THERMOPHILES: ĐẶC ĐIỂM, PHÂN LOẠI VÀ MÔI TRƯỜNG - SINH HỌC - 2026

Chất ưa nhiệt là một loại phụ của chất ưa nhiệt đặc trưng bởi nhiệt độ chịu đựng cao từ 50 ° C đến 75 ° C, bởi vì những giá trị này là nhiệt độ duy trì trong những môi trường khắc nghiệt này hoặc vì thường xuyên đạt tới.

Các sinh vật ưa nhiệt nói chung là vi khuẩn hoặc vi khuẩn cổ, tuy nhiên, có những metazoans (sinh vật nhân thực dị dưỡng và mô), cũng phát triển ở những nơi nóng.

Hình 1. Sa mạc Atacama, ở Chile, một trong những nơi khô hạn nhất trên thế giới. Nguồn: pixabay.com

Các sinh vật biển cũng được biết rằng, liên kết cộng sinh với vi khuẩn ưa nhiệt, có thể thích nghi với nhiệt độ cao này và chúng cũng đã phát triển các cơ chế sinh hóa như biến đổi hemoglobin, thể tích máu cao, cho phép chúng chịu đựng độc tính của sulfua và các hợp chất. lưu huỳnh.

Sinh vật nhân sơ ưa nhiệt được cho là những tế bào đơn giản đầu tiên trong quá trình tiến hóa của sự sống và cư trú ở những nơi có hoạt động núi lửa và mạch nước phun trong đại dương.

Ví dụ về loại sinh vật ưa nhiệt này là những sinh vật sống trong vùng lân cận của các lỗ thông hơi hoặc lỗ thông hơi thủy nhiệt ở đáy đại dương, chẳng hạn như vi khuẩn methanogenic (tạo ra khí mê-tan) và Riftia pachyptila.

Các môi trường sống chính nơi sinh vật ưa nhiệt có thể được tìm thấy là:

• Các môi trường thủy nhiệt trên cạn.
• Các môi trường thủy nhiệt ở biển.
• Những sa mạc nóng bỏng.

Đặc điểm của sinh vật ưa nhiệt

Nhiệt độ: yếu tố phi sinh học quan trọng đối với sự phát triển của vi sinh vật

Nhiệt độ là một trong những yếu tố môi trường quan trọng quyết định sự sinh trưởng và tồn tại của sinh vật. Mỗi loài có một phạm vi nhiệt độ mà chúng có thể tồn tại, tuy nhiên, chúng có sự sinh trưởng và phát triển tối ưu ở những nhiệt độ cụ thể.

Tốc độ tăng trưởng của mỗi sinh vật so với nhiệt độ có thể được biểu thị bằng đồ thị, thu được các giá trị tương ứng với các nhiệt độ tới hạn quan trọng (tối thiểu, tối ưu và tối đa).

Nhiệt độ tối thiểu

Ở nhiệt độ sinh trưởng tối thiểu của sinh vật, sự giảm tính lưu động của màng tế bào xảy ra và các quá trình vận chuyển và trao đổi vật chất, chẳng hạn như xâm nhập của chất dinh dưỡng và thoát ra khỏi các chất độc hại, có thể bị ngừng lại.

Giữa nhiệt độ tối thiểu và nhiệt độ tối ưu, tốc độ phát triển của vi sinh vật tăng lên.

Nhiệt độ tối ưu

Ở nhiệt độ tối ưu, các phản ứng trao đổi chất xảy ra với hiệu suất cao nhất có thể.

Nhiệt độ tối đa

Trên nhiệt độ tối ưu, tốc độ tăng trưởng giảm xuống nhiệt độ tối đa mà mỗi sinh vật có thể chịu đựng được.

Ở nhiệt độ cao này, các protein cấu trúc và chức năng như enzym bị biến tính và bất hoạt, vì chúng mất cấu hình hình học và cấu hình không gian cụ thể, màng tế bào chất bị vỡ và xảy ra hiện tượng ly giải nhiệt hoặc vỡ do tác dụng của nhiệt.

Mỗi vi sinh vật có nhiệt độ tối thiểu, tối ưu và tối đa để hoạt động và phát triển. Chất nhiệt dẻo có giá trị đặc biệt cao ở ba nhiệt độ này.

Phân biệt các đặc điểm của sinh vật ưa nhiệt

• Sinh vật ưa nhiệt có tốc độ sinh trưởng cao, nhưng thời gian sống ngắn.
• Chúng có một lượng lớn chất béo bão hòa chuỗi dài hoặc lipid trong màng tế bào của chúng; loại chất béo bão hòa này có khả năng hấp thụ nhiệt và chuyển sang trạng thái lỏng ở nhiệt độ cao (nóng chảy), không bị phá hủy.
• Các protein cấu trúc và chức năng của nó rất bền nhiệt (có thể điều nhiệt), thông qua các liên kết cộng hóa trị và các lực liên phân tử đặc biệt được gọi là lực tán xạ London.
• Chúng cũng có các enzym đặc biệt để duy trì chức năng trao đổi chất ở nhiệt độ cao.
• Được biết, những vi sinh vật ưa nhiệt này có thể sử dụng sulfua và các hợp chất lưu huỳnh có nhiều trong các khu vực núi lửa, làm nguồn dinh dưỡng để chuyển chúng thành chất hữu cơ.

Phân loại sinh vật ưa nhiệt

Sinh vật ưa nhiệt có thể được chia thành ba loại lớn:

• Chất ưa nhiệt vừa phải, (tối ưu trong khoảng 50-60 ° C).
• Chất ưa nhiệt cực cao (tối ưu gần 70 ° C).
• Hyperthermophiles (tối ưu gần 80 ° C).

Sinh vật ưa nhiệt và môi trường của chúng

Môi trường thủy nhiệt trên cạn

Các địa điểm thủy nhiệt phổ biến và phân bố rộng rãi một cách đáng ngạc nhiên. Chúng có thể được chia rộng rãi thành những vùng có liên quan đến núi lửa và những vùng không có.

Các môi trường thủy nhiệt với nhiệt độ cao nhất thường liên quan đến các đặc điểm núi lửa (calderas, đứt gãy, ranh giới kiến ​​tạo mảng, lưu vực vòng cung phía sau), cho phép magma tăng đến độ sâu nơi nó có thể tương tác trực tiếp với nước ngầm sâu.

Hình 2. Các mạch nước phun Tatio, Atacama, Chile. Nguồn: Diego Delso

Các điểm nóng cũng thường đi kèm với các đặc điểm khác khiến sự sống khó phát triển, chẳng hạn như giá trị pH cực đoan, chất hữu cơ, thành phần hóa học và độ mặn.

Do đó, những cư dân sống trong môi trường thủy nhiệt trên cạn có thể tồn tại trong điều kiện khắc nghiệt khác nhau. Những sinh vật này được gọi là polyextremophiles.

Ví dụ về các sinh vật sống trong môi trường thủy nhiệt trên cạn

Các sinh vật thuộc cả ba lĩnh vực (sinh vật nhân chuẩn, vi khuẩn và vi khuẩn cổ) đã được xác định trong môi trường thủy nhiệt trên cạn. Sự đa dạng của các sinh vật này được xác định chủ yếu bởi nhiệt độ.

Trong khi một loạt các loài vi khuẩn khác nhau sống trong môi trường ưa nhiệt vừa phải, các sinh vật quang dưỡng có thể thống trị cộng đồng vi sinh vật và hình thành các cấu trúc vĩ mô giống như "thảm" hoặc "thảm".

Những "thảm quang hợp" này hiện diện trên bề mặt của hầu hết các suối nước nóng trung tính và kiềm (pH lớn hơn 7,0) ở nhiệt độ từ 40-71 ° C, với vi khuẩn lam được thiết lập là những nhà sản xuất chính chiếm ưu thế.

Trên 55 ° C, thảm quang hợp chủ yếu là nơi sinh sống của vi khuẩn lam đơn bào như Synechococcus sp.

Vi khuẩn

Thảm vi sinh vật quang hợp cũng có thể là nơi sinh sống chủ yếu của vi khuẩn thuộc các giống Chloroflexus và Roseiflexus, cả hai thành viên của bộ Chloroflexales.

Khi kết hợp với vi khuẩn lam, các loài Chloreflexus và Roseiflexus phát triển tối ưu trong điều kiện quang dưỡng.

Nếu độ pH có tính axit, các chi Acidiosphaera, Acidiphilium, Desulfotomaculum, Hydrogenobaculum, Methylokorus, Sulfobacillus Thermoanaerobacter, Thermodesulfobium và Thermodesulfator là phổ biến.

Ở các nguồn ưa nhiệt (từ 72-98 ° C), người ta biết rằng quá trình quang hợp không xảy ra, điều này cho phép vi khuẩn tự dưỡng chiếm ưu thế.

Những sinh vật này thuộc họ Aquificae và có tính toàn thế giới; chúng có thể oxy hóa hydro hoặc lưu huỳnh phân tử với oxy như một chất nhận điện tử và cố định carbon thông qua con đường khử axit tricarboxylic (rTCA).

Vòm

Hầu hết các loài vi khuẩn được nuôi trồng và chưa được nuôi trồng được xác định trong môi trường nhiệt trung tính và kiềm đều thuộc về loài Crenarchaeota.

Các loài như Thermofilum linesens, Thermosphaera compositeans hoặc Stetteria hydrogenophila Nitrosocaldus yellowstonii, sinh sôi nảy nở dưới 77 ° C và Thermoproteus neutrophilus, Vulcanisaeta phân phối, Thermofilum lines, Aeropyruni pernix, các nguồn Desulfurococcus Mobilis và Ignisphaera cao hơn 80 °.

Trong môi trường axit, vi khuẩn thuộc các chi: Sulfolobus, Sulfurococcus, Metallosphaera, Acidianus, Sulfurisphaera, Picrophilus, Thermoplasma, Thennocladium và Galdivirga được tìm thấy.

Sinh vật nhân chuẩn

Trong số các sinh vật nhân chuẩn từ các nguồn trung tính và kiềm, có thể kể đến Thermomyces lanuginosus, Scytalidium thermophilum, Echinamoeba thermarum, Marinamoeba thermophilia và Oramoeba funiarolia.

Trong các nguồn axit có thể tìm thấy các chi: Pinnularia, Cyanidioschyzon, Cyanidium hoặc Galdieria.

Môi trường thủy nhiệt biển

Với nhiệt độ dao động từ 2 ° C đến hơn 400 ° C, áp suất vượt quá vài nghìn pound trên inch vuông (psi) và nồng độ cao của hydro sunfua độc hại (pH 2,8), các lỗ thông hơi thủy nhiệt dưới biển sâu có thể là môi trường khắc nghiệt nhất trên hành tinh của chúng ta.

Trong hệ sinh thái này, vi khuẩn đóng vai trò là mắt xích cuối cùng trong chuỗi thức ăn, lấy năng lượng của chúng từ nhiệt địa nhiệt và các chất hóa học được tìm thấy sâu bên trong Trái đất.

Hình 4. Giun ống và lỗ thông thủy nhiệt. Nguồn: photolib.noaa.gov

Ví dụ về động vật gắn liền với môi trường thủy nhiệt biển

Hệ động vật liên quan đến các nguồn hoặc lỗ thông này rất đa dạng, và mối quan hệ giữa các đơn vị phân loại khác nhau vẫn chưa được hiểu đầy đủ.

Trong số các loài đã được phân lập có cả vi khuẩn và vi khuẩn cổ. Ví dụ, vi khuẩn cổ của chi Methanococcus, Methanopyus, và vi khuẩn kỵ khí ưa nhiệt thuộc chi Caminibacter đã được phân lập.

Vi khuẩn phát triển mạnh trong các màng sinh học mà nhiều sinh vật như động vật chân đốt, động vật chân đốt, ốc sên, tôm cua, giun đũa, cá và bạch tuộc ăn.

Hình 5. Tôm thuộc chi Rimicaris, cư dân của fumaroles. Nguồn: NOAA Okeanos Explorer Program, Mid-Cayman Rise Expedition 2011

Một kịch bản phổ biến là sự tích tụ của loài trai, Bathymodiolus thermophilus, có chiều dài hơn 10 cm, tụ tập trong các vết nứt trong dung nham bazan. Chúng thường đi kèm với rất nhiều cua biển (Munidopsis subsquamosa).

Một trong những sinh vật bất thường nhất được tìm thấy là giun xoắn Riftia pachyptila, chúng có thể tập trung với số lượng lớn và đạt kích thước gần 2 mét.

Những con giun đũa này không có miệng, dạ dày hoặc hậu môn (nghĩa là chúng không có hệ tiêu hóa); chúng là một túi hoàn toàn kín, không có lỗ thông ra môi trường bên ngoài.

Hình 6. Giun tròn Riftia pachyptila với hải quỳ và trai. Nguồn:
NOAA Okeanos Explorer Program, Galapagos Rift Expedition 2011

Màu đỏ tươi của bút ở đầu bút là do có huyết sắc tố ngoại bào. Hydrogen sulfide được vận chuyển qua màng tế bào liên kết với các sợi tơ của chùm lông này, và qua hemoglobin ngoại bào đến một "mô" chuyên biệt gọi là trophosome, được cấu tạo hoàn toàn bởi các vi khuẩn sinh tổng hợp cộng sinh.

Có thể nói những con giun này có một “khu vườn” vi khuẩn bên trong, ăn hydro sulfide và cung cấp “thức ăn” cho loài giun, một sự thích nghi phi thường.

Sa mạc nóng

Các sa mạc nóng bao phủ từ 14 đến 20% bề mặt Trái đất, khoảng 19-25 triệu km.

Các sa mạc nóng nhất, chẳng hạn như sa mạc Sahara của Bắc Phi và các sa mạc ở tây nam Hoa Kỳ, Mexico và Úc, được tìm thấy trên khắp các vùng nhiệt đới ở cả bán cầu bắc và nam (trong khoảng từ 10 ° đến 30- Vĩ độ 40 °).

Các loại sa mạc

Đặc điểm nổi bật của sa mạc nóng là sự khô cằn. Theo phân loại khí hậu Koppen-Geiger, sa mạc là những vùng có lượng mưa hàng năm dưới 250 mm.

Tuy nhiên, lượng mưa hàng năm có thể là một chỉ số gây hiểu nhầm, vì thất thoát nước là yếu tố quyết định ngân sách nước.

Do đó, định nghĩa của Chương trình Môi trường Liên hợp quốc về sa mạc là sự thiếu hụt độ ẩm hàng năm trong điều kiện khí hậu bình thường, nơi lượng thoát hơi nước tiềm ẩn (PET) lớn hơn lượng mưa thực tế (P) năm lần.

PET cao phổ biến ở các sa mạc nóng vì không có mây che phủ, bức xạ mặt trời đạt mức cực đại ở các vùng khô hạn.

Sa mạc có thể được chia thành hai loại tùy theo mức độ khô cằn của chúng:

• Siêu khô cằn: với chỉ số khô cằn (P / PET) nhỏ hơn 0,05.
• Cốt liệu: với chỉ số từ 0,05 đến 0,2.

Sa mạc được phân biệt với vùng đất khô hạn bán khô hạn (P / PET 0,2-0,5) và với vùng đất khô cận ẩm (0,5-0,65).

Các sa mạc có những đặc điểm quan trọng khác, chẳng hạn như sự thay đổi nhiệt độ mạnh và độ mặn cao của đất.

Mặt khác, sa mạc thường gắn liền với cồn cát và cồn cát, tuy nhiên, hình ảnh này chỉ tương ứng với 15-20% tổng số chúng; cảnh quan núi đá là môi trường sa mạc thường xuyên nhất.

Ví dụ về sinh vật ưa nhiệt ở sa mạc

Cư dân của các sa mạc, vốn là những người ưa nhiệt, có một loạt các cách thích nghi để đối mặt với những nghịch cảnh nảy sinh từ việc thiếu mưa, nhiệt độ cao, gió, độ mặn, v.v.

Thực vật xerophytic đã phát triển các chiến lược để tránh mồ hôi và lưu trữ nhiều nước nhất có thể. Sự mọng nước hoặc dày của thân và lá là một trong những chiến lược được sử dụng nhiều nhất.

Điều này thể hiện rõ ở họ Cactaceae, lá cũng được biến đổi thành gai, vừa để ngăn thoát hơi nước vừa xua đuổi động vật ăn cỏ.

Hình 7. Cây xương rồng trong Vườn Bách thảo Singapore. Nguồn: Img của Calvin Teo, từ Wikimedia Commons

Chi Lithops hay cây đá, có nguồn gốc từ sa mạc Namibian, cũng phát triển sự mọng nước, nhưng trong trường hợp này, cây mọc ngang với mặt đất, ngụy trang bằng những viên đá xung quanh.

Hình 8. Lithops herrei một loại cây mọng nước ở sa mạc giống như đá. Nguồn: Stan Shebs, tại Vườn Bách thảo Đại học California

Mặt khác, động vật sống trong những môi trường sống khắc nghiệt này phát triển tất cả các kiểu thích nghi, từ sinh lý đến thần thoại. Ví dụ, loài chuột được gọi là chuột túi có biểu hiện đi tiểu ít và số lượng ít, do đó chúng hoạt động rất hiệu quả trong môi trường khan hiếm nước của chúng.

Một cơ chế khác để giảm mất nước là nhiệt độ cơ thể tăng lên; Ví dụ, nhiệt độ cơ thể của lạc đà nghỉ ngơi có thể tăng vào mùa hè từ khoảng 34 ° C đến hơn 40 ° C.

Sự thay đổi nhiệt độ có tầm quan trọng lớn trong việc bảo tồn nước, vì những điều sau:

• Nhiệt độ cơ thể tăng lên có nghĩa là nhiệt được lưu trữ trong cơ thể thay vì bị tiêu tán thông qua sự bay hơi của nước. Sau đó, vào ban đêm, nhiệt lượng dư thừa có thể được đẩy ra ngoài mà không lãng phí nước.
• Nhiệt lượng thu được từ môi trường nóng giảm, vì giảm gradien nhiệt độ.

Một ví dụ khác là loài chuột cát (Psammomys obesus), chúng đã phát triển một cơ chế tiêu hóa cho phép chúng chỉ ăn những cây sa mạc thuộc họ Chenopodiaceae, có chứa một lượng lớn muối trong lá.

Hình 9. Chuột cát (Psammomys obesus). Nguồn: Gary L. Clark, từ Wikimedia Commons

Sự thích nghi (hành vi) theo thần thoại của động vật sa mạc là rất nhiều, nhưng có lẽ điều rõ ràng nhất ngụ ý rằng chu kỳ hoạt động-nghỉ ngơi bị đảo ngược.

Bằng cách này, những động vật này trở nên hoạt động vào lúc hoàng hôn (hoạt động về đêm) và ngừng hoạt động vào lúc bình minh (nghỉ ngơi ban ngày), do đó thời gian hoạt động của chúng không trùng với giờ nóng nhất.

Người giới thiệu

1. Baker-Austin, C. và Dopson, M. (2007). Sống trong môi trường axit: Cân bằng nội môi pH ở những người ưa axit. Xu hướng trong Vi sinh vật học 15, 165-171.
2. Berry, JA và Bjorkman, 0. (1980). Phản ứng quang hợp và thích nghi với nhiệt độ ở thực vật bậc cao. Đánh giá Hàng năm về Sinh lý Thực vật 31, 491-534.
3. Brock, TD (1978). Vi sinh vật ưa nhiệt và sự sống ở nhiệt độ cao. Springer-Verlag, New York, 378 trang.
4. Campos, VL, Escalante, G., Jafiez, J., Zaror, CA và Mondaca, AM (2009), Phân lập vi khuẩn oxy hóa arsenit từ màng sinh học tự nhiên liên quan đến đá núi lửa của sa mạc Atacama, Chile. Tạp chí Vi sinh vật học cơ bản 49, 93-97.
5. Cary, CS, Shank, T. và Stein, J. (1998). Giun phơi mình trong nhiệt độ khắc nghiệt. Bản chất 391, 545-546.
6. Chevaldonne, P, Desbruyeres, D. và Childress, JJ (1992). Một số thích nó nóng … và một số thích nó thậm chí còn nóng hơn. Bản chất 359, 593-594.
7. Evenari, M., Lange, 01., Schulze, ED, Buschbom, U. và Kappen, L. (1975). Các cơ chế thích nghi ở thực vật sa mạc. Trong: Vemberg, FJ (ed.) Thích nghi sinh lý với môi trường. Intext Press, Platteville, LISA, pp. 111-129.
8. Gibson, AC (1996). Mối quan hệ cấu trúc-chức năng của thực vật sa mạc ấm. Springer, Heidelberg, Đức, 216 trang.
9. Gutterman, Y. (2002). Chiến lược sinh tồn của thực vật sa mạc hàng năm. Springer, Berlin, Đức, 368 trang.
10. Lutz, RA (1988). Sự phân tán của các sinh vật tại các miệng phun thủy nhiệt dưới đáy biển sâu: một đánh giá. Oceanologica Acta 8, 23-29.
11. Lutz, RA, Shank, TM, Fornari, DJ, Haymon, RM, Lilley, MD, Von Damm, KL và Desbruyeres, D. (1994). Phát triển nhanh chóng tại các lỗ thông hơi dưới biển sâu. Bản chất 371, 663-664.
12. Rhoads, DC, Lutz, RA, Revelas, EC và Cerrato, RM (1981). Sự phát triển của động vật hai mảnh vỏ tại các miệng phun thủy nhiệt dưới đáy biển sâu dọc theo Khe nứt Galapagos. Khoa học 214, 911-913.
13. Noy-Meir I. (1973). Hệ sinh thái sa mạc: môi trường và người sản xuất. Đánh giá hàng năm về các hệ thống sinh thái 4, 25-51.
14. Wiegel, J. và Adams, MWW (1998). Thermophiles: chìa khóa của sự tiến hóa phân tử và nguồn gốc của sự sống. Taylor và Francis, London, 346 trang.