TERMOFILLER: ÖZELLIKLER, SINIFLANDIRMA VE ORTAMLAR - BIYOLOJI - 2025

Termofilik yükseği ile karakterize ekstremofiller bir alt tipi olan, 50 ° C ve 75 ° C arasındaki sıcaklıkları tolere, ya bu değerler bu aşırı ortamlarda sıcaklığı muhafaza veya çünkü çoğu ulaşan çünkü.

Termofilik organizmalar genellikle bakteri veya arkelerdir, ancak sıcak yerlerde de gelişen metazoanlar (heterotrofik ve doku olan ökaryotik organizmalar) vardır.

Şekil 1. Şili'deki, dünyanın en kurak yerlerinden biri olan Atacama Çölü. Kaynak: Pixabay.com

Deniz organizmalarının, termofilik bakterilerle simbiyozla ilişkili olarak, bu yüksek sıcaklıklara adapte olabildiği ve diğerlerinin yanı sıra, sülfidlerin ve bileşiklerin toksisitesini tolere etmelerine izin veren modifiye hemoglobin, yüksek kan hacmi gibi biyokimyasal mekanizmalar geliştirdikleri de bilinmektedir. kükürt.

Termofilik prokaryotların, yaşamın evriminde ilk basit hücreler olduğuna ve okyanuslarda volkanik aktivite ve gayzerlerin bulunduğu yerlerde yaşadığına inanılıyor.

Bu tür termofilik organizmaların örnekleri, metanojenik (metan üreten) bakteriler ve annelid Riftia pachyptila gibi okyanusların dibindeki hidrotermal deliklerin veya deliklerin yakınında yaşayanlardır.

Termofillerin bulunabileceği başlıca habitatlar şunlardır:

• Karasal hidrotermal ortamlar.
• Deniz hidrotermal ortamları.
• Sıcak çöller.

Termofilik organizmaların özellikleri

Sıcaklık: mikroorganizmaların gelişimi için kritik abiyotik faktör

Sıcaklık, canlıların büyümesini ve hayatta kalmasını belirleyen temel çevresel faktörlerden biridir. Her türün yaşayabileceği bir sıcaklık aralığı vardır, ancak belirli sıcaklıklarda optimum büyüme ve gelişmeye sahiptir.

Sıcaklığa karşı her organizmanın büyüme hızı, önemli kritik sıcaklıklara (minimum, optimum ve maksimum) karşılık gelen değerler elde edilerek grafik olarak ifade edilebilir.

Minimum sıcaklıklar

Bir organizmanın minimum büyüme sıcaklıklarında, hücre zarının akışkanlığında bir azalma meydana gelir ve besinlerin girişi ve toksik maddelerin çıkışı gibi materyallerin taşınması ve değiştirilmesi işlemleri durdurulabilir.

Minimum sıcaklık ile optimum sıcaklık arasında mikroorganizmaların büyüme hızı artar.

Optimal sıcaklık

Optimal sıcaklıkta, metabolik reaksiyonlar mümkün olan en yüksek verimlilikle gerçekleşir.

Maksimum sıcaklık

Optimal sıcaklığın üzerinde, her organizmanın tolere edebileceği maksimum sıcaklığa kadar büyüme hızında bir düşüş meydana gelir.

Bu yüksek sıcaklıklarda, enzimler gibi yapısal ve fonksiyonel proteinler, geometrik konfigürasyonlarını ve belirli uzaysal konfigürasyonlarını yitirdikçe, sitoplazmik membran kırıldıkça ve ısının etkisiyle termal parçalanma veya yırtılma meydana geldikçe denatüre ve inaktive edilir.

Her mikroorganizmanın çalışma ve geliştirme için minimum, optimum ve maksimum sıcaklıkları vardır. Termofiller, bu üç sıcaklıkta olağanüstü yüksek değerlere sahiptir.

Termofilik organizmaların ayırt edici özellikleri

• Termofilik organizmalar yüksek büyüme oranlarına sahiptir, ancak ömürleri kısadır.
• Hücre zarlarında büyük miktarda uzun zincirli doymuş yağ veya lipid bulunur; bu tür doymuş yağ, ısıyı absorbe edebilir ve yok edilmeden yüksek sıcaklıklarda sıvı hale geçebilir (erime).
• Yapısal ve fonksiyonel proteinleri, kovalent bağlar ve Londra saçılma kuvvetleri adı verilen özel moleküller arası kuvvetler aracılığıyla çok ısıya dayanıklıdır (termostabil).
• Ayrıca yüksek sıcaklıklarda metabolik işleyişi sürdürmek için özel enzimlere sahiptirler.
• Bu termofilik mikroorganizmaların, volkanik alanlarda bol miktarda bulunan sülfitleri ve sülfür bileşiklerini organik maddeye dönüştürmek için besin kaynağı olarak kullanabildikleri bilinmektedir.

Termofilik organizmaların sınıflandırılması

Termofilik organizmalar üç geniş kategoriye ayrılabilir:

• Orta derecede termofiller, (50-60 ° C arasında optimum).
• Aşırı termofiller (optimum 70 ° C'ye yakın).
• Hipertermofiller (optimum 80 ° C'ye yakın).

Termofilik organizmalar ve çevreleri

Karasal hidrotermal ortamlar

Hidrotermal alanlar şaşırtıcı derecede yaygındır ve geniş çapta dağılmıştır. Geniş olarak volkanik alanlarla ilişkili olanlara ve olmayanlara ayrılabilirler.

En yüksek sıcaklıklara sahip hidrotermal ortamlar genellikle magmanın yeraltı sularıyla doğrudan etkileşime girebileceği bir derinliğe yükselmesine izin veren volkanik özelliklerle (kalderalar, faylar, levha tektonik sınırları, arka ark havzaları) ilişkilendirilir. derin.

Şekil 2. Tatio Geysers, Atacama, Şili. Kaynak: Diego Delso

Sıcak noktalara sıklıkla aşırı pH değerleri, organik madde, kimyasal bileşim ve tuzluluk gibi yaşamı geliştirmeyi zorlaştıran başka özellikler eşlik eder.

Bu nedenle, karasal hidrotermal ortamların sakinleri, çeşitli aşırı koşulların varlığında hayatta kalırlar. Bu organizmalar poliekstremofiller olarak bilinir.

Karasal hidrotermal ortamlarda yaşayan organizma örnekleri

Her üç alana (ökaryotik, bakteri ve arkeler) ait organizmalar, karasal hidrotermal ortamlarda tanımlanmıştır. Bu organizmaların çeşitliliği esas olarak sıcaklık ile belirlenir.

Çok çeşitli bakteri türleri orta derecede termofilik ortamlarda yaşarken, fotoototroflar mikrobiyal topluluğa hakim olabilir ve makroskopik "mat" veya "halı" benzeri yapılar oluşturabilir.

Bu "fotosentetik paspaslar" çoğu nötr ve alkali kaplıcaların (pH 7.0'dan yüksek) yüzeyinde 40-71 ° C arasındaki sıcaklıklarda bulunur ve ana baskın üreticiler olarak yerleşik siyanobakteriler bulunur.

55 ° C'nin üzerinde, fotosentetik matlarda ağırlıklı olarak tek hücreli siyanobakteriler mesela Synechococcus sp.

Bakteri

Fotosentetik mikrobiyal paspaslar, her ikisi de Chloroflexales takımının üyesi olan Chloroflexus ve Roseiflexus cinsinin bakterileri tarafından da barındırılabilir.

Siyanobakterilerle ilişkilendirildiğinde, Chloreflexus ve Roseiflexus türleri fotoheterotrofik koşullar altında en iyi şekilde büyür.

PH asidik ise, Acidiosphaera, Acidiphilium, Desulfotomaculum, Hydrogenobaculum, Methylokorus, Sulfobacillus Thermoanaerobacter, Thermodesulfobium ve Thermodesulfator cinsleri yaygındır.

Hipertermofilik kaynaklarda (72-98 ° C arası) fotosentezin oluşmadığı bilinmektedir, bu da kemolitoototrofik bakterilerin baskın olmasına izin verir.

Bu organizmalar filum Aquificae'ye aittir ve kozmopolittir; Hidrojeni veya moleküler sülfürü bir elektron alıcısı olarak oksijenle oksitleyebilir ve indirgeyici trikarboksilik asit (rTCA) yolu aracılığıyla karbonu sabitleyebilirler.

Kemerler

Nötr ve alkali termal ortamlarda tanımlanan ekili ve yetiştirilmemiş arkelerin çoğu, Crenarchaeota filumuna aittir.

Thermofilum pendens, Thermosphaera aggregans veya Stetteria hidrojenophila Nitrosocaldus yellowstonii gibi türler, 77 ° C'nin altında çoğalır ve Thermoproteus neutrophilus, Vulcanisaeta distributa, Thermofilum pendens, Aeropyruni pernix, Desulfurococcus mobilis ve Ignisphaera kümelerinde 80 ° 'den daha yüksek sıcaklıklar.

Asidik ortamlarda, cinslerin arkeaları: Sulfolobus, Sulfurococcus, Metallosphaera, Acidianus, Sulfurisphaera, Picrophilus, Thermoplasma, Thennocladium ve Galdivirga bulunur.

Ökaryotlar

Nötr ve alkali kaynaklardan gelen ökaryotlar arasında Thermomyces lanuginosus, Scytalidium thermophilum, Echinamoeba thermarum, Marinamoeba thermophilia ve Oramoeba funiarolia sayılabilir.

Asidik kaynaklarda cinsler: Pinnularia, Cyanidioschyzon, Cyanidium veya Galdieria bulunabilir.

Deniz hidrotermal ortamları

2 ° C ila 400 ° C arasında değişen sıcaklıklar, inç kare (psi) başına birkaç bin libreyi aşan basınçlar ve yüksek konsantrasyonlarda toksik hidrojen sülfit (pH 2.8) ile derin deniz hidrotermal menfezleri muhtemelen gezegenimizdeki en ekstrem ortamlar.

Bu ekosistemde mikroplar, enerjilerini jeotermal ısıdan ve Dünya'nın iç kısmının derinliklerinde bulunan kimyasallardan elde ederek besin zincirinde alt halka görevi görür.

Şekil 4. Hidrotermal havalandırma deliği ve tüp kurtları. Kaynak: photolib.noaa.gov

Deniz hidrotermal ortamlarıyla ilişkili fauna örnekleri

Bu kaynaklar veya deliklerle ilişkili fauna çok çeşitlidir ve farklı taksonlar arasındaki ilişkiler henüz tam olarak anlaşılmamıştır.

İzole edilen türler arasında hem bakteri hem de arkeler vardır. Örneğin, Methanococcus, Methanopyus cinsinin arkeaları ve Caminibacter cinsinin termofilik anaerobik bakterileri izole edilmiştir.

Bakteriler, amfipodlar, kopepodlar, salyangozlar, yengeç karidesi, tüp kurtları, balıklar ve ahtapot gibi birden fazla organizmanın beslendiği biyofilmlerde gelişir.

Şekil 5. Fumarollerin sakinleri olan Rimicaris cinsinden karides. Kaynak: NOAA Okeanos Explorer Programı, Cayman Ortası Rise Expedition 2011

Yaygın bir senaryo, midye, Bathymodiolus thermophilus'un, 10 cm'den daha uzun, bazaltik lavda çatlaklar halinde kümelenmesidir. Bunlara genellikle çok sayıda galatid yengeç (Munidopsis subsquamosa) eşlik eder.

Bulunan en sıra dışı organizmalardan biri, çok sayıda gruplayabilen ve 2 metreye yakın boyutlara ulaşabilen tüp kurdu Riftia pachyptila'dır.

Bu tüp kurtlarının ağzı, midesi veya anüsü yoktur (yani sindirim sistemi yoktur); dış ortama herhangi bir açılma olmaksızın tamamen kapalı bir kesedir.

Şekil 6. Şakayık ve midyeli tüp kurdu Riftia pachyptila. Kaynak:
NOAA Okeanos Explorer Programı, Galapagos Rift Expedition 2011

Ucundaki kalemin parlak kırmızı rengi, hücre dışı hemoglobinin varlığından kaynaklanmaktadır. Hidrojen sülfit, bu tüyün iplikleriyle ilişkili hücre zarı boyunca taşınır ve hücre dışı hemoglobin yoluyla, tamamen simbiyotik kemosentetik bakterilerden oluşan, trofozom adı verilen özel bir "dokuya" ulaşır.

Bu solucanların, olağanüstü bir adaptasyon olan, hidrojen sülfitle beslenen ve solucan için "besin" sağlayan dahili bir bakteri "bahçesine" sahip oldukları söylenebilir.

Sıcak çöller

Sıcak çöller, Dünya yüzeyinin% 14 ila 20'sini kaplar, yaklaşık 19-25 milyon km.

Kuzey Afrika'daki Sahra ve güneybatı ABD, Meksika ve Avustralya'nın çölleri gibi en sıcak çöller, hem kuzey hem de güney yarım kürelerde (yaklaşık 10 ° ila 30 ° arası) tropik bölgelerde bulunur. 40 ° enlem).

Çöl türleri

Sıcak bir çölün belirleyici bir özelliği kuraklıktır. Koppen-Geiger iklim sınıflandırmasına göre çöller, yıllık yağış miktarı 250 mm'den az olan bölgelerdir.

Ancak, su kaybı bir su bütçesi belirleyici olduğundan, yıllık yağış yanıltıcı bir endeks olabilir.

Bu nedenle, Birleşmiş Milletler Çevre Programı çöl tanımı, potansiyel evapotranspirasyonun (PET) gerçek yağıştan (P) beş kat daha fazla olduğu normal iklim koşulları altında yıllık nem açığıdır.

Yüksek PET, sıcak çöllerde yaygındır çünkü bulut örtüsünün olmaması nedeniyle güneş radyasyonu kurak bölgelerde maksimuma yaklaşır.

Çöller, kuraklık seviyelerine göre iki türe ayrılabilir:

• Hiper-kurak: kuraklık indeksi (P / PET) 0.05'ten az.
• Toplamlar: 0,05 ile 0,2 arasında bir indeksle.

Çöller, kurak yarı kurak topraklardan (P / PET 0.2-0.5) ve kuru alt nemli topraklardan (0.5-0.65) ayrılır.

Çöller, güçlü sıcaklık değişimleri ve topraklarının yüksek tuzluluk oranı gibi başka önemli özelliklere de sahiptir.

Öte yandan, bir çöl genellikle kum tepeleri ve kumla ilişkilendirilir, ancak bu görüntü hepsinin yalnızca% 15-20'sine karşılık gelir; kayalık ve dağlık manzaralar en sık görülen çöl ortamlarıdır.

Çöl termofilik organizmalarının örnekleri

Termofil olan çöllerin sakinleri, yağmur eksikliği, yüksek sıcaklıklar, rüzgarlar, tuzluluk gibi olumsuzluklarla yüzleşmek için bir dizi adaptasyona sahiptir.

Xerophytic bitkiler, terlemeyi önlemek ve mümkün olduğunca çok su depolamak için stratejiler geliştirdiler. Sapların ve yaprakların sulu olması veya kalınlaşması en çok kullanılan stratejilerden biridir.

Yaprakların hem evapotranspirasyonu önlemek hem de otçulları uzaklaştırmak için dikenlere dönüştürüldüğü Cactaceae familyasında bu açıkça görülmektedir.

Şekil 7. Singapur Botanik Bahçesi'ndeki Kaktüs. Kaynak: Img, Calvin Teo, Wikimedia Commons'tan

Aslen Namibya çölünden gelen Lithops cinsi veya taş bitkiler de sukulans geliştirir, ancak bu durumda bitki toprakla aynı hizada büyür ve kendisini çevreleyen taşlarla kamufle eder.

Şekil 8. Lithops herrei kayaya benzer çöl etli bir bitkidir. Kaynak: Stan Shebs, Kaliforniya Üniversitesi Botanik Bahçesi'nde

Öte yandan, bu aşırı habitatlarda yaşayan hayvanlar, fizyolojikten etolojiye kadar her türlü adaptasyonu geliştirir. Örneğin, kanguru fareleri düşük hacimli ve az sayıda idrara çıkma gösterirler, bu nedenle bu hayvanlar su kıtlığı olan ortamlarında çok etkilidirler.

Su kaybını azaltmanın bir başka mekanizması da vücut sıcaklığındaki artıştır; Örneğin, dinlenen develerin vücut ısısı yaz aylarında yaklaşık 34 ° C'den 40 ° C'nin üzerine çıkabilir.

Suyun korunmasında aşağıdakiler için sıcaklık değişimleri büyük önem taşır:

• Artan vücut ısısı, ısının suyun buharlaşması yerine vücutta depolanması anlamına gelir. Daha sonra gece su israfı olmadan fazla ısı dışarı atılabilir.
• Sıcak ortamdan ısı kazancı azalır çünkü sıcaklık gradyanı azalır.

Diğer bir örnek ise, Chenopodiaceae familyasına ait, yapraklarında büyük miktarlarda tuz içeren çöl bitkileriyle beslenmelerini sağlayan bir sindirim mekanizması geliştiren kum faresidir (Psammomys obesus).

Şekil 9. Kum sıçanı (Psammomys obesus). Kaynak: Gary L. Clark, Wikimedia Commons'tan

Çöl hayvanlarının etolojik (davranışsal) uyarlamaları çoktur, ancak belki de en açık olanı, aktivite-dinlenme döngüsünün tersine döndüğünü ima eder.

Böylelikle bu hayvanlar günbatımında aktif hale gelirler (gece aktivitesi) ve şafak vakti (gündüz dinlenme) aktif olmayı bırakırlar, böylece aktif yaşamları en sıcak saatlere denk gelmez.

Referanslar

1. Baker-Austin, C. ve Dopson, M. (2007). Asitte yaşam: asidofillerde pH homeostazı. Mikrobiyolojideki Eğilimler 15, 165-171.
2. Berry, JA ve Bjorkman, 0. (1980). Yüksek bitkilerde fotosentetik tepki ve sıcaklığa adaptasyon. Bitki Fizyolojisinin Yıllık İncelemesi 31, 491-534.
3. Brock, TD (1978). Termofilik Mikroorganizmalar ve Yüksek Sıcaklıklarda Yaşam. Springer-Verlag, New York, 378 s.
4. Campos, VL, Escalante, G., Jafiez, J., Zaror, CA ve Mondaca, AM (2009), Şili, Atacama Çölü'ndeki volkanik kayalarla ilişkili doğal bir biyofilmden arsenit oksitleyen bakterilerin izolasyonu. Journal of Basic Microbiology 49, 93-97.
5. Cary, CS, Shank, T. ve Stein, J. (1998). Solucanlar aşırı sıcaklıklarda baskılanır. Nature 391, 545-546.
6. Chevaldonne, P, Desbruyeres, D. ve Childress, JJ (1992). Bazıları sıcaktan hoşlanır … ve bazıları daha da sıcaktan hoşlanır. Nature 359,593-594.
7. Evenari, M., Lange, 01., Schulze, ED, Buschbom, U. ve Kappen, L. (1975). Çöl bitkilerinde uyarlanabilir mekanizmalar. In: Vemberg, FJ (ed.) Çevreye Fizyolojik Adaptasyon. Intext Press, Platteville, LISA, s. 111-129.
8. Gibson, AC (1996). Sıcak Çöl Bitkilerinin Yapı-Fonksiyon İlişkileri. Springer, Heidelberg, Almanya, 216 s.
9. Gutterman, Y. (2002). Yıllık Çöl Bitkilerinin Hayatta Kalma Stratejileri. Springer, Berlin, Almanya, 368 s.
10. Lutz, RA (1988). Derin deniz hidrotermal menfezlerde organizmaların yayılması: bir inceleme. Oceanologica Açta 8, 23-29.
11. Lutz, RA, Shank, TM, Fornari, DJ, Haymon, RM, Lilley, MD, Von Damm, KL ve Desbruyeres, D. (1994). Derin deniz menfezlerinde hızlı büyüme. Nature 371, 663-664.
12. Rhoads, DC, Lutz, RA, Revelas, EC ve Cerrato, RM (1981). Galapagos Rift boyunca derin deniz hidrotermal menfezlerinde çift kabukluların büyümesi. Science 214, 911-913.
13. Noy-Meir I. (1973). Çöl ekosistemleri: çevre ve üreticiler. Ekolojik Sistemlerin Yıllık İncelemesi 4, 25-51.
14. Wiegel, J. ve Adams, MWW (1998). Termofiller: moleküler evrimin anahtarları ve yaşamın kökeni. Taylor ve Francis, Londra, 346 s.