Karakteristieke thermofielen, classificatie en omgevingen



de thermofiele zijn een subtype van extremofiele organismen die worden gekenmerkt door tolerante hoge temperaturen, tussen 50 ° C en 75 ° C, ofwel omdat in deze extreme omgevingen deze temperatuurwaarden worden gehandhaafd, of omdat ze vaak worden bereikt.

Thermofiele organismen zijn meestal bacteriën of archaea, maar er zijn metazoans (eukaryote organismen die heterotroof en weefsel zijn), die zich ook op warme plekken ontwikkelen..

mariene organismen symbiotisch verband met thermofiele bacteriën kunnen worden aangepast aan deze hoge temperaturen zijn eveneens bekend en hebben ook biochemische mechanismen gemodificeerde hemoglobine, hoge bloedvolume ondermeer waarmee ze de toxiciteit van sulfiden en verbindingen tolereren ontwikkeld van zwavel.

Er wordt aangenomen dat thermofiele prokaryoten de eerste eenvoudige cellen in de evolutie van het leven waren en dat ze plaatsen bevolkten met vulkanische activiteit en geisers in de oceanen.

Voorbeelden van dit soort thermofiele organismen zijn die welke leven in de buurt van hydrothermale luchtopeningen of fumarolen op de bodem van de oceanen, zoals methanogene bacteriën (methaanproducenten) en ringelmijten. Riftia pachyptila.

De belangrijkste habitats waar thermofielen te vinden zijn, zijn:

  • Terrestrische hydrothermale omgevingen.
  • Mariene hydrothermale omgevingen.
  • Hete woestijnen.

index

  • 1 Kenmerken van thermofiele organismen
    • 1.1 Onderscheidende kenmerken van thermofiele organismen
  • 2 Classificatie van thermofiele organismen
  • 3 Thermofiele organismen en hun omgeving
    • 3.1 Terrestrische hydrothermische omgevingen
    • 3.2 Voorbeelden van organismen die terrestrische hydrothermische milieus bewonen
    • 3.3 Bacteriën
    • 3.4 Bogen
    • 3.5 Eukaryoten
    • 3.6 Mariene hydrothermale omgevingen
    • 3.7 Voorbeelden van fauna geassocieerd met mariene hydrothermale omgevingen
    • 3.8 Hete woestijnen
    • 3.9 Typen woestijnen
    • 3.10 Voorbeelden van thermofiele woestijnorganismen
  • 4 Referenties

Kenmerken van thermofiele organismen

Temperatuur: kritische abiotische factor voor de ontwikkeling van micro-organismen

Temperatuur is een van de belangrijkste omgevingsfactoren die de groei en het overleven van levende wezens conditioneert. Elke soort heeft een bereik van temperaturen waartussen het kan overleven, maar het heeft een optimale groei en ontwikkeling bij specifieke temperaturen.

De groeisnelheid van elk organisme kan grafisch worden uitgedrukt ten opzichte van de temperatuur, waarbij de waarden worden verkregen die overeenkomen met de kritische kritische temperaturen (minimum, optimum en maximum)..

Minimum temperaturen

Bij de minimale groeitemperaturen van een organisme treedt een afname van de vloeibaarheid van het celmembraan op en kunnen de processen van transport en uitwisseling van materialen, zoals de toevoer van voedingsstoffen en het uitstromen van giftige stoffen stoppen.

Tussen de minimumtemperatuur en de optimale temperatuur neemt de groeisnelheid van micro-organismen toe.

Optimale temperatuur

Bij de optimale temperatuur treden metabole reacties op met een maximaal mogelijke efficiëntie.

Maximum temperatuur

Boven de optimale temperatuur is er een afname van de groeisnelheid tot de maximale temperatuur die door elk organisme kan worden getolereerd.

Bij deze hoge temperaturen worden de structurele en functionele eiwitten gedenatureerd en geïnactiveerd als de enzymen, omdat ze hun geometrische configuratie en specifieke ruimtelijke configuratie verliezen, het cytoplasmamembraan breekt en thermische lysis of breuk optreedt als gevolg van hitte.

Elk micro-organisme heeft zijn minimale, optimale en maximale temperaturen van werking en ontwikkeling. Thermofielen hebben uitzonderlijk hoge waarden bij deze drie temperaturen.

Onderscheidende kenmerken van thermofiele organismen

  • Thermofiele organismen hebben een hoge groeisnelheid, maar een korte levensduur.
  • Ze hebben veel lipiden of langketenige verzadigde vetten in hun celmembraan; dit type verzadigde vetten kan warmte absorberen en naar vloeibare toestand gaan bij hoge temperaturen (smelt), zonder te worden vernietigd.
  • De structurele en functionele eiwitten zijn zeer stabiel tegen hitte (thermostabiel), via covalente bindingen en speciale intermoleculaire krachten, dispersiekrachten genaamd, van Londen..
  • Ze hebben ook speciale enzymen om het metabolisme bij hoge temperaturen te handhaven.
  • Het is bekend dat deze thermofiele micro-organismen de sulfiden en overvloedige zwavelverbindingen in vulkanische gebieden kunnen gebruiken als bronnen van voedingsstoffen om ze om te zetten in organisch materiaal.

Classificatie van thermofiele organismen

Thermofiele organismen kunnen worden onderverdeeld in drie brede categorieën:

  • Gematigde thermofielen, (optimaal tussen 50-60 ° C).
  • Extreme thermofielen (optimaal dicht bij 70 ° C).
  • Hyperthermofielen (optimaal dicht bij 80 ° C).

Thermofiele organismen en hun omgeving

Terrestrische hydrothermale omgevingen

Hydrothermale sites zijn verrassend vaak en wijd verspreid. Ze kunnen grofweg worden opgesplitst in gebieden die geassocieerd zijn met vulkanische gebieden en gebieden die dat niet zijn..

Hydrothermische omstandigheden worden hogere temperaturen algemeen met vulkanische (boilers, storingen beperkt tektonische platen, bakken postérieure boog), waarbij het magma overgang naar een diepte mogelijk wanneer het rechtstreeks kan communiceren met grondwater ondiep.

Hotspots gaan ook vaak gepaard met andere kenmerken die het leven moeilijk maken, zoals pH, organische stof, chemische samenstelling en extreem zoutgehalte..

De bewoners van terrestrische hydrothermale omgevingen overleven daarom in de aanwezigheid van verschillende extreme omstandigheden. Deze organismen staan ​​bekend als polyextramofielen.

Voorbeelden van organismen die terrestrische hydrothermische omgevingen bewonen

Organismen behorend tot de drie domeinen (eukaryoten, bacteriën en archaea) zijn geïdentificeerd in terrestrische hydrothermische milieus. De diversiteit van deze organismen wordt voornamelijk bepaald door de temperatuur.

Hoewel een breed scala aan bacteriële soorten voorkomt in matig thermofiele omgevingen, kunnen photoautotropen de microbiële gemeenschap domineren en macroscopische "matten" of "tapijt" -structuren vormen..

Deze "fotosynthetische tapijten" zijn aanwezig op het oppervlak van de meeste neutrale en alkalische thermische bronnen (pH groter dan 7,0) bij temperaturen tussen 40-71 ° C, waarbij cyanobacteriën de belangrijkste dominante producenten zijn.

Boven 55 ° C worden fotosynthetische tapijten voornamelijk bewoond door eencellige cyanobacteriën zoals Synechococcus sp.

bacterie

Fotosynthetische microbiële tapijten kunnen ook overwegend worden bewoond door bacteriën van de geslachten Chloroflexus en Roseiflexus, beide leden van de orde Chloroflexales.

Wanneer ze in verband worden gebracht met cyanobacteriën, is de soort Chloreflexus en Roseiflexus optimaal groeien in fotoheterotrofe omstandigheden.

Als de pH zuur is, zijn de geslachten normaal Acidiosphaera, Acidiphilium, Desulfotomaculum, Hydrogenobaculum, Methylokorus, Sulfobacillus Thermoanaerobacter, Thermodesulfobium en Thermodesulfator.

In hyperthermofiele bronnen (tussen 72-98 ° C) is het bekend dat fotosynthese niet optreedt, waardoor chemolithoautotrofe bacteriën overheersen.

Deze organismen behoren tot de phylum Aquificae en zijn kosmopolitisch; kan waterstof of moleculaire zwavel oxideren met zuurstof als een elektronenacceptor en koolstof fixeren door de reducerende tricarboxylzuur (rTCA) route.

archaea

Het grootste deel van gecultiveerde en niet-gecultiveerde archaea geïdentificeerd in neutrale en alkalische thermische omgevingen behoren tot de Crenarchaeota phylum.

Soorten zoals Thermofilum-pendens, Thermosphaera-aggregans of Stetteria hydrogenophila Nitrosocaldus yellowstonii, prolifereren onder 77 ° C en Thermoproteus neutrophilus, Vulcanisaeta distributa, Thermofilum-pendens, Aeropyruni pernix, Desulfurococcus mobilis en Ignisphaera aggregans, in bronnen met een temperatuur hoger dan 80 ° C.

In de zure omgevingen zijn er de archaea van de geslachten: Sulfolobus, Sulfurococcus, Metallosphaera, Acidianus, Sulfurisphaera, Picrophilus, Thermoplasma, Thennocladium en Galdivirga.

eukaryotische

Binnen de eukaryoten van neutrale en alkalische bronnen kan worden aangehaald Thermomyces lanuginosus, Scytalidium thermophilum, Echinamoeba thermarum, Marinamoeba thermophilia en Oramoeba funiarolia.

In zure bronnen kun je de genres vinden: Pinnularia, Cyanidioschyzon, Cyanidium of Galdieria.

Mariene hydrothermale omgevingen

Temperaturen van 2 ° C tot boven 400 ° C, gedurende verscheidene duizenden ponden per vierkante inch (psi) en hoge concentraties giftig waterstofsulfide (pH 2,8), warmwaterkraters diepzee mogelijk de meest extreme omgevingen op onze planeet.

In dit ecosysteem dienen microben als de onderste schakel in de voedselketen, en ontlenen hun energie aan de geothermische warmte en de chemicaliën die in de diepten van het binnenste van de aarde worden aangetroffen..

Voorbeelden van fauna geassocieerd met mariene hydrothermale omgevingen

De fauna geassocieerd met deze bronnen of openingen is zeer gevarieerd en de bestaande relaties tussen de verschillende taxa zijn nog niet volledig begrepen.

Onder de soorten die zijn geïsoleerd, zijn zowel bacteriën als archaea. Archaea van het geslacht is bijvoorbeeld geïsoleerd Methanococcus, Methanopyus en anaerobe thermofiele bacteriën van het geslacht Caminibacter.

Bacteriën ontwikkelen zich in biofilms die zich voeden met meerdere organismen zoals amfipoden, roeipootkreeften, slakken, garnalenkrabben, buisvormige wormen, vissen en octopussen.

Een gemeenschappelijk panorama bestaat uit opeenhopingen van mosselen, Bathymodiolus thermophilus, met een lengte van meer dan 10 cm, die zich in barsten van basaltachtige lava nestelen. Deze worden meestal vergezeld door een groot aantal Galapagos-krabben (Munidopsis subsquamosa).

Een van de meest ongewone organismen die wordt aangetroffen, is de buisvormige worm Riftia pachyptila, die in grote hoeveelheden kunnen worden gegroepeerd en groottes van bijna 2 meter bereiken.

Deze buisvormige wormen hebben geen mond, maag of anus (dat wil zeggen, ze hebben geen spijsverteringsstelsel); ze zijn een volledig gesloten tas, zonder enige opening naar de externe omgeving.

De felrode kleur van de pen aan de punt is te wijten aan de aanwezigheid van extracellulair hemoglobine. Waterstofsulfide wordt getransporteerd door het celmembraan dat is verbonden met de filamenten van deze pen, en via extracellulair hemoglobine bereikt het een gespecialiseerd "weefsel" dat het trofosoom wordt genoemd en dat volledig is samengesteld uit symbiotische chemosynthetische bacteriën.

Men kan zeggen dat deze wormen een interne "tuin" van bacteriën hebben die zich voeden met waterstofsulfide en het "voedsel" voor de worm vormen, een buitengewone aanpassing.

Hete woestijnen

De hete woestijnen bedekken tussen 14 en 20% van het oppervlak van de aarde, ongeveer 19-25 miljoen km.

De heetste woestijnen, zoals de Sahara van Noord-Afrika en de woestijnen van het zuidwesten van de VS, Mexico en Australië, zijn te vinden in de tropen in zowel het noordelijk halfrond als het zuidelijk halfrond (tussen ongeveer 10 ° en 30- 40 ° breedtegraad).

Soorten woestijnen

Een bepalend kenmerk van een hete woestijn is dorheid. Volgens de klimaatindeling van Koppen-Geiger zijn de woestijnen gebieden met een jaarlijkse neerslag van minder dan 250 mm.

De jaarlijkse neerslag kan echter een misleidende index zijn, omdat het verlies van water een doorslaggevende factor is in het waterbudget.

Zo is de woestijndefinitie van het Milieuprogramma van de Verenigde Naties een jaarlijks tekort aan vochtigheid in normale klimatologische omstandigheden, waarbij potentiële evapotranspiratie (PET) vijf keer groter is dan de feitelijke neerslag (P).

In hete woestijnen heerst een hoog PET-gehalte, omdat zonnestraling vanwege het gebrek aan bewolking een maximum bereikt in droge gebieden.

De woestijnen kunnen in twee soorten worden verdeeld op basis van hun mate van droogte:

  • Hyperáridos: met een index van dorheid (P / PET) van minder dan 0,05.
  • Aggregaten: met een index tussen 0,05 en 0,2.

Woestijnen onderscheiden zich van dorre semi-aride landen (P / PET 0.2-0.5) en droge sub-vochtige droge landen (0.5-0.65).

Woestijnen hebben andere belangrijke kenmerken, zoals hun sterke temperatuurschommelingen en het hoge zoutgehalte van hun bodem.

Aan de andere kant wordt een woestijn meestal geassocieerd met duinen en zand, maar deze afbeelding komt slechts overeen met 15-20% van alle; de rotsachtige en bergachtige landschappen zijn de meest voorkomende woestijnomgevingen.

Voorbeelden van thermofiele organismen in de woestijn

De bewoners van de woestijnen, die thermofielen zijn, hebben een reeks aanpassingen om de tegenslagen aan te kunnen die voortvloeien uit het gebrek aan regen, hoge temperaturen, winden, zoutgehalte, onder anderen..

De xerophite planten hebben strategieën ontwikkeld om transpiratie te voorkomen en zoveel mogelijk water op te slaan. De sappigheid of verdikking van stelen en bladeren, is een van de meest gebruikte strategieën.

Het is duidelijk in de familie Cactaceae, waar de bladeren ook zijn gemodificeerd in de vorm van stekels, zowel om evapotranspiratie te voorkomen als om herbivoren af ​​te weren..

Het geslacht Lithops of steenplanten, afkomstig uit de woestijn van Namibië, ontwikkelt ook sappigheid, maar in dit geval groeit de plant op de begane grond en camoufleert zichzelf met de omringende stenen.

Aan de andere kant ontwikkelen de dieren die in deze extreme habitats leven allerlei aanpassingen, van fysiologisch tot ethologisch. Zogenaamde kangoeroeratten presenteren bijvoorbeeld een laag volume, laag volume plassen en deze dieren zijn zeer efficiënt in hun waterarme omgeving..

Een ander mechanisme om waterverlies te verminderen is de toename van de lichaamstemperatuur; zo kan de lichaamstemperatuur van rustende kamelen in de zomer toenemen van ongeveer 34 ° C tot meer dan 40 ° C.

Temperatuurvariaties zijn van groot belang bij waterbehoud, vanwege het volgende:

  • De toename van de lichaamstemperatuur betekent dat warmte wordt opgeslagen in het lichaam in plaats van te dissiperen door de verdamping van water. Later, 's nachts, kan overtollige warmte worden verdreven zonder water.
  • De warmtewinst van de hete omgeving neemt af, omdat de temperatuurgradiënt wordt verlaagd.

Een ander voorbeeld is de zandrat (Psammomys obesus), die een spijsverteringsmechanisme heeft ontwikkeld waardoor ze zich alleen kunnen voeden met de woestijnplanten van de familie Chenopodiaceae, die grote hoeveelheden zouten in de bladeren bevatten.

De ethologische (gedragsmatige) aanpassingen van woestijndieren zijn talrijk, maar misschien wel het meest voor de hand liggende impliceert dat de activiteitsrustcyclus is omgekeerd.

Op deze manier worden deze dieren actief bij zonsondergang (nachtelijke activiteit) en zijn ze niet meer bij zonsopgang (overdag rust), hun actieve leven valt niet samen met de heetste uren.

referenties

  1. Baker-Austin, C. en Dopson, M. (2007). Leven in zuur: pH-homeostase bij acidofielen. Trends in Microbiology 15, 165-171.
  2. Berry, J.A. en Bjorkman, 0. (1980). Fotosynthetische respons en aanpassing aan temperatuur in hogere planten. Jaaroverzicht van plantenfysiologie 31, 491-534.
  3. Brock, T.D. (1978). Thermofiele micro-organismen en leven bij hoge temperaturen. Springer-Verlag, New York, 378 pp.
  4. Campos, V.L., Escalante, G., Jafiez, J., Zaror, C.A. en Mondaca, A.M. (2009), Isolatie van arseniet-oxiderende bacteriën van een natuurlijke biofilm geassocieerd met vulkanische rotsen van Atacama Desert, Chili. Journal of Basic Microbiology 49, 93-97.
  5. Cary, C.S., Shank, T. en Stein, J. (1998). Wormen koesteren zich bij extreme temperaturen. Nature 391, 545-546.
  6. Chevaldonne, P, Desbruyeres, D. en Childress, J.J. (1992). Sommigen vinden het warm ... en sommige vinden het zelfs nog warmer. Nature 359, 593-594.
  7. Evenari, M., Lange, 01., Schulze, E.D., Buschbom, U. en Kappen, L. (1975). Adaptieve mechanismen in woestijnplanten. In: Vemberg, F.J. (red.) Fysiologische aanpassing aan het milieu. Intext Press, Platteville, LISA, pp. 111-129.
  8. Gibson, A.C. (1996). Structuur-functie relaties van warme woestijnplanten. Springer, Heidelberg, Duitsland, 216 pp.
  9. Gutterman, Y. (2002). Overlevingsstrategieën van jaarlijkse woestijnplanten. Springer, Berlijn, Duitsland, 368 pp.
  10. Lutz, R.A. (1988). Verspreiding van organismen bij deep-sea hydrothermale ventilatieopeningen: een evaluatie. Oceanologica Act 8, 23-29.
  11. Lutz, R.A., Shank, T.M., Fornari, D.J., Haymon, R.M., Lilley, M.D., Von Damm, K.L. en Desbruyeres, D. (1994). Snelle groei bij diepze luchtroosters. Nature 371, 663-664.
  12. Rhoads, D.C., Lutz, R.A., Revelas, E.C. en Cerrato, R.M. (1981). Groei van tweekleppigen bij diepzee hydrothermale bronnen langs de Galapagos Rift. Science 214, 911-913.
  13. Noy-Meir I. (1973). Woestijnecosystemen: milieu en producenten. Jaaroverzicht van ecologische systemen 4, 25-51.
  14. Wiegel, J. en Adams, M.W.W. (1998). Thermofielen: de sleutels tot moleculaire evolutie en de oorsprong van het leven. Taylor en Francis, Londen, 346 pp.