ЕКСТРЕМОФІЛИ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ТИПИ ТА ПРИКЛАДИ - БІОЛОГІЯ - 2025

У екстремофили організмах , які живуть в екстремальних умовах, тобто ті , які відхиляються від тих умов , в яких вони живуть найбільш відомими організми людей.

Терміни "екстремальний" та "екстремофільний" є відносно антропоцентричним, оскільки ми, люди, оцінюємо місця проживання та їх мешканців, виходячи з того, що вважалося б крайнім для нашого власного існування.

Рисунок 1. Тардігради - це типи, відомі своєю здатністю виживати в дуже грубих умовах. Джерело: Верба Габріель, лабораторія Гольдштейна, через Wikimedia Commons

Зважаючи на вищезазначене, що характеризує екстремальне середовище, це те, що воно створює нестерпні умови для людини щодо його температури, вологості, солоності, світла, рН, доступності кисню, рівня токсичності.

З неантропоцентричної точки зору, люди можуть бути екстремофілами, залежно від організму, який їх оцінив. Наприклад, з точки зору суворого анаеробного організму, для якого кисень токсичний, аеробні істоти (як і люди) були б екстремофілами. Для людини, навпаки, анаеробні організми є екстремофілами.

Походження терміна "екстремофіли"

В даний час ми визначаємо як "екстремальні" численні середовища на планеті Земля і поза нею і постійно виявляємо організми, здатні не тільки вижити, але і широко процвітати у багатьох з них.

Р.Д. Мачелрой

У 1974 р. Р.Д. Мачелрой запропонував термін "екстремофіли" для визначення цих організмів, які демонструють оптимальний ріст і розвиток в екстремальних умовах, на відміну від мезофільних організмів, які ростуть у середовищі з проміжними умовами.

За словами Мачелрой:

"Екстремофіл - це опис для організмів, здатних населяти середовища, ворожі мезофілам, або організми, які ростуть лише в проміжних середовищах".

У організмів існує дві основні ступеня екстремізму: ті, які можуть переносити екстремальний стан навколишнього середовища і домінувати над іншими; і ті, що ростуть і розвиваються оптимально в екстремальних умовах.

Характеристика екстремальних середовищ

Визначення середовища як "екстремальне" відповідає антропогенній конструкції, заснованій на врахуванні віддалених крайностей базової лінії певного стану навколишнього середовища (температура, солоність, радіація, серед інших), що дозволяє вижити людині.

Однак ця назва повинна ґрунтуватися на певних характеристиках середовища, з точки зору організму, який його мешкає (а не з точки зору людини).

До таких характеристик належать: біомаса, продуктивність, біорізноманіття (кількість видів та представництво вищих таксонів), різноманітність процесів в екосистемах та специфічні адаптації до середовища відповідного організму.

Загальна сума всіх цих характеристик позначає надзвичайний стан навколишнього середовища. Наприклад, екстремальне середовище - це те, що загалом представляє:

• Низька біомаса та продуктивність
• Перевага архаїчних форм життя
• Відсутність вищих життєвих форм
• Відсутність фотосинтезу та фіксації азоту, але залежність від інших метаболічних шляхів та конкретних фізіологічних, метаболічних, морфологічних та / або адаптацій життєвого циклу.

Типи екстремофілів за зоологічною шкалою

Одноклітинні організми

Термін "Екстремофільний" часто відноситься до прокаріотів, таких як бактерії, і іноді використовується як взаємозамінний з Archaea.

Однак існує велика різноманітність екстремофільних організмів, і наші знання про філогенетичне різноманіття в екстремальних місцях існування збільшуються майже щодня.

Ми знаємо, наприклад, що всі гіпертермофіли (любителі тепла) є членами Археї та Бактерій. Еукаріоти поширені серед психрофілів (любителів холоду), ацидофілів (любителів низького рН), алкалофілів (любителів високого рН), ксерофілів (любителів сухого середовища) та галофілів (любителів солі).

Малюнок 2. Гаряча джерела в Національному парку Йеллоустоун у США, яскраві кольори, які ці джерела набувають, пов'язані з розповсюдженням термофільних бактерій. Джерело: Jim Peaco, Служба національного парку, через Wikimedia Commons

Багатоклітинні організми

Багатоклітинні організми, такі як безхребетні та хребетні тварини, також можуть бути екстремофілами.

Наприклад, деякі психрофіли включають невелику кількість жаб, черепах і змій, які взимку уникають внутрішньоклітинного замерзання в своїх тканинах, накопичуючи осмоліти в цитоплазмі клітин і дозволяючи замерзати тільки позаклітинної води (зовнішньої для клітин) .

Інший приклад - випадок антарктичної нематоди Panagrolaimus davidi, який може пережити внутрішньоклітинне замерзання (замерзання води в її клітинах), здатний рости і розмножуватися після відтавання.

Також риби родини Channichthyidae, мешканці холодних вод Антарктиди та півдня американського континенту, використовують білки антифризу для захисту своїх клітин від повного замерзання.

Полі-екстремофіли

Полі-екстремофіли - це організми, які можуть вижити одночасно у кількох екстремальних станах, тим самим є загальним у всіх екстремальних умовах.

Наприклад, пустельні рослини, які переживають екстремальну спеку, а також обмежену кількість води та часто високу засоленість.

Іншим прикладом можуть бути тварини, які мешкають на морському дні, які здатні витримати надзвичайно високий тиск, наприклад, брак світла та брак поживних речовин.

Найпоширеніші типи екстремальних середовищ

Екологічні крайності традиційно визначаються на основі абіотичних факторів, таких як:

• Температура.
• Доступність води.
• Тиск.
• рН.
• Солоність.
• Концентрація кисню.
• Рівень радіації.

Екстремофіли аналогічно описуються на основі екстремальних умов, які вони переживають.

Найважливіші екстремальні середовища, які ми можемо розпізнати відповідно до їх абіотичних умов, це:

Надзвичайно холодна обстановка

Надзвичайно холодні середовища - це ті, які часто зберігаються або падають протягом періодів (коротких чи довгих) температур нижче 5 ° C. До них належать полюси Землі, гірські райони та деякі глибинні місця існування океану. Навіть деякі дуже гарячі пустелі вдень мають дуже низькі температури вночі.

Є й інші організми, які живуть у кріосфері (де вода перебуває у твердому стані). Наприклад, організми, які мешкають у крижаних матрицях, вічній мерзлоті, під постійним або періодичним сніговим покривом, повинні переносити численні крайнощі, включаючи холод, осушення та високий рівень радіації.

Екстремальне теплове середовище

Надзвичайно гарячі середовища існування - це ті, які залишаються або періодично досягають температури вище 40 ° C. Наприклад, гарячі пустелі, геотермальні місця та глибоководні гідротермальні отвори.

Вони часто асоціюються з надзвичайно високими температурами, середовищами, де доступна вода дуже обмежена (постійно або регулярно), наприклад, гарячі та холодні пустелі, а також деякі місця проживання ендоліту (що знаходяться в межах скель).

Екстремальні тиску

Інші середовища впливають на високий гідростатичний тиск, такі як бентосні зони океанів та глибокі озера. На цих глибинах його мешканці повинні витримувати тиск, що перевищує 1000 атмосфер.

Крім того, існують гіпобаричні крайнощі (низького атмосферного тиску), в горах та в інших підвищених регіонах світу.

Малюнок 3. Морські фумароли або гідротермальні отвори. Приклад екстремального середовища, населеного цілою спільнотою організмів, в якій високий тиск і температура, а також виділення сірки. Джерело: NOAA, через Wikimedia Commons

Надзвичайно кислотні та лужні середовища

Взагалі, надзвичайно кислими середовищами є такі, які підтримують або регулярно досягають значень нижче pH 5.

Низький рівень рН, зокрема, збільшує "екстремальний" стан навколишнього середовища, оскільки збільшує розчинність присутніх металів, а організми, які живуть у них, повинні бути адаптовані до кількох абіотичних крайнощів.

І навпаки, надзвичайно лужні середовища - це ті, які залишаються або регулярно реєструють значення рН вище 9.

Приклади екстремальних середовищ рН включають озера, ґрунтові води та висококислі або лужні ґрунти.

Малюнок 4. Карликовий омар (Munidopsis polymorpha), мешканець печери та ендемік острова Лансароте, Канарські острови. Серед типових пристосувань до цього типу екстремальних печерних середовищ є: зменшення розмірів, блідість і сліпота. Джерело: flickr.com/photos//5582888539

Гіперсалінова та аноксична середовища

Гіперсалінове середовище визначається як середовище з концентрацією солі більшою, ніж у морській воді, яка має 35 частин на тисячу. Ці середовища включають гіперсалінові та солоні озера.

Під "сольовим розчином" ми не маємо на увазі лише засолення через хлориду натрію, оскільки можуть бути сольові середовища, де переважаюча сіль - це щось інше.

Малюнок 5. Рожеве забарвлення води в Саліна-Лас-Кумарагуас, штат Фалькон у Венесуелі. Рожеве забарвлення - продукт водорості під назвою Dunaliella salina, здатний протистояти високим концентраціям хлориду натрію, присутнього в фізіологічному розчині. Джерело: HumbRios, з Wikimedia Commons

Проживання з обмеженим вільним киснем (гіпоксичним) або відсутнім киснем (аноксичним), постійно або через рівні проміжки часу, також вважаються крайніми. Наприклад, середовища з цими характеристиками будуть аноксичними басейнами в океанах та озерах та більш глибокими шарами осаду.

Рисунок 6. Artemia monica - ракоподібний, який мешкає в озері Моно, штат Каліфорнія (США), сольовому середовищі (бікарбонат натрію) та високому рН. Джерело: photolib.noaa.gov

Середовища з високою радіацією

Ультрафіолетове (УФ) або інфрачервоне (ІЧ) випромінювання також може спричинити надзвичайні умови для організмів. Екстремальне радіаційне середовище - це ті, що піддаються аномально високій радіації або випромінюванню поза межами норми. Наприклад, полярні та висотні середовища (наземні та водні).

Phaeocystis pouchetii

Деякі види демонструють ухиляючі механізми високого УФ- та ІЧ-випромінювання. Наприклад, антарктичні водорості Phaeocystis pouchetii виробляють водорозчинні "сонцезахисні креми", які сильно поглинають довжину хвилі УФ-В (280-320 нм) і захищають її клітини від надзвичайно високого рівня УФ-В протягом 10 м. верхній стовп води (після морської криги).

Deinococcus radiodurans

Інші організми дуже толерантні до іонізуючого випромінювання. Наприклад, бактерія Deinococcus radiodurans може зберегти свою генетичну цілісність, компенсуючи великі пошкодження ДНК після впливу іонізуючого випромінювання.

Ця бактерія використовує міжклітинні механізми для обмеження деградації та обмеження дифузії фрагментів ДНК. Крім того, він має високоефективні білки, що відновлюють ДНК.

Astyanax hubbsi

Навіть у середовищі з явно низьким або відсутнім радіацією екстремофільні організми пристосовані реагувати на зміни рівня радіації.

Наприклад, Astyanax hubbsi, мексиканська печера, що мешкає в печері, не має поверхнево сприймаються очних структур, але може виділити невеликі відмінності у зовнішньому світлі. Вони використовують екстраокулярні фоторецептори для виявлення та реагування на рухомі зорові подразники.

Рисунок 7. Сліпа риба роду Astyanax, мешканець печери. Джерело: Shizhao, з Wikimedia Commons

Антропогенні крайнощі

В даний час ми живемо в середовищі, де нав'язуються екстремальні умови навколишнього середовища, штучно породжені як вплив людської діяльності.

Так звані середовища антропогенного впливу надзвичайно різноманітні, глобальні за масштабом, і їх більше не можна ігнорувати при визначенні певних екстремальних середовищ.

Наприклад, навколишнє середовище, що впливає на забруднення (атмосферне, водне та ґрунтове) - як кліматичні зміни, так і кислотні дощі-, видобуток природних ресурсів, фізичні порушення та надмірне використання.

Переходи та екотони

Окрім згаданих вище екстремальних середовищ, наземні екологи завжди усвідомлювали особливий характер перехідних зон між двома або більше різноманітними спільнотами чи середовищами, наприклад, деревна лінія в горах чи межа між лісами та луками. . Вони називаються ременями натягу або екотонами.

Екотони існують і в морському середовищі, наприклад, перехід між льодом і водою, представлений краєм морського льоду. Ці перехідні зони, як правило, демонструють більшу різноманітність видів та щільність біомаси, ніж флангові спільноти, значною мірою тому, що організми, які живуть в них, можуть скористатися ресурсами сусідніх середовищ, що може дати їм перевагу.

Однак екотони - це постійно мінливі та динамічні регіони, які часто демонструють більш широкий спектр коливань в абіотичних та біотичних умовах протягом річного періоду, ніж у суміжних середовищах.

Це обґрунтовано можна вважати "крайнім", оскільки воно вимагає від організмів постійної адаптації своєї поведінки, фенології (сезонна погода) та взаємодії з іншими видами.

Види, що мешкають по обидва боки екотону, часто більш терпимі до динаміки, тоді як види, ареал яких обмежений однією стороною, сприймають іншу сторону як крайню.

Загалом, ці перехідні зони також часто вперше зазнають змін клімату та / або порушень, як природних, так і антропогенних.

Тварини і рослини з різними стадіями або фазами

Середовища не тільки динамічні, а можуть бути і не бути екстремальними, але організми також динамічні і мають життєві цикли з різними стадіями, пристосовані до конкретних умов навколишнього середовища.

Може статися так, що середовище, що підтримує одну з стадій життєвого циклу організму, є екстремальною для іншої з стадій.

Рослини

Наприклад, кокос (Cocos nucifera) має насіння, пристосоване для транспортування морем, але зріле дерево росте на суші.

У судинних спороносних рослинах, таких як папороть і різні види мохів, гаметофіт може бути позбавлений фотосинтетичних пігментів, не мати коренів і залежати від вологості навколишнього середовища.

У той час як спорофіти мають кореневища, коріння і пагони, які витримують спекотні та сухі умови при повному сонячному світлі. Різниця між спорофітами та гаметофітами в тому ж порядку, що й різниці між таксонами.

Тварини

Дуже близький приклад складається з малолітніх стадій багатьох видів, які, як правило, нетерпимі до навколишнього середовища, яке зазвичай оточує дорослу людину, тому вони, як правило, потребують захисту та догляду в період, протягом якого вони набувають навичок та сильних можливостей, які дозволяють їм. дозволяють мати справу з цими середовищами.

Список літератури

1. Кохсіма, С. (1984). Нове холодостійке комаха, знайдене в гімалайському льодовику. Природа 310, 225-227.
2. Macelroy, RD (1974). Деякі коментарі щодо еволюції екстремалів. Біосистеми, 6 (1), 74–75. doi: 10.1016 / 0303-2647 (74) 90026-4
3. Marchant, HJ, Davidson, AT та Kelly, GJ (1991), захищаючи ультрафіолетові сполуки в морській водорості Phaeocystis pouchetti з Антарктиди. Морська біологія 109, 391-395.
4. Орен, А. (2005). Сто років досліджень Dunaliella: 1905-2005. Сольові системи 1, дої: 10.1186 / 1746-1448 -1 -2.
5. Ротшильд, LJ та Мансінеллі, RL (2001). Життя в екстремальних умовах. Природа 409, 1092-1101.
6. Schleper, C., Piihler, G., Kuhlmorgen, B. and Zillig, W. (1995). Литература при надзвичайно низькому pH. Природа 375, 741-742.
7. Storey, KB та Storey, JM (1996). Природне виживання при замерзанні у тварин. Щорічний огляд екології та систематики 27, 365-386.
8. Teyke, T. and Schaerer, S. (1994) Сліпі мексиканські печерні риби (Astyanax hubbsi) реагують на рухомі зорові стимули. Журнал експериментальної біології 188, 89-1 () 1.
9. Yancey, PI I., Clark, ML, Eland, SC, Bowlus RD і Somero, GN (1982). Життя з водним стресом: еволюція осмолітних систем. Наука 217, 1214-1222.