Экстремальная среда - это среда обитания, характеризующаяся суровыми условиями окружающей среды, выходящими за пределы оптимального диапазона для развития людей или других живых организмов.
Экстремальные среды характеризуются различными неблагоприятными условиями, включая высокую или низкую температуру, высокое или низкое давление и кислотный или щелочной рН.
Для того, чтобы область считалась экстремальной, определенные условия или аспекты окружающей среды должны считаться очень трудными для выживания различных форм жизни.
Примеры некоторых экстремальных сред включают полярную область, пустыни, вулканические регионы, глубокие океанские впадины, космическое пространство и любую другую планету Солнечной системы, кроме Земли.
Некоторые из распространенных экстремальных сред включают области с щелочной, кислой, чрезвычайно горячей или холодной, высокой концентрацией соли, без воды или кислорода.
Экстремальные среды подразделяются на следующие группы в зависимости от экстремальных физико-химических условий:
Экстремальная температура: можно описать два типа экстремальных сред - холодная и горячая.
· Чрезвычайно холодные среды - это среды с температурой окружающей среды ниже 5 ° C. Их можно найти в глубоких океанических нишах, на вершинах высоких гор или в полярных регионах.
· Чрезвычайно жаркие среды характеризуются температурой окружающей среды выше 45 ° C. На эти среды влияет геотермальная активность в виде гейзеров и фумарол континентальных вулканических районов или глубоководных жерл.
Экстремальный уровень pH: экстремальные среды также могут быть классифицированы как кислотные или щелочные в зависимости от их pH.
· Экстремально кислая среда - это естественная среда обитания, в которой рН ниже 5.
· Экстремально щелочные среды - это среды с рН выше 9.
Экстремальная ионная сила:
· Гиперсолевые среды - это среды с концентрацией ионов выше, чем в морской воде (более 3,5%).
Экстремальное давление:
· Среды с экстремальным давлением - это среды, находящиеся под экстремальным гидростатическим или лито-давлением, такие как водные среды обитания на глубинах 2000 м или более или глубоководные экосистемы.
Высокорадиационная среда - это те области, которые подвергаются воздействию аномально высоких доз радиации, включая ультрафиолетовое или гамма-излучение, например, пустыни и вершины высоких гор.
Ксерическая среда - это засушливая среда обитания с ограниченной активностью воды. Холодные и жаркие пустыни являются некоторыми примерами таких экстремальных сред.
Что такое экстремофилы?
· Экстремофилы - это живые организмы, способные выживать и процветать в экстремальных условиях в результате различных физиологических и молекулярных адаптаций.
· Эти организмы процветают в экстремальных условиях, в условиях льда и солевых растворов, а также в кислых и щелочных условиях.
· Некоторые из них могут расти в токсичных отходах, органических растворителях, тяжелых металлах или в нескольких других средах обитания, которые считаются негостеприимными для жизни.
· Большинство экстремофилов - прокариотические организмы с небольшим количеством эукариот. Эти экстремофилы определяются условиями окружающей среды, в которых они могут выживать и оптимально развиваться.
· Экстремофилов можно разделить на две категории: экстремофильные организмы, которым для выживания требуются одно или несколько экстремальных условий, и экстремотолерантные организмы, которые могут переносить экстремальные условия с одним или несколькими физическими параметрами, даже если они оптимально растут в нейтральных условиях.
· Экстремофилы включают представителей всех трех областей жизни: бактерии, археи и эукарии.
· Большинство экстремофилов - прокариоты с высокой долей принадлежности к археям, но некоторые организмы могут быть эукариотами, такими как протисты (например, водоросли, грибы и простейшие) и многоклеточные организмы.
· Они классифицируются в соответствии с условиями, в которых они растут: термофилы и гипертермофилы (организмы, растущие при высоких или очень высоких температурах соответственно), психрофилы (организмы, которые растут при низких температурах), ацидофилы и алкалифилы (организмы, которые процветают в средах обитания с кислотными или основными значениями pH соответственно), барофилы (организмы, которыелучше всего растут под давлением), и галофилы (организмы, которые хорошо растут в среде с NaCl).
Характеристики экстремофилов
· Экстремофилы характеризуются способностью процветать в экстремальных условиях, что является результатом различных форм физиологической и молекулярной адаптации.
· Экстремофилы - это в основном прокариоты с ядерным материалом в цитоплазме и одноклеточные эукариоты.
· Археи - важная группа организмов, которые, как правило, являются экстремофилами из-за их способности адаптироваться к различным экстремальным условиям.
· Эти организмы обладают широким и разнообразным метаболическим разнообразием наряду с необычайными физиологическими способностями к обитанию в экстремальных условиях.
· Эти формы адаптации развиваются в результате различных эволюционных процессов в течение длительного периода времени.
Микроорганизмы при экстремальных температурах (психрофилы / термофилы /гипертермофилы)
Определение и характеристики психрофилов
· Психрофилы, буквально означающие холодолюбивые, представляют собой организмы, приспособленные к росту при низких температурах, имеющие оптимальную температуру роста более 15 ° C и максимальную температуру роста более 20 ° C.
· Психрофильные микроорганизмы успешно колонизировали все постоянно холодные среды от глубоководных районов до горных и полярных регионов.
· Поскольку температура более 80% биосферы Земли постоянно ниже 5 ° C, подходящие среды для психрофилов широко распространены и включают, среди прочего, океанские воды, вечную мерзлоту, ледники, антарктические скалы, снежные поля и полярные ледяные шапки.
· Некоторые из этих организмов, в зависимости от их оптимальной температуры роста, также известны под терминами психротолерант или психротроф.
· Психрофилы успешно преодолели две основные проблемы, возникающие при росте при низкой температуре: во-первых, низкая температура, поскольку любое снижение температуры экспоненциально влияет на скорость биохимических реакций; и, во-вторых, вязкость водных сред.
· Прокариотические психрофилы различаются по своей потребности и, действительно, толерантности к кислороду и включают (строго) аэробные, (строго) анаэробные и факультативные виды.
· В дополнение к экстремальным холодам, многие психрофилы переносят или в некоторых случаях требуют других экстремальных условий окружающей среды для роста и выживания.
· Например, глубоководным психрофилам может потребоваться высокое давление для роста, что делает их барофильными психрофилами.
Применение экстремофилов
· Эксремофильные ферменты были модельными системами для изучения эволюции ферментов, стабильности ферментов, активности, механизма, структуры белка, функции и биокатализатора в экстремальных условиях.
· Термофилы дали стабильную α-амилазу для гидролиза крахмала, оксилоназы для отбеливания бумаги и протеазы для пивоварения и для моющих средств.
· Щелочные активные протеазы, амилазы, целлюлазы, маннаназы, липазы и т.д. используются в рецептурах моющих средств для стирки и мытья посуды, поскольку они эффективны при удалении пятен и обеспечивают эффективную низкотемпературную (30-40 °C) стирку.
· Некоторые виды ацидофильных микроорганизмов можно использовать не только для снижения загрязнения шахтных вод, но и для извлечения металлов из кислых сточных вод путем селективной биоминерализации.
· Экстраферменты, такие как Taq-полимераза от Thermus aquaticus, идеально подходят для использования в полимеразной цепной реакции, поскольку это уменьшает необходимость добавления дополнительной полимеразы во время реакции.
· Целлюлоза для различных экстремофильных организмов используется для обработки соков, осветления цвета в моющих средствах и обработки целлюлозосодержащей биомассы и сельскохозяйственных культур для улучшения их усвояемости и питательных качеств.
· Аналогичным образом, галофилы используются в качестве потенциального источника каротина, совместимых растворенных веществ, глицеринов и поверхностно-активных веществ для фармацевтического применения.
· Некоторые экстремофильные микроорганизмы могут также содержать большой резервуар новых терапевтических агентов — например, железосвязывающее противогрибковое соединение, пиохелин, выделенный из галофильных видов Pseudomonas.
· Термостабильная глюкокиназа из термофильных видов, Bacillus stereothermphiolus, может использоваться в качестве датчика для быстрого анализа глюкозы.
· Щелочные активные ферменты нашли несколько заметных применений в текстильной промышленности и переработке волокон в таких процессах, как подсечка хлопка и дегуммирование доменного волокна.
· Алкалифилы и их ферменты были опробованы в различных реакциях синтеза, наиболее важной из которых является синтез пептидов.
· Информация о микробном составе и биогеохимическом цикле экстремальных экосистем также помогает понять глобальные изменения, угрозы и возможности для живых существ.
· Ферменты экстремофилов также могут быть использованы в процессах биоремедиации, таких как очистка сточных вод и воздуха от токсинов и удаление металлических отходов из сточных вод и промышленных предприятий.
· Для производства и стерилизации изделий при различных условиях давления используются различные барофильные ферменты.