THERMOPHILES: MGA KATANGIAN, PAG-UURI AT MGA KAPALIGIRAN - BIOLOGY - 2024

Ang thermophilic ay isang subtype ng mga extremophile na nailalarawan sa pamamagitan ng mataas na pagpaparaya ng temperatura sa pagitan ng 50 ° C at 75 ° C, alinman dahil ang mga halagang ito ay pinapanatili ang temperatura sa mga matinding kapaligiran, o dahil madalas na umabot.

Ang mga organismo ng thermophilic ay karaniwang mga bakterya o archaea, gayunpaman, mayroong mga metazoans (eukaryotic organismo na heterotrophic at tisyu), na bubuo din sa mga maiinit na lugar.

Larawan 1. Desyerto ng Atacama, sa Chile, isa sa mga pinakamagandang lugar sa mundo. Pinagmulan: pixabay.com

Ang mga organismo ng dagat ay kilala rin na, na nauugnay sa symbiosis na may bakterya ng thermophilic, ay maaaring umangkop sa mga mataas na temperatura na ito at nabuo din ang mga mekanismo ng biochemical tulad ng binagong hemoglobin, mataas na dami ng dugo, bukod sa iba pa, na nagpapahintulot sa kanila na tiisin ang toxicity ng mga sulfide at compound. asupre.

Ang mga thermophilic prokaryotes ay pinaniniwalaan na ang unang simpleng mga cell sa ebolusyon ng buhay at tumira sa mga lugar na may aktibidad na bulkan at geysers sa mga karagatan.

Ang mga halimbawa ng ganitong uri ng mga thermophilic organism ay ang mga nakatira sa paligid ng mga hydrothermal vents o vents sa ilalim ng mga karagatan, tulad ng mga bakterya na methanogeniko (methane-paggawa) at ang annelid Riftia pachyptila.

Ang pangunahing tirahan kung saan matatagpuan ang mga thermophile ay:

• Ang terrestrial hydrothermal na kapaligiran.
• Mga marine hydrothermal environment.
• Mga mainit na disyerto.

Mga katangian ng mga thermophilic organism

Temperatura: kritikal na abiotic factor para sa pagbuo ng mga microorganism

Ang temperatura ay isa sa mga pangunahing salik sa kapaligiran na tumutukoy sa paglaki at kaligtasan ng mga nabubuhay na bagay. Ang bawat species ay may isang hanay ng mga temperatura sa loob kung saan maaari itong mabuhay, gayunpaman, ito ay may pinakamainam na paglaki at pag-unlad sa mga tiyak na temperatura.

Ang rate ng paglago ng bawat organismo kumpara sa temperatura ay maaaring ipinahayag ng graph, pagkuha ng mga halagang naaayon sa mahalagang mga kritikal na temperatura (minimum, pinakamabuting kalagayan at maximum).

Pinakamababang temperatura

Sa pinakamababang temperatura ng paglago ng isang organismo, ang pagbawas sa likido ng lamad ng cell ay nangyayari at ang mga proseso ng transportasyon at pagpapalitan ng mga materyales, tulad ng pagpasok ng mga nutrisyon at paglabas ng mga nakakalason na sangkap, ay maaaring mapigilan.

Sa pagitan ng minimum na temperatura at ang pinakamabuting kalagayan temperatura, ang pagtaas ng rate ng mga microorganism ay tumataas.

Mataas na temperatura

Sa pinakamainam na temperatura, ang mga metabolic reaksyon ay nangyayari na may pinakamataas na posibleng kahusayan.

Pinakamataas na temperatura

Sa itaas ng pinakamainam na temperatura, ang pagbaba sa rate ng paglago ay nangyayari sa maximum na temperatura na maaaring tiisin ng bawat organismo.

Sa mga mataas na temperatura na ito, ang mga istruktura at functional na mga protina tulad ng mga enzymes ay denatured at hindi aktibo, dahil nawala ang kanilang geometric na pagsasaayos at partikular na pagsasaayos ng spatial, ang mga cytoplasmic membrane break at ang thermal lysis o pagkalagot ay nangyayari dahil sa epekto ng init.

Ang bawat microorganism ay may minimum, optimal at maximum na temperatura para sa operasyon at pag-unlad. Ang mga thermophile ay may sobrang mataas na mga halaga sa tatlong temperatura na ito.

Ang mga tampok na pagkakaiba-iba ng mga organismo ng thermophilic

• Ang mga organismo ng thermophilic ay may mataas na rate ng paglago, ngunit maikling buhay.
• Mayroon silang isang malaking halaga ng mahaba-chain na saturated fat o lipids sa kanilang cell lamad; ang ganitong uri ng puspos na taba ay may kakayahang sumipsip ng init at maging isang likido na estado sa mataas na temperatura (natutunaw), nang hindi masisira.
• Ang istruktura at functional na mga protina nito ay sobrang init na matatag (pinakamabilis), sa pamamagitan ng mga covalent bond at mga espesyal na intermolecular na puwersa na tinatawag na London puyat na puwersa.
• Mayroon din silang mga espesyal na enzyme upang mapanatili ang metabolic na gumagana sa mataas na temperatura.
• Ito ay kilala na ang mga thermophilic microorganism na ito ay maaaring gumamit ng mga sulfide at asupre compound na sagana sa mga bulkan na lugar, bilang mga mapagkukunan ng mga nutrisyon upang mai-convert ang mga ito sa organikong bagay.

Pag-uuri ng mga thermophilic organism

Ang mga organismo ng thermophilic ay maaaring nahahati sa tatlong malawak na kategorya:

• Katamtamang thermophiles, (pinakamainam sa pagitan ng 50-60 ° C).
• Ang matinding thermophiles (pinakamabuting kalagayan malapit sa 70 ° C).
• Ang mga hyperthermophiles (pinakamainam na malapit sa 80 ° C).

Thermophilic organismo at ang kanilang mga kapaligiran

Ang terrestrial hydrothermal na kapaligiran

Ang mga Hydrothermal site ay nakakagulat na karaniwang at malawak na ipinamamahagi. Maaari silang malawak na nahahati sa mga nauugnay sa mga lugar ng bulkan at sa mga hindi.

Ang mga hydrothermal na kapaligiran na may pinakamataas na temperatura ay karaniwang nauugnay sa mga tampok ng bulkan (calderas, faults, plate tectonic border, back arc basins), na nagpapahintulot sa magma na tumaas sa isang lalim kung saan maaari itong direktang makipag-ugnay sa tubig sa lupa malalim.

Larawan 2. Tatio Geysers, Atacama, Chile. Pinagmulan: Diego Delso

Ang mga hot spot ay madalas ding sinamahan ng iba pang mga katangian na nagpapahirap sa pagbuo ng buhay, tulad ng matinding halaga ng pH, organikong bagay, komposisyon ng kemikal at kaasinan.

Ang mga naninirahan sa terrestrial hydrothermal na kapaligiran, samakatuwid, nakaligtas sa pagkakaroon ng iba't ibang matinding kondisyon. Ang mga organismo na ito ay kilala bilang polyextremophiles.

Mga halimbawa ng mga organismo na nakatira sa terrestrial hydrothermal na kapaligiran

Ang mga organismo na kabilang sa lahat ng tatlong mga domain (eukaryotic, bacterial, at archaea) ay nakilala sa terrestrial hydrothermal environment. Ang pagkakaiba-iba ng mga organismo na ito ay natutukoy pangunahin ng temperatura.

Habang ang isang magkakaibang hanay ng mga species ng bakterya ay naninirahan sa moderately mga thermophilic na kapaligiran, ang mga photoautotroph ay maaaring mapuno ang microbial na komunidad at bumubuo ng macroscopic "banig" o "karpet"-tulad ng mga istraktura.

Ang mga "photosynthetic mats" ay naroroon sa ibabaw ng karamihan sa mga neutral at alkalina na mainit na bukal (pH na higit sa 7.0) sa mga temperatura sa pagitan ng 40-71 ° C, na may itinatag na cyanobacteria bilang pangunahing nangungunang mga tagagawa.

Sa itaas ng 55 ° C, ang mga photosynthetic na banig ay nakatira sa pamamagitan ng unicellular cyanobacteria tulad ng Synechococcus sp.

Bakterya

Ang mga photosynthetic microbial mats ay maaari ding nakatira sa pamamagitan ng bakterya ng genera na Chloroflexus at Roseiflexus, parehong mga miyembro ng order na Chloroflexales.

Kung nauugnay sa cyanobacteria, ang mga species ng Chloreflexus at Roseiflexus ay mabilis na lumago sa ilalim ng mga kondisyon ng photoheterotrophic.

Kung ang pH ay acidic, ang genera Acidiosphaera, Acidiphilium, Desulfotomaculum, Hydrogenobaculum, Methylokorus, Sulfobacillus Thermoanaerobacter, Thermodesulfobium at Thermodesulfator.

Sa mga mapagkukunang hyperthermophilic (sa pagitan ng 72-98 ° C) ay nalalaman na hindi nangyayari ang fotosintesis, na nagpapahintulot sa pangunahin ng mga bakterya na chemolytoautotrophic.

Ang mga organismo na ito ay kabilang sa phylum Aquificae at mga kosmopolitan; maaari silang mag-oxidize ng hydrogen o molekular na asupre na may oxygen bilang isang elektronong tumatanggap at ayusin ang carbon sa pamamagitan ng pagbawas ng tricarboxylic acid (rTCA) na landas.

Mga Arko

Karamihan sa mga nilinang at walang kulturang archaea na nakilala sa neutral at alkaline thermal environment ay kabilang sa phylum Crenarchaeota.

Ang mga species tulad ng Thermofilum pendens, Thermosphaera aggregans o Stetteria hydrogenophila Nitrosocaldus yellowstonii, proliferate sa ibaba ng 77 ° C at Thermoproteus neutrophilus, Vulcanisaeta distributa, Thermofilum pendens, Aeropyruni hananax, Desulfurococcus mobilis at Ignispha.

Sa acidic na kapaligiran, ang arkoea ng genera: Sulfolobus, Sulfurococcus, Metallosphaera, Acidianus, Sulfurisphaera, Picrophilus, Thermoplasma, Thennocladium at Galdivirga.

Eukaryotes

Kabilang sa mga eukaryote mula sa neutral at alkaline na mapagkukunan, ang Thermomyces lanuginosus, Scytalidium thermophilum, Echinamoeba thermarum, Marinamoeba thermophilia at Oramoeba funiarolia ay maaaring mabanggit.

Sa acidic na pinagmulan ang genera: Pinnularia, Cyanidioschyzon, Cyanidium o Galdieria ay matatagpuan.

Mga marine hydrothermal environment

Sa mga temperatura na mula sa 2 ° C hanggang sa higit sa 400 ° C, ang mga presyur na higit sa ilang libong pounds bawat square inch (psi), at ang mataas na konsentrasyon ng nakakalason na hydrogen sulfide (pH ng 2.8), ang mga deep-sea hydrothermal vent ay marahil ang pinaka matinding mga kapaligiran sa ating planeta.

Sa ekosistema na ito, ang mga microbes ay nagsisilbing ilalim ng link sa kadena ng pagkain, na nakukuha ang kanilang enerhiya mula sa geothermal heat at mga kemikal na natagpuan nang malalim sa loob ng Daigdig.

Larawan 4. Hydrothermal vent at tube worm. Pinagmulan: photolib.noaa.gov

Mga halimbawa ng fauna na nauugnay sa mga kapaligiran ng hydrothermal na kapaligiran

Ang fauna na nauugnay sa mga mapagkukunang ito o vents ay iba-iba, at ang mga ugnayan sa pagitan ng iba't ibang taxa ay hindi pa ganap na nauunawaan.

Kabilang sa mga species na nakahiwalay ay parehong bakterya at archaea. Halimbawa, ang archaea ng genus Methanococcus, Methanopyus, at thermophilic anaerobic bacteria ng genus Caminibacter ay nakahiwalay.

Ang mga bakterya ay umunlad sa biofilms kung saan maraming mga organismo tulad ng amphipods, copepods, snails, crab hipon, tubeworms, isda, at octopus feed.

Larawan 5. Hipon ng genus na si Rimicaris, mga naninirahan sa fumaroles. Pinagmulan: NOAA Okeanos Explorer Program, Mid-Cayman Rise Expedition 2011

Ang isang pangkaraniwang senaryo ay ang mga akumulasyon ng mussel, ang Bathymodiolus thermophilus, na mahigit sa 10 cm ang haba, na sumasabay sa mga bitak sa basaltic lava. Ang mga ito ay karaniwang sinamahan ng maraming galateid crab (Munidopsis subsquamosa).

Ang isa sa mga hindi pangkaraniwang mga organismo na natagpuan ay ang tubeworm na Riftia pachyptila, na maaaring pangkatin sa malalaking numero at maabot ang mga sukat na malapit sa 2 metro.

Ang mga tubeworm na ito ay walang bibig, tiyan, o anus (iyon ay, wala silang isang digestive system); ang mga ito ay isang ganap na sarado na sako, nang walang anumang pagbubukas sa panlabas na kapaligiran.

Larawan 6. Ang tubeworm na Riftia pachyptila na may anemones at mussels. Pinagmulan:
NOAA Okeanos Explorer Program, Galapagos Rift Expedition 2011

Ang maliwanag na pulang kulay ng pen sa dulo ay dahil sa pagkakaroon ng extracellular hemoglobin. Ang hydrogen sulfide ay dinala sa buong lamad ng cell na nauugnay sa mga filament ng plume na ito, at sa pamamagitan ng extracellular hemoglobin umabot sa isang dalubhasang "tissue" na tinatawag na isang trophosome, na binubuo nang buo ng symbiotic chemosynthetic bacteria.

Ang mga uod na ito ay maaaring masabing may panloob na "hardin" ng bakterya na kumakain ng hydrogen sulfide at nagbibigay ng "pagkain" para sa bulate, isang pambihirang pagbagay.

Mga mainit na disyerto

Sakop ng mainit na mga disyerto sa pagitan ng 14 at 20% ng ibabaw ng Earth, humigit-kumulang 19-25 milyong km.

Ang pinakamainit na disyerto, tulad ng Sahara ng North Africa at ang mga disyerto ng timog-kanlurang US, Mexico, at Australia, ay matatagpuan sa buong tropiko sa hilaga at timog na hemispheres (sa pagitan ng halos 10 ° at 30- 40 ° latitude).

Mga uri ng mga disyerto

Ang isang pagtukoy ng katangian ng isang mainit na disyerto ay aridity. Ayon sa pag-uuri ng klima ng Koppen-Geiger, ang mga disyerto ay mga rehiyon na may taunang pag-ulan na mas mababa sa 250 mm.

Gayunpaman, ang taunang pag-ulan ay maaaring maging isang nakaliligaw na index, dahil ang pagkawala ng tubig ay isang decider sa badyet ng tubig.

Sa gayon, ang kahulugan ng Programang Pangkapaligiran ng United Nations tungkol sa disyerto ay isang taunang kakulangan sa kahalumigmigan sa ilalim ng normal na kundisyon ng klimatiko, kung saan ang mga potensyal na evapotranspiration (PET) ay limang beses na mas malaki kaysa sa aktwal na pag-ulan (P).

Ang Mataas na Alagang Hayop ay laganap sa mga mainit na disyerto dahil, dahil sa kakulangan ng takip ng ulap, ang solar radiation ay lumalapit sa pinakamataas sa mga gulo na rehiyon.

Ang mga disyerto ay maaaring nahahati sa dalawang uri ayon sa kanilang antas ng aridity:

• Hyper-arid: na may isang aridity index (P / PET) mas mababa sa 0.05.
• Aggregates: na may isang index sa pagitan ng 0.05 at 0.2.

Ang mga disyerto ay nakikilala mula sa mga ligid na semi-arid na lupain (P / PET 0.2-0.5) at mula sa mga sub-humid na mga lupain (0.5-0.65).

Ang mga disyerto ay may iba pang mahahalagang katangian, tulad ng kanilang malakas na pagkakaiba-iba ng temperatura at ang mataas na kaasinan ng kanilang mga lupa.

Sa kabilang banda, ang isang disyerto ay karaniwang nauugnay sa mga buhangin at buhangin, gayunpaman, ang imaheng ito ay tumutugma lamang sa 15-20% ng kanilang lahat; mabato at bulubunduking tanawin ang pinakamadalas na kapaligiran sa disyerto.

Mga halimbawa ng mga organisasyong thermophilic ng disyerto

Ang mga naninirahan sa mga disyerto, na mga thermophile, ay may isang serye ng mga pagbagay upang harapin ang mga paghihirap na lumitaw mula sa kakulangan ng ulan, mataas na temperatura, hangin, kaasinan, at iba pa.

Ang mga Xerophytic na halaman ay nakabuo ng mga diskarte upang maiwasan ang pawis at mag-imbak ng maraming tubig hangga't maaari. Ang succulence o pampalapot ng mga tangkay at dahon ay isa sa mga ginagamit na diskarte.

Maliwanag ito sa pamilyang Cactaceae, kung saan ang mga dahon ay nabago din sa mga spines, kapwa upang maiwasan ang evapotranspiration at maitaboy ang mga halamang gulay.

Larawan 7. Cactus sa Singapore Botanic Garden. Pinagmulan: Img ni Calvin Teo, mula sa Wikimedia Commons

Ang genus Lithops o mga halaman ng bato, na katutubong sa disyerto ng Namibian, ay nagkakaroon din ng tagumpay, ngunit sa pagkakataong ito ang halaman ay tumubo ng flush na may lupa, na nagbubuong-buo sa mga nakapalibot na mga bato.

Larawan 8. Ang mga lithops herrei isang rock-like disyerto na halaman. Pinagmulan: Stan Shebs, sa University of California Botanical Garden

Sa kabilang banda, ang mga hayop na naninirahan sa mga labis na tirahan na ito ay nagkakaroon ng lahat ng uri ng pagbagay, mula sa pisyolohikal hanggang sa etolohikal. Halimbawa, ang tinaguriang mga daga kangaroo ay nagpapakita ng mababang pag-ihi at sa mga maliliit na numero, kaya't ang mga hayop na ito ay napakahusay sa kanilang kapaligiran sa tubig.

Ang isa pang mekanismo upang mabawasan ang pagkawala ng tubig ay isang pagtaas sa temperatura ng katawan; Halimbawa, ang temperatura ng katawan ng resting cam ay maaaring tumaas sa tag-araw mula sa halos 34 ° C hanggang sa higit sa 40 ° C.

Ang mga pagkakaiba-iba ng temperatura ay may kahalagahan sa pag-iingat ng tubig, para sa mga sumusunod:

• Ang pagtaas ng temperatura ng katawan ay nangangahulugan na ang init ay nakaimbak sa katawan sa halip na mapawi sa pamamagitan ng pagsingaw ng tubig. Nang maglaon, sa gabi, ang sobrang init ay maaaring mapalayas nang walang pag-aaksaya ng tubig.
• Ang pagtaas ng init mula sa mainit na kapaligiran ay bumababa, dahil ang temperatura ng gradient ay nabawasan.

Ang isa pang halimbawa ay ang daga ng buhangin (Psammomys obesus), na binuo ng isang mekanismo ng pagtunaw na nagpapahintulot sa kanila na pakainin lamang sa mga halaman ng disyerto ng pamilya Chenopodiaceae, na naglalaman ng maraming mga asing-gamot sa mga dahon.

Larawan 9. Daga ng buhangin (Psammomys obesus). Pinagmulan: Gary L. Clark, mula sa Wikimedia Commons

Ang mga pang-agham (asal) na pagbagay ng mga hayop sa disyerto ay marami, ngunit marahil ang pinaka-halata na nagpapahiwatig na ang ikot ng pahinga sa aktibidad ay nababalik.

Sa ganitong paraan, ang mga hayop na ito ay nagiging aktibo sa paglubog ng araw (aktibidad na hindi pangkalakal) at tumigil na maging aktibo sa madaling araw (pahinga sa araw), sa gayon ang kanilang aktibong buhay ay hindi nag-tutugma sa mga pinakamainit na oras.

Mga Sanggunian

1. Baker-Austin, C. at Dopson, M. (2007). Buhay sa acid: pH homeostasis sa acidophiles. Mga Uso sa Mikrobiology 15, 165-171.
2. Berry, JA at Bjorkman, 0. (1980). Photosynthetic na tugon at pagbagay sa temperatura sa mas mataas na halaman. Taunang Pagrepaso sa Plant Physiology 31, 491-534.
3. Brock, TD (1978). Thermophilic Microorganism at Buhay sa Mataas na Katamtaman. Springer-Verlag, New York, 378 p.
4. Campos, VL, Escalante, G., Jafiez, J., Zaror, CA at Mondaca, AM (2009), paghihiwalay ng arsenite-oxidizing bacteria mula sa isang likas na biofilm na nauugnay sa mga bulkan na bato ng disyerto ng Atacama, Chile. Journal of Basic Microbiology 49, 93-97.
5. Cary, CS, Shank, T. at Stein, J. (1998). Ang mga bulate ay basang-basa sa matinding temperatura. Kalikasan 391, 545-546.
6. Chevaldonne, P, Desbruyeres, D. at Childress, JJ (1992). Ang ilan ay nagustuhan ito … at ang ilan ay nagustuhan nito kahit na mas mainit. Kalikasan 359, 593-594.
7. Evenari, M., Lange, 01., Schulze, ED, Buschbom, U. at Kappen, L. (1975). Mga mekanismo ng agpang sa mga halaman ng disyerto. Sa: Vemberg, FJ (ed.) Pagsasaayos ng Physiological sa Kapaligiran. Intext Press, Platteville, LISA, pp. 111-129.
8. Gibson, AC (1996). Istraktura-Pag-ugnay ng Pag-andar ng Warm Desert Halaman. Springer, Heidelberg, Alemanya, 216 p.
9. Gutterman, Y. (2002). Mga Diskarte sa Kaligtasan ng Taunang Mga Halaman ng Desert. Springer, Berlin, Alemanya, 368 p.
10. Lutz, RA (1988). Pagkakalat ng mga organismo sa mga malalalim na dagat na hydrothermal vent: isang pagsusuri. Oceanologica Acta 8, 23-29.
11. Lutz, RA, Shank, TM, Fornari, DJ, Haymon, RM, Lilley, MD, Von Damm, KL at Desbruyeres, D. (1994). Mabilis na paglaki sa malalim na dagat. Kalikasan 371, 663-664.
12. Ang mga Rhoads, DC, Lutz, RA, Revelas, EC at Cerrato, RM (1981). Ang paglaki ng mga bivalves sa malalim na dagat na hydrothermal vents kasama ang Galapagos Rift. Agham 214, 911-913.
13. Noy-Meir I. (1973). Mga ecosystem ng disyerto: kapaligiran at mga prodyuser. Taunang Repasuhin ng Mga Sistema ng Ecological 4, 25-51
14. Wiegel, J. at Adams, MWW (1998). Thermophiles: ang mga susi sa ebolusyon ng molekular at pinagmulan ng buhay. Taylor at Francis, London, 346 p.