THERMOPHILE: EIGENSCHAFTEN, KLASSIFIZIERUNG UND UMGEBUNGEN - BIOLOGIE - 2025

Die Thermophilen sind ein Subtyp von Extremophilen, die durch hochtolerante Temperaturen zwischen 50 ° C und 75 ° C gekennzeichnet sind, entweder weil diese Werte in diesen extremen Umgebungen auf Temperatur gehalten werden oder weil sie häufig erreicht werden.

Thermophile Organismen sind im Allgemeinen Bakterien oder Archaeen, es gibt jedoch Metazoen (eukaryotische Organismen, die heterotrop und Gewebe sind), die sich auch an heißen Orten entwickeln.

Abbildung 1. Atacama-Wüste in Chile, einem der trockensten Orte der Welt. Quelle: pixabay.com

Es sind auch Meeresorganismen bekannt, die sich in Symbiose mit thermophilen Bakterien an diese hohen Temperaturen anpassen können und die auch biochemische Mechanismen wie modifiziertes Hämoglobin und hohes Blutvolumen entwickelt haben, die es ihnen ermöglichen, die Toxizität von Sulfiden und Verbindungen zu tolerieren. Schwefel.

Es wird angenommen, dass thermophile Prokaryoten die ersten einfachen Zellen in der Entwicklung des Lebens waren und Orte mit vulkanischer Aktivität und Geysiren in den Ozeanen bewohnen.

Beispiele für diese Art von thermophilen Organismen sind solche, die in der Nähe von hydrothermalen Entlüftungsöffnungen oder Entlüftungsöffnungen am Boden der Ozeane leben, wie methanogene (methanproduzierende) Bakterien und das annelide Riftia pachyptila.

Die Hauptlebensräume, in denen Thermophile vorkommen, sind:

• Terrestrische hydrothermale Umgebungen.
• Hydrothermale Meeresumgebungen.
• Heiße Wüsten.

Eigenschaften thermophiler Organismen

Temperatur: kritischer abiotischer Faktor für die Entwicklung von Mikroorganismen

Die Temperatur ist einer der wichtigsten Umweltfaktoren, die das Wachstum und das Überleben von Lebewesen bestimmen. Jede Art hat einen Temperaturbereich, in dem sie überleben kann, jedoch ein optimales Wachstum und eine optimale Entwicklung bei bestimmten Temperaturen.

Die Wachstumsrate jedes Organismus gegenüber der Temperatur kann grafisch ausgedrückt werden, wobei die Werte erhalten werden, die den wichtigen kritischen Temperaturen (Minimum, Optimum und Maximum) entsprechen.

Mindesttemperaturen

Bei den minimalen Wachstumstemperaturen eines Organismus tritt eine Abnahme der Fließfähigkeit der Zellmembran auf und die Prozesse des Transports und Austauschs von Materialien, wie der Eintritt von Nährstoffen und der Austritt von toxischen Substanzen, können gestoppt werden.

Zwischen der minimalen Temperatur und der optimalen Temperatur steigt die Wachstumsrate von Mikroorganismen an.

Optimale Temperatur

Bei optimaler Temperatur treten Stoffwechselreaktionen mit höchstmöglicher Effizienz auf.

Maximale Temperatur

Oberhalb der optimalen Temperatur tritt eine Abnahme der Wachstumsrate auf die maximale Temperatur auf, die jeder Organismus tolerieren kann.

Bei diesen hohen Temperaturen werden strukturelle und funktionelle Proteine ​​wie Enzyme denaturiert und inaktiviert, da sie ihre geometrische Konfiguration und besondere räumliche Konfiguration verlieren, die zytoplasmatische Membran bricht und aufgrund der Wärmeeinwirkung eine thermische Lyse oder ein Bruch auftritt.

Jeder Mikroorganismus hat seine minimalen, optimalen und maximalen Temperaturen für Betrieb und Entwicklung. Thermophile haben bei diesen drei Temperaturen außergewöhnlich hohe Werte.

Unterscheidungsmerkmale thermophiler Organismen

• Thermophile Organismen haben hohe Wachstumsraten, aber kurze Lebensdauern.
• Sie haben eine große Menge an langkettigen gesättigten Fettsäuren oder Lipiden in ihrer Zellmembran; Diese Art von gesättigten Fettsäuren kann Wärme absorbieren und bei hohen Temperaturen (Schmelzen) in einen flüssigen Zustand übergehen, ohne zerstört zu werden.
• Seine strukturellen und funktionellen Proteine ​​sind durch kovalente Bindungen und spezielle intermolekulare Kräfte, die als Londoner Streukräfte bezeichnet werden, sehr hitzebeständig (thermostabil).
• Sie haben auch spezielle Enzyme, um die Stoffwechselfunktion bei hohen Temperaturen aufrechtzuerhalten.
• Es ist bekannt, dass diese thermophilen Mikroorganismen die in vulkanischen Gebieten reichlich vorhandenen Sulfide und Schwefelverbindungen als Nährstoffquellen verwenden können, um sie in organische Stoffe umzuwandeln.

Einstufung thermophiler Organismen

Thermophile Organismen können in drei große Kategorien unterteilt werden:

• Mäßige Thermophile (optimal zwischen 50-60 ° C).
• Extreme Thermophile (optimal nahe 70 ° C).
• Hyperthermophile (optimal nahe 80 ° C).

Thermophile Organismen und ihre Umgebung

Terrestrische hydrothermale Umgebungen

Hydrothermale Standorte sind überraschend häufig und weit verbreitet. Sie können grob in solche unterteilt werden, die mit vulkanischen Gebieten verbunden sind, und solche, die dies nicht sind.

Hydrothermale Umgebungen mit den höchsten Temperaturen sind im Allgemeinen mit vulkanischen Merkmalen (Calderas, Verwerfungen, plattentektonischen Grenzen, Rückbogenbecken) verbunden, die es Magma ermöglichen, bis zu einer Tiefe aufzusteigen, in der es direkt mit dem Grundwasser interagieren kann tief.

Abbildung 2. Tatio Geysire, Atacama, Chile. Quelle: Diego Delso

Hot Spots werden oft auch von anderen Eigenschaften begleitet, die die Entwicklung des Lebens erschweren, wie extreme pH-Werte, organische Substanz, chemische Zusammensetzung und Salzgehalt.

Einwohner terrestrischer hydrothermaler Umgebungen überleben daher unter verschiedenen extremen Bedingungen. Diese Organismen sind als Polyextremophile bekannt.

Beispiele für Organismen, die in terrestrischen hydrothermalen Umgebungen leben

Organismen, die zu allen drei Domänen gehören (eukaryotische, bakterielle und Archaeen), wurden in terrestrischen hydrothermalen Umgebungen identifiziert. Die Vielfalt dieser Organismen wird hauptsächlich durch die Temperatur bestimmt.

Während eine Vielzahl von Bakterienarten in mäßig thermophilen Umgebungen leben, können Photoautotrophen die mikrobielle Gemeinschaft dominieren und makroskopische „matten“ oder „teppichartige“ Strukturen bilden.

Diese „photosynthetischen Matten“ befinden sich auf der Oberfläche der meisten neutralen und alkalischen heißen Quellen (pH-Wert über 7,0) bei Temperaturen zwischen 40 und 71 ° C, wobei Cyanobakterien als Hauptbeherrscher etabliert sind.

Oberhalb von 55 ° C werden photosynthetische Matten überwiegend von einzelligen Cyanobakterien wie Synechococcus sp.

Bakterien

Photosynthetische mikrobielle Matten können auch überwiegend von Bakterien der Gattungen Chloroflexus und Roseiflexus bewohnt werden, die beide Mitglieder der Ordnung Chloroflexales sind.

In Verbindung mit Cyanobakterien wachsen Chloreflexus- und Roseiflexus-Arten unter photoheterotrophen Bedingungen optimal.

Wenn der pH-Wert sauer ist, sind die Gattungen Acidiosphaera, Acidiphilium, Desulfotomaculum, Hydrogenobaculum, Methylokorus, Sulfobacillus Thermoanaerobacter, Thermodesulfobium und Thermodesulfator üblich.

In hyperthermophilen Quellen (zwischen 72 und 98 ° C) ist bekannt, dass keine Photosynthese stattfindet, was das Überwiegen chemolytoautotropher Bakterien ermöglicht.

Diese Organismen gehören zum Stamm Aquificae und sind kosmopolitisch; Sie können Wasserstoff oder molekularen Schwefel mit Sauerstoff als Elektronenakzeptor oxidieren und Kohlenstoff über den reduzierenden Tricarbonsäure (rTCA) -Pfad binden.

Bögen

Die meisten der kultivierten und nicht kultivierten Archaeen, die in neutralen und alkalischen thermischen Umgebungen identifiziert wurden, gehören zum Stamm Crenarchaeota.

Arten wie Thermofilum pendens, Thermosphaera aggregans oder Stetteria Hydrogenophila Nitrosocaldus yellowstonii vermehren sich unter 77 ° C und Thermoproteus neutrophilus, Vulcanisaeta Distributa, Thermofilum pendens, Aeropyruni pernix, Desulfurococcus mobilis und Ignisphaera aggregans in Quellen mit höheren Temperaturen als 80 °.

In sauren Umgebungen werden Archaeen der Gattungen Sulfolobus, Sulphurococcus, Metallosphaera, Acidianus, Sulphurisphaera, Picrophilus, Thermoplasma, Thennocladium und Galdivirga gefunden.

Eukaryoten

Unter den Eukaryoten aus neutralen und alkalischen Quellen sind Thermomyces lanuginosus, Scytalidium thermophilum, Echinamoeba thermarum, Marinamoeba thermophilia und Oramoeba funiarolia zu nennen.

In sauren Quellen können folgende Gattungen gefunden werden: Pinnularia, Cyanidioschyzon, Cyanidium oder Galdieria.

Hydrothermale Meeresumgebungen

Mit Temperaturen im Bereich von 2 ° C bis über 400 ° C, Drücken von mehr als mehreren tausend Pfund pro Quadratzoll (psi) und hohen Konzentrationen an giftigem Schwefelwasserstoff (pH 2,8) sind hydrothermale Tiefseeentlüftungsöffnungen möglicherweise die extremsten Umgebungen auf unserem Planeten.

In diesem Ökosystem dienen Mikroben als unteres Glied in der Nahrungskette und beziehen ihre Energie aus Erdwärme und Chemikalien, die sich tief im Erdinneren befinden.

Abbildung 4. Hydrothermale Entlüftungs- und Rohrwürmer. Quelle: photolib.noaa.gov

Beispiele für die Fauna in Verbindung mit hydrothermalen Meeresumgebungen

Die mit diesen Quellen oder Entlüftungsöffnungen verbundene Fauna ist sehr unterschiedlich, und die Beziehungen zwischen den verschiedenen Taxa sind noch nicht vollständig verstanden.

Unter den Arten, die isoliert wurden, befinden sich sowohl Bakterien als auch Archaeen. Beispielsweise wurden Archaeen der Gattung Methanococcus, Methanopyus und thermophile anaerobe Bakterien der Gattung Caminibacter isoliert.

Bakterien gedeihen in Biofilmen, auf denen sich mehrere Organismen wie Amphipoden, Copepoden, Schnecken, Krabbengarnelen, Röhrenwürmer, Fische und Tintenfische ernähren.

Abbildung 5. Garnelen der Gattung Rimicaris, Bewohner von Fumarolen. Quelle: NOAA Okeanos Explorer-Programm, Mid-Cayman Rise Expedition 2011

Ein häufiges Szenario sind Ansammlungen der Muschel Bathymodiolus thermophilus mit einer Länge von mehr als 10 cm, die sich in Rissen in Basaltlava ansammeln. Diese werden normalerweise von zahlreichen Galateidenkrabben (Munidopsis subsquamosa) begleitet.

Einer der ungewöhnlichsten Organismen ist der Röhrenwurm Riftia pachyptila, der sich in großer Zahl gruppieren und Größen von fast 2 Metern erreichen kann.

Diese Röhrenwürmer haben keinen Mund, Magen oder Anus (dh sie haben kein Verdauungssystem); Sie sind ein vollständig geschlossener Sack ohne Öffnung zur äußeren Umgebung.

Abbildung 6. Der Röhrenwurm Riftia pachyptila mit Anemonen und Muscheln. Quelle:
NOAA Okeanos Explorer-Programm, Galapagos Rift Expedition 2011

Die leuchtend rote Farbe des Stifts an der Spitze ist auf das Vorhandensein von extrazellulärem Hämoglobin zurückzuführen. Schwefelwasserstoff wird durch die Zellmembran transportiert, die mit den Filamenten dieser Wolke verbunden ist, und erreicht über extrazelluläres Hämoglobin ein spezialisiertes "Gewebe", das als Trophosom bezeichnet wird und vollständig aus symbiotischen chemosynthetischen Bakterien besteht.

Man kann sagen, dass diese Würmer einen internen "Garten" von Bakterien haben, die sich von Schwefelwasserstoff ernähren und dem Wurm "Nahrung" liefern, eine außergewöhnliche Anpassung.

Heiße Wüsten

Heiße Wüsten bedecken zwischen 14 und 20% der Erdoberfläche, ungefähr 19-25 Millionen km.

Die heißesten Wüsten wie die Sahara Nordafrikas und die Wüsten des Südwestens der USA, Mexikos und Australiens sind in den Tropen sowohl in der nördlichen als auch in der südlichen Hemisphäre zu finden (zwischen etwa 10 ° und 30 ° C). 40 ° Breitengrad).

Arten von Wüsten

Ein charakteristisches Merkmal einer heißen Wüste ist die Trockenheit. Wüsten sind nach der Koppen-Geiger-Klimaklassifikation Regionen mit einem Jahresniederschlag von weniger als 250 mm.

Der jährliche Niederschlag kann jedoch ein irreführender Index sein, da der Wasserverlust ein entscheidender Faktor für das Wasserbudget ist.

Die Definition des Umweltprogramms der Vereinten Nationen für Wüste ist daher ein jährliches Feuchtigkeitsdefizit unter normalen klimatischen Bedingungen, bei denen die potenzielle Evapotranspiration (PET) fünfmal höher ist als der tatsächliche Niederschlag (P).

In heißen Wüsten ist ein hoher PET-Wert weit verbreitet, da sich die Sonnenstrahlung aufgrund mangelnder Wolkendecke in ariden Regionen dem Maximum nähert.

Wüsten können je nach Trockenheit in zwei Arten unterteilt werden:

• Hyperarid: mit einem Trockenheitsindex (P / PET) von weniger als 0,05.
• Aggregate: mit einem Index zwischen 0,05 und 0,2.

Wüsten unterscheiden sich von trockenen halbtrockenen Gebieten (P / PET 0,2-0,5) und von trockenen subfeuchten Gebieten (0,5-0,65).

Wüsten haben andere wichtige Eigenschaften, wie ihre starken Temperaturschwankungen und den hohen Salzgehalt ihrer Böden.

Auf der anderen Seite ist eine Wüste normalerweise mit Dünen und Sand verbunden, dieses Bild entspricht jedoch nur 15-20% von allen; felsige und bergige Landschaften sind die häufigsten Wüstenumgebungen.

Beispiele für thermophile Wüstenorganismen

Die Bewohner der Wüsten, die Thermophile sind, haben eine Reihe von Anpassungen vorgenommen, um den Widrigkeiten zu begegnen, die unter anderem durch Regenmangel, hohe Temperaturen, Winde und Salzgehalt entstehen.

Xerophytische Pflanzen haben Strategien entwickelt, um Schweiß zu vermeiden und so viel Wasser wie möglich zu speichern. Die Sukkulenz oder Verdickung von Stielen und Blättern ist eine der am häufigsten verwendeten Strategien.

Es zeigt sich in der Familie der Cactaceae, wo die Blätter auch in Form von Stacheln modifiziert wurden, um sowohl eine Evapotranspiration zu vermeiden als auch Pflanzenfresser abzuwehren.

Abbildung 7. Kaktus im Botanischen Garten von Singapur. Quelle: Img von Calvin Teo, aus Wikimedia Commons

Die in der namibischen Wüste beheimatete Gattung Lithops oder Steinpflanzen entwickelt ebenfalls Sukkulenz. In diesem Fall wächst die Pflanze jedoch bodenbündig und tarnt sich mit den umgebenden Steinen.

Abbildung 8. Lithops herrei eine felsartige Wüstensaftpflanze. Quelle: Stan Shebs vom Botanischen Garten der Universität von Kalifornien

Andererseits entwickeln Tiere, die in diesen extremen Lebensräumen leben, alle Arten von Anpassungen, von physiologisch bis ethologisch. Zum Beispiel zeigen die sogenannten Känguru-Ratten ein geringes Urinvolumen und eine geringe Anzahl, wodurch diese Tiere in ihrer wasserarmen Umgebung sehr effizient sind.

Ein weiterer Mechanismus zur Verringerung des Wasserverlusts ist eine Erhöhung der Körpertemperatur. Beispielsweise kann die Körpertemperatur ruhender Kamele im Sommer von etwa 34 ° C auf über 40 ° C ansteigen.

Temperaturschwankungen sind für den Wasserschutz aus folgenden Gründen von großer Bedeutung:

• Erhöhte Körpertemperatur bedeutet, dass Wärme im Körper gespeichert wird, anstatt durch Verdunstung von Wasser abgeführt zu werden. Später, nachts, kann die überschüssige Wärme abgegeben werden, ohne Wasser zu verschwenden.
• Der Wärmegewinn aus der heißen Umgebung nimmt ab, da der Temperaturgradient verringert wird.

Ein weiteres Beispiel ist die Sandratte (Psammomys obesus), die einen Verdauungsmechanismus entwickelt hat, der es ihnen ermöglicht, sich nur von Wüstenpflanzen der Familie der Chenopodiaceae zu ernähren, die große Mengen an Salzen in den Blättern enthalten.

Abbildung 9. Sandratte (Psammomys obesus). Quelle: Gary L. Clark, aus Wikimedia Commons

Die ethologischen (Verhaltens-) Anpassungen von Wüstentieren sind zahlreich, aber die offensichtlichste impliziert, dass der Aktivitäts-Ruhe-Zyklus umgekehrt ist.

Auf diese Weise werden diese Tiere bei Sonnenuntergang aktiv (nächtliche Aktivität) und hören im Morgengrauen auf (Tagesruhe), so dass ihr aktives Leben nicht mit den heißesten Stunden zusammenfällt.

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