EXTREMOFIELEN: KENMERKEN, TYPEN EN VOORBEELDEN - BIOLOGIE - 2025

De extremofielen zijn organismen die in extreme omgevingen leven, dwz diegenen die afwijken van de omstandigheden waarin ze leven, de meeste bekende organismen van mensen.

De termen "extreem" en "extremofiel" zijn relatief antropocentrisch, omdat wij mensen habitats en hun bewoners evalueren op basis van wat als extreem zou worden beschouwd voor ons eigen bestaan.

Figuur 1. Tardigrades, een Phylum die bekend staat om zijn vermogen om te overleven in zeer ruige omgevingen. Bron: Willow Gabriel, Goldstein Lab, via Wikimedia Commons

Vanwege het bovenstaande is wat een extreme omgeving kenmerkt dat het ondraaglijke omstandigheden voor mensen presenteert met betrekking tot onder andere temperatuur, vochtigheid, zoutgehalte, licht, pH, zuurstofbeschikbaarheid, toxiciteitsniveaus.

Vanuit een niet-antropocentrisch perspectief kunnen mensen extremofielen zijn, afhankelijk van het organisme dat ze evalueerde. Vanuit het oogpunt van een strikt anaëroob organisme, waarvoor zuurstof giftig is, zouden bijvoorbeeld aërobe wezens (zoals mensen) extremofielen zijn. Voor de mens zijn anaërobe organismen daarentegen extremofielen.

Oorsprong van de term 'Extremofielen'

We definiëren momenteel als "extreem" talrijke omgevingen binnen en buiten de planeet Aarde en we ontdekken constant organismen die niet alleen in staat zijn om te overleven, maar ook om in veel van hen op grote schaal te gedijen.

RD Macelroy

In 1974 stelde RD Macelroy de term "Extremofielen" voor om deze organismen te definiëren die een optimale groei en ontwikkeling vertonen onder extreme omstandigheden, in tegenstelling tot mesofiele organismen, die groeien in omgevingen met tussenliggende omstandigheden.

Volgens Macelroy:

"Extremofiel is een beschrijving voor organismen die in staat zijn om omgevingen te bevolken die vijandig zijn tegenover mesofielen, of organismen die alleen groeien in tussenomgevingen."

Er zijn twee fundamentele graden van extremisme in organismen: diegenen die een extreme omgevingsconditie kunnen verdragen en dominant worden over andere; en die groeien en zich optimaal ontwikkelen onder extreme omstandigheden.

Kenmerken van extreme omgevingen

De aanduiding van een omgeving als "extreem" reageert op een antropogene constructie, gebaseerd op de overweging van de verre extremen van de basislijn van een bepaalde omgevingsconditie (temperatuur, zoutgehalte, straling, onder andere), waardoor de mens kan overleven.

Deze naam moet echter gebaseerd zijn op bepaalde kenmerken van een omgeving, vanuit het perspectief van het organisme dat erin leeft (in plaats van het menselijk perspectief).

Deze kenmerken zijn onder meer: ​​biomassa, productiviteit, biodiversiteit (aantal soorten en representatie van hogere taxa), diversiteit aan processen in ecosystemen en specifieke aanpassingen aan de omgeving van het organisme in kwestie.

De som van al deze kenmerken geeft de extreme toestand van een omgeving aan. Een extreme omgeving is bijvoorbeeld een omgeving die over het algemeen presenteert:

• Lage biomassa en productiviteit
• Overheersing van archaïsche levensvormen
• Afwezigheid van hogere levensvormen
• Afwezigheid van fotosynthese en stikstoffixatie maar afhankelijkheid van andere metabole routes en specifieke fysiologische, metabole, morfologische en / of levenscyclusaanpassingen.

Soorten extremofielen op de zoölogische schaal

Eencellige organismen

De term Extremophilic verwijst vaak naar prokaryoten, zoals bacteriën, en wordt soms door elkaar gebruikt met Archaea.

Er is echter een grote verscheidenheid aan Extremofiele organismen en onze kennis van de fylogenetische diversiteit in extreme habitats neemt bijna dagelijks toe.

We weten bijvoorbeeld dat alle hyperthermofielen (warmteminnaars) lid zijn van Archaea en Bacteria. Eukaryoten komen veel voor bij psychrofielen (liefhebbers van kou), acidofielen (liefhebbers van lage pH), alkalofielen (liefhebbers van hoge pH), xerofielen (liefhebbers van droge omgevingen) en halofielen (liefhebbers van zout).

Figuur 2. Warmwaterbron in Yellowstone National Park in de VS, de felle kleuren die deze bronnen krijgen, houden verband met de proliferatie van thermofiele bacteriën. Bron: Jim Peaco, National Park Service, via Wikimedia Commons

Meercellige organismen

Meercellige organismen, zoals ongewervelde en gewervelde dieren, kunnen ook extremofielen zijn.

Sommige psychrofielen omvatten bijvoorbeeld een klein aantal kikkers, schildpadden en een slang, die tijdens de winter intracellulaire bevriezing in hun weefsels vermijden, osmolieten ophopen in het celcytoplasma en alleen het invriezen van extracellulair water (buiten de cellen) mogelijk maken. .

Een ander voorbeeld is het geval van de Antarctische nematode Panagrolaimus davidi, die intracellulaire bevriezing (bevriezing van het water in zijn cellen) kan overleven en na ontdooiing kan groeien en zich voortplanten.

Ook de vissen van de Channichthyidae-familie, inwoners van de koude wateren van Antarctica en het zuiden van het Amerikaanse continent, gebruiken antivrieseiwitten om hun cellen te beschermen tegen volledige bevriezing.

Poly-extremofielen

Poly-Extremofielen zijn organismen die meer dan één extreme conditie tegelijk kunnen overleven, en dus in alle extreme omgevingen veel voorkomen.

Bijvoorbeeld woestijnplanten die extreme hitte overleven, evenals een beperkte beschikbaarheid van water en vaak een hoog zoutgehalte.

Een ander voorbeeld zijn de dieren die op de zeebodem leven, die bestand zijn tegen extreem hoge drukken, zoals gebrek aan licht en gebrek aan voedingsstoffen.

De meest voorkomende soorten extreme omgevingen

Omgevings-extremen worden traditioneel gedefinieerd op basis van abiotische factoren, zoals:

• Temperatuur.
• Beschikbaarheid van water.
• Druk.
• pH.
• Zoutgehalte.
• Zuurstofconcentratie.
• Stralingsniveaus.

Extremofielen worden op dezelfde manier beschreven op basis van de extreme omstandigheden die ze doorstaan.

De belangrijkste extreme omgevingen die we kunnen herkennen aan hun abiotische omstandigheden zijn:

Extreem koude omgevingen

Extreem koude omgevingen zijn omgevingen die vaak aanhouden of vallen gedurende periodes (kort of lang) van temperaturen onder 5 ° C. Deze omvatten de polen van de aarde, bergachtige streken en enkele diepe oceaanhabitats. Zelfs sommige zeer hete woestijnen overdag hebben 's nachts zeer lage temperaturen.

Er zijn andere organismen die in de cryosfeer leven (waar water in vaste toestand is). Organismen die bijvoorbeeld in ijsmatrices, permafrost, onder permanente of periodieke sneeuwbedekkingen leven, moeten meerdere extremen tolereren, waaronder kou, uitdroging en hoge stralingsniveaus.

Extreme hitte-omgevingen

Extreem hete habitats zijn habitats die blijven of periodiek temperaturen boven 40 ° C bereiken. Bijvoorbeeld hete woestijnen, geothermische locaties en diepzee-hydrothermale ventilatieopeningen.

Ze worden vaak geassocieerd met extreem hoge temperaturen, omgevingen waar het beschikbare water zeer beperkt is (aanhoudend of gedurende regelmatige perioden), zoals hete en koude woestijnen, en sommige endolithische habitats (te vinden in rotsen).

Extreme drukomgevingen

Andere omgevingen zijn onderhevig aan hoge hydrostatische druk, zoals de benthische zones van oceanen en diepe meren. Op deze diepten moeten de bewoners een druk van meer dan 1000 atmosfeer weerstaan.

Als alternatief zijn er hypobare extremen (van lage atmosferische druk), in bergen en in andere hooggelegen delen van de wereld.

Figuur 3. Mariene fumarolen of hydrothermale ventilatieopeningen. Voorbeeld van een extreme omgeving die wordt bewoond door een hele gemeenschap van organismen, met hoge druk en temperatuur, evenals zwavelhoudende lozingen. Bron: NOAA, via Wikimedia Commons

Extreem zure en alkalische omgevingen

Over het algemeen zijn extreem zure omgevingen die omgevingen die waarden onder pH 5 handhaven of regelmatig bereiken.

Vooral een lage pH verhoogt de "extreme" toestand van een omgeving, aangezien het de oplosbaarheid van de aanwezige metalen verhoogt en de organismen die erin leven, moeten worden aangepast om het hoofd te bieden aan meerdere abiotische extremen.

Omgekeerd zijn extreem alkalische omgevingen degene die pH-waarden boven de 9 blijven of regelmatig registreren.

Voorbeelden van omgevingen met een extreme pH-waarde zijn meren, grondwater en sterk zure of basische bodems.

Figuur 4. De dwergkreeft (Munidopsis polymorpha), een grotbewoner en endemisch voor het eiland Lanzarote, Canarische Eilanden. Typische aanpassingen aan dit soort extreme grotomgevingen zijn: verkleining, bleekheid en blindheid. Bron: flickr.com/photos//5582888539

Hypersaline en anoxische omgevingen

Hypersaline-omgevingen worden gedefinieerd als omgevingen met zoutconcentraties die hoger zijn dan die van zeewater, dat 35 delen per duizend bevat. Deze omgevingen omvatten hypersaline en zoute meren.

Met "zout" bedoelen we niet alleen het zoutgehalte als gevolg van natriumchloride, aangezien er zoute omgevingen kunnen zijn waar het overheersende zout iets anders is.

Figuur 5. Roze kleur van het water in Salina Las Cumaraguas, in de staat Falcón in Venezuela. De roze kleur is het product van een alg genaamd Dunaliella salina, die bestand is tegen hoge concentraties natriumchloride in zoutoplossing. Bron: HumbRios, van Wikimedia Commons

Habitats met beperkte vrije zuurstof (hypoxisch) of geen zuurstof aanwezig (anoxisch), hetzij aanhoudend of met regelmatige tussenpozen, worden ook als extreem beschouwd. Omgevingen met deze kenmerken zijn bijvoorbeeld de anoxische bekkens in oceanen en meren, en de diepere sedimentlagen.

Figuur 6. Artemia monica, een schaaldier die leeft in Mono Lake, in Californië (VS), een zoute omgeving (natriumbicarbonaat) en een hoge pH. Bron: photolib.noaa.gov

Omgevingen met hoge straling

Ultraviolette (UV) of infrarood (IR) straling kan ook extreme omstandigheden opleggen aan organismen. Extreme stralingsomgevingen zijn omgevingen die worden blootgesteld aan abnormaal hoge straling of straling buiten het normale bereik. Bijvoorbeeld polaire omgevingen en omgevingen op grote hoogte (op het land en in het water).

Phaeocystis pouchetii

Sommige soorten vertonen ontwijkingsmechanismen van hoge UV- of IR-straling. Het Antarctische zeewier Phaeocystis pouchetii produceert bijvoorbeeld in water oplosbare "zonnefilters" die UV-B-golflengten (280-320 nm) sterk absorberen en zijn cellen beschermen tegen extreem hoge niveaus van UV-B binnen 10 m. bovenste waterkolom (na het breken van het zeeijs).

Deinococcus radiodurans

Andere organismen zijn erg tolerant ten opzichte van ioniserende straling. De bacterie Deinococcus radiodurans kan bijvoorbeeld zijn genetische integriteit behouden door uitgebreide DNA-schade na blootstelling aan ioniserende straling te compenseren.

Deze bacterie gebruikt intercellulaire mechanismen om de afbraak te beperken en de diffusie van DNA-fragmenten te beperken. Bovendien heeft het zeer efficiënte DNA-reparatie-eiwitten.

Astyanax hubbsi

Zelfs in omgevingen met ogenschijnlijk lage of geen straling, zijn Extremofiele organismen aangepast om te reageren op veranderingen in stralingsniveaus.

Astyanax hubbsi, een Mexicaanse blindvis die in een grot woont, heeft bijvoorbeeld geen oppervlakkig waarneembare oculaire structuren, maar kan kleine verschillen in omgevingslicht onderscheiden. Ze gebruiken extraoculaire fotoreceptoren om bewegende visuele stimuli te detecteren en erop te reageren.

Figuur 7. Blinde vis van het geslacht Astyanax, holbewoner. Bron: Shizhao, van Wikimedia Commons

Antropogene extremen

We leven momenteel in een omgeving waar extreme omgevingsomstandigheden worden opgelegd, kunstmatig gegenereerd als gevolg van menselijke activiteiten.

De zogenaamde antropogene impactomgevingen zijn extreem gevarieerd, mondiaal van omvang en kunnen niet langer worden genegeerd bij het definiëren van bepaalde extreme omgevingen.

Bijvoorbeeld omgevingen die worden beïnvloed door vervuiling (lucht, water en bodem) -zoals klimaatverandering en zure regen-, winning van natuurlijke hulpbronnen, fysieke verstoring en overexploitatie.

Overgangen en ecotonen

Naast de hierboven genoemde extreme omgevingen zijn terrestrische ecologen zich altijd bewust geweest van de bijzondere aard van overgangszones tussen twee of meer diverse gemeenschappen of omgevingen, zoals de boomgrens in de bergen of de grens tussen bossen en graslanden. . Dit worden spanbanden of ecotonen genoemd.

Ecotonen komen ook voor in het mariene milieu, bijvoorbeeld de overgang tussen ijs en water weergegeven door de rand van het zeeijs. Deze overgangszones vertonen doorgaans een grotere soortendiversiteit en biomassadichtheid dan de flankerende gemeenschappen, grotendeels omdat de organismen die erin leven kunnen profiteren van de hulpbronnen van de aangrenzende omgevingen, wat hen een voordeel kan geven.

Ecotonen zijn echter continu veranderende en dynamische regio's, die vaak een grotere variatie in abiotische en biotische omstandigheden gedurende een jaarperiode vertonen dan aangrenzende omgevingen.

Dit zou redelijkerwijs als "extreem" kunnen worden beschouwd, omdat het vereist dat organismen hun gedrag, fenologie (seizoensweer) en interacties met andere soorten voortdurend aanpassen.

Soorten die aan beide zijden van het ecotoon leven, zijn vaak toleranter ten opzichte van dynamiek, terwijl soorten waarvan het verspreidingsgebied beperkt is tot de ene kant de andere kant als extreem ervaren.

Over het algemeen worden deze overgangszones ook vaak als eerste getroffen door klimaatveranderingen en / of verstoringen, zowel natuurlijk als antropogeen.

Dieren en planten met verschillende stadia of fasen

Niet alleen zijn omgevingen dynamisch, en al dan niet extreem, maar organismen zijn ook dynamisch en hebben levenscycli met verschillende stadia, aangepast aan bepaalde omgevingsomstandigheden.

Het kan gebeuren dat de omgeving die een van de fasen van de levenscyclus van een organisme ondersteunt, extreem is voor een van de andere fasen.

Planten

De kokosnoot (Cocos nucifera) heeft bijvoorbeeld een zaadje dat is aangepast voor transport over zee, maar de volwassen boom groeit op het land.

In sporendragende vaatplanten, zoals varens en verschillende soorten mossen, kan de gametofyt geen fotosynthetische pigmenten bevatten, geen wortels hebben en afhankelijk zijn van de omgevingsvochtigheid.

Terwijl sporofyten wortelstokken, wortels en scheuten hebben die bestand zijn tegen hete en droge omstandigheden in de volle zon. Het verschil tussen sporofyten en gametofyten is in dezelfde volgorde als de verschillen tussen taxa.

Dieren

Een heel goed voorbeeld zijn de juveniele stadia van veel soorten, die over het algemeen intolerant zijn voor de omgeving die de volwassene gewoonlijk omringt, zodat ze meestal bescherming en zorg nodig hebben tijdens de periode waarin ze de vaardigheden en sterke punten verwerven die ze nodig hebben. laat toe om met deze omgevingen om te gaan.

Referenties

1. Kohshima, S. (1984). Een nieuw koudetolerant insect gevonden in een Himalaya-gletsjer. Nature 310, 225-227.
2. Macelroy, RD (1974). Enkele opmerkingen over de evolutie van extremefielen. Biosystems, 6 (1), 74-75. doi: 10.1016 / 0303-2647 (74) 90026-4
3. Marchant, HJ, Davidson, AT en Kelly, GJ (1991) UV-B-beschermende verbindingen in de zeealg Phaeocystis pouchetti van Antarctica. Marine Biology 109, 391-395.
4. Oren, A. (2005). Honderd jaar Dunaliella-onderzoek: 1905-2005. Saline Systems 1, doi: 10.1186 / 1746-1448 -1-2.
5. Rothschild, LJ en Mancinelli, RL (2001). Leven in extreme omgevingen. Nature 409, 1092-1101.
6. Schleper, C., Piihler, G., Kuhlmorgen, B. en Zillig, W. (1995). Lite bij extreem lage pH. Nature 375, 741-742.
7. Storey, KB en Storey, JM (1996). Natuurlijke bevriezing bij dieren. Jaaroverzicht van ecologie en systematiek 27, 365-386.
8. Teyke, T. en Schaerer, S. (1994) Blinde Mexicaanse grotvissen (Astyanax hubbsi) reageren op bewegende visuele stimuli. Journal of Experimental Biology 188, 89-1 () 1.
9. Yancey, PI I., Clark, ML, Eland, SC, Bowlus RD en Somero, GN (1982). Leven met waterstress: evolutie van osmolyt-systemen. Wetenschap 217, 1214-1222.