EXTREMOPHILE: EIGENSCHAFTEN, TYPEN UND BEISPIELE - BIOLOGIE - 2025

Die Extremophilen sind Organismen, die in extremen Umgebungen leben, dh solche, die von den Bedingungen abweichen, unter denen sie die bekanntesten Organismen des Menschen leben.

Die Begriffe "extrem" und "extremophil" sind relativ anthropozentrisch, da wir Menschen Lebensräume und ihre Bewohner auf der Grundlage dessen bewerten, was für unsere eigene Existenz als extrem angesehen wird.

Abbildung 1. Tardigraden, ein Phylum, das für seine Überlebensfähigkeit in sehr rauen Umgebungen bekannt ist. Quelle: Willow Gabriel, Goldstein Lab, über Wikimedia Commons

Aufgrund der oben genannten Eigenschaften zeichnet sich eine extreme Umgebung unter anderem dadurch aus, dass sie für den Menschen unerträgliche Bedingungen hinsichtlich Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Salzgehalt, Licht, pH-Wert, Sauerstoffverfügbarkeit und Toxizität aufweist.

Aus nicht-anthropozentrischer Sicht könnten Menschen extremophile Menschen sein, abhängig von dem Organismus, der sie bewertet hat. Unter dem Gesichtspunkt eines streng anaeroben Organismus, für den Sauerstoff giftig ist, wären aerobe Wesen (wie Menschen) beispielsweise Extremophile. Für den Menschen hingegen sind anaerobe Organismen Extremophile.

Herkunft des Begriffs "Extremophile"

Wir definieren derzeit zahlreiche Umgebungen auf und außerhalb des Planeten Erde als "extrem" und entdecken ständig Organismen, die nicht nur überleben können, sondern in vielen von ihnen auch weit verbreitet sind.

RD Macelroy

1974 schlug RD Macelroy den Begriff "Extremophile" vor, um diese Organismen zu definieren, die unter extremen Bedingungen ein optimales Wachstum und eine optimale Entwicklung aufweisen, im Gegensatz zu mesophilen Organismen, die in Umgebungen mit Zwischenbedingungen wachsen.

Laut Macelroy:

"Extremophil ist eine Beschreibung für Organismen, die in der Lage sind, mesophile feindliche Umgebungen zu bevölkern, oder für Organismen, die nur in Zwischenumgebungen wachsen."

Es gibt zwei grundlegende Grade von Extremismus in Organismen: diejenigen, die extreme Umweltbedingungen tolerieren und andere dominieren können; und diejenigen, die unter extremen Bedingungen optimal wachsen und sich entwickeln.

Eigenschaften extremer Umgebungen

Die Bezeichnung einer Umgebung als "extrem" reagiert auf eine anthropogene Konstruktion, die auf der Berücksichtigung der entfernten Extreme der Grundlinie einer bestimmten Umweltbedingung (Temperatur, Salzgehalt, Strahlung ua) basiert und das Überleben des Menschen ermöglicht.

Dieser Name muss jedoch auf bestimmten Merkmalen einer Umgebung basieren, und zwar aus der Sicht des Organismus, der sie bewohnt (und nicht aus der Sicht des Menschen).

Diese Merkmale umfassen: Biomasse, Produktivität, Biodiversität (Anzahl der Arten und Repräsentation höherer Taxa), Vielfalt der Prozesse in Ökosystemen und spezifische Anpassungen an die Umwelt des betreffenden Organismus.

Die Gesamtsumme all dieser Merkmale bezeichnet den extremen Zustand einer Umgebung. Zum Beispiel ist eine extreme Umgebung eine, die im Allgemeinen Folgendes darstellt:

• Geringe Biomasse und Produktivität
• Vorherrschaft archaischer Lebensformen
• Fehlen höherer Lebensformen
• Keine Photosynthese und Stickstofffixierung, aber Abhängigkeit von anderen Stoffwechselwegen und spezifischen physiologischen, metabolischen, morphologischen und / oder Lebenszyklusanpassungen.

Arten von Extremophilen im zoologischen Maßstab

Einzeller

Der Begriff Extremophil bezieht sich häufig auf Prokaryoten wie Bakterien und wird manchmal austauschbar mit Archaea verwendet.

Es gibt jedoch eine Vielzahl extremophiler Organismen, und unser Wissen über die phylogenetische Vielfalt in extremen Lebensräumen nimmt fast täglich zu.

Wir wissen zum Beispiel, dass alle Hyperthermophilen (Wärmeliebhaber) Mitglieder von Archaea und Bacteria sind. Eukaryoten sind unter Psychophilen (Liebhaber von Erkältung), Acidophilen (Liebhaber von niedrigem pH-Wert), Alkalophilen (Liebhaber von hohem pH-Wert), Xerophilen (Liebhaber von trockenen Umgebungen) und Halophilen (Liebhaber von Salz) verbreitet.

Abbildung 2. Heiße Quelle im Yellowstone-Nationalpark in den USA. Die leuchtenden Farben, die diese Quellen erhalten, hängen mit der Verbreitung thermophiler Bakterien zusammen. Quelle: Jim Peaco, National Park Service, über Wikimedia Commons

Mehrzellige Organismen

Mehrzellige Organismen wie Wirbellose und Wirbeltiere können ebenfalls Extremophile sein.

Zum Beispiel enthalten einige Psychrophile eine kleine Anzahl von Fröschen, Schildkröten und einer Schlange, die im Winter ein intrazelluläres Einfrieren in ihren Geweben vermeiden, Osmolyte im Zellzytoplasma ansammeln und nur das Einfrieren von extrazellulärem Wasser (außerhalb der Zellen) zulassen. .

Ein weiteres Beispiel ist der antarktische Nematode Panagrolaimus davidi, der das intrazelluläre Einfrieren (Einfrieren des Wassers in seinen Zellen) überleben kann und nach dem Auftauen wachsen und sich vermehren kann.

Auch die Fische der Familie der Channichthyidae, die in den kalten Gewässern der Antarktis und im Süden des amerikanischen Kontinents leben, verwenden Frostschutzproteine, um ihre Zellen vor dem vollständigen Einfrieren zu schützen.

Poly-Extremophile

Poly-Extremophile sind Organismen, die mehr als eine extreme Erkrankung gleichzeitig überleben können und daher in allen extremen Umgebungen verbreitet sind.

Zum Beispiel Wüstenpflanzen, die extreme Hitze sowie begrenzte Wasserverfügbarkeit und oft hohen Salzgehalt überstehen.

Ein weiteres Beispiel wären die Tiere, die auf dem Meeresboden leben und sehr hohen Drücken standhalten können, wie z. B. Lichtmangel und Nährstoffmangel.

Die häufigsten Arten extremer Umgebungen

Umweltextreme werden traditionell auf der Grundlage abiotischer Faktoren definiert, wie z.

• Temperatur.
• Wasserverfügbarkeit.
• Druck.
• pH.
• Salzgehalt.
• Sauerstoffkonzentration.
• Strahlungswerte.

Extremophile werden in ähnlicher Weise anhand der extremen Bedingungen beschrieben, denen sie ausgesetzt sind.

Die wichtigsten extremen Umgebungen, die wir anhand ihrer abiotischen Bedingungen erkennen können, sind:

Extrem kalte Umgebungen

Extrem kalte Umgebungen sind solche, die für Zeiträume (kurz oder lang) von Temperaturen unter 5 ° C bestehen bleiben oder häufig fallen. Dazu gehören die Pole der Erde, Bergregionen und einige Tiefsee-Lebensräume. Sogar einige sehr heiße Wüsten während des Tages haben nachts sehr niedrige Temperaturen.

Es gibt andere Organismen, die in der Kryosphäre leben (wo sich Wasser in einem festen Zustand befindet). Beispielsweise müssen Organismen, die in Eismatrizen, Permafrost, unter permanenter oder periodischer Schneedecke leben, mehrere Extreme tolerieren, einschließlich Kälte, Austrocknung und hoher Strahlung.

Umgebungen mit extremer Hitze

Extrem heiße Lebensräume sind solche, die verbleiben oder regelmäßig Temperaturen über 40 ° C erreichen. Zum Beispiel heiße Wüsten, geothermische Standorte und hydrothermale Tiefseequellen.

Sie sind häufig mit extrem hohen Temperaturen verbunden, Umgebungen, in denen das verfügbare Wasser sehr begrenzt ist (dauerhaft oder für regelmäßige Zeiträume), wie heiße und kalte Wüsten und einige endolithische Lebensräume (in Felsen).

Umgebungen mit extremem Druck

Andere Umgebungen sind einem hohen hydrostatischen Druck ausgesetzt, beispielsweise die benthischen Zonen von Ozeanen und tiefen Seen. In diesen Tiefen müssen die Bewohner Drücken von mehr als 1000 Atmosphären standhalten.

Alternativ gibt es hypobare Extreme (mit niedrigem Luftdruck) in Bergen und in anderen erhöhten Regionen der Welt.

Abbildung 3. Marine Fumarolen oder hydrothermale Entlüftungsöffnungen. Beispiel einer extremen Umgebung, in der eine ganze Gemeinschaft von Organismen lebt, in der hoher Druck und hohe Temperatur sowie schwefelhaltige Abflüsse herrschen. Quelle: NOAA, über Wikimedia Commons

Extrem saure und alkalische Umgebungen

Im Allgemeinen sind extrem saure Umgebungen solche, die Werte unter pH 5 beibehalten oder regelmäßig erreichen.

Insbesondere ein niedriger pH-Wert erhöht den „extremen“ Zustand einer Umgebung, da er die Löslichkeit der vorhandenen Metalle erhöht und die in ihnen lebenden Organismen an mehrere abiotische Extreme angepasst werden müssen.

Umgekehrt sind extrem alkalische Umgebungen solche, die pH-Werte über 9 beibehalten oder regelmäßig registrieren.

Beispiele für Umgebungen mit extremem pH-Wert sind Seen, Grundwasser und stark saure oder alkalische Böden.

Abbildung 4. Der Zwerghummer (Munidopsis polymorpha), ein Höhlenbewohner, der auf der Insel Lanzarote auf den Kanarischen Inseln endemisch ist. Zu den typischen Anpassungen an diese Art extremer Höhlenumgebungen gehören: Verringerung der Größe, Blässe und Blindheit. Quelle: flickr.com/photos//5582888539

Hypersaline und anoxische Umgebungen

Hypersaline Umgebungen sind solche mit Salzkonzentrationen, die höher sind als die von Meerwasser mit 35 Promille. Diese Umgebungen umfassen hypersaline und salzhaltige Seen.

Mit "Kochsalzlösung" beziehen wir uns nicht nur auf den Salzgehalt aufgrund von Natriumchlorid, da es salzhaltige Umgebungen geben kann, in denen das vorherrschende Salz etwas anderes ist.

Abbildung 5. Rosa Färbung des Wassers in Salina Las Cumaraguas, Bundesstaat Falcón in Venezuela. Die rosa Färbung ist das Produkt einer Alge namens Dunaliella salina, die hohen Konzentrationen von Natriumchlorid in Kochsalzlösung widerstehen kann. Quelle: HumbRios, aus Wikimedia Commons

Lebensräume mit begrenztem freien Sauerstoff (hypoxisch) oder ohne Sauerstoff (anoxisch), entweder dauerhaft oder in regelmäßigen Abständen, werden ebenfalls als extrem angesehen. Umgebungen mit diesen Eigenschaften wären beispielsweise die anoxischen Becken in Ozeanen und Seen und die tieferen Sedimentschichten.

Abbildung 6. Artemia monica, ein Krebstier, das in Mono Lake in Kalifornien (USA) lebt, eine salzhaltige Umgebung (Natriumbicarbonat) und einen hohen pH-Wert. Quelle: photolib.noaa.gov

Umgebungen mit hoher Strahlung

Ultraviolette (UV) oder Infrarot (IR) Strahlung kann Organismen auch extreme Bedingungen auferlegen. Extreme Strahlungsumgebungen sind solche, die ungewöhnlich hoher Strahlung oder Strahlung außerhalb des normalen Bereichs ausgesetzt sind. Zum Beispiel polare und hochgelegene Umgebungen (terrestrisch und aquatisch).

Phaeocystis pouchetii

Einige Arten zeigen Ausweichmechanismen hoher UV- oder IR-Strahlung. Beispielsweise produziert der antarktische Seetang Phaeocystis pouchetii wasserlösliche "Sonnenschutzmittel", die UV-B-Wellenlängen (280-320 nm) stark absorbieren und ihre Zellen innerhalb von 10 m vor extrem hohen UV-B-Werten schützen. obere Wassersäule (nach Meereispause).

Deinococcus radiodurans

Andere Organismen sind sehr tolerant gegenüber ionisierender Strahlung. Beispielsweise kann das Bakterium Deinococcus radiodurans seine genetische Integrität bewahren, indem es umfangreiche DNA-Schäden nach Exposition gegenüber ionisierender Strahlung kompensiert.

Dieses Bakterium verwendet interzelluläre Mechanismen, um den Abbau und die Diffusion von DNA-Fragmenten zu begrenzen. Darüber hinaus verfügt es über hocheffiziente DNA-Reparaturproteine.

Astyanax Hubbsi

Selbst in Umgebungen mit scheinbar geringer oder keiner Strahlung sind extremophile Organismen angepasst, um auf Änderungen der Strahlungswerte zu reagieren.

Zum Beispiel hat Astyanax hubbsi, ein mexikanischer Blindfisch in Höhlen, keine oberflächlich wahrnehmbaren Augenstrukturen, kann jedoch kleine Unterschiede im Umgebungslicht unterscheiden. Sie verwenden extraokulare Fotorezeptoren, um sich bewegende visuelle Reize zu erkennen und darauf zu reagieren.

Abbildung 7. Blinder Fisch der Gattung Astyanax, Höhlenbewohner. Quelle: Shizhao, aus Wikimedia Commons

Anthropogene Extreme

Wir leben derzeit in einer Umgebung, in der extreme Umweltbedingungen auferlegt werden, die durch menschliche Aktivitäten künstlich erzeugt werden.

Die sogenannten anthropogenen Einwirkungsumgebungen sind äußerst vielfältig, global ausgerichtet und können bei der Definition bestimmter extremer Umgebungen nicht länger ignoriert werden.

Zum Beispiel Umgebungen, die von Umweltverschmutzung betroffen sind (Atmosphäre, Wasser und Boden) - wie Klimawandel und saurer Regen -, die Gewinnung natürlicher Ressourcen, physische Störungen und Übernutzung.

Übergänge und Ökotöne

Zusätzlich zu den oben erwähnten extremen Umgebungen waren sich terrestrische Ökologen immer der besonderen Natur von Übergangszonen zwischen zwei oder mehr verschiedenen Gemeinschaften oder Umgebungen bewusst, wie z. B. der Baumgrenze in Bergen oder der Grenze zwischen Wäldern und Grasland. . Diese werden als Spanngurte oder Ökotöne bezeichnet.

Ökotöne existieren auch in der Meeresumwelt, zum Beispiel der Übergang zwischen Eis und Wasser, der durch den Rand des Meereises dargestellt wird. Diese Übergangszonen weisen typischerweise eine größere Artenvielfalt und Biomassedichte auf als die flankierenden Gemeinschaften, hauptsächlich weil die in ihnen lebenden Organismen die Ressourcen der angrenzenden Umgebungen nutzen können, was ihnen einen Vorteil verschaffen kann.

Ökotöne sind jedoch sich ständig verändernde und dynamische Regionen, die häufig über einen jährlichen Zeitraum ein breiteres Spektrum an Variationen der abiotischen und biotischen Bedingungen aufweisen als angrenzende Umgebungen.

Dies könnte vernünftigerweise als "extrem" angesehen werden, da Organismen ihr Verhalten, ihre Phänologie (saisonales Wetter) und ihre Wechselwirkungen mit anderen Arten kontinuierlich anpassen müssen.

Arten, die auf beiden Seiten des Ökotons leben, sind häufig toleranter gegenüber Dynamik, während Arten, deren Reichweite auf eine Seite beschränkt ist, die andere Seite als extrem empfinden.

Im Allgemeinen sind diese Übergangszonen häufig auch die ersten, die von natürlichen und anthropogenen Klimaveränderungen und / oder Störungen betroffen sind.

Tiere und Pflanzen mit verschiedenen Stadien oder Phasen

Umgebungen sind nicht nur dynamisch und können extrem sein oder auch nicht, sondern Organismen sind auch dynamisch und haben Lebenszyklen mit unterschiedlichen Stadien, die an bestimmte Umgebungsbedingungen angepasst sind.

Es kann vorkommen, dass die Umgebung, die eine der Phasen des Lebenszyklus eines Organismus unterstützt, für eine andere Phase extrem ist.

Pflanzen

Zum Beispiel hat die Kokosnuss (Cocos nucifera) einen Samen, der für den Seetransport geeignet ist, aber der reife Baum wächst an Land.

In sporentragenden Gefäßpflanzen wie Farnen und verschiedenen Moosarten kann der Gametophyt frei von photosynthetischen Pigmenten sein, keine Wurzeln haben und von der Luftfeuchtigkeit abhängen.

Während Sporophyten Rhizome, Wurzeln und Triebe haben, die heißen und trockenen Bedingungen bei vollem Sonnenlicht standhalten. Der Unterschied zwischen Sporophyten und Gametophyten liegt in derselben Reihenfolge wie die Unterschiede zwischen Taxa.

Tiere

Ein sehr nahes Beispiel sind die Jugendstadien vieler Arten, die im Allgemeinen die Umwelt, die normalerweise den Erwachsenen umgibt, nicht vertragen. Daher benötigen sie normalerweise Schutz und Pflege während des Zeitraums, in dem sie die Fähigkeiten und Stärken erwerben, die sie benötigen. erlauben, mit diesen Umgebungen umzugehen.

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