תרמופילים: מאפיינים, סיווג וסביבות - ביולוגיה - 2025

Thermophilic הם תת-סוג של extremophiles המאופיינת גבוה לסבול טמפרטורות בין 50 ° C ו- 75 ° C, אם משום ערכים אלה נשמרים בטמפרטורה בסביבות קיצוניות אלה, או כי לעתים קרובות להגיע.

אורגניזמים תרמופיליים הם בדרך כלל חיידקים או ארכאאה, עם זאת ישנם מטאזואנים (אורגניזמים אוקיארוטיים שהם הטרוטרופיים ורקמות), המתפתחים גם במקומות חמים.

תרשים 1. מדבר אטקמה, בצ'ילה, אחד המקומות הכי יבשים בעולם. מקור: pixabay.com

אורגניזמים ימיים ידועים גם כי, הקשורים בסימביוזה עם חיידקים תרמופיליים, יכולים להסתגל לטמפרטורות גבוהות אלה וכי פיתחו גם מנגנונים ביוכימיים כמו המוגלובין שונה, נפח דם גבוה, בין היתר, המאפשרים להם לסבול את הרעילות של גופרית ותרכובות. גוֹפרִית.

על פי ההערכה, פרוקריוטים תרמופיליים היו התאים הפשוטים הראשונים בהתפתחות החיים, ואכלסו מקומות עם פעילות וולקנית וגייזרים באוקיינוסים.

דוגמאות לסוג זה של אורגניזמים תרמופיליים הם אלה החיים בסביבת פתחי אוורור הידרותרמיים או פתחי אוורור בקרקעית האוקיינוסים, כמו חיידקים מתנוגניים (המייצרים מתאן) וחיידק Riftia pachyptila.

בתי הגידול העיקריים בהם ניתן למצוא תרמופילים הם:

• סביבות הידרותרמיות יבשתיות.
• סביבות הידרותרמיות ימיות.
• מדבריות חמות.

מאפייני אורגניזמים תרמופיליים

טמפרטורה: גורם אביוטי קריטי להתפתחות מיקרואורגניזמים

הטמפרטורה היא אחד הגורמים הסביבתיים העיקריים שקובעים את הצמיחה וההישרדות של היצורים החיים. לכל מין מגוון טמפרטורות שבתוכו הוא יכול לשרוד, אולם יש לו צמיחה והתפתחות מיטבית בטמפרטורות ספציפיות.

ניתן לבטא בצורה גרפית את קצב הגידול של כל אורגניזם לעומת הטמפרטורה, ולקבל את הערכים התואמים לטמפרטורות הקריטיות החשובות (מינימום, אופטימלי ומקסימום).

טמפרטורות מינימליות

בטמפרטורות הצמיחה המינימליות של אורגניזם מתרחשת ירידה בנזילות של קרום התא, וניתן להפסיק את תהליכי ההובלה והחילוף של חומרים, כגון כניסה של חומרים מזינים ויציאת חומרים רעילים.

בין הטמפרטורה המינימלית לטמפרטורה האופטימלית, עולה קצב הגידול של מיקרואורגניזמים.

טמפרטורה אופטימלית

בטמפרטורה האופטימלית, תגובות מטבוליות מתרחשות ביעילות הגבוהה ביותר האפשרית.

טמפרטורה מקסימלית

מעל הטמפרטורה האופטימלית מתרחשת ירידה בקצב הגידול לטמפרטורה המרבית שכל אורגניזם יכול לסבול.

בטמפרטורות גבוהות אלה, חלבונים מבניים ופונקציונאליים כמו אנזימים מופרכים ומופעלים, מכיוון שהם מאבדים את התצורה הגיאומטרית שלהם ואת התצורה המרחבית שלהם, שבירות הממברנה הציטופלסמטית ומתרחשת תמוגה או קרע תרמי בגלל השפעת החום.

לכל מיקרואורגניזם הטמפרטורות המינימליות, האופטימליות והמקסימאליות שלו להפעלה ופיתוח. לתרמופילים יש ערכים גבוהים במיוחד בשלושת הטמפרטורות הללו.

הבחנת מאפיינים של אורגניזמים תרמופיליים

• אורגניזמים תרמופילים בעלי שיעורי גדילה גבוהים אך הם בעלי תקופות חיים קצרות.
• יש להם כמות גדולה של שומן רווי ארוך שומן או שומנים בקרום התא שלהם; סוג זה של שומן רווי מסוגל לספוג חום ולהפוך למצב נוזלי בטמפרטורות גבוהות (נמס), מבלי להיהרס.
• החלבונים המבניים והתפקודיים שלו יציבים מאוד בחום (תרמוסטטי), באמצעות קשרים קוולנטיים וכוחות אינטרמולקולאריים מיוחדים הנקראים כוחות פיזור בלונדון.
• יש להם גם אנזימים מיוחדים לשמירה על תפקוד מטבולי בטמפרטורות גבוהות.
• ידוע שמיקרו-אורגניזמים תרמופיליים אלו יכולים להשתמש בסולפידים ובתרכובות הגופרית השופעות באזורים וולקניים, כמקורות לחומרים מזינים כדי להמיר אותם לחומר אורגני.

סיווג אורגניזמים תרמופיליים

ניתן לחלק אורגניזמים תרמופיליים לשלוש קטגוריות רחבות:

• תרמופילים מתונים, (אופטימלי בין 50-60 מעלות צלזיוס).
• תרמופילים קיצוניים (אופטימלי קרוב ל 70 מעלות צלזיוס).
• היפרתרמופילים (אופטימלי קרוב ל 80 מעלות צלזיוס).

אורגניזמים תרמופיליים וסביבתם

סביבות הידרותרמיות יבשתיות

אתרים הידרותרמיים נפוצים באופן מפתיע ומופצים באופן נרחב. ניתן לחלק אותם באופן נרחב לאלו הקשורים לאזורים געשיים ואלו שאינם.

סביבות הידרותרמיות עם הטמפרטורות הגבוהות ביותר קשורות בדרך כלל לתכונות וולקניות (קלדרות, תקלות, גבולות טקטוניים של צלחת, אגני קשת אחוריות), המאפשרים לקסמה לעלות לעומק בו היא יכולה לתקשר ישירות עם מי תהום. עָמוֹק.

איור 2. איור 2. Tatio Geysers, אטקמה, צ'ילה. מקור: דייגו דלסו

נקודות חמות מלוות לרוב גם בתכונות אחרות המקשות על התפתחות החיים, כמו ערכי pH קיצוניים, חומר אורגני, הרכב כימי ומליחות.

תושבי סביבות הידרותרמיות יבשתיות, אם כן, שורדים בנוכחות תנאים קיצוניים שונים. אורגניזמים אלה ידועים כ- polyextremophiles.

דוגמאות לאורגניזמים המאכלסים סביבות הידרותרמיות יבשתיות

אורגניזמים השייכים לשלושת התחומים (איוקריוטים, חיידקים וארכיאה) זוהו בסביבות הידרותרמיות יבשתיות. המגוון של אורגניזמים אלה נקבע בעיקר על ידי הטמפרטורה.

בעוד שמגוון מגוון של מינים חיידקיים מאכלס סביבות תרמופיליות בינוניות, פוטו-אוטוטרופים יכולים לבוא לשלוט בקהילה החיידקית ויוצרים מבנים "מחצלת" או "שטיח" מקרוסקופיים.

"מחצלות פוטוסינתטיות" אלה קיימות על פני המעיינות החמים הנייטרלים והאלקלים ביותר (pH הגבוה מ- 7.0) בטמפרטורות שבין 40-71 מעלות צלזיוס, כאשר ציאנובקטריה הוקמה כיצרנית הדומיננטית העיקרית.

מעל 55 מעלות צלזיוס, מחצלות פוטוסינתטיות מאוכלסות בעיקר על ידי ציאנובקטריות חד-תאיות כמו Synechococcus sp.

בַּקטֶרִיָה

מחצלות מיקרוביאליות פוטוסינתטיות יכולות להיות מאוכלסות בעיקר בעיקר על ידי חיידקים מהסוגות Chloroflexus ו- Roseiflexus, שניהם חברים בסדר גודל כלורפלקלי.

כאשר הם קשורים לציאנובקטריה, מינים Chloreflexus ו- Roseiflexus גדלים בצורה אופטימלית בתנאים פוטו-טרוטרופיים.

אם רמת החומציות היא חומצית, הנפוצות הן הסוגים Acidiosphaera, Acidiphilium, Desulfotomaculum, Hydrogenobaculum, Methylokorus, Sulfobacillus Thermoanaerobacter, Thermodesulfobium ו- Thermodesulfator.

במקורות היפרתרמופיליים (בין 72-98 מעלות צלזיוס) ידוע כי לא מתרחשת פוטוסינתזה, המאפשרת את הדומיננטיות של חיידקים כימוליטים אוטוטרופיים.

אורגניזמים אלה שייכים לפיליפ אקוויפיקאה והם קוסמופוליטיים; הם יכולים לחמצן מימן או גופרית מולקולרית עם חמצן כמקבל אלקטרונים ולתקן פחמן דרך מסלול החומצה הטרי-קרבוקסילית (rTCA).

קשתות

מרבית הקשתות המעובדות והבלתי מעובדות המזוהות בסביבות תרמיות ניטרליות ואלקליות שייכות לפילם קרנרכאוטה.

מינים כמו Thermofilum pendens, Thermosphaera aggregans או Stetteria hydrogenophila Nitrosocaldus yellowstonii, מתפשטים מתחת ל 77 מעלות צלזיוס ו- Thermoproteus neutrophilus, Vulcanisaeta distributiona, Pendens Thermofilum, Aeropyruni pernix, Desulfurococcus mobilis וטמפרטורות של Ignisphaera מעלות בטמפרטורות גבוהות מעל 80 מעלות.

בסביבות חומציות נמצאים ארכיאה של הסוגות: Sulfolobus, Sulfurococcus, Metallosphaera, Acidianus, Sulfurisphaera, Picrophilus, Thermoplasma, Thennocladium ו- Galdivirga.

אוקריוטות

בין האוקריוטים ממקורות ניטרליים ואלקלייןיים ניתן להזכיר Thermomyces lanuginosus, Scytalidium thermophilum, Echinamoeba thermarum, Marinamoeba thermophilia ו- Oramoeba funiarolia.

במקורות חומציים ניתן למצוא את הסוגות: Pinnularia, Cyanidioschyzon, Cyanidium או Galdieria.

סביבות הידרותרמיות ימיות

עם טמפרטורות שנעות בין 2 מעלות צלזיוס ל -400 מעלות צלזיוס, לחצים העומדים על כמה אלפי פאונד לאינץ '(psi) וריכוזים גבוהים של מימן גופרתי רעיל (pH של 2.8), פתחי אוורור ים עמוקים הם אולי הסביבות הקיצוניות ביותר בכוכב הלכת שלנו.

במערכת אקולוגית זו, החיידקים משמשים כחוליה התחתונה בשרשרת המזון, ומפיקים את האנרגיה שלהם מחום גיאותרמי וכימיקלים הנמצאים בעומק פנים כדור הארץ.

איור 4. איור 4. תולעי צינור הידרותרמיות. מקור: photolib.noaa.gov

דוגמאות לפאונה הקשורה בסביבות הידרותרמיות ימיות

עולם החי הקשור במקורות או פתחי אוורור זה מגוון מאוד, והקשרים בין המיסות השונות טרם מובנים לחלוטין.

בין המינים שבודדו הם גם חיידקים וגם ארכאאה. לדוגמה, מבודדים ארכיאה של הסוג מתנוקוקוס, מתנופיוס וחיידקים אנאירוביים תרמופיליים של הסוג Caminibacter.

חיידקים משגשגים בביופילמים שעליהם מרובים אורגניזמים כמו דו-חיים, שוטים, חלזונות, שרימפס סרטנים, תולעי שפופית, דגים, תמנונים.

איור 5. שרימפס מהסוג Rimicaris, תושבי fumaroles. מקור: תוכנית סייר אוקיאנוס של NOAA, Mid-Cayman Rise Expedition 2011

תסריט נפוץ הוא הצטברות של המולה, Bathymodiolus Thermophilus, באורך של יותר מ- 10 ס"מ, מקבץ בסדקים בלבה בזלתית. אלה מלווים בדרך כלל במספר סרטנים גלייטיים (Munidopsis subsquamosa).

אחד האורגניזמים החריגים ביותר שנמצאו הוא תולעת האבוב Riftia pachyptila, שיכולה להתגודד במספרים גדולים ולהגיע לגדלים הקרובים ל -2 מטרים.

בתולעי שפופרות אלו אין פה, בטן או פי הטבעת (כלומר אין להם מערכת עיכול); הם שק סגור לחלוטין, ללא שום פתיחה לסביבה החיצונית.

איור 6. איור 6. תולעת האבובית Riftia pachyptila עם כלניות ומולים. מקור:
תוכנית סייר אוקיאנוס של NOAA, משלחת Rift Expedition 2011

הצבע האדום הבהיר של העט בקצה נובע מנוכחות המוגלובין חוץ-תאי. מימן גופרתי מועבר על פני קרום התא הקשור לחוטים של פלומה זו, ובאמצעות המוגלובין חוץ-תאי מגיע ל"רקמה "מיוחדת הנקראת טרופוזום, המורכבת כולה מחיידקים כימוסינתטיים סימביוטיים.

ניתן לומר שלתולעים אלה יש "גן" פנימי של חיידקים הניזונים מימן גופרתי ומספקים "מזון" לתולעת, התאמה יוצאת דופן.

מדבריות חמות

מדבריות חמות מכסות בין 14 ל 20% משטח כדור הארץ, כ 19-25 מיליון ק"מ.

המדבריות החמים ביותר, כמו סהרה של צפון אפריקה ומדבריות דרום-מערב ארצות הברית, מקסיקו ואוסטרליה, נמצאים ברחבי הטרופיים בחצי הכדור הצפוני והדרומי (בין כ -10 ° ו- 30-). קו רוחב 40 °).

סוגי מדבריות

מאפיין מכונן של מדבר לוהט הוא צחיחות. על פי סיווג האקלים Koppen-Geiger, המדבריות הם אזורים עם גשמים שנתיים פחות מ -250 מ"מ.

עם זאת, משקעים שנתיים יכולים להיות אינדקס מטעה, מכיוון שאובדן מים הוא מכריע בתקציב המים.

לפיכך, הגדרת התוכנית הסביבתית של האו"ם של מדבר היא גירעון לחות שנתי בתנאי אקלים נורמליים, כאשר האידוי להעברת פוטנציאל (PET) גדול פי חמישה מהמשקעים בפועל (P).

PET גבוהה נפוצה במדבריות חמות מכיוון שעקב היעדר כיסוי ענן, קרינת השמש מתקרבת למקסימום באזורים צחיחים.

ניתן לחלק מדבריות לשני סוגים לפי רמת הצחיחות שלהם:

• היפררידים: עם מדד צחיחות (P / PET) פחות מ- 0.05.
• מצטבר: עם אינדקס בין 0.05 ל 0.2.

מדבריות נבדלים בין אדמות צחיחות למחצה (P / PET 0.2-0.5) ומאדמות יבשות תת-לחות (0.5-0.65).

במדבריות יש מאפיינים חשובים אחרים, כמו שונות הטמפרטורה החזקה שלהם והמליחות הגבוהה של קרקעותיהם.

לעומת זאת, מדבר נקשר בדרך כלל לדיונות וחול, אולם דימוי זה רק תואם 15-20% מכולם; נופים סלעיים והרריים הם הסביבות המדבריות השכיחות ביותר.

דוגמאות לאורגניזמים תרמופיליים במדבר

לתושבי המדבריות, שהם תרמופילים, יש סדרת התאמות להתמודד עם המכשולים הנובעים מחוסר גשם, טמפרטורות גבוהות, רוחות, מליחות, בין היתר.

צמחים Xerophytic פיתחו אסטרטגיות כדי למנוע זיעה ולאגור כמה שיותר מים. עסיסיות או עיבוי של גבעולים ועלים היא אחת האסטרטגיות המשומשות ביותר.

זה ניכר במשפחת Cactaceae, שם העלים הוחלפו גם הם לעמוד השדרה, הן למניעת התפשטות והן להדפת אוכלי עשב.

איור 7. קקטוס בגן הבוטני בסינגפור. מקור: Img מאת קלווין טאו, מתוך ויקימדיה

הסוג ליטופים או צמחי אבן, ילידי המדבר הנמיבי, מפתח גם הוא בשרניים, אך במקרה זה הצמח צומח סומק עם האדמה, ומסווה את עצמו באבנים שמסביב.

איור 8. Lithops herrei צמח בשרני דמוי סלע. מקור: סטן שבס, בגן הבוטני של אוניברסיטת קליפורניה

לעומת זאת, בעלי חיים החיים בבתי גידול קיצוניים אלו מפתחים כל מיני הסתגלות, מפיזיולוגית לאתולוגית. לדוגמא, חולדות הקנגורו מה שנקרא מציגים מתן שתן בנפח נמוך ובמספרים קטנים, ובכך הם בעלי חיים יעילים מאוד בסביבתם המועטה.

מנגנון נוסף להפחתת איבוד המים הוא עלייה בטמפרטורת הגוף; לדוגמא, טמפרטורת הגוף של גמלים במנוחה יכולה לעלות בקיץ מכ- 34 מעלות צלזיוס ליותר מ- 40 מעלות צלזיוס.

וריאציות לטמפרטורה חשובות מאוד לשימור המים, עבור הדברים הבאים:

• טמפרטורת גוף מוגברת פירושה שחום נאגר בגוף במקום להתפזר באמצעות אידוי מים. בהמשך, בלילה, ניתן לגרש את עודפי החום מבלי לבזבז מים.
• עליית החום מהסביבה החמה פוחתת מכיוון שמפלס הטמפרטורה מופחת.

דוגמא נוספת היא חולדת החול (Psammomys obesus), שפיתחה מנגנון עיכול המאפשר להאכיל רק בצמחי מדבר ממשפחת Chenopodiaceae, המכילים כמויות גדולות של מלחים בעלים.

איור 9. חולדת חול (אובסוס Psammomys). מקור: גארי ל. קלארק, מ- Wikimedia Commons

ההתאמות האתולוגיות (ההתנהגותיות) של בעלי חיים מדבריים הן רבות, אך אולי המובן מאליו ביותר כי מחזור מנוחת הפעילות מתהפך.

באופן זה, בעלי חיים אלה הופכים להיות פעילים עם השקיעה (פעילות לילית) ומפסיקים להיות פעילים עם שחר (מנוחת יום), ולכן חייהם הפעילים אינם חופפים לשעות החמות ביותר.

הפניות

1. בייקר-אוסטין, סי ודופסון, מ '(2007). חיים בחומצה: הומאוסטזיס של pH בחומציות. מגמות במיקרוביולוגיה 15, 165-171.
2. ברי, JA וביורקמן, 0. (1980). תגובה פוטוסינתטית והתאמה לטמפרטורה בצמחים גבוהים יותר. סקירה שנתית של פיזיולוגיה של הצמח 31, 491-534.
3. ברוק, TD (1978). מיקרואורגניזמים תרמופיליים וחיים בטמפרטורות גבוהות. שפרינגר-ורלאג, ניו יורק, 378 עמ '.
4. קמפוס, VL, Escalante, G., Jafiez, J., Zoror, CA ו- Mondaca, AM (2009), בידוד של חיידקים מחמצנים ארסן מ biofilm טבעי הקשור לסלעים געשיים של מדבר אטקמה, צ'ילה. Journal of Microbiology Basic 49, 93-97.
5. Cary, CS, Shank, T. and Stein, J. (1998). תולעים מתחממות בטמפרטורות קיצוניות. טבע 391, 545-546.
6. Chevaldonne, P, Desbruyeres, D. and Childress, JJ (1992). חלקם אוהבים את זה חם … ויש שאוהבים את זה אפילו יותר חם. טבע 359, 593-594.
7. Evenari, M., Lange, 01., Schzeze, ED, Buschbom, U. and Kappen, L. (1975). מנגנוני הסתגלות בצמחי מדבר. בתוך: Vemberg, FJ (עורכת) התאמה פיזיולוגית לסביבה. Press Intext, Platteville, LISA, pp. 111-129.
8. גיבסון, AC (1996). יחסי מבנה ותפקוד של צמחי מדבר חמים. שפרינגר, היידלברג, גרמניה, 216 עמ '.
9. גוטרמן, י. (2002). אסטרטגיות הישרדות של צמחי מדבר שנתיים. שפרינגר, ברלין, גרמניה, 368 עמ '.
10. Lutz, RA (1988). פיזור אורגניזמים במאווררים הידרותרמיים בים עמוק: סקירה. אוקונולוגיקה אקטה 8, 23-29.
11. לוץ, RA, Shank, TM, Fornari, DJ, Haymon, RM, Lille, MD, פון דאם, KL ו- Desbruyeres, D. (1994). צמיחה מהירה בשקעי ים עמוקים. טבע 371, 663-664.
12. Rhoads, DC, Lutz, RA, Revelas, EC ו- Cerrato, RM (1981). גידול של שני קביים במערכות הידרותרמיות בים עמוק לאורך בקע גלפגוס. מדע 214, 911-913.
13. נוי-מאיר I. (1973). מערכות אקולוגיות במדבר: סביבה ויצרנים. סקירה שנתית של מערכות אקולוגיות 4, 25-51.
14. Wiegel, J. ו- Adams, MWW (1998). תרמופילים: המפתחות להתפתחות מולקולרית ומקור החיים. טיילור ופרנסיס, לונדון, 346 עמ '.