אקסטרמופילים: מאפיינים, סוגים ודוגמאות - ביולוגיה - 2025

Extremophiles הם אורגניזמים שחיים בסביבות קיצוניות, כלומר אלה סוטים כי מן התנאים שבהם הם חיים אורגניזמים ידוע ביותר על ידי בני אדם.

המונחים "קיצוניים" ו"קיצוניים "הם אנתרופוצנטריים יחסית, מכיוון שאנו בני האדם מעריכים בתי גידול ותושביהם, על סמך מה שייחשב לקיצוני לקיום שלנו.

איור 1. תרדיגרדס, פילומה הידועה ביכולתה לשרוד בסביבות גסות מאוד. מקור: ווילו גבריאל, מעבדת גולדשטיין, באמצעות ויקימדיה

בשל האמור לעיל, מה שמאפיין סביבה קיצונית הוא שהוא מציג תנאים בלתי נסבלים עבור בני אדם ביחס לטמפרטורה, לחות, מליחות, אור, pH, זמינות חמצן, רמות רעילות, בין היתר.

מנקודת מבט לא אנתרופוצנטרית, בני אדם יכולים להיות קיצוניים, תלוי באורגניזם שהעריך אותם. לדוגמא, מבחינת אורגניזם אנאירובי קפדני, שעבורו חמצן רעיל, יצורים אירוביים (כמו בני אדם) היו קיצוניים. עבור האדם, נהפוך הוא, אורגניזמים אנאירוביים, הם קיצוניים.

מקור המונח "אקסטרמופילים"

אנו מגדירים כיום כ"קיצוניות "סביבות רבות בכדור הארץ ומחוצה לו ואנחנו מגלים כל העת אורגניזמים המסוגלים לשרוד, אלא גם לשגשג בהרבה מהם.

RD Macelroy

בשנת 1974 הציע RD Macelroy את המונח "Extremophiles" להגדיר אורגניזמים אלה המציגים צמיחה והתפתחות אופטימלית בתנאים קיצוניים, לעומת אורגניזמים מזופילים, הגדלים בסביבות עם תנאי ביניים.

לדברי מקלרוי:

"אקסטרמופיל הוא תיאור לאורגניזמים המסוגלים לאכלס סביבות עוינות למזופילים, או אורגניזמים הגדלים רק בסביבות ביניים."

ישנן שתי דרגות בסיסיות של קיצוניות בקרב אורגניזמים: אלה שיכולים לסבול מצב סביבתי קיצוני ולהיות דומיננטיים על פני אחרים; וכאלה שצומחים ומתפתחים בצורה אופטימלית בתנאים קיצוניים.

מאפייני סביבות קיצוניות

ציון סביבה כ"קיצוני "מגיב לבנייה אנתרופוגנית, המבוססת על התחשבות בקצוות הרחוקים של קו הבסיס של מצב סביבתי מסוים (טמפרטורה, מליחות, קרינה, בין השאר), המאפשרת הישרדות אנושית.

עם זאת, שם זה חייב להיות מבוסס על מאפיינים מסוימים של סביבה, מנקודת המבט של האורגניזם המאכלס אותו (ולא הפרספקטיבה האנושית).

מאפיינים אלה כוללים: ביומסה, פרודוקטיביות, מגוון ביולוגי (מספר המינים וייצוג המיסות הגבוהות יותר), מגוון תהליכים במערכות אקולוגיות והתאמות ספציפיות לסביבת האורגניזם המדובר.

הסכום הכולל של כל המאפיינים הללו מציין את המצב הקיצוני של סביבה. לדוגמה, סביבה קיצונית הינה בדרך כלל:

• ביומסה נמוכה ופרודוקטיביות
• דומיננטיות של צורות חיים ארכאיות
• היעדר צורות חיים גבוהות יותר
• היעדר פוטוסינתזה וקיבוע חנקן אך תלות במסלולי חילוף חומרים אחרים והתאמות פיזיולוגיות, מטבוליות, מורפולוגיות ו / או מחזורי חיים ספציפיים.

סוגי אקסטרמופילים בסולם הזואולוגי

אורגניזמים חד תאיים

המונח Extremophilic מתייחס לעתים קרובות לפרוקריוטות, כמו חיידקים, ולעיתים משתמשים בו להחלפה עם Archaea.

עם זאת, קיים מגוון רחב של אורגניזמים קיצוניים והידע שלנו על המגוון הפילוגנטי בבתי גידול קיצוניים גדל כמעט מדי יום.

אנו יודעים למשל שכל היפרתרמופילים (אוהבי חום) הם חברים בארכאה ובקטריה. אאוקריוטות נפוצות בקרב פסיכופרופילים (חובבי קור), אסידופילים (חובבי pH נמוך), אלקלופילים (חובבי רמת pH גבוהה), קסרופילים (אוהבי סביבות יבשות) והלופילים (אוהבי מלח).

איור 2. המעיין החם בפארק הלאומי ילוסטון בארה"ב. הצבעים הבהירים שמקפיצים אלה קשורים להפצת חיידקים תרמופיליים. מקור: ג'ים פיקו, שירות הפארק הלאומי, באמצעות Wikimedia Commons

אורגניזמים רב תאיים

אורגניזמים רב-תאיים, כמו בעלי חיים חסרי חוליות וחוליות, יכולים להיות גם קיצוניים.

לדוגמא, חלק מהפסיכופופילים כוללים מספר קטן של צפרדעים, צבים ונחש, אשר במהלך החורף נמנעים מהקפאה תוך-תאית ברקמותיהם, מצטברים אוסמוליטים בציטופלסמה של התא ומאפשרים להקפיא רק מים חוץ תאיים (חיצוניים לתאים) .

דוגמה נוספת היא המקרה של נמטודה נמרטודה אנטרקטית Panagrolaimus davidi, שיכולה לשרוד בהקפאה תוך-תאית (הקפאת המים בתאים שלה), היכולה לצמוח ולהתרבות לאחר הפשרה.

גם הדגים ממשפחת Channichthyidae, תושבי המים הקרים של אנטארקטיקה ודרום יבשת אמריקה, משתמשים בחלבוני נוזל לרדיאטור כדי להגן על התאים שלהם מפני הקפאתם המלאה.

פולי אקסטרים

פולי-אקסטרמופילים הם אורגניזמים שיכולים לשרוד יותר ממצב קיצוני אחד בו זמנית, ולכן הם נפוצים בכל הסביבות הקיצוניות.

לדוגמא, צמחי מדבר ששורדים חום קיצוני כמו גם זמינות מוגבלת של מים, ולעתים קרובות מליחות גבוהה.

דוגמה נוספת היא בעלי החיים המאכלסים את קרקעית הים, המסוגלים לעמוד בלחצים גבוהים במיוחד, כמו חוסר אור וחוסר חומרים מזינים, בין היתר.

הסוגים הנפוצים ביותר של סביבות קיצוניות

קיצוניות סביבתית מוגדרת באופן מסורתי על בסיס גורמים אביוטיים, כגון:

• טֶמפֶּרָטוּרָה.
• זמינות מים.
• לַחַץ.
• pH.
• מְלִיחוּת.
• ריכוז חמצן.
• רמות קרינה.

אקסטרמופילים מתוארים באופן דומה על בסיס התנאים הקיצוניים שהם סובלים.

הסביבות הקיצוניות החשובות ביותר שאנו יכולים להכיר על פי מצבן האביוטי הן:

סביבות קרות קיצוניות

סביבות קרות במיוחד הן הסביבה שנמשכת או נופלת לעיתים קרובות לתקופות (קצרות או ארוכות) של טמפרטורות מתחת ל -5 מעלות צלזיוס. אלה כוללים קטבי כדור הארץ, אזורים הרריים, וכמה בתי גידול ימיים עמוקים. אפילו כמה מדבריות חמות מאוד במהלך היום טמפרטורות נמוכות מאוד בלילה.

ישנם אורגניזמים אחרים החיים בקריוספרה (שם מים במצב מוצק). לדוגמה, אורגניזמים החיים במטריקס קרח, חלחול, תחת כיסויי שלג קבועים או תקופתיים, חייבים לסבול קיצוניות מרובה, כולל קור, יבוש ורמות קרינה גבוהות.

סביבות חום קיצוניות

בתי גידול חמים במיוחד הם אלה שנשארים או מגיעים מדי פעם לטמפרטורות מעל 40 מעלות צלזיוס. לדוגמה, מדבריות חמות, אתרים גיאותרמיים ואוורור הידרותרמי בים עמוק.

לעתים קרובות הם קשורים לטמפרטורות גבוהות במיוחד, לסביבות בהן מים זמינים מוגבלים מאוד (בהתמדה או לפרקי זמן קבועים), כמו מדבריות חמים וקרים, וכמה בתי גידול אנדוליטיים (שנמצאים בתוך סלעים).

סביבות לחץ קיצוניות

סביבות אחרות נתונות בלחץ הידרוסטטי גבוה, כמו אזורים קדמיים של אוקיינוסים ואגמים עמוקים. בעומקים אלה על תושביה לעמוד בלחצים העולים על 1000 אטמוספרות.

לחלופין, ישנם קיצוניות היפוברית (של לחץ אטמוספרי נמוך), בהרים ובאזורים מוגבהים אחרים בעולם.

איור 3. איור 3. פומארולות ימיות או פתחי אוורור הידרותרמיים. דוגמא לסביבה קיצונית המאוכלסת על ידי קהילה שלמה של אורגניזמים, בה יש לחץ וטמפרטורה גבוהים, כמו גם פריקות גופרית. מקור: NOAA, באמצעות Wikimedia Commons

סביבות חומצות ואלקליות קיצוניות

באופן כללי, סביבות חומציות במיוחד הן הסיבות השומרות על ערכים הנמצאים מתחת לחומציות pH 5 או באופן קבוע.

בפרט, pH נמוך, מעלה את המצב ה"קיצוני "של סביבה, מכיוון שהוא מגביר את המסיסות של המתכות הקיימות ויש להתאים את האורגניזמים החיים בהן כדי להתמודד עם מספר רב של קיצוניות אביוטית.

לעומת זאת, סביבות אלקליות במיוחד הן אלה שנשארות או רושמות באופן קבוע ערכי pH מעל 9.

דוגמאות לסביבות pH קיצוניות כוללות אגמים, מי תהום, וקרקעות חומציות או אלקליות מאוד.

איור 4. לובסטר הגמד (Munidopsis polymorpha), שוכן מערות ואנדמי לאי לנזרוטה, האיים הקנריים. בין ההתאמות האופייניות לסוגי המערות הקיצוניות הללו הם: צמצום בגודל, חיוורון ועיוורון. מקור: flickr.com/photos//5582888539

סביבות היפרסאליות ואנוקסיות

סביבות היפרסליות מוגדרות ככאלה עם ריכוזי מלח גדולים יותר מאלה של מי ים, שיש להם 35 חלקים לאלף. סביבות אלה כוללות אגמי היפרסלין ומי מלח.

ב"מלח "איננו מתייחסים רק למליחות כתוצאה נתרן כלורי, שכן יתכנו סביבות מלחות בהן המלח השולט הוא משהו אחר.

איור 5. צבע ורוד של המים בסלינה לאס קומאראגאאס, מדינת פלקון בוונצואלה. הצבע הוורוד הוא תוצר של אצה הנקראת Dunaliella salina, המסוגלת להתנגד לריכוזים גבוהים של נתרן כלורי הקיים במלח. מקור: HumbRios, מתוך ויקימדיה Commons

בתי גידול עם חמצן חופשי מוגבל (היפוקסיים) או שאינם קיימים חמצן (אנוקסיים), בהתמדה או בפרקי זמן קבועים, נחשבים אף הם לקיצוניים. לדוגמה, סביבות עם מאפיינים אלה יהיו האגנים האנוקסיים באוקיינוסים ובאגמים, ושכבות המשקעים העמוקות יותר.

איור 6 איור 6. ארטמיה מוניקה, סרטנים המתגורר באגם מונו, בקליפורניה (ארה"ב), סביבה מלוחה (נתרן ביקרבונט) וחומציות pH גבוהה. מקור: photolib.noaa.gov

סביבות קרינה גבוהות

קרינת אולטרה סגולה (UV) או אינפרא אדום (IR) יכולה גם לכפות תנאים קיצוניים על אורגניזמים. סביבות קרינה קיצוניות הן אלה שנחשפות לקרינה גבוהה או קרינה גבוהה מהטווח הרגיל. לדוגמה, סביבות קוטביות וגובה רב (יבשתי ומימי).

Phaeocystis pouchetii

מינים מסוימים מראים מנגנונים מתחמקים של קרינת UV או IR גבוהה. לדוגמה, האצות האנטארקטיות Phaeocystis pouchetii מייצרות "מסנני קרינה" מסיסים במים הסופגים חזק את אורכי הגל UV-B (280-320 ננומטר) ומגנים על תאיו מפני רמות גבוהות במיוחד של UV-B בתוך 10 מ '. עמוד מים עליון (לאחר שבירת קרח ים).

Deinococcus radiodurans

אורגניזמים אחרים סובלניים מאוד לקרינה מייננת. לדוגמא, החיידק Deinococcus radiodurans יכול לשמר את שלמותו הגנטית על ידי פיצוי על נזק DNA רב לאחר חשיפה לקרינה מייננת.

חיידק זה משתמש במנגנונים בין-תאיים כדי להגביל את השפלה ולהגביל את ההתפשטות של שברי DNA. בנוסף, יש לו חלבונים לתיקון DNA יעילים ביותר.

Astyanax hubbsi

אפילו בסביבות עם קרינה נמוכה או חסרת קרינה לכאורה, אורגניזמים קיצוניים מותאמים להגיב לשינויים ברמות הקרינה.

לדוגמא, ל- Astyanax hubbsi, דג עיוור המקסיקני במערה, אין מבנים עיניים מורגשים באופן שטחי, ובכל זאת הוא יכול להבחין בהבדלים קטנים באור הסביבה. הם משתמשים בקולטנים פוטו-קולטניים כדי לאתר ולהגיב לגירויים חזותיים נעים.

איור 7. דגים עיוורים מהסוג Astyanax, שוכנת המערות. מקור: שיזאו, מתוך ויקימדיה

קצוות אנתרופוגניים

אנו חיים כיום בסביבה בה מוטלים תנאים סביבתיים קיצוניים, שנוצרים באופן מלאכותי כתוצאה מפעילות אנושית.

סביבות ההשפעה האנתרופוגנית מה שמכונה הן מגוונות ביותר, גלובליות בהיקפם, ואינן ניתן עוד להתעלם מהן בעת ​​הגדרת סביבות קיצוניות מסוימות.

לדוגמה, סביבות המושפעות מזיהום (אטמוספרי, מים ואדמה) - כמו שינויי אקלים וגשם חומצי-, מיצוי משאבים טבעיים, הפרעה גופנית וניצול יתר.

מעברים וטבעות אקולוגיות

בנוסף לסביבות הקיצוניות שהוזכרו לעיל, אקולוגים יבשתיים תמיד היו מודעים לאופי המיוחד של אזורי מעבר בין שתי קהילות או סביבות מגוונות או יותר, כמו קו העץ בהרים או הגבול בין יערות ושדות דשא. . אלה נקראים חגורות מתח או טונות אקולוגיות.

אקוטונים קיימים גם בסביבה הימית, למשל המעבר בין קרח למים המיוצג על ידי שפת קרח הים. אזורי מעבר אלה מציגים בדרך כלל מגוון מינים וצפיפות ביומסה רבה יותר בהשוואה לקהילות האגדות, בעיקר משום שהאורגניזמים החיים בהם יכולים לנצל את המשאבים בסביבות הסמוכות, מה שיכול לתת להם יתרון.

עם זאת, טווחים אקולוגיים משתנים ללא הרף ואזורים דינמיים, לרוב מראים מגוון רחב יותר של שונות בתנאים abiotic וביוטי במהלך תקופה שנתית מאשר בסביבות סמוכות.

זה יכול להיחשב באופן סביר כ"קיצוני "מכיוון שהוא מחייב אורגניזמים להתאים ללא הרף את התנהגותם, פנולוגיה (מזג אוויר עונתי) ואינטראקציות שלהם עם מינים אחרים.

מינים שחיים משני צידי האקוטון סובלים לעתים קרובות יותר לדינמיקה, בעוד שמינים שטווח הגבלה שלהם מוגבל לצד אחד חווים את הצד השני כקיצוני.

באופן כללי, אזורי מעבר אלה הם לרוב גם הראשונים שנפגעים משינויים באקלים ו / או מהפרעות, טבעיות ואנתרופוגניות כאחד.

בעלי חיים וצמחים עם שלבים או שלבים שונים

לא רק הסביבות דינאמיות, ואולי גם אינן קיצוניות, אלא שהאורגניזמים גם הם דינמיים ובעלי מחזורי חיים עם שלבים שונים המותאמים לתנאים סביבתיים מסוימים.

יכול להיות שקורה שהסביבה התומכת באחד משלבי מחזור החיים של האורגניזם היא קיצונית עבור אחד מהשלבים.

צמחים

לדוגמא, לקוקוס (Cocos nucifera) יש זרע המותאם להובלה דרך הים, אך העץ הבוגר גדל ביבשה.

בצמחים נושאי נבגים וסקולריים, כמו שרכים וסוגים שונים של אזוב, הגמטופיט יכול להיות נטול פיגמנטים פוטוסינתטיים, אין לו שורשים ותלוי בלחות הסביבה.

בעוד שבספורופיטים יש קני שורש, שורשים ויורה העמידים בתנאים חמים ויבשים באור שמש מלא. ההבדל בין ספורופיטים לגמטופיטים הוא באותו סדר כמו ההבדלים בין מסות.

חיות

דוגמא קרובה מאוד היא שלבי הנוער של מינים רבים, אשר בדרך כלל אינם סובלניים לסביבה המקיפה בדרך כלל את המבוגר, ולכן הם נדרשים בדרך כלל הגנה וטיפול בתקופה בה הם רוכשים את הכישורים והחוזקות הנחוצים להם. לאפשר להתמודד עם סביבות אלה.

הפניות

1. קושימה, ש '(1984). חרק רומן סובלני קר שנמצא בקרחון ההימלאיה. טבע 310, 225-227.
2. Macelroy, RD (1974). יש הערות על התפתחות הקיצוניות. מערכות ביולוגיות, 6 (1), 74-75. doi: 10.1016 / 0303-2647 (74) 90026-4
3. Marchant, HJ, Davidson, AT ו- Kelly, GJ (1991) UV-B המגנים תרכובות באצה הימית Phaeocystis pouchetti מאנטארקטיקה. ביולוגיה ימית 109, 391-395.
4. אורן, א '(2005). מאה שנות מחקר של Dunaliella: 1905-2005. מערכות מלח 1, doi: 10.1186 / 1746-1448 -1 -2.
5. רוטשילד, LJ ומנצ'ינלי, RL (2001). חיים בסביבות קיצוניות. טבע 409, 1092-1101.
6. שלפר, סי, פייהלר, ג., קוהלמורגן, ב. וזיליג, וו. (1995). לייט ב- pH נמוך במיוחד. טבע 375, 741-742.
7. Storey, KB ו- Storey, JM (1996). הישרדות הקפאה טבעית אצל בעלי חיים. סקירה שנתית של אקולוגיה ושיטתיות 27, 365-386.
8. Teyke, T. ו- Schaerer, S. (1994) דגי המערה המקסיקנים העיוורים (Astyanax hubbsi) מגיבים לגירויים חזותיים נעים. כתב העת לביולוגיה ניסיונית 188, 89-1 () 1.
9. Yancey, PI I., Clark, ML, Eland, SC, Bowlus RD וסומרו, GN (1982). חיים עם לחץ מים: התפתחות מערכות אוסמוליטים. מדע 217, 1214-1222.