THERMOPHILES: CIRI, KLASIFIKASI DAN PERSEKITARAN - BIOLOGI - 2025

The thermophilic adalah subjenis daripada extremophiles dicirikan oleh tinggi bertolak ansur dengan suhu antara 50 ° C dan 75 ° C, sama ada kerana nilai-nilai ini adalah terpakai Suhu ini persekitaran yang melampau, atau kerana sering meluas.

Organisme termofilik umumnya bakteria atau archaea, namun, terdapat metazoa (organisma eukariotik yang heterotrofik dan tisu), yang juga berkembang di tempat yang panas.

Gambar 1. Gurun Atacama, di Chile, salah satu tempat paling kering di dunia. Sumber: pixabay.com

Organisme laut juga diketahui bahawa, yang berkaitan dengan simbiosis dengan bakteria termofilik, dapat menyesuaikan diri dengan suhu tinggi ini dan yang juga telah mengembangkan mekanisme biokimia seperti hemoglobin yang diubah, jumlah darah tinggi, antara lain, yang membolehkan mereka bertoleransi terhadap toksisitas sulfida dan sebatian. belerang.

Prokariota termofilik dipercayai merupakan sel sederhana pertama dalam evolusi kehidupan dan mendiami tempat-tempat dengan aktiviti gunung berapi dan geyser di lautan.

Contoh organisma termofilik jenis ini adalah organisma yang tinggal di sekitar lubang hidrotermal atau lubang udara di dasar lautan, seperti bakteria metanogenik (penghasil metana) dan Riftia pachyptila.

Habitat utama di mana termofil dapat dijumpai adalah:

• Persekitaran hidroterma terestrial.
• Persekitaran hidroterma laut.
• Padang pasir panas.

Ciri-ciri organisma termofilik

Suhu: faktor abiotik kritikal untuk perkembangan mikroorganisma

Suhu adalah salah satu faktor persekitaran utama yang menentukan pertumbuhan dan kelangsungan hidup makhluk hidup. Setiap spesies memiliki rentang suhu di mana ia dapat bertahan, namun, ia memiliki pertumbuhan dan pengembangan yang optimum pada suhu tertentu.

Kadar pertumbuhan setiap organisma berbanding suhu dapat dinyatakan secara grafik, memperoleh nilai yang sesuai dengan suhu kritikal penting (minimum, optimum dan maksimum).

Suhu minimum

Pada suhu pertumbuhan minimum organisma, penurunan kelancaran membran sel berlaku dan proses pengangkutan dan pertukaran bahan, seperti masuknya nutrien dan keluarnya bahan toksik, dapat dihentikan.

Di antara suhu minimum dan suhu optimum, kadar pertumbuhan mikroorganisma meningkat.

Suhu optimum

Pada suhu optimum, reaksi metabolik berlaku dengan kecekapan setinggi mungkin.

Suhu maksimum

Di atas suhu optimum, penurunan kadar pertumbuhan berlaku hingga suhu maksimum yang dapat ditoleransi oleh setiap organisma.

Pada suhu tinggi ini, protein struktur dan fungsional seperti enzim didenaturasi dan tidak aktif, kerana kehilangan konfigurasi geometri dan konfigurasi spasial tertentu, pecahan membran sitoplasma dan lisis atau pecah terma berlaku disebabkan oleh kesan panas.

Setiap mikroorganisma mempunyai suhu minimum, optimum dan maksimum untuk operasi dan pengembangan. Thermophiles mempunyai nilai yang sangat tinggi pada ketiga suhu ini.

Membezakan ciri organisma termofilik

• Organisme termofilik mempunyai kadar pertumbuhan yang tinggi, tetapi jangka hayat yang pendek.
• Mereka mempunyai sejumlah besar lemak tepu rantai panjang atau lipid di membran sel mereka; lemak tepu jenis ini mampu menyerap haba dan berubah menjadi keadaan cair pada suhu tinggi (lebur), tanpa dimusnahkan.
• Protein struktur dan fungsinya sangat stabil (termostable), melalui ikatan kovalen dan daya intermolekul khas yang disebut daya hamburan London.
• Mereka juga mempunyai enzim khas untuk menjaga fungsi metabolik pada suhu tinggi.
• Telah diketahui bahawa mikroorganisma termofilik ini dapat menggunakan sebatian sulfida dan sulfur yang banyak terdapat di kawasan gunung berapi, sebagai sumber nutrien untuk mengubahnya menjadi bahan organik.

Pengelasan organisma termofilik

Organisma termofilik dapat dibahagikan kepada tiga kategori luas:

• Termofil sederhana, (optimum antara 50-60 ° C).
• Termofil ekstrem (optimum hampir 70 ° C).
• Hyperthermophiles (optimum mendekati 80 ° C).

Organisma termofilik dan persekitarannya

Persekitaran hidroterma terestrial

Tapak hidroterma sangat biasa dan diedarkan secara meluas. Mereka boleh dibahagikan secara luas kepada kawasan yang berkaitan dengan kawasan gunung berapi dan kawasan yang tidak.

Persekitaran hidrotermal dengan suhu tertinggi umumnya dikaitkan dengan ciri gunung berapi (kaldera, kerosakan, sempadan tektonik plat, lembangan busur belakang), yang membolehkan magma naik ke kedalaman di mana ia boleh berinteraksi secara langsung dengan air bawah tanah dalam.

Gambar 2. Tatio Geysers, Atacama, Chile. Sumber: Diego Delso

Titik panas juga sering disertai dengan ciri-ciri lain yang menjadikan kehidupan sukar dikembangkan, seperti nilai pH yang melampau, bahan organik, komposisi kimia dan kemasinan.

Oleh itu, penghuni persekitaran hidrotermal terestrial, bertahan dengan adanya pelbagai keadaan yang melampau. Organisma ini dikenali sebagai polyextremophiles.

Contoh organisma yang mendiami persekitaran hidrotermal daratan

Organisma yang tergolong dalam ketiga domain (eukariotik, bakteria, dan archaea) telah dikenal pasti dalam lingkungan hidrotermal terestrial. Kepelbagaian organisma ini ditentukan terutamanya oleh suhu.

Walaupun pelbagai spesies bakteria tinggal di lingkungan termofilik, fotoautotrof dapat mendominasi komuniti mikroba dan membentuk struktur "tikar" atau "karpet" makroskopik.

"Tikar fotosintetik" ini terdapat di permukaan sumber air panas yang paling neutral dan beralkali (pH lebih besar daripada 7.0) pada suhu antara 40-71 ° C, dengan cyanobacteria yang mapan sebagai pengeluar dominan utama.

Di atas 55 ° C, tikar fotosintetik didiami oleh cyanobacteria uniselular seperti Synechococcus sp.

Bakteria

Tikar mikrob fotosintetik juga dapat didiami oleh bakteria genera Chloroflexus dan Roseiflexus, kedua-dua anggota urutan Chloroflexales.

Apabila dikaitkan dengan cyanobacteria, spesies Chloreflexus dan Roseiflexus tumbuh dengan optimum dalam keadaan photoheterotrophic.

Sekiranya pH berasid, genera Acidiosphaera, Acidiphilium, Desulfotomaculum, Hydrogenobaculum, Methylokorus, Sulfobacillus Thermoanaerobacter, Thermodesulfobium dan Thermodesulfator adalah perkara biasa.

Dalam sumber hipertermofilik (antara 72-98 ° C) diketahui bahawa fotosintesis tidak berlaku, yang memungkinkan dominasi bakteria chemolytoautotrophic.

Organisma ini tergolong dalam filum Aquificae dan bersifat kosmopolitan; mereka dapat mengoksidakan hidrogen atau sulfur molekul dengan oksigen sebagai akseptor elektron dan membetulkan karbon melalui jalur pengurangan asid trikarboksilat (rTCA).

Lengkungan

Sebilangan besar archaea yang ditanam dan tidak dikultivasi yang dikenal pasti dalam persekitaran termal neutral dan alkali tergolong dalam filum Crenarchaeota.

Spesies seperti Thermofilum pendens, Thermosphaera aggregans atau Stetteria hydrogenophila Nitrosocaldus yellowstonii, berkembang biak di bawah 77 ° C dan Thermoproteus neutrophilus, Vulcanisaeta distributa, Thermofilum pendens, Aeropyruni pernix, Desulfurococcus mobilisa dan sumber lebih tinggi daripada suhu

Dalam persekitaran berasid, archaea genera: Sulfolobus, Sulfurococcus, Metallosphaera, Acidianus, Sulfurisphaera, Picrophilus, Thermoplasma, Thennocladium dan Galdivirga dijumpai.

Eukariota

Di antara eukariota dari sumber neutral dan alkali, Thermomyces lanuginosus, Scytalidium thermophilum, Echinamoeba thermarum, Marinamoeba thermophilia dan Oramoeba funiarolia dapat disebutkan.

Dalam sumber berasid dapat dijumpai genera: Pinnularia, Cyanidioschyzon, Cyanidium atau Galdieria.

Persekitaran hidroterma laut

Dengan suhu antara 2 ° C hingga lebih dari 400 ° C, tekanan melebihi beberapa ribu pound per inci persegi (psi), dan kepekatan tinggi hidrogen sulfida toksik (pH 2,8), ventilasi hidroterma laut dalam mungkin persekitaran yang paling melampau di planet kita.

Dalam ekosistem ini, mikroba berfungsi sebagai penghubung bawah dalam rantai makanan, memperoleh tenaga mereka dari haba panas bumi dan bahan kimia yang terdapat jauh di dalam bumi.

Rajah 4. Cacing ventilasi dan tiub hidrotermal. Sumber: photolib.noaa.gov

Contoh fauna yang berkaitan dengan persekitaran hidroterma laut

Fauna yang berkaitan dengan sumber atau lubang ini sangat bervariasi, dan hubungan antara taksa yang berbeza belum sepenuhnya difahami.

Antara spesies yang telah diasingkan adalah bakteria dan archaea. Sebagai contoh, archaea genus Methanococcus, Methanopyus, dan bakteria anaerobik termofilik genus Caminibacter telah diasingkan.

Bakteria berkembang dalam biofilm di mana pelbagai organisma seperti amphipod, copepod, siput, udang ketam, cacing tabung, ikan, dan makanan gurita.

Gambar 5. Udang genus Rimicaris, penduduk fumaroles. Sumber: Program Penjelajah NOAA Okeanos, Ekspedisi Mid-Cayman Rise 2011

Satu senario yang biasa adalah pengumpulan kerang, Bathymodiolus thermophilus, panjang lebih dari 10 cm, berkerumun di celah-celah lava basaltik. Ini biasanya disertai dengan banyak kepiting galateid (Munidopsis subsquamosa).

Salah satu organisma yang paling luar biasa dijumpai adalah cacing tubi Riftia pachyptila, yang dapat berkelompok dalam jumlah besar dan mencapai ukuran hampir 2 meter.

Cacing tuba ini tidak mempunyai mulut, perut, atau anus (iaitu, mereka tidak mempunyai sistem pencernaan); mereka adalah kantung tertutup sepenuhnya, tanpa membuka persekitaran luaran.

Gambar 6. Cacing tubi Riftia pachyptila dengan anemon dan kerang. Sumber:
Program Penjelajah NOAA Okeanos, Galapagos Rift Expedition 2011

Warna merah terang pen di hujungnya disebabkan oleh adanya hemoglobin ekstraselular. Hidrogen sulfida diangkut melalui membran sel yang berkaitan dengan filamen bulu ini, dan melalui hemoglobin ekstraselular mencapai "tisu" khusus yang disebut trofosom, yang seluruhnya terdiri daripada bakteria chemosynthetic simbiotik.

Cacing ini boleh dikatakan mempunyai "kebun" dalaman bakteria yang memakan hidrogen sulfida dan menyediakan "makanan" untuk cacing, penyesuaian yang luar biasa.

Padang pasir panas

Gurun panas meliputi antara 14 dan 20% permukaan Bumi, kira-kira 19-25 juta km.

Gurun terpanas, seperti Sahara Afrika Utara dan padang pasir di barat daya AS, Mexico, dan Australia, terdapat di seluruh kawasan tropika di kedua belahan utara dan selatan (antara kira-kira 10 ° dan 30- Garis lintang 40 °).

Jenis padang pasir

Ciri khas padang pasir yang panas adalah kekeringan. Menurut klasifikasi iklim Koppen-Geiger, gurun adalah wilayah dengan curah hujan tahunan kurang dari 250 mm.

Walau bagaimanapun, pemendakan tahunan boleh menjadi indeks yang mengelirukan, kerana kehilangan air adalah penentu anggaran air.

Oleh itu, definisi Program Alam Sekitar PBB mengenai padang pasir adalah defisit kelembapan tahunan dalam keadaan iklim normal, di mana evapotranspirasi berpotensi (PET) lima kali lebih besar daripada hujan yang sebenarnya (P).

PET tinggi berlaku di gurun panas kerana, karena kurangnya penutup awan, radiasi matahari mendekati maksimum di daerah gersang.

Gurun boleh dibahagikan kepada dua jenis mengikut tahap kekeringannya:

• Hyper-arid: dengan indeks ariditi (P ​​/ PET) kurang dari 0.05.
• Agregat: dengan indeks antara 0,05 dan 0,2.

Gurun dibezakan dari tanah separa gersang gersang (P / PET 0.2-0.5) dan dari tanah kering sub-lembab (0.5-0.65).

Gurun mempunyai ciri-ciri penting lain, seperti variasi suhu yang kuat dan kemasinan tanah yang tinggi.

Sebaliknya, gurun biasanya dikaitkan dengan bukit pasir dan pasir, namun, gambar ini hanya sesuai dengan 15-20% dari semuanya; lanskap berbatu dan pergunungan adalah persekitaran padang pasir yang paling kerap.

Contohnya organisma termofilik padang pasir

Penduduk gurun, yang merupakan termofil, mempunyai serangkaian penyesuaian untuk menghadapi kesulitan yang timbul akibat kekurangan hujan, suhu tinggi, angin, kemasinan, antara lain.

Tumbuhan Xerophytic telah mengembangkan strategi untuk mengelakkan keringat dan menyimpan sebanyak mungkin air. Succulence atau penebalan batang dan daun adalah salah satu strategi yang paling banyak digunakan.

Ini terbukti pada keluarga Cactaceae, di mana daunnya juga telah dimodifikasi dalam bentuk duri, baik untuk menghindari evapotranspirasi dan untuk mengusir herbivora.

Gambar 7. Kaktus di Taman Botani Singapura. Sumber: Img oleh Calvin Teo, dari Wikimedia Commons

Genus Lithops atau tumbuhan batu, berasal dari gurun Namibia, juga tumbuh lezat, tetapi dalam hal ini tanaman tumbuh rata dengan tanah, menyamarkan dirinya dengan batu di sekitarnya.

Rajah 8. Lithops herrei tumbuhan succulent gurun seperti batu. Sumber: Stan Shebs, di Taman Botani Universiti California

Sebaliknya, haiwan yang tinggal di habitat ekstrem ini mengembangkan semua jenis penyesuaian, dari fisiologi hingga etologi. Sebagai contoh, tikus kanggaru yang disebut menunjukkan kencing kecil dan dalam jumlah yang kecil, sehingga haiwan ini sangat efisien di persekitaran mereka yang kekurangan air.

Mekanisme lain untuk mengurangkan kehilangan air adalah peningkatan suhu badan; Sebagai contoh, suhu badan unta rehat dapat meningkat pada musim panas dari sekitar 34 ° C hingga lebih dari 40 ° C.

Variasi suhu sangat penting dalam pemuliharaan air, untuk yang berikut:

• Peningkatan suhu badan bermaksud haba disimpan di dalam badan dan bukannya dihilangkan melalui penyejatan air. Kemudian, pada waktu malam, panas yang berlebihan dapat dikeluarkan tanpa membuang air.
• Keuntungan haba dari persekitaran panas menurun, kerana kecerunan suhu berkurang.

Contoh lain adalah tikus pasir (Psammomys obesus), yang telah mengembangkan mekanisme pencernaan yang memungkinkan mereka hanya memakan tanaman gurun dari keluarga Chenopodiaceae, yang mengandung sejumlah besar garam di dalam daun.

Gambar 9. Tikus pasir (Psammomys obesus). Sumber: Gary L. Clark, dari Wikimedia Commons

Adaptasi etika (tingkah laku) haiwan gurun banyak, tetapi mungkin yang paling jelas menunjukkan bahawa kitaran rehat aktiviti terbalik.

Dengan cara ini, haiwan ini menjadi aktif pada waktu matahari terbenam (aktiviti pada waktu malam) dan berhenti aktif pada waktu subuh (waktu rehat pada waktu siang), sehingga kehidupan aktif mereka tidak bertepatan dengan waktu yang paling panas.

Rujukan

1. Baker-Austin, C. dan Dopson, M. (2007). Kehidupan dalam asid: homeostasis pH pada acidophiles. Trend dalam Mikrobiologi 15, 165-171.
2. Berry, JA dan Bjorkman, 0. (1980). Tindak balas fotosintesis dan penyesuaian terhadap suhu pada tanaman yang lebih tinggi. Kajian Tahunan Fisiologi Tumbuhan 31, 491-534.
3. Brock, TD (1978). Mikroorganisma termofilik dan Kehidupan pada Suhu Tinggi. Springer-Verlag, New York, 378 halaman.
4. Campos, VL, Escalante, G., Jafiez, J., Zaror, CA dan Mondaca, AM (2009), Pengasingan bakteria pengoksidaan arsenit dari biofilm semula jadi yang berkaitan dengan batuan vulkanik Gurun Atacama, Chile. Jurnal Mikrobiologi Asas 49, 93-97.
5. Cary, CS, Shank, T. dan Stein, J. (1998). Cacing berjemur dalam suhu yang melampau. Alam 391, 545-546.
6. Chevaldonne, P, Desbruyeres, D. dan Childress, JJ (1992). Ada yang suka panas … dan ada yang lebih menyukainya. Alam 359, 593-594.
7. Evenari, M., Lange, 01., Schulze, ED, Buschbom, U. dan Kappen, L. (1975). Mekanisme penyesuaian pada tanaman gurun. Dalam: Vemberg, FJ (ed.) Penyesuaian Fisiologi dengan Alam Sekitar. Intext Press, Platteville, LISA, hlm. 111-129.
8. Gibson, AC (1996). Hubungan Struktur-Fungsi Tanaman Gurun Hangat. Springer, Heidelberg, Jerman, 216 halaman.
9. Gutterman, Y. (2002). Strategi Survival Tanaman Gurun Tahunan. Springer, Berlin, Jerman, 368 halaman.
10. Lutz, RA (1988). Penyebaran organisma di lubang hidroterma laut dalam: tinjauan. Oceanologica Acta 8, 23-29.
11. Lutz, RA, Shank, TM, Fornari, DJ, Haymon, RM, Lilley, MD, Von Damm, KL dan Desbruyeres, D. (1994). Pertumbuhan pesat di lubang laut dalam. Alam 371, 663-664.
12. Rhoads, DC, Lutz, RA, Revelas, EC dan Cerrato, RM (1981). Pertumbuhan bivalves di lubang hidroterma laut dalam di sepanjang Galapagos Rift. Sains 214, 911-913.
13. Noy-Meir I. (1973). Ekosistem gurun: persekitaran dan pengeluar. Kajian Tahunan Sistem Ekologi 4, 25-51.
14. Wiegel, J. dan Adams, MWW (1998). Thermophiles: kunci evolusi molekul dan asal usul kehidupan. Taylor dan Francis, London, 346 hlm.