EXTREMOFILY: VLASTNOSTI, TYPY A PŘÍKLADY - BIOLOGIE - 2025

Tyto Extremophiles jsou organismy, které žijí v extrémních prostředích, tedy těch, které se odchylují od podmínek, ve kterých žijí většinu známých organismů lidmi.

Termíny „extrémní“ a „extrémofilní“ jsou relativně antropocentrické, protože my lidé hodnotíme stanoviště a jejich obyvatele na základě toho, co by se pro naši vlastní existenci považovalo za extrémní.

Obrázek 1. Tardigrades, kmen známý pro svou schopnost přežít ve velmi drsném prostředí. Zdroj: Willow Gabriel, Goldstein Lab, prostřednictvím Wikimedia Commons

Vzhledem k výše uvedenému, co charakterizuje extrémní prostředí, je to, že představuje nepřijatelné podmínky pro člověka, pokud jde o jeho teplotu, vlhkost, slanost, světlo, pH, dostupnost kyslíku, úrovně toxicity.

Z neanthropocentrického hlediska by lidské bytosti mohly být extremofily, v závislosti na organismu, který je hodnotil. Například z hlediska přísně anaerobního organismu, pro který je kyslík toxický, by aerobní bytosti (jako lidé) byly extremofily. Naopak pro člověka jsou anaerobní organismy extrémofily.

Původ termínu „Extremofilové“

V současné době definujeme jako „extrémní“ četná prostředí uvnitř i vně planety Země a neustále objevujeme organismy schopné nejen přežít, ale v mnoha z nich také široce prosperující.

RD Macelroy

V roce 1974, RD Macelroy navrhl termín “Extremophiles” definovat tyto organismy, které vykazují optimální růst a vývoj v extrémních podmínkách, na rozdíl od mesofilních organismů, které rostou v prostředích s přechodnými podmínkami.

Podle Macelroy:

„Extremofilní je popis pro organismy schopné osídlit prostředí nepřátelské vůči mezofilům nebo organismy, které rostou pouze v prostředních prostředích.“

V organismech existují dva základní stupně extremismu: ty, které mohou tolerovat extrémní podmínky prostředí a stát se nad ostatními dominantními; a ty, které rostou a vyvíjejí se optimálně v extrémních podmínkách.

Charakteristika extrémních prostředí

Označení prostředí jako „extrémního“ reaguje na antropogenní konstrukci, založenou na zvážení vzdálených extrémů základní linie určitého okolního stavu (teplota, slanost, záření, mimo jiné), která umožňuje přežití člověka.

Toto jméno však musí být založeno na určitých charakteristikách prostředí z pohledu organismu, který je obývá (spíše než z pohledu člověka).

Mezi tyto vlastnosti patří: biomasa, produktivita, biologická rozmanitost (počet druhů a zastoupení vyšších taxonů), rozmanitost procesů v ekosystémech a specifické přizpůsobení prostředí daného organismu.

Součet všech těchto charakteristik označuje extrémní stav prostředí. Například extrémní prostředí je takové, které obecně představuje:

• Nízká biomasa a produktivita
• Převaha archaických forem života
• Absence vyšších forem života
• Absence fotosyntézy a fixace dusíku, ale závislost na jiných metabolických drahách a specifických fyziologických, metabolických, morfologických a / nebo adaptacích životního cyklu.

Druhy extremofilů na zoologické stupnici

Jednobuněčné organismy

Termín Extremophilic často se odkazuje na prokaryotes, takový jako baktérie, a je někdy používán zaměnitelně s Archaea.

Existuje však celá řada extrémemofilních organismů a naše znalosti o fylogenetické rozmanitosti v extrémních stanovištích rostou téměř denně.

Víme například, že všechny hypertermofily (milovníci tepla) jsou členy Archaea a Bacteria. Eukaryoty jsou běžné mezi psychrofily (milovníky chladu), acidofily (milovníky nízkého pH), alkalofily (milovníky vysokého pH), xerofily (milovníky suchého prostředí) a halophily (milovníky soli).

Obrázek 2. Horký pramen v Yellowstonském národním parku v USA, světlé barvy, které tyto prameny získávají, souvisí s množením termofilních bakterií. Zdroj: Jim Peaco, služba národního parku, prostřednictvím Wikimedia Commons

Vícebuněčné organismy

Extraktem mohou být také mnohobuněčné organismy, jako jsou bezobratlí a obratlovci.

Například některé psychrofily zahrnují malé množství žab, želv a hada, které se v zimě vyhýbají intracelulárnímu zamrzání ve svých tkáních, akumulují osmolyty v buněčné cytoplazmě a umožňují zmrazení pouze extracelulární vody (vnější vůči buňkám)..

Dalším příkladem je případ antarktického hlístice Panagrolaimus davidi, které může přežít intracelulární zmrazení (zmrazení vody v jeho buňkách), které je schopné po rozmrazení růst a rozmnožit se.

Také ryby čeledi Channichthyidae, obyvatel studených vod Antarktidy a jižně od amerického kontinentu, používají nemrznoucí proteiny k ochraně svých buněk před jejich úplným zamrznutím.

Poly-Extremofily

Poly-Extremofily jsou organismy, které mohou přežít současně více než jednu extrémní podmínku, a proto jsou běžné ve všech extrémních prostředích.

Například pouštní rostliny, které přežívají extrémní teplo, omezenou dostupnost vody a často vysokou slanost.

Dalším příkladem by mohla být zvířata, která obývají mořské dno a která jsou schopna odolávat mimo jiné velmi vysokým tlakům, jako je například nedostatek světla a nedostatek živin.

Nejběžnější typy extrémních prostředí

Extrémy prostředí jsou tradičně definovány na základě abiotických faktorů, jako například:

• Teplota.
• Dostupnost vody.
• Tlak.
• pH.
• Slanost.
• Koncentrace kyslíku.
• Úrovně záření.

Extremofily jsou podobně popsány na základě extrémních podmínek, které snášejí.

Nejdůležitější extrémní prostředí, která můžeme rozpoznat podle jejich abiotických podmínek, jsou:

Extrémní chladná prostředí

Extrémně chladná prostředí jsou prostředí, která často přetrvávají nebo klesají po dobu (krátkou nebo dlouhou) teplot pod 5 ° C. Patří sem póly Země, horské oblasti a některá hluboká oceánská stanoviště. I některé velmi horké pouště během dne mají v noci velmi nízké teploty.

Existují další organismy, které žijí v kryosféře (kde je voda v pevném stavu). Například, organismy, které žijí v ledových matricích, permafrostu, pod trvalými nebo periodickými sněhovými pokrývkami, musí tolerovat několik extrémů, včetně chladu, vysoušení a vysoké úrovně záření.

Extrémní tepelná prostředí

Extrémně horká stanoviště jsou ty, která zůstávají nebo periodicky dosahují teploty nad 40 ° C. Například horké pouště, geotermální místa a hlubinné mořské hydrotermální průduchy.

Často jsou spojovány s extrémně vysokými teplotami, prostředím, ve kterém je dostupná voda velmi omezená (trvale nebo pravidelně), jako jsou horké a studené pouště a některými endolitickými stanovišti (která se nacházejí ve skalách).

Extrémní tlaková prostředí

Jiná prostředí jsou vystavena vysokému hydrostatickému tlaku, jako jsou bentické zóny oceánů a hluboká jezera. V těchto hloubkách musí obyvatelé odolávat tlakům vyšším než 1 000 atmosfér.

Alternativně existují hypobarické extrémy (s nízkým atmosférickým tlakem), v horách a v jiných vyvýšených oblastech světa.

Obrázek 3. Námořní fumaroly nebo hydrotermální průduchy. Příklad extrémního prostředí obývaného celou komunitou organismů, ve kterém je vysoký tlak a teplota, jakož i výbojům síry. Zdroj: NOAA, prostřednictvím Wikimedia Commons

Extrémní kyselé a alkalické prostředí

Obecně jsou extrémně kyselá prostředí taková, která udržují nebo pravidelně dosahují hodnot pod pH 5.

Zejména nízké pH zvyšuje „extrémní“ stav prostředí, protože zvyšuje rozpustnost přítomných kovů a organismy, které v nich žijí, musí být přizpůsobeny tak, aby čelily mnoha abiotickým extrémům.

Naopak, extrémně alkalická prostředí jsou taková, která zůstávají nebo pravidelně registrují hodnoty pH nad 9.

Příklady prostředí s extrémním pH zahrnují jezera, podzemní vody a vysoce kyselé nebo zásadité půdy.

Obrázek 4. Humr trpasličí (Munidopsis polymorpha), jeskynní obyvatel a endemický na ostrov Lanzarote, Kanárské ostrovy. Mezi typické úpravy tohoto typu extrémních jeskynních prostředí patří: zmenšení velikosti, bledost a slepota. Zdroj: flickr.com/photos//5582888539

Hypersalinová a anoxická prostředí

Hypersalinová prostředí jsou definována jako prostředí s vyšší koncentrací solí než v mořské vodě, která má 35 dílů na tisíc. Tato prostředí zahrnují hypersalin a slaná jezera.

S „solným roztokem“ nemyslíme pouze slanost způsobenou chloridem sodným, protože může existovat slané prostředí, kde převládající sůl je něco jiného.

Obrázek 5. Růžové zbarvení vody ve státě Salina Las Cumaraguas ve státě Falcón ve Venezuele. Růžové zbarvení je produkt řasy zvané Dunaliella salina, který je schopen odolávat vysokým koncentracím chloridu sodného přítomného v solném roztoku. Zdroj: HumbRios, z Wikimedia Commons

Stanoviště s omezeným množstvím volného kyslíku (hypoxický) nebo bez přítomnosti kyslíku (anoxický), buď trvale nebo v pravidelných intervalech, jsou také považovány za extrémní. Například prostředím s těmito vlastnostmi by byly anoxické pánve v oceánech a jezerech a hlubší vrstvy sedimentů.

Obrázek 6. Artemia monica, korýš, který žije v Mono Lake, v Kalifornii (USA), ve slaném prostředí (hydrogenuhličitan sodný) a vysoké pH. Zdroj: photolib.noaa.gov

Prostředí s vysokým zářením

Ultrafialové (UV) nebo infračervené (IR) záření může organismům uložit extrémní podmínky. Extrémní radiační prostředí jsou prostředí vystavená abnormálně vysokému záření nebo záření mimo normální rozsah. Například polární prostředí a prostředí vysoké nadmořské výšky (pozemní a vodní).

Phaeocystis pouchetii

Některé druhy vykazují únikové mechanismy vysokého UV nebo IR záření. Například Antarktida z mořských řas Phaeocystis pouchetii produkuje ve vodě rozpustné "opalovací krémy", které silně absorbují UV-B vlnové délky (280-320nm) a chrání své buňky před extrémně vysokými hladinami UV-B do 10 m. horní vodní sloupec (po rozbití mořského ledu).

Deinococcus radiodurans

Jiné organismy jsou velmi tolerantní k ionizujícímu záření. Například bakterie Deinococcus radiodurans si může zachovat svou genetickou integritu kompenzací rozsáhlého poškození DNA po vystavení ionizujícímu záření.

Tato bakterie používá intercelulární mechanismy k omezení degradace a omezení difúze fragmentů DNA. Kromě toho má vysoce účinné proteiny pro opravu DNA.

Astyanax hubbsi

Dokonce i v prostředích se zjevně nízkým nebo žádným zářením jsou extrémemofilní organismy přizpůsobeny tak, aby reagovaly na změny v úrovni radiace.

Například muška obecná Astyanax hubbsi, mexická jeskyně žijící v jeskyních, nemá žádné povrchově patrné oční struktury, ale přesto dokáže rozlišit malé rozdíly v okolním světle. Používají extraokulární fotoreceptory k detekci a reakci na pohyblivé vizuální podněty.

Obrázek 7. Slepé ryby rodu Astyanax, obyvatel jeskyně. Zdroj: Shizhao, z Wikimedia Commons

Antropogenní extrémy

V současné době žijeme v prostředí, kde jsou ukládány extrémní podmínky prostředí, uměle vytvořené jako účinek lidské činnosti.

Takzvaná antropogenní dopadová prostředí jsou extrémně různorodá, globální v rozsahu a při definování určitých extrémních prostředí ji nelze ignorovat.

Například prostředí zasažená znečištěním (atmosférické, vodní a půdní) - například změna klimatu a kyselé deště -, těžba přírodních zdrojů, fyzické rušení a nadměrné využívání.

Přechody a ektony

Kromě výše uvedených extrémních prostředí si suchozemští ekologové vždy uvědomovali zvláštní povahu přechodových zón mezi dvěma nebo více různorodými společenstvími nebo prostředími, jako je například stromová linie v horách nebo hranice mezi lesy a pastvinami.. Nazývají se napínací pásy nebo ektony.

Ektony také existují v mořském prostředí, například v přechodu mezi ledem a vodou představovaným okrajem mořského ledu. Tyto přechodové zóny obvykle vykazují větší druhovou diverzitu a hustotu biomasy než sousední komunity, a to hlavně proto, že organismy, které v nich žijí, mohou využít zdroje sousedních prostředí, což jim může poskytnout výhodu.

Ekotony jsou však neustále se měnícími a dynamickými regiony, které často vykazují širší škálu změn abiotických a biotických podmínek v ročním období než sousední prostředí.

To lze rozumně považovat za „extrémní“, protože to vyžaduje, aby organismy neustále přizpůsobovaly své chování, fenologii (sezónní počasí) a interakce s jinými druhy.

Druhy, které žijí na obou stranách ekotonu, jsou často tolerantnější vůči dynamice, zatímco druhy, jejichž rozsah je omezen na jednu stranu, zažívají druhou stranu jako extrémní.

Obecně jsou tyto přechodové zóny často také první, které jsou ovlivněny změnami klimatu a / nebo poruch, přírodních i antropogenních.

Zvířata a rostliny s různými stádii nebo fázemi

Nejenže jsou dynamická prostředí a mohou, ale nemusí být extrémní, ale organismy jsou také dynamické a mají životní cykly s různými stádii, přizpůsobené konkrétním podmínkám prostředí.

Může se stát, že prostředí, které podporuje jednu ze stádií životního cyklu organismu, je pro další stádium extrémní.

Rostliny

Například kokos (Cocos nucifera) má semeno přizpůsobené pro přepravu po moři, ale zralý strom roste na souši.

V rostlinách s vaskulárními spórami, jako jsou kapradiny a různé typy mechů, může gametofyt postrádat fotosyntetické pigmenty, nemá kořeny a závisí na vlhkosti prostředí.

Zatímco sporofyty mají oddenky, kořeny a výhonky, které odolávají horkým a suchým podmínkám na plném slunci. Rozdíl mezi sporofyty a gametofyty je ve stejném pořadí jako rozdíly mezi taxony.

Zvířata

Velmi blízkým příkladem jsou juvenilní stádia mnoha druhů, které obecně netolerují prostředí, které obvykle obklopuje dospělého, takže obvykle vyžadují ochranu a péči během období, v němž získají dovednosti a silné stránky, které potřebují. umožňují vypořádat se s těmito prostředími.

Reference

1. Kohshima, S. (1984). V himalájském ledovci byl nalezen nový hmyz tolerující chlad. Nature 310, 225-227.
2. Macelroy, RD (1974). Nějaké komentáře k vývoji extremephiles. Biosystems, 6 (1), 74–75. doi: 10,016 / 0303-2647 (74) 90026-4
3. Marchant, HJ, Davidson, AT a Kelly, GJ (1991), chránící sloučeniny UV-B v mořské řase Phaeocystis pouchetti z Antarktidy. Marine Biology 109, 391-395.
4. Oren, A. (2005). Sto let výzkumu Dunaliella: 1905-2005. Saline Systems 1, doi: 10,1186 / 1746-1448 -1 -2.
5. Rothschild, LJ a Mancinelli, RL (2001). Život v extrémních prostředích. Nature 409, 1092-1101.
6. Schleper, C., Piihler, G., Kuhlmorgen, B. and Zillig, W. (1995). Lite při extrémně nízkém pH. Nature 375, 741-742.
7. Storey, KB a Storey, JM (1996). Přirozené zmrazení přežití u zvířat. Roční přehled ekologie a systematiky 27, 365-386.
8. Teyke, T. a Schaerer, S. (1994) Slepé mexické jeskynní ryby (Astyanax hubbsi) reagují na pohyblivé vizuální podněty. Journal of Experimental Biology 188, 89-1 () 1.
9. Yancey, PI I., Clark, ML, Eland, SC, Bowlus RD a Somero, GN (1982). Život s vodním stresem: vývoj osmolytelových systémů. Science 217, 1214-1222.