EXTREMOFILY: VLASTNOSTI, TYPY A PRÍKLADY - BIOLÓGIE - 2026

Tieto Extremophiles sú organizmy, ktoré žijú v extrémnych prostrediach, teda tých, ktoré sa odchyľujú od podmienok, v ktorých žijú väčšinu známych organizmov ľuďmi.

Pojmy „extrém“ a „extrémofil“ sú relatívne antropocentrické, pretože my ľudia hodnotíme biotopy a ich obyvateľov na základe toho, čo by sa považovalo za extrémne pre našu vlastnú existenciu.

Obrázok 1. Tardigrades, kmeň známy pre svoju schopnosť prežiť vo veľmi drsnom prostredí. Zdroj: Willow Gabriel, Goldstein Lab, prostredníctvom Wikimedia Commons

Vzhľadom na vyššie uvedené je extrémne prostredie charakteristické tým, že predstavuje pre človeka neprijateľné podmienky, pokiaľ ide o jeho teplotu, vlhkosť, slanosť, svetlo, pH, dostupnosť kyslíka, úroveň toxicity.

Z neantropocentrického hľadiska by ľudia mohli byť extrémofilmi, v závislosti od organizmu, ktorý ich hodnotil. Napríklad z hľadiska prísne anaeróbneho organizmu, pre ktorý je kyslík toxický, by aeróbne bytosti (ako ľudia) boli extrémofílmi. Naopak, pre človeka sú anaeróbne organizmy extrémofily.

Pôvod výrazu „Extremofily“

V súčasnosti definujeme ako „extrémne“ početné prostredie vo vnútri a mimo planéty Zem a neustále objavujeme organizmy schopné nielen prežiť, ale aj v mnohých z nich prosperovať.

RD Macelroy

V roku 1974 navrhol RD Macelroy termín „Extremofily“ na definovanie týchto organizmov, ktoré vykazujú optimálny rast a vývoj v extrémnych podmienkach, na rozdiel od mezofilných organizmov, ktoré rastú v prostrediach so strednými podmienkami.

Podľa Macelroyho:

„Extremofilný je opis pre organizmy schopné zaplniť prostredie nepriateľské voči mezofilom alebo organizmy, ktoré rastú iba v prostredných prostrediach.“

V organizmoch existujú dva základné stupne extrémizmu: tie, ktoré môžu tolerovať extrémny environmentálny stav a stať sa nad ostatnými dominantnými; a tie, ktoré rastú a optimálne sa vyvíjajú v extrémnych podmienkach.

Charakteristika extrémnych prostredí

Označenie prostredia ako „extrémneho“ je reakciou na antropogénnu konštrukciu založenú na zvážení vzdialených extrémov základnej línie určitého stavu prostredia (okrem iného teplota, slanosť, žiarenie), ktoré umožňujú prežitie človeka.

Tento názov sa však musí zakladať na určitých charakteristikách prostredia z hľadiska organizmu, ktorý ho obýva (skôr z hľadiska ľudského).

Medzi tieto vlastnosti patrí: biomasa, produktivita, biodiverzita (počet druhov a zastúpenie vyšších taxónov), rozmanitosť procesov v ekosystémoch a špecifické prispôsobenie prostredia príslušného organizmu.

Súčet všetkých týchto charakteristík označuje extrémny stav prostredia. Napríklad extrémne prostredie predstavuje prostredie, ktoré všeobecne predstavuje:

• Nízka biomasa a produktivita
• Prevaha archaických foriem života
• Absencia vyšších foriem života
• Neprítomnosť fotosyntézy a fixácie dusíka, ale závislosť od iných metabolických ciest a špecifických fyziologických, metabolických, morfologických a / alebo prispôsobení životného cyklu.

Druhy extrémistov na zoologickej stupnici

Jednobunkové organizmy

Termín Extremofilný sa často vzťahuje na prokaryoty, ako sú baktérie, a niekedy sa používa zameniteľne s Archaea.

Existuje však široká škála extrémemofilných organizmov a naše vedomosti o fylogenetickej diverzite v extrémnych biotopoch stúpajú takmer denne.

Vieme napríklad, že všetci hypertermofilovia (milovníci tepla) sú členmi Archaea a Bacteria. Eukaryoty sú bežné medzi psychrofilmi (milovníkmi chladu), acidofilmi (milovníci nízkeho pH), alkalofilmi (milovníci vysokého pH), xerofilmi (milovníci suchého prostredia) a halofilmi (milovníci soli).

Obrázok 2. Horúca jar v národnom parku Yellowstone v USA - svetlé farby, ktoré tieto pramene získavajú, súvisia s množením termofilných baktérií. Zdroj: Jim Peaco, služba národného parku, prostredníctvom Wikimedia Commons

Viacbunkové organizmy

Extraktmi môžu byť aj mnohobunkové organizmy, ako sú bezstavovce a stavovce.

Napríklad niektoré psychrofily zahŕňajú malé množstvo žabiek, korytnačiek a hadíc, ktoré sa počas zimy vyhýbajú intracelulárnemu zamrznutiu v ich tkanivách, hromadia osmolyty v bunkovej cytoplazme a umožňujú zamrznutie iba extracelulárnej vody (mimo buniek). ,

Iným príkladom je prípad antarktického háďatka Panagrolaimus davidi, ktoré môže prežiť intracelulárne zmrazenie (zamrznutie vody v jeho bunkách) a po rozmrazení môže rásť a rozmnožovať sa.

Ryby z čeľade Channichthyidae, obyvatelia studenej vody Antarktídy a južnej časti amerického kontinentu, používajú protimrazové proteíny na ochranu svojich buniek pred úplným zamrznutím.

Poly-Extremophiles

Poly-Extremofily sú organizmy, ktoré môžu prežiť súčasne viac ako jednu extrémnu chorobu, a preto sú bežné vo všetkých extrémnych prostrediach.

Napríklad púštne rastliny, ktoré prežívajú extrémne teplo, ako aj obmedzenú dostupnosť vody a často vysokú slanosť.

Ďalším príkladom by boli zvieratá, ktoré obývajú morské dno, ktoré sú schopné okrem iného odolávať extrémne vysokým tlakom, ako je napríklad nedostatok svetla a nedostatok živín.

Najbežnejšie typy extrémnych prostredí

Environmentálne extrémy sú tradične definované na základe abiotických faktorov, ako napríklad:

• Teplota.
• Dostupnosť vody.
• Tlak.
• pH.
• Slanosť.
• Koncentrácia kyslíka.
• Úrovne žiarenia.

Extremofily sú podobne opísané na základe extrémnych podmienok, ktoré prežívajú.

Najdôležitejšie extrémne prostredia, ktoré vieme rozpoznať podľa abiotických podmienok, sú:

Extrémne chladné prostredie

Mimoriadne chladné prostredie sú tie, ktoré často pretrvávajú alebo klesajú po dobu (krátku alebo dlhú) teploty pod 5 ° C. Patria sem póly Zeme, horské oblasti a niektoré hlbokomorské biotopy. Aj niektoré veľmi horúce púšte cez deň majú v noci veľmi nízke teploty.

Existujú ďalšie organizmy, ktoré žijú v kryosfére (kde je voda v pevnom stave). Napríklad organizmy, ktoré žijú v ľadových matriciach, permafroste, pod trvalými alebo pravidelnými snehovými pokrývkami, musia tolerovať viacnásobné extrémy, vrátane chladu, vysušenia a vysokej úrovne žiarenia.

Extrémne tepelné prostredie

Mimoriadne horúce biotopy sú tie, ktoré zostávajú alebo periodicky dosahujú teploty nad 40 ° C. Napríklad horúce púšte, geotermálne miesta a hlbokomorské hydrotermálne prieduchy.

Často sú spájané s extrémne vysokými teplotami, prostredím, v ktorých je dostupná voda veľmi obmedzená (trvalo alebo pravidelne), ako sú horúce a studené púšte, a niektorými endolitickými biotopmi (ktoré sa nachádzajú v horninách).

Extrémne tlakové prostredie

Ostatné prostredie je vystavené vysokému hydrostatickému tlaku, ako sú bentické zóny oceánov a hlboké jazerá. V týchto hĺbkach musia obyvatelia odolávať tlakom vyšším ako 1 000 atmosfér.

Prípadne existujú hypobarické extrémy (nízky atmosférický tlak), v horách a v iných vyvýšených oblastiach sveta.

Obrázok 3. Morské fumaroly alebo hydrotermálne prieduchy. Príklad extrémneho prostredia obývaného celou komunitou organizmov, v ktorých je vysoký tlak a teplota, ako aj výbojov síry. Zdroj: NOAA, prostredníctvom Wikimedia Commons

Extrémne kyslé a zásadité prostredie

Vo všeobecnosti sú extrémne kyslé prostredia také, ktoré udržiavajú alebo pravidelne dosahujú hodnoty pod pH 5.

Najmä nízke pH zvyšuje „extrémny“ stav prostredia, pretože zvyšuje rozpustnosť prítomných kovov a organizmy, ktoré v nich žijú, sa musia prispôsobiť tak, aby čelili mnohým abiotickým extrémom.

Naopak, extrémne alkalické prostredie je prostredie, ktoré zostáva alebo pravidelne zaznamenáva hodnoty pH nad 9.

Medzi príklady prostredí s extrémnym pH patria jazerá, podzemná voda a vysoko kyslé alebo zásadité pôdy.

Obrázok 4. Morský trpaslík (Munidopsis polymorpha), jaskynný obyvateľ a endemický na ostrov Lanzarote, Kanárske ostrovy. Medzi typické úpravy tohto typu extrémnych jaskynných prostredí patria: zmenšenie veľkosti, bledosť a slepota. Zdroj: flickr.com/photos//5582888539

Hypersalínové a anoxické prostredie

Hypersalínové prostredia sú definované ako prostredia s koncentráciami solí vyššími ako v morskej vode, ktorá má 35 častíc na tisíc. Medzi tieto prostredia patria hypersalínové a slané jazerá.

Pojem „soľný roztok“ nehovorí iba o slanosti spôsobenej chloridom sodným, pretože môže existovať soľné prostredie, kde prevládajúcou soľou je niečo iné.

Obrázok 5. Ružové sfarbenie vody v Saline Las Cumaraguas, štát Falcón vo Venezuele. Ružové sfarbenie je produktom riasy zvanej Dunaliella salina, ktorá je schopná odolávať vysokým koncentráciám chloridu sodného prítomného v soľnom roztoku. Zdroj: HumbRios, z Wikimedia Commons

Za extrémne sa považujú aj biotopy s obmedzeným obsahom voľného kyslíka (hypoxický) alebo bez prítomnosti kyslíka (anoxický), či už trvalo alebo v pravidelných intervaloch. Napríklad prostredia s týmito charakteristikami by boli anoxické povodia v oceánoch a jazerách a hlbšie vrstvy sedimentov.

Obrázok 6. Artemia monica, kôrovec, ktorý žije v Mono Lake v Kalifornii (USA), vo slanom prostredí (hydrogenuhličitan sodný) a má vysoké pH. Zdroj: photolib.noaa.gov

Prostredie s vysokým žiarením

Ultrafialové (UV) alebo infračervené (IR) žiarenie môže organizmom spôsobiť extrémne podmienky. Extrémne žiariace prostredie je prostredie vystavené nadmerne vysokému žiareniu alebo žiareniu mimo normálneho rozsahu. Napríklad polárne a vysokohorské prostredie (suchozemské a vodné).

Phaeocystis pouchetii

Niektoré druhy vykazujú únikové mechanizmy vysokého UV alebo IR žiarenia. Napríklad Antarktída z morských rias Phaeocystis pouchetii vytvára vo vode rozpustné „krémy na opaľovanie“, ktoré silne absorbujú UV-B vlnové dĺžky (280 - 320 nm) a chránia svoje bunky pred extrémne vysokou hladinou UV-B do 10 m. horný vodný stĺpec (po rozbití morského ľadu).

Deinococcus radiodurans

Iné organizmy sú veľmi tolerantné voči ionizujúcemu žiareniu. Napríklad baktéria Deinococcus radiodurans si môže zachovať svoju genetickú integritu kompenzáciou rozsiahleho poškodenia DNA po vystavení ionizujúcemu žiareniu.

Táto baktéria využíva medzibunkové mechanizmy na obmedzenie degradácie a obmedzenie difúzie fragmentov DNA. Okrem toho má vysoko účinné proteíny na opravu DNA.

Astyanax hubbsi

Dokonca aj v prostrediach so zjavne nízkym alebo žiadnym ožarovaním sú extrémemofilné organizmy prispôsobené tak, aby reagovali na zmeny v úrovni žiarenia.

Napríklad muškátový oriešok Astyanax hubbsi, mexická jaskyňa žijúca v jaskyni, nemá povrchovo vnímateľné štruktúry očí, napriek tomu dokáže rozlíšiť malé rozdiely v okolitom svetle. Používajú extraokulárne fotoreceptory na detekciu pohyblivých vizuálnych stimulov a reagovanie na ne.

Obrázok 7. Slepé ryby rodu Astyanax, obyvatelia jaskýň. Zdroj: Shizhao, z Wikimedia Commons

Antropogénne extrémy

V súčasnosti žijeme v prostredí, v ktorom sú ukladané extrémne podmienky prostredia, umelo vytvárané ako účinok ľudskej činnosti.

Prostredia tzv. Antropogénneho vplyvu sú extrémne rozmanité, globálneho rozsahu a pri definovaní určitých extrémnych prostredí ich nemožno ignorovať.

Napríklad prostredie ovplyvnené znečistením (atmosférické, voda a pôda) - napríklad zmena podnebia a kyslé dažde -, ťažba prírodných zdrojov, fyzické narušenie a nadmerné využívanie.

Prechody a ekotóny

Okrem vyššie uvedených extrémnych prostredí si suchozemskí ekológovia vždy uvedomovali osobitnú povahu prechodných zón medzi dvoma alebo viacerými rozmanitými spoločenstvami alebo prostrediami, ako je napríklad stromová línia v horách alebo hranica medzi lesmi a trávnymi porastmi. , Nazývajú sa napínacie pásy alebo ekotóny.

Ekotóny existujú aj v morskom prostredí, napríklad prechod medzi ľadom a vodou, ktorý predstavuje hranica morského ľadu. Tieto prechodné zóny typicky vykazujú väčšiu druhovú diverzitu a hustotu biomasy ako okolité spoločenstvá, a to najmä preto, že organizmy, ktoré v nich žijú, môžu využívať zdroje zo susedných prostredí, čo im môže poskytnúť výhodu.

Ekotóny sú však neustále sa meniacimi a dynamickými regiónmi, ktoré často vykazujú širšiu škálu odchýlok v abiotických a biotických podmienkach v priebehu jedného roka ako priľahlé prostredie.

Dalo by sa to odôvodnene považovať za „extrémne“, pretože si vyžaduje, aby organizmy neustále prispôsobovali svoje správanie, fenológiu (sezónne počasie) a interakcie s inými druhmi.

Druhy, ktoré žijú na obidvoch stranách ekotónu, sú často tolerantnejšie k dynamike, zatiaľ čo druhy, ktorých rozsah je obmedzený na jednu stranu, sú na druhej strane vnímané ako extrémne.

Vo všeobecnosti sú tieto prechodné zóny často tiež prvé, ktoré sú ovplyvnené zmenami podnebia a / alebo narušeniami prírodných a antropogénnymi.

Zvieratá a rastliny s rôznymi fázami alebo fázami

Nielenže sú dynamické prostredie a môžu, ale nemusia byť extrémne, ale organizmy sú tiež dynamické a majú životný cyklus s rôznymi štádiami, prispôsobený konkrétnym podmienkam prostredia.

Môže sa stať, že prostredie, ktoré podporuje jednu zo štádií životného cyklu organizmu, je pre ďalšie štádium extrémne.

rastliny

Napríklad kokos (Cocos nucifera) má semeno upravené na prepravu po mori, ale zrelý strom rastie na súši.

V rastlinách obsahujúcich vaskulárne spóry, ako sú paprade a rôzne druhy machov, môže byť gametofyt bez fotosyntetických pigmentov, nemá korene a závisí od vlhkosti prostredia.

Kým sporofyty majú podzemky, korene a výhonky, ktoré vydržia horúce a suché podmienky na úplnom slnečnom svetle. Rozdiel medzi sporofytmi a gametofytmi je v rovnakom poradí ako rozdiely medzi taxónmi.

zver

Veľmi blízkym príkladom sú mladistvé štádiá mnohých druhov, ktoré vo všeobecnosti netolerujú prostredie, ktoré obyčajne obklopuje dospelých, takže zvyčajne potrebujú ochranu a starostlivosť počas obdobia, v ktorom získajú zručnosti a silné stránky, ktoré potrebujú. umožňujú zaoberať sa týmito prostrediami.

Referencie

1. Kohshima, S. (1984). V himalájskom ľadovci nájdený nový hmyz tolerujúci chlad. Náture 310, 225 - 227.
2. Macelroy, RD (1974). Niekoľko komentárov k vývoju extremefilov. Biosystems, 6 (1), 74–75. doi: 10,016 / 0303-2647 (74) 90026-4
3. Marchant, HJ, Davidson, AT a Kelly, GJ (1991), chrániace zlúčeniny UV-B v morskej riase Phaeocystis pouchetti z Antarktídy. Marine Biology 109, 391-395.
4. Oren, A. (2005). Sto rokov výskumu Dunaliella: 1905-2005. Saline Systems 1, doi: 10,1186 / 1746-1448 -1 -2.
5. Rothschild, LJ a Mancinelli, RL (2001). Život v extrémnych prostrediach. Náture 409, 1092-1101.
6. Schleper, C., Piihler, G., Kuhlmorgen, B. a Zillig, W. (1995). Lite pri extrémne nízkom pH. Náture 375, 741-742.
7. Storey, KB a Storey, JM (1996). Prirodzené prežívanie zvierat pri mraze. Ročný prehľad ekológie a systematiky 27, 365 - 386.
8. Teyke, T. a Schaerer, S. (1994) Slepé mexické jaskyne (Astyanax hubbsi) reagujú na pohyblivé vizuálne podnety. Journal of Experimental Biology 188, 89-1 () 1.
9. Yancey, PI I., Clark, ML, Eland, SC, Bowlus RD a Somero, GN (1982). Život s vodným stresom: vývoj osmolytelových systémov. Science 217, 1214-1222.