Многоклеточные организмы
Многоклеточные организмы, такие как беспозвоночные и позвоночные животные, также могут быть экстремофилами.
Например, некоторые психрофилы включают небольшое количество лягушек, черепах и змей, которые зимой избегают внутриклеточного замерзания своих тканей, накапливая осмолиты в цитоплазме клеток и позволяя замораживать только внеклеточную воду (вне клеток). .
Другой пример — антарктическая нематода. Панагролаймус давиди, который может пережить внутриклеточное замораживание (замораживание воды внутри своих клеток), будучи способным расти и воспроизводиться после оттаивания.
Также рыбы семейства Channichthyidae, обитатели холодных вод Антарктиды и юга американского континента, используют протеины-антифризы для защиты своих клеток от их полного замерзания.
Признаки живых организмов
В составе живых существ — клетки
Все живые существа содержат одну или иного клеток, при этом многоклеточные организмы отличаются сложным и упорядоченным строением.
Клетки настолько маленькие, что увидеть их можно лишь при помощи микроскопа. Из клеток состоят абсолютно все органы живого существа. Твоя кожа, волосы, ногти, кости, нервы и мышцы состоят из клеток
Клетки можно сравнить с кирпичами. Внимательно присмотрись к кирпичной кладке. Если ты находишься далеко от здания, то перед тобой будет ровная поверхность, но подойдя ближе, ты увидишь, что стена выложена из огромного количества кирпичей, причем лежат они в определенном порядке. Такое же упорядоченное строение характерно и для живого организма.
Движение
Все живые существа шевелятся или движутся. Это действительно так.
Попробуй проанализировать свои действия за последние полчаса. Возможно, ты только что проснулся, умылся, позавтракал и собираешься на улицу?
Активное движение свойственно и животным. А что происходит с растениями? Они тоже двигаются. Конечно, не так быстро, как животные, но, тем не менее, движение большинства из них заметно. Многие растения направляют свои цветки к солнцу, открывают и закрывают соцветия, а некоторые хищные даже умудряются ловить насекомых!
Спустя несколько секунд лепестки захлопнутся – и муха окажется в ловушке
Получение энергии
Все живые существа получают энергию из окружающей среды и используют ее для поддержания своих жизненных функций, роста и размножения.
Рост и развитие
Все живые организмы растут и развиваются. Жизнь каждого из них начинается по-разному но, пройдя определенные этапы развития, у большинства видов малыш в конце концов превращается во взрослое существо.
Жизненный цикл лягушки
Так, например, лягушка должна пройти стадию головастика, бабочка начинается с гусеницы, а процесс развития детенышей кенгуру просто уникален! Малыши рождаются на стадии эмбриона и сами заползают в сумку матери, где продолжают свое развитие. Растения тоже проходят определенные жизненные циклы.
Реакция на раздражители
Одна из важных отличительных черт живых организмов заключается в том, что они реагируют на изменения окружающей среды и внешние раздражители.
Например, если ты дотронешься до любого животного (кошки, собаки, хомячка и т.д.), то оно обязательно каким-то образом отреагирует на твое прикосновение (убежит, свернется в клубок, повернет к тебе голову). А если ты коснешься любого неживого предмета, то вряд ли тебе стоит ожидать какой-либо ответной реакции. В лучшем случае ты просто сдвинешь предмет с места, если он не очень тяжелый.
Размножение
Очень важной характеристикой живых существ является способность размножаться, т.е. оставлять после себя потомство
Этот процесс называется репродукцией.
Кошачья семья
Твои родители создали тебя, у кошек появляются котята, у собак — щенята. Так происходит со всеми представителями живого мира. Более того, посредством репродукции живые организмы передают свои качества новым поколениям.
Смерть
Все организмы не вечны, они умирают. Это одна из уникальных особенностей живых существ. Все живое когда-нибудь умрет. Период времени, в течение которого организмы функционируют и размножаются, называется продолжительностью жизни, и у всех она разная.
Жизнь некоторых организмов ограничивается всего лишь днями или даже часами.
Например, существуют бактерии и насекомые, которым достаточно нескольких часов, чтобы появиться на свет, повзрослеть, оставить потомство и умереть. Средняя продолжительность жизни человека составляет 65—70 лет.
А среди представителей растительного мира есть и настоящие долгожители, среди которых секвойи и баобабы. Возраст этих растений может достигать 5000 лет!
Секвойя
Отличительные черты теплолюбивых организмов
- У термофильных организмов высокая скорость роста, но короткая продолжительность жизни.
- В их клеточной мембране содержится большое количество длинноцепочечных насыщенных жиров или липидов; Этот тип насыщенных жиров способен поглощать тепло и переходить в жидкое состояние при высоких температурах (плавление), не разрушаясь.
- Его структурные и функциональные белки очень устойчивы к нагреванию (термостабильны) благодаря ковалентным связям и особым межмолекулярным силам, называемым силами лондонского рассеяния.
- В них также есть специальные ферменты для поддержания метаболизма при высоких температурах.
- Известно, что эти термофильные микроорганизмы могут использовать сульфиды и соединения серы, изобилующие в вулканических районах, в качестве источников питательных веществ для преобразования их в органическое вещество.
Обзор экстремофилов
Термальное озеро, в котором процветают теплолюбивые экстремофилы.
Экстремофил — это термин, который охватывает большую группу организмов, в первую очередь архей , которые эволюционировали, чтобы заполнить ниши крайне негостеприимной окружающей среды. К таким средам относятся высокие или низкие температуры, высокий уровень солености, высокий или низкий уровень pH, а также области, где присутствуют летучие химические вещества. Эти организмы сделали некоторые из самых нежелательных мест на планете своим домом. Несколько примеров таких мест включают термальные источники на дне океана, содовые озера, стоки химических заводов и свалки мусорных свалок.
Выделяют 4 основных типа экстремофилов:
Термофилы
Теплолюбивые экстремофилы живут в районах с очень высокой температурой, лучшим примером которых являются геотермальные источники на дне океана. Преимущество этих организмов заключается в образующихся в них полимерах и ферментах, поскольку они обладают высокой термостабильностью.
Галофилии
Галофильные экстремофилы обитают в районах с высокой соленостью, таких как солнечные солончаки и содовые озера. Их способность потреблять и процветать в районах с такой засоленностью открывает возможные преимущества, такие как инокуляция сельскохозяйственных культур в богатых солей почвах, чтобы помочь им расти. Другое использование, которое они нашли, заключается в производстве полимеров, используемых для производства биоразлагаемых пластиков.
Метаногены
Метаногенные экстремофилы обитают практически везде и являются наиболее распространенными. Эти организмы берут различные простые органические соединения и используют их для синтеза метана в качестве источника энергии. Нет других известных организмов, которые используют синтез метана в качестве формы производства энергии.
Психрофилы
Психрофильные экстремофилы обладают способностью поддерживать высокие темпы роста и ферментативную активность при температурах даже до 0 ℃. Это дает возможность использовать ферменты, обнаруженные в этих организмах, параллельно с тем, как используются ферменты термофильных организмов, но при низких температурах, а не при высоких температурах.
Способность жить в такой суровой среде проистекает из особенностей и способностей организмов, которые закодированы в их геномах. Изменения, унаследованные с течением времени через ДНК, позволили этим организмам выработать различную сопротивляемость и иммунитет к изменчивой природе своих домов. Именно на этих чертах ученые так зациклены на экстремофилах, потому что гены, обеспечивающие указанные способности, могут быть взяты у экстремофилов и использованы в различных биотехнических процессах. Хорошим примером этого может быть выделение Taq-полимеразы из бактерий Thermus aquaticus, а затем ее использование для проведения ПЦР. В некоторых случаях можно использовать даже весь организм в зависимости от того, как он функционирует в природе. Хорошим примером этого может быть использование метаногенных экстремофилов для помощи в разложении отходов. Хотя выше перечислены только четыре основных типа экстремофилов, есть еще много типов, которые не упоминаются в этой статье.
Поиск жизни в космосе
Если вы мечтаете о том, что когда-нибудь ученые объявят об открытии инопланетной жизни, обнаружение безжизненного места на Земле — это плохая новость для вас. Дело в том, что ученые в ближайшее время даже не надеются обнаружить в космосе «зеленых человечков». Надежда есть только на то, что в грунте Марса или другой близкой к нам планеты будут найдены микроскопические существа. На данный момент поиском жизни на Красной планете занимаются марсоход Perseverance и китайский исследовательский аппарат «Чжужун».
Если даже в земных «суровых условиях» не существует бактерий, стоит ли надеяться на обнаружение жизни на Марсе? Условия на большей части планеты гораздо хуже, чем в упомянутом выше леднике Шеклтона. Поверхность Марса содержит еще больше солей, вдобавок к которым есть и другие опасные для существования жизни вещества. Надежда есть только на то, что на Марсе существуют неизвестные науке бактерии или другие формы жизни, которые приспособлены к настолько суровой окружающей среде. Ну или мы просто найдем там следы уже давно вымерших животных — есть причины считать, что когда-то давно Марс был хорошим местом для жизни.
Но давайте посмотрим на возможность существования жизни на Марсе с другой стороны. Действительно, эту планету невозможно назвать гостеприимной — если отправить туда людей или животных без специального оборудования, они очень быстро умрут. Но ведь на Марсе есть и явные признаки существования чего-то живого. Недавно Марсоход «Кьюриосити» обнаружил примерное местоположение источника метана. Этот газ обычно производят микробы, так что шансы на обнаружение жизни все-таки есть. Подробнее о метане на Марсе можно почитать по этой ссылке.
Будущие разработки
Благодаря возросшему интересу к экстремофилам была изобретена революционная методика ПЦР, которая вывела область изучения ДНК на новый уровень. Следуя этой тенденции, ученые в области биотехнологий и промышленности хотят двигаться дальше и находить новые способы воздействия на научное сообщество. Один из способов, который в настоящее время изучается, — это производство пластика галофильными экстремофилами, так что современные пластики на масляной основе могут уйти в прошлое. Это приведет к появлению на мировом рынке биоразлагаемых пластиков, что в конечном итоге предлагается как способ помочь в борьбе с мировой проблемой мусора. Еще одно достижение, которое ученые надеются сделать с помощью этих организмов, — это увеличить деградацию свалок по всему миру с использованием метаногенных видов, которые процветают на органических соединениях, обнаруженных там. Это не только уменьшит количество отходов, но и будет собирать производимый метан и использовать его в качестве источника энергии. Еще одно интересное развитие в будущем находится в области медицины. Некоторые биотехнические лаборатории изучают возможность использования экстремофилов, созданных для производства частей вирусов на своей поверхности, чтобы вызвать реакцию иммунной системы. Это поможет тренировать иммунную память и реакцию антител для защиты организма в случае атаки вируса. Хотя это всего лишь несколько примеров, существует еще много достижений и разработок, над которыми работают экстремофилы в надежде создать лучшее будущее.
Примеры экстремофилов
Snottite
Также известный как «сопли», соплиты состоят из колоний обитающих в пещере экстремофильных, одноклеточных бактерий. Эти колонии похожи на сталактиты, но имеют консистенцию, ну, конечно, соплей. Эти колонии бактерий выживают экстремально токсичность и кислотность, среди других экстремальных физико-химических условий. Они выживают, используя хемосинтез превратить вулканические соединения серы в энергию и серная кислота отходы.
Гигантские трубочные черви
Гигантский трубчатый червь – это глубоководный экстремофил, найденный вблизи гидротермальных жерл, живущих в условиях высокого давления, высокой температуры и отсутствия солнечного света. Вода возле гидротермальных вентилей может достигать температуры 600 градусов по Фаренгейту, а давление может достигать почти 9000 фунтов на квадратный дюйм! Не имея собственного пищеварительного тракта, они выживают в таких условиях с помощью своих симбиотических партнеров: экстремофильных бактерий, которые живут в средней кишке гигантского трубчатого червя. Бактерии, которые могут составлять до половины веса червя, используют хемосинтез для превращения кислорода, сероводорода и углекислого газа в органические молекулы, которые червь может использовать в качестве пищи.
тихоходки
Технически эти восьминогие микроскопические существа, более технически более экстремальные, чем экстремофильные, являются одним из наиболее устойчивых организмов, известных человеку. У них есть две стратегии выживания: одна в случае наводнения, а другая в случае замерзания или засухи. При возникновении наводнения тардиграды раздуваются, как воздушные шары, что позволяет им всплывать на поверхность, где они имеют доступ к кислороду. В случае засухи или замерзания tardigrades обладают замечательной способностью заменять более 97% воды в их организме на тип сахара, называемый трегалозой. Это уменьшает потребность в воде и предотвращает образование кристаллов льда, которые в противном случае могли бы образоваться с водой и нанести вред этим организмам. Используя эти методы выживания, эти существа пережили температуры от -458 градусов по Фаренгейту до 300 градусов по Фаренгейту, давление в шесть раз больше, чем в самых глубоких частях океана, смертельные дозы радиации и даже космический вакуум! Тем не менее, чем дольше tardigrades остаются в неоптимальных условиях, тем ниже их шансы на выживание.
лорициферы
Эти микроскопические организмы были впервые собраны из глубин бассейна Средиземного моря, где насыщенный солью рассол, в котором они обитают, не смешивается и не поливается водами над ним. Они населяли морской осадок, процветая в этой соленой, сульфидной, морозной среде с высоким давлением без кислорода и света. Это возможно, потому что, в отличие от нас, у Loricifera есть водородосомы, которые не требуют кислорода вместо митохондрии, чтобы производить энергию!
гриллоблаттиды
Grylloblattidae – это семейство психрофильных насекомых, которые встречаются в холодных условиях, таких как горные вершины, ледники и ледяные щиты. Они предпочитают температуру от 33,8 до 39,2 градусов по Фаренгейту – чуть выше точки замерзания. Когда температура опускается ниже нуля, эти насекомые прячутся в снегу и остаются рядом с почвой – в противном случае они рискуют умереть из-за кристаллов льда, образующихся в их телах.
Самые необычные экстремофилы
Наиболее живучими созданиями являются микроорганизмы, но и более крупные животные способны удивить своим умением жить во враждебных средах. И о самых любопытных из них мы расскажем ниже:
Артемии
Маленькие рачки, способные жить в воде с высокой концентрацией соли. Этих маленьких существ можно встретить в соленых озерах, соляных болотах и морях. Выживание обеспечивают уникальные жабры, поглощающие и продуцирующие ионы, одновременно с этим являющиеся органами выделения. Артемии размножаются половым и бесполым способом, что дополнительно обеспечивает выживание популяции.
Муравьи-бегунки
Необычный вид муравьев, освоивший жизнь в пустыне. Обитать там так же комфортно, как на сковородке – температура воздуха достигает 50 С, а песок нагревается до 80 С. Стоять на одном месте без ожогов просто нереально, поэтому муравьям приходиться всё время очень быстро бегать. На бегу насекомые успевают собирать высушенные останки насекомых и паукообразных и уносят в свои хранилища. Особо оригинально бегунки решили вопрос с обеспечением муравейника водой. Рабочие, с особым строением брюшка, в сезон дождей выпивают столько воды, что превращаются в раздутые полупрозрачные шарики. Ходить они после не могут, и другие муравьи транспортируют обпившихся собратьев в склад муравейника. Когда приходит жара, муравьи отдают воду на нужды колонии и возвращаются к прежним размерам.
Сибирский углозуб
Этот вид тритонов любит холод и не переносит теплую погоду. Слабость этого земноводного в том, что уже при температуре 27 C углозуб может погибнуть от перегрева. Главная особенность этих тритонов в удивительной способности переносить низкие температуры. Тритон укладывается в спячку в период с августа по ноябрь. Он находит тихое местечко и засыпает. При этом углозуб может вмерзнуть в лед, а весной оттаять без вреда для здоровья. Ученых заинтересовала эта особенность организма земноводных. В лабораториях создавались условия с температурой от -35 до -40 С и тритоны легко переносили такой мороз. Рекордсменом по замораживанию является экземпляр, которого извлекли из вечной мерзлоты. После того, как тритон оттаял, он начал жить нормальной жизнью. Впоследствии ученые установили радиоуглеродным методом, что животное пробыло вмороженным в лёд от 90 до 115 лет!
Нефтяные мухи
Не только простейшие организмы способны питаться нефтью. На калифорнийских битумных озерах возле ранчо Ла-Брея обнаружили вид мух, которые живут в нефти и даже питаются ею. Личинки мух плавают у самой поверхности, дыша через нефтяную пленку с помощью особых дыхалец. Само по себе битумное озеро является прекрасной защитой от хищников для личинок, а взрослым особям выступает в качестве источника пищи. Мухи питаются попавшими в нефтяную ловушку насекомыми и самой нефтью. Исследователи находили экземпляры, желудок которых был полностью заполнен «черным золотом».
Помпейский червь
Это существо способно жить там, где другие животные сварились бы заживо. Это глубоководный многощетинковый червь, длинной 13 см, живущий в гидротермальных источниках, которые называют «черными курильщиками». Впервые колонию этих червей нашли в 80-х годах прошлого века на дне Тихого Океана, вблизи Галапагосских островов. Червь прячет тело внутри трубчатой структуры «курильщика» — там температура достигает 80 С. А голову высовывает в более прохладный слой воды с температурой 27 С. Такая устойчивость обеспечена симбиотической связью. Кожа червя выделяет слизь, в которой сселяться и питаются бактерии, обеспечивающие защиту от перегрева.
Гусеница Gynaephora
Еще один организм, прекрасно чувствующий себя в холоде. Водится эта гусеница в самых холодных местах Канады и Гренландии. Это существо способно находиться в спячке при температуре – 70 С! Гусеница в конце лета начинает синтезировать глицерин и бетаин, которые не дают внутриклеточной жидкости превратиться в лёд. Экстремальные условия отразились на длительности жизненного цикла. Большинство мотыльков проходят путь превращений от яйца до взрослой особи за месяц. А представители этого вида развиваются до финальной стадии за срок от 7-и до 14-и лет, в зависимости от климатических условий. Так происходит потому, что гусенице приходится проводить почти весь год в спячке и только на 5% времени годового цикла она просыпается, чтобы наесться для следующего периода сна.
Р. Д. Маселрой
В 1974 г. Р. Д. Маселрой предложил термин «экстремофилы» для определения этих организмов, которые демонстрируют оптимальный рост и развитие в экстремальных условиях, в отличие от мезофильных организмов, которые растут в средах с промежуточными условиями.
По словам Маселроя:
“Экстремофил — это описание организмов, способных населять среду, враждебную мезофилам, или организмов, которые растут только в промежуточных средах.”.
У организмов есть две основные степени экстремизма: те, которые могут терпеть экстремальные условия окружающей среды и доминирование над другими; и те, которые растут и развиваются оптимально в экстремальных условиях.
Водоросли горячих источников
Водоросли способны жить и размножаться в таких условиях, которые на первый взгляд кажутся совершенно непригодными для жизни: в горячих источниках, температура которых достигает иногда почти точки кипения, в арктических водах с минусовой температурой, а также на снегу и льду.
Водоросли способны жить при довольно широких температурных границах – от 3оС до 85оС, тогда как большинство организмов обитает в более узком температурном диапазоне.
Выносливость к экстремальным условиям чаще всего свойственно синезеленым водорослям (цианобактериям), многие виды которых являются типичными термофильными водорослями (от греч. «термо» – тепло, «филос» – люблю). Эти водоросли могут жить при температуре 75-80оС и даже при 85оС.
В термальных источниках большая часть видов представлены нитчатыми формами и значительно меньшей степени – одноклеточными. Нередко нитчатки разрастаются большими матами, выстилающими стенки водоемов или плавающими на поверхности водоемов.
В значительных количествах в горячих источниках встречаются диатомовые и зеленые водоросли, однако они менее термофильны, и обитают по окраинам водоемов в более холодных участках. Температурный предел, при котором живут диатомовые и зеленые не превышает 50оС.
о
Число видов водорослей в разных горячих источниках варьирует в широких пределах, от десятка видов до сотен и более. Так, например, в горячих источниках Йелоустонского национального парка США одних только синезеленых было обнаружено 166 видов, а в горячих источниках Греции – 128 видов. Значительная часть синезеленых водорослей относится к порядку осциллаториевых и ностоковых.
С повышением температуры источника число видов резко снижается. Больше всего видов обнаружено при температуре 35-40оС, тогда как при 85-90оС – отмечено всего 2 вида.
Специфических термофилов, не способных существовать при температуре ниже 30оС, очень немного. Самые широко распространенные из них – мастигокладус и формидиум. Оптимум их температурного развития лежит в пределах 45-50оС.
Большая часть водорослевого населения горячих источников состоит из эвритермных водорослей, живущих и при более низких температурах.
Экстремофилы – выжить любой ценой
Наша планета, Земля обладает лучшими природно-климатическими условиями в Солнечной системе (да и во всей исследованной части Вселенной). Именно эти благоприятные условия поспособствовали зарождению жизни приблизительно 3 млрд. лет назад. За 3 млрд.
лет жизнь невероятно видоизменилась: росла сложность и многообразие организмов, покорялись и заселялись новые просторы обитания. Но общим для всех форм жизни оставались все те же природно-климатические условия, за их пределами жизнь существовать не может.
Или может?
Оказывается может. Таких организмов называют экстремофилами, они не просто спокойно переносят такие условия окружающей среды, которые означали бы неминуемую смерть для остальных форм жизни, они живут в этих условиях.
https://youtube.com/watch?v=sRmisxK7tw4
Основную долю экстремофилов составляют микроорганизмы: бактерии и археи. Животные среди них встречаются очень редко, но от того они становятся только интереснее. О последних мы и постараемся рассказать в этой статье.
Мешкороты
Мешкорот – это один из немногих представителей глубоководных рыб. Обитает в Тихом океане на глубине от 2 до 5 км. Глубины океанов – это ужасное место, там никогда не бывает света, там невероятно высокое давление, а температура воды с каждым метром стремиться к нулю.
Несмотря на явный недостаток пищи вырастают до 185 см. Мешкороты имеют огромную раскрывающуюся пасть, благодаря чему заглатывают добычу живьем.
Гусеница Гинаэфора гренландская
Это крохотное насекомое около 90% своей долгой жизни проводит скованной в арктических льдах в состоянии анабиоза (диапаузы). Гинаэфора гренландская (лат. Gynaephora groenlandica), конечно, не единственные существо способное впадать в анабиоз, но кроме нее точно никто не делает этого вне теплой берлоги и при температуре окружающей среды -70°C.
Другими словами гусеница просто замерзает во льдах осенью, а с приходом лета воскресает как ни в чем не бывало. Это становится возможным благодаря возможности синтезирования особых химических соединений: бетаина и глицерина. Образование хим. соединений начинается во всех клетках животного с началом первых холодов.
Бетаин и глицерин не замерзают сами и не позволяют этого клеткам гусеницы, предотвращая образование кристаллов льда.
Тогда как для большинства мотыльков требуется около одного месяца на превращение из яиц во взрослую особь, у Gynaephora на это уходит от 7 до 14 лет.
Объясняется это тем, что лето на арктических просторах короткое, а калорийной пищи крайне мало, вот и приходится бедному насекомому всю жизнь копить силы, чтобы получить в итоге крылья.
Артемии
Большое Соленое озеро на северо-западе Юты – один из самых соленных водоемов в мире, показатель солености здесь достигает 271 промилле (т.е. соли в нем содержится в 7,5 раз больше в морской воде).
В подобной воде совершенно не должно быть никаких признаков сложной жизни. Но это не так. Наряду с несколькими видами экстремальных бактерий в озере обитает и один вид маленьких ракообразных – Артемий.
Каким образом артемии приспособились к столь соленой воде непонятно, но вот зачем они это сделали совершенно очевидно – там нет ни хищников, ни кого-то другого, способного нарушить покой артемий, ни что в соленных озерах не мешает им спокойно жить и размножаться. Нужно было лишь привыкнуть к экстримальной среде.
большинство видов артемий способны размножаться как живорождением, так и яйцерождением. Отдельная особь способна менять способы продолжения рода несколько раз за жизнь.
Нефтяные мухи
Уникальность этих насекомых даже не в том, что они в буквальном смысле слова живут в сырой нефти, а в том, что они питаются ей.
Нефтяные мухи (лат. Helaeomyia petrolei) – откладывают свои личинки на поверхности естественных нефтяных луж и битумных озер. В нефти личинки развиваются весьма продолжительное время, обитают в основном у самой поверхности. Питаются насекомыми, упавшими и прилипшими к нефти, и отчасти самим черным золотом.
Нефтяные мухи – вид эндемичный, встречается только в нефтяных озерах Калифорнии. По всей видимости, вид совсем молодой, а это очередной “плюс” в пользу теории Дарвина – эволюция не стоит на месте.
Даже рассмотрев всего 4 вида экстремофилов становится понятно: их незаурядные навыки и способности – это всего лишь метод спасения вида, путем нахождения незанятой нишы обитания.
