelassa. Vaaleanpunainen väri on Dunaliella salina -nimisen levän tuote, joka kykenee vastustamaan suolaliuoksessa olevia korkeita pitoisuuksia natriumkloridia. Lähde: HumbRios, Wikimedia Commonsista

Luontotyyppejä, joissa on rajoitetusti vapaata happea (hypoksista) tai jossa ei ole happea (hapettumaton), joko jatkuvasti tai säännöllisin väliajoin, pidetään myös äärimmäisinä. Esimerkiksi ympäristöjä, joilla on nämä ominaisuudet, ovat valtamerten ja järvien hapettumattomat altaat ja syvemmät sedimenttikerrokset.

Kuva 6. Artemia monica, äyriäinen, joka asuu Mono Lakessa, Kaliforniassa (USA), suolavedessä (natriumbikarbonaatti) ja korkealla pH: lla. Lähde: photolib.noaa.gov

Korkean säteilyympäristön

Ultravioletti (UV) tai infrapuna (IR) säteily voi myös asettaa ääriolosuhteita organismeille. Äärimmäiset säteilyympäristöt ovat niitä, jotka altistuvat epätavallisen korkealle säteilylle tai säteilylle normaalin alueen ulkopuolella. Esimerkiksi napa- ja korkealla sijaitsevat ympäristöt (maa- ja vesieliöt).

Phaeocystis pouchetii

Joillakin lajeilla on väistäviä mekanismeja korkeasta UV- tai IR-säteilystä. Esimerkiksi Etelämantereen merilevä Phaeocystis pouchetii tuottaa vesiliukoisia "aurinkovoiteita", jotka absorboivat voimakkaasti UV-B-aallonpituuksia (280-320 nm) ja suojaavat solujaan erittäin korkeilta UV-B-tasoilta 10 metrin sisällä. ylempi vesipylväs (merijään tauon jälkeen).

Deinococcus radiodurans

Muut organismit sietävät hyvin ionisoivaa säteilyä. Esimerkiksi Deinococcus radiodurans -bakteeri voi säilyttää geneettisen koskemattomuutensa kompensoimalla laajoja DNA-vaurioita ionisoivalle säteilylle altistumisen jälkeen.

Tämä bakteeri käyttää solujen välisiä mekanismeja hajoamisen ja DNA-fragmenttien diffuusion rajoittamiseksi. Lisäksi siinä on erittäin tehokkaita DNA: n korjausproteiineja.

Astyanax hubbsi

Ekstremofiiliset organismit on mukautettu reagoimaan säteilytason muutoksiin jopa ympäristöissä, joissa säteily on näennäisesti vähäistä tai ei ollenkaan.

Esimerkiksi Astyanax hubbsi -meksikossa, meksikolaisessa luolassa asuvassa sokeassa, ei ole pinnallisesti havaittavissa olevia silmärakenteita, mutta se pystyy erottamaan pienet erot ympäristön valossa. He käyttävät extraokular fotoreseptoreita liikkuvien visuaalisten ärsykkeiden havaitsemiseen ja niihin reagoimiseen.

Kuva 7. Astyanax-suvun sokeat kalat, luola-asukas. Lähde: Shizhao, Wikimedia Commonsista

Antropogeeniset ääripäät

Elämme tällä hetkellä ympäristössä, jossa asetetaan äärimmäiset ympäristöolosuhteet, keinotekoisesti luotu ihmisen toiminnan seurauksena.

Ns. Antropogeeniset vaikutusympäristöt ovat erittäin vaihtelevia, laajuudeltaan globaaleja, eikä niitä voida enää sivuuttaa määritellessään tiettyjä ääriympäristöjä.

Esimerkiksi ympäristöt, joihin pilaantuminen vaikuttaa (ilmakehään, veteen ja maaperään) kuten ilmastonmuutos ja hapan sade, luonnonvarojen louhinta, fyysiset häiriöt ja ylikuormitus.

Siirtymä ja ekologiset äänet

Edellä mainittujen äärimmäisten ympäristöjen lisäksi maaekologit ovat aina olleet tietoisia kahden tai useamman erilaisen yhteisön tai ympäristön välisten siirtymävyöhykkeiden erityisluonteesta, kuten vuoristossa sijaitseva puulinja tai metsien ja nurmien välinen raja.. Näitä kutsutaan kiristysvyöiksi tai ekotoneiksi.

Ekotonit esiintyvät myös meriympäristössä, esimerkiksi siirtyminen jään ja veden välillä, jota edustaa merijään reuna. Näillä siirtymävyöhykkeillä on tyypillisesti suurempi lajien monimuotoisuus ja biomassan tiheys kuin vierekkäisissä yhteisöissä, pääasiassa siksi, että niissä elävät organismit voivat hyödyntää viereisten ympäristöjen resursseja, mikä voi antaa heille etuna.

Ekotonit ovat kuitenkin jatkuvasti muuttuvia ja dynaamisia alueita, ja niiden abioottisissa ja bioottisissa olosuhteissa on usein suurempi vaihtelu vuodessa kuin vierekkäisissä ympäristöissä.

Tätä voidaan kohtuudella pitää "äärimmäisenä", koska se vaatii organismeja jatkuvasti mukauttamaan käyttäytymistään, fenologiaa (kausittainen sää) ja vuorovaikutusta muiden lajien kanssa.

Ekotonin molemmin puolin elävät lajit ovat usein suvaitsevampia dynamiikan suhteen, kun taas lajit, joiden alue rajoittuu yhdelle puolelle, kokevat toista puolta äärimmäisenä.

Yleensä nämä siirtymävyöhykkeet ovat usein myös ensimmäisiä, joihin vaikuttavat ilmaston ja / tai häiriöt, sekä luonnolliset että ihmisen aiheuttamat.

Eläimet ja kasvit, joilla on eri vaiheet

Ympäristöt eivät ole vain dynaamisia, ja voivat olla tai eivät välttämättä ole äärimmäisiä, mutta myös organismit ovat dynaamisia, ja niiden elinkaaret ovat eri vaiheita, sopeutuneita erityisiin ympäristöolosuhteisiin.

Voi tapahtua, että ympäristö, joka tukee yhtä organismin elinkaaren vaiheista, on äärimmäinen toiselle vaiheelle.

kasvit

Esimerkiksi kookospähkinässä (Cocos nucifera) on merenkuljetukseen sovitettu siemen, mutta kypsä puu kasvaa maalla.

Verisuoni-itiöitä kantavissa kasveissa, kuten saniaiset ja erityyppiset sammalit, gametofyytillä ei voi olla fotosynteettisiä pigmenttejä, sillä ei ole juuria ja ne riippuvat ympäristön kosteudesta.

Sporofyyteillä on juurakot, juuret ja versot, jotka kestävät kuumia ja kuivia olosuhteita täydessä auringonvalossa. Ero sporofyyttien ja gametofyyttien välillä on samassa järjestyksessä kuin taksonien erot.

Eläimet

Erittäin tiivis esimerkki on monien lajien nuorten vaiheet, jotka yleensä ovat sietämättömiä ympäristölle, joka yleensä ympäröi aikuista, joten ne tarvitsevat yleensä suojaa ja hoitoa aikana, jonka aikana he hankkivat tarvitsemansa taidot ja vahvuudet. antaa käsitellä näitä ympäristöjä.

Viitteet

1. Kohshima, S. (1984). Uusi Himalajan jäätiköltä löytynyt kylmäsietoinen hyönteinen. Nature 310, 225 - 227.
2. Macelroy, RD (1974). Jotkut kommentit äärifiilien kehityksestä. Biosystems, 6 (1), 74–75. doi: 10.1016 / 0303-2647 (74) 90026-4
3. Marchant, HJ, Davidson, AT ja Kelly, GJ (1991) UV-B-suojaavia yhdisteitä Antarktiksesta peräisin olevissa merilevissä Phaeocystis pouchetti. Marine Biology 109, 391-395.
4. Oren, A. (2005). Sata vuotta Dunaliellan tutkimusta: 1905-2005. Saline Systems 1, doi: 10.1186 / 1746-1448 -1 -2.
5. Rothschild, LJ ja Mancinelli, RL (2001). Elämä äärimmäisissä ympäristöissä. Nature 409, 1092 - 1101.
6. Schleper, C., Piihler, G., Kuhlmorgen, B. ja Zillig, W. (1995). Lite erittäin matalassa pH: ssa. Nature 375, 741-742.
7. Storey, KB ja Storey, JM (1996). Eläimien luonnollinen jäätymispiste Ekologian ja systematiikan vuosikatsaus 27, 365-386.
8. Teyke, T. ja Schaerer, S. (1994) Sokeat meksikolaiset luolakalat (Astyanax hubbsi) reagoivat liikkuviin visuaalisiin ärsykkeisiin. Journal of Experimental Biology 188, 89-1 () 1.
9. Yancey, PI I., Clark, ML, Eland, SC, Bowlus RD ja Somero, GN (1982). Asuminen vesistressien kanssa: osmolyyttijärjestelmien kehitys. Science 217, 1214 - 1222.