TERMOFILE: CARACTERISTICI, CLASIFICARE ȘI MEDII - BIOLOGIE - 2025

Termofilă sunt un subtip de extremofile caracterizate de înaltă tolereaza temperaturi cuprinse între 50 ° C și 75 ° C, fie pentru că aceste valori sunt menținute de temperatură în aceste medii extreme, sau pentru că de multe ori ajunge.

Organismele termofile sunt în general bacterii sau arhaea, cu toate acestea, există metazoane (organisme eucariote care sunt heterotrofe și țesuturi), care se dezvoltă și în locuri fierbinți.

Figura 1. Deșertul Atacama, în Chile, unul dintre cele mai uscate locuri din lume. Sursa: pixabay.com

De asemenea, organismele marine sunt cunoscute că, asociate în simbioză cu bacteriile termofile, se pot adapta la aceste temperaturi ridicate și care au dezvoltat și mecanisme biochimice precum hemoglobina modificată, volumul mare de sânge, printre altele, care le permit să tolereze toxicitatea sulfurilor și a compușilor. sulf.

Se crede că procariotele termofile au fost primele celule simple în evoluția vieții și au locuit în locuri cu activitate vulcanică și gheizere din oceane.

Exemple de acest tip de organisme termofile sunt cele care trăiesc în vecinătatea orificiilor de aerisire sau aversărilor hidrotermale de la fundul oceanelor, cum ar fi bacteriile metanogene (producătoare de metan) și Riftia pachyptila anelidă.

Principalele habitate unde se pot găsi termofile sunt:

• Medii hidrotermale terestre.
• Medii hidrotermale marine.
• Deserturi calde.

Caracteristicile organismelor termofile

Temperatura: factor abiotic critic pentru dezvoltarea microorganismelor

Temperatura este unul dintre factorii cheie de mediu care determină creșterea și supraviețuirea ființelor vii. Fiecare specie are o gamă de temperaturi în care poate supraviețui, cu toate acestea, are o creștere și dezvoltare optimă la temperaturi specifice.

Rata de creștere a fiecărui organism față de temperatură poate fi exprimată grafic, obținând valorile corespunzătoare temperaturilor critice importante (minimă, optimă și maximă).

Temperaturi minime

La temperaturile minime de creștere ale unui organism, se produce o scădere a fluidității membranei celulare, iar procesele de transport și schimb de materiale, cum ar fi intrarea de nutrienți și ieșirea de substanțe toxice, pot fi oprite.

Între temperatura minimă și cea optimă, rata de creștere a microorganismelor crește.

Temperatura optimă

La temperatura optimă, reacțiile metabolice apar cu cea mai mare eficiență posibilă.

Temperatura maximă

Peste temperatura optimă, apare o scădere a ritmului de creștere până la temperatura maximă pe care fiecare organism o poate tolera.

La aceste temperaturi ridicate, proteinele structurale și funcționale, cum ar fi enzimele, sunt denaturate și inactivate, deoarece își pierd configurația geometrică și configurația spațială particulară, membrana citoplasmatică se rupe și liza termică sau ruperea se datorează efectului căldurii.

Fiecare microorganism are temperaturile sale minime, optime și maxime pentru operare și dezvoltare. Termofilele au valori excepțional de ridicate la aceste trei temperaturi.

Caracteristici distincte ale organismelor termofile

• Organismele termofile au rate mari de creștere, dar durate de viață scurte.
• În membrana lor celulară au o cantitate mare de grăsimi sau lipide saturate cu lanț lung; acest tip de grăsimi saturate este capabil să absoarbă căldura și să se transforme într-o stare lichidă la temperaturi ridicate (topire), fără a fi distruse.
• Proteinele sale structurale și funcționale sunt foarte stabile termic (termostabile), prin legături covalente și forțe intermoleculare speciale numite forțe de împrăștiere din Londra.
• De asemenea, au enzime speciale pentru a menține funcționarea metabolică la temperaturi ridicate.
• Este cunoscut faptul că aceste microorganisme termofile pot folosi sulfurile și compușii cu sulf din abundență în zonele vulcanice, ca surse de nutrienți pentru a le transforma în materie organică.

Clasificarea organismelor termofile

Organismele termofile pot fi împărțite în trei mari categorii:

• Termofile moderate (optime între 50-60 ° C).
• Termofile extreme (optim aproape de 70 ° C).
• Hipertermofile (optim aproape de 80 ° C).

Organisme termofile și mediile lor

Medii hidrotermale terestre

Siturile hidrotermale sunt surprinzător de comune și de larg distribuite. Ele pot fi împărțite în general în cele care sunt asociate cu zonele vulcanice și cele care nu sunt.

Mediile hidrotermale cu cele mai ridicate temperaturi sunt, în general, asociate cu caracteristici vulcanice (caldere, defecte, granițe tectonice ale plăcilor, bazine cu arcuri din spate), care permit magma să se ridice la o adâncime unde poate interacționa direct cu apele subterane. profundă.

Figura 2. Tatio Geysers, Atacama, Chile. Sursa: Diego Delso

De asemenea, punctele fierbinți sunt însoțite de alte caracteristici care fac viața dificil de dezvoltat, cum ar fi valorile extreme ale pH-ului, materia organică, compoziția chimică și salinitatea.

Prin urmare, locuitorii mediilor hidrotermale terestre supraviețuiesc în prezența diferitelor condiții extreme. Aceste organisme sunt cunoscute sub numele de polyextremofile.

Exemple de organisme care locuiesc în medii hidrotermale terestre

Organisme aparținând celor trei domenii (eucariote, bacteriene și arhaea) au fost identificate în mediile hidrotermale terestre. Diversitatea acestor organisme este determinată în principal de temperatură.

În timp ce o gamă diversă de specii bacteriene locuiește în medii termofile moderat, fotoautotrofele pot ajunge să domine comunitatea microbiană și să formeze structuri macroscopice „mat” sau „covor”.

Aceste „rogojini fotosintetice” sunt prezente pe suprafața majorității izvoarelor calde neutre și alcaline (pH mai mare de 7,0) la temperaturi cuprinse între 40-71 ° C, cianobacteriile fiind stabilite ca principalii producători dominanți.

Peste 55 ° C, covorașele fotosintetice sunt locuite predominant de cianobacterii unicelulare, cum ar fi Synechococcus sp.

Bacterii

Covorașele microbiene fotosintetice pot fi, de asemenea, locuite cu precădere de bacteriile din genurile Chloroflexus și Roseiflexus, ambele membre ale ordinului Cloroflexale.

Când sunt asociate cu cianobacterii, speciile de Chloreflexus și Roseiflexus cresc optim în condiții fotoheterotrofe.

Dacă pH-ul este acid, genurile Acidiosphaera, Acidiphilium, Desulfotomaculum, Hydrogenobaculum, Methylokorus, Sulfobacillus Thermoanaerobacter, Thermodesulfobium și Thermodesulfator sunt comune.

În sursele hipertermofilice (între 72-98 ° C) se știe că fotosinteza nu are loc, ceea ce permite predominarea bacteriilor chemolito-autotrofe.

Aceste organisme aparțin filmei Aquificae și sunt cosmopolite; aceștia pot oxida hidrogenul sau sulful molecular cu oxigenul ca acceptor de electroni și pot fixa carbonul prin calea reductivă a acidului tricarboxilic (rTCA).

Arches

Cea mai mare parte a arhaelor cultivate și necultivate identificate în medii termice neutre și alcaline aparțin Crenarheotei filiale.

Specii precum Thermofilum pendens, Thermosphaera aggregans sau Stetteria hydroophophil Nitrosocaldus yellowstonii, proliferează sub 77 ° C și Thermoproteus neutrophilus, Vulcanisaeta distribuită, Thermofilum pendens, Aeropyruni pernix, Desulfurococcus mobilis și Ignisphaera aggregans, în ° cu surse cu temperaturi mai mari decât 80 ° C.

În medii acide, se găsesc arhaea genurilor: Sulfolobus, Sulfurococ, Metallosphaera, Acidianus, Sulfurisfera, Picrophilus, Thermoplasma, Thennocladium și Galdivirga.

eucariotele

Printre eucariote din surse neutre și alcaline, pot fi menționate Thermomyces lanuginosus, Scytalidium thermophilum, Echinamoeba thermarum, Marinamoeba thermophilia și Oramoeba funiarolia.

În surse acide pot fi găsite genurile: Pinnularia, Cyanidioschyzon, Cyanidium sau Galdieria.

Medii hidrotermale marine

Cu temperaturi cuprinse între 2 ° C și peste 400 ° C, presiuni care depășesc câteva mii de kilograme pe inch (psi) și concentrații mari de sulfură de hidrogen toxic (pH de 2,8), aerisirea hidrotermică din adâncimi sunt posibil cele mai extreme medii de pe planeta noastră.

În acest ecosistem, microbii servesc ca veriga de jos a lanțului alimentar, derivând energia lor din căldura geotermală și substanțele chimice găsite adânc în interiorul Pământului.

Figura 4. Viermi hidrotermici și viermi de tub. Sursa: photolib.noaa.gov

Exemple de faună asociate mediilor hidrotermale marine

Fauna asociată acestor surse sau orificii de aerisire este foarte variată, iar relațiile dintre diferiții taxoni nu sunt încă pe deplin înțelese.

Printre speciile care au fost izolate se numără atât bacteriile, cât și arhaea. De exemplu, arheea din genul Methanococcus, Methanopyus și bacteriile anaerobe termofile din genul Caminibacter au fost izolate.

Bacteriile prosperă în biofilme cu care se hrănesc mai multe organisme, cum ar fi amfipode, copepode, melci, creveți de crab, tubewormi, pește și caracatiță.

Figura 5. Creveți din genul Rimicaris, locuitori ai fumarolelor. Sursa: Programul Explorer NOAA Okeanos, Mid-Cayman Rise Expedition 2011

Un scenariu obișnuit este acumulările de midii, Bathymodiolus thermophilus, cu mai mult de 10 cm lungime, aglomerarea în fisuri lava bazaltică. Acestea sunt însoțite, de obicei, de numeroși crabi galateid (Munidopsis subsquamosa).

Unul dintre cele mai neobișnuite organisme găsite este tubeworm Riftia pachyptila, care se poate grupa în număr mare și poate ajunge la dimensiuni apropiate de 2 metri.

Acești tubewormi nu au gură, stomac sau anus (adică nu au un sistem digestiv); ele sunt un sac complet închis, fără nicio deschidere către mediul extern.

Figura 6. Riftia pachyptila tubeworm cu anemone și midii. Sursa:
Programul Explorer NOAA Okeanos, Expediția Rift Galapagos 2011

Culoarea roșie strălucitoare a pixului la vârf se datorează prezenței hemoglobinei extracelulare. Sulfura de hidrogen este transportată pe membrana celulară asociată cu filamentele acestui plum, iar prin hemoglobina extracelulară ajunge la un „țesut” specializat numit trofosom, alcătuit în întregime din bacterii chimio-sintetice simbiotice.

Despre acești viermi se poate spune că au o „grădină” internă de bacterii care se hrănesc cu sulfură de hidrogen și oferă „hrană” viermului, o adaptare extraordinară.

Deserturi calde

Deșerturile calde acoperă între 14 și 20% din suprafața Pământului, aproximativ 19-25 milioane km.

Cele mai tari deserturi, cum ar fi Sahara din Africa de Nord și deșerturile din sud-vestul SUA, Mexic și Australia, se găsesc de-a lungul tropicelor atât în ​​emisferele nordice cât și în cele sudice (între aproximativ 10 ° și 30 - 30 de ani) 40 ° latitudine).

Tipuri de deșerturi

O caracteristică definitorie a unui deșert fierbinte este ariditatea. Conform clasificării climatice Koppen-Geiger, deșerturile sunt regiuni cu precipitații anuale mai mici de 250 mm.

Cu toate acestea, precipitațiile anuale pot fi un indice înșelător, deoarece pierderea de apă este un decisor pentru bugetul de apă.

Astfel, definiția Programului Național al Mediului pentru deșert este un deficit anual de umiditate în condiții climatice normale, unde evapotranspirația potențială (PET) este de cinci ori mai mare decât precipitațiile reale (P).

PET-ul ridicat este predominant în deșerturile calde, deoarece, din cauza lipsei de acoperire a norilor, radiațiile solare se apropie de maxim în regiunile aride.

Deșerturile pot fi împărțite în două tipuri în funcție de nivelul lor de ariditate:

• Hiper-arid: cu un indice de ariditate (P / PET) mai mic de 0,05.
• Agregate: cu un indice între 0,05 și 0,2.

Deșerturile se disting de terenurile aride semi-aride (P / PET 0,2-0,5) și de cele uscate sub-umede (0,5-0,65).

Deșerturile au alte caracteristici importante, cum ar fi variațiile puternice de temperatură și salinitatea ridicată a solurilor lor.

Pe de altă parte, un deșert este de obicei asociat cu dune și nisip, cu toate acestea, această imagine corespunde doar 15-20% din toate; peisajele stâncoase și muntoase sunt cele mai frecvente medii deșertice.

Exemple de organisme termofile deșert

Locuitorii deșerturilor, care sunt termofili, au o serie de adaptări pentru a face față adversităților care apar din lipsa ploii, a temperaturilor ridicate, a vânturilor, a salinității, printre altele.

Plantele Xerofite au dezvoltat strategii pentru evitarea transpirației și depozitarea cât mai multă apă posibilă. Suculența sau îngroșarea tulpinilor și frunzelor este una dintre cele mai utilizate strategii.

Este evident în familia Cactaceae, unde frunzele au fost modificate și în coloana vertebrală, atât pentru a preveni evapotranspirația, cât și pentru a respinge erbivorele.

Figura 7. Cactus în Grădina Botanică din Singapore. Sursa: Img de Calvin Teo, de la Wikimedia Commons

Genul Lithops sau plante de piatră, nativ din deșertul namibian, dezvoltă, de asemenea, suculență, dar în acest caz, planta crește înflorată cu pământul, camuflându-se cu pietrele din jur.

Figura 8. Lithops herrei o plantă suculentă asemănătoare cu deșertul. Sursa: Stan Shebs, la Grădina Botanică a Universității din California

Pe de altă parte, animalele care trăiesc în aceste habitate extreme dezvoltă tot felul de adaptări, de la fiziologic la etologic. De exemplu, așa-numitul șobolan cangur prezintă urinare cu volum redus într-un număr mic, ceea ce face ca aceste animale să fie foarte eficiente în mediul lor scăzut de apă.

Un alt mecanism de reducere a pierderilor de apă este o creștere a temperaturii corpului; De exemplu, temperatura corpului cămilelor în repaus poate crește vara de la aproximativ 34 ° C la peste 40 ° C.

Variațiile de temperatură au o importanță deosebită în conservarea apei, pentru următoarele:

• Creșterea temperaturii corpului înseamnă că căldura este păstrată în corp în loc să fie disipată prin evaporarea apei. Mai târziu, noaptea, căldura în exces poate fi expulzată fără a irosi apă.
• Câștigul de căldură din mediul cald scade, deoarece gradientul de temperatură este redus.

Un alt exemplu este șobolanul de nisip (Psammomys obesus), care a dezvoltat un mecanism digestiv care le permite să se hrănească doar cu plante deșertice din familia Chenopodiaceae, care conțin cantități mari de săruri în frunze.

Figura 9. Șobolan de nisip (Psammomys obesus). Sursa: Gary L. Clark, de la Wikimedia Commons

Adaptările etologice (comportamentale) ale animalelor de deșert sunt numeroase, dar poate cea mai evidentă presupune inversarea ciclului de activitate-odihnă.

În acest fel, aceste animale devin active la apusul soarelui (activitate nocturnă) și încetează să mai active în zori (odihnă în timpul zilei), astfel viața lor activă nu coincide cu cele mai tari ore.

Referințe

1. Baker-Austin, C. și Dopson, M. (2007). Viață în acid: homeostază cu pH în acidofili. Tendințe în Microbiologie 15, 165-171.
2. Berry, JA și Bjorkman, 0. (1980). Răspuns fotosintetic și adaptare la temperatură la plantele mai înalte. Revizuirea anuală a fiziologiei plantelor 31, 491-534.
3. Brock, TD (1978). Microorganisme termofile și viață la temperaturi ridicate. Springer-Verlag, New York, 378 p.
4. Campos, VL, Escalante, G., Jafiez, J., Zaror, CA și Mondaca, AM (2009), Izolarea bacteriilor oxidante de arsenit dintr-un biofilm natural asociat rocilor vulcanice din deșertul Atacama, Chile. Journal of Basic Microbiology 49, 93-97.
5. Cary, CS, Shank, T. și Stein, J. (1998). Viermii se încălzesc la temperaturi extreme. Natura 391, 545-546.
6. Chevaldonne, P, Desbruyeres, D. și Childress, JJ (1992). Unora le place fierbinte … iar altele le place și mai tare. Natura 359, 593-594.
7. Evenari, M., Lange, 01., Schulze, ED, Buschbom, U. și Kappen, L. (1975). Mecanisme de adaptare în plantele deșertice. În: Vemberg, FJ (ed.) Adaptare fiziologică la mediu. Intext Press, Platteville, LISA, pp. 111-129.
8. Gibson, AC (1996). Relațiile structură-funcție ale plantelor de deșert cald. Springer, Heidelberg, Germania, 216 p.
9. Gutterman, Y. (2002). Strategii de supraviețuire a plantelor anuale ale deșertului. Springer, Berlin, Germania, 368 p.
10. Lutz, RA (1988). Dispersarea organismelor în orificiile hidrotermale de adâncime: o revizuire. Oceanologica Acta 8, 23-29.
11. Lutz, RA, Shank, TM, Fornari, DJ, Haymon, RM, Lilley, MD, Von Damm, KL și Desbruyeres, D. (1994). Creștere rapidă în orificiile de adâncime. Natura 371, 663-664.
12. Rhoads, DC, Lutz, RA, Revelas, EC și Cerrato, RM (1981). Creșterea bivalvelor la orificiile hidrotermale de adâncime de-a lungul Riftului Galapagos. Știința 214, 911-913.
13. Noy-Meir I. (1973). Ecosistemele deșertului: mediu și producători. Revizuirea anuală a sistemelor ecologice 4, 25-51.
14. Wiegel, J. și Adams, MWW (1998). Termofile: cheile evoluției moleculare și originea vieții. Taylor și Francis, Londra, 346 p.