ESTREMOFILI: CARATTERISTICHE, TIPOLOGIE ED ESEMPI - BIOLOGIA - 2024

Gli estremofili sono organismi che vivono in ambienti estremi, cioè quelli che si discostano dalle condizioni in cui vivono organismi più conosciuti dall'uomo.

I termini "estremo" ed "estremofilo" sono relativamente antropocentrici, perché noi esseri umani valutiamo gli habitat ei loro abitanti, sulla base di ciò che sarebbe considerato estremo per la nostra stessa esistenza.

Figura 1. Tardigrades, un Phylum noto per la sua capacità di sopravvivere in ambienti molto difficili. Fonte: Willow Gabriel, Goldstein Lab, tramite Wikimedia Commons

A causa di quanto sopra, ciò che caratterizza un ambiente estremo è che presenta condizioni intollerabili per gli esseri umani per quanto riguarda la sua temperatura, umidità, salinità, luce, pH, disponibilità di ossigeno, livelli di tossicità, tra gli altri.

Da una prospettiva non antropocentrica, gli esseri umani potrebbero essere estremofili, a seconda dell'organismo che li ha valutati. Ad esempio, dal punto di vista di un organismo anaerobico rigoroso, per il quale l'ossigeno è tossico, gli esseri aerobici (come gli esseri umani) sarebbero estremofili. Per l'essere umano, al contrario, gli organismi anaerobici sono estremofili.

Origine del termine "Estremofili"

Attualmente definiamo come "estremi" numerosi ambienti all'interno e all'esterno del pianeta Terra e scopriamo costantemente organismi capaci, non solo di sopravvivere, ma anche di prosperare ampiamente in molti di essi.

RD Macelroy

Nel 1974, RD Macelroy ha proposto il termine "Estremofili" per definire questi organismi che mostrano una crescita e uno sviluppo ottimali in condizioni estreme, al contrario degli organismi mesofili, che crescono in ambienti con condizioni intermedie.

Secondo Macelroy:

"Extremophile è un descrittivo per organismi in grado di popolare ambienti ostili ai mesofili, o organismi che crescono solo in ambienti intermedi".

Ci sono due gradi fondamentali di estremismo negli organismi: quelli che possono tollerare una condizione ambientale estrema e diventare dominanti sugli altri; e quelli che crescono e si sviluppano in modo ottimale in condizioni estreme.

Caratteristiche degli ambienti estremi

La denominazione di un ambiente come "estremo" risponde a una costruzione antropica, basata sulla considerazione degli estremi lontani della linea di base di una determinata condizione ambientale (temperatura, salinità, radiazione, tra gli altri), che consente la sopravvivenza umana.

Tuttavia, questo nome deve essere basato su alcune caratteristiche di un ambiente, dal punto di vista dell'organismo che lo abita (piuttosto che dal punto di vista umano).

Queste caratteristiche includono: biomassa, produttività, biodiversità (numero di specie e rappresentazione di taxa superiori), diversità dei processi negli ecosistemi e adattamenti specifici all'ambiente dell'organismo in questione.

La somma totale di tutte queste caratteristiche denota le condizioni estreme di un ambiente. Ad esempio, un ambiente estremo è quello che generalmente presenta:

• Bassa biomassa e produttività
• Prevalenza delle forme di vita arcaiche
• Assenza di forme di vita superiori
• Assenza di fotosintesi e fissazione dell'azoto ma dipendenza da altre vie metaboliche e specifici adattamenti fisiologici, metabolici, morfologici e / o del ciclo vitale.

Tipi di estremofili su scala zoologica

Organismi unicellulari

Il termine Extremophilic si riferisce frequentemente ai procarioti, come i batteri, e talvolta è usato in modo intercambiabile con Archaea.

Tuttavia, esiste un'ampia varietà di organismi estremofili e la nostra conoscenza della diversità filogenetica negli habitat estremi aumenta quasi quotidianamente.

Sappiamo, ad esempio, che tutti gli ipertermofili (amanti del calore) sono membri di Archaea e Bacteria. Gli eucarioti sono comuni tra gli psicrofili (amanti del freddo), gli acidofili (amanti del pH basso), gli alcalofili (amanti del pH alto), gli xerofili (amanti degli ambienti asciutti) e gli alofili (amanti del sale).

Figura 2. Sorgente calda nel Parco Nazionale di Yellowstone negli Stati Uniti, i colori brillanti che queste sorgenti acquisiscono sono legati alla proliferazione di batteri termofili. Fonte: Jim Peaco, National Park Service, tramite Wikimedia Commons

Organismi multicellulari

Anche gli organismi multicellulari, come gli animali invertebrati e vertebrati, possono essere estremofili.

Ad esempio, alcuni psicrofili includono un piccolo numero di rane, tartarughe e un serpente, che durante l'inverno evitano il congelamento intracellulare nei loro tessuti, accumulando osmoliti nel citoplasma cellulare e permettendo il congelamento solo dell'acqua extracellulare (esterna alle cellule) .

Un altro esempio è il caso del nematode antartico Panagrolaimus davidi, che può sopravvivere al congelamento intracellulare (congelamento dell'acqua all'interno delle sue cellule), potendo crescere e riprodursi dopo lo scongelamento.

Anche i pesci della famiglia Channichthyidae, abitanti delle fredde acque dell'Antartide e del sud del continente americano, utilizzano proteine ​​antigelo per proteggere le loro cellule dal loro completo congelamento.

Poly-Extremophiles

I poliestremofili sono organismi che possono sopravvivere a più di una condizione estrema contemporaneamente, essendo quindi comuni in tutti gli ambienti estremi.

Ad esempio, piante del deserto che sopravvivono al calore estremo, nonché a una limitata disponibilità di acqua e spesso ad alta salinità.

Un altro esempio potrebbero essere gli animali che abitano i fondali marini, che sono in grado di sopportare pressioni estremamente elevate, come la mancanza di luce e la mancanza di sostanze nutritive, tra le altre.

Tipi più comuni di ambienti estremi

Gli estremi ambientali sono tradizionalmente definiti in base a fattori abiotici, come:

• Temperatura.
• Disponibilità di acqua.
• Pressione.
• pH.
• Salinità.
• Concentrazione di ossigeno.
• Livelli di radiazione.

Gli estremofili sono descritti in modo simile sulla base delle condizioni estreme che sopportano.

Gli ambienti estremi più importanti che possiamo riconoscere in base alle loro condizioni abiotiche sono:

Ambienti estremamente freddi

Gli ambienti estremamente freddi sono quelli che persistono o cadono frequentemente per periodi (brevi o lunghi) di temperature inferiori ai 5 ° C. Questi includono i poli della Terra, le regioni montuose e alcuni habitat oceanici profondi. Anche alcuni deserti molto caldi durante il giorno hanno temperature molto basse di notte.

Ci sono altri organismi che vivono nella criosfera (dove l'acqua è allo stato solido). Ad esempio, gli organismi che vivono in matrici di ghiaccio, permafrost, sotto manti nevosi permanenti o periodici, devono tollerare molteplici estremi, inclusi freddo, essiccazione e alti livelli di radiazioni.

Ambienti con calore estremo

Gli habitat estremamente caldi sono quelli che rimangono o raggiungono periodicamente temperature superiori ai 40 ° C. Ad esempio, deserti caldi, siti geotermici e prese d'aria idrotermali di acque profonde.

Sono spesso associati a temperature estremamente elevate, ambienti in cui l'acqua disponibile è molto limitata (persistentemente o per periodi di tempo regolari), come deserti caldi e freddi e alcuni habitat endolitici (che si trovano all'interno delle rocce).

Ambienti a pressione estrema

Altri ambienti sono soggetti ad alta pressione idrostatica, come le zone bentoniche degli oceani e dei laghi profondi. A queste profondità, i suoi abitanti devono sopportare pressioni superiori a 1000 atmosfere.

In alternativa, ci sono estremi ipobarici (di bassa pressione atmosferica), in montagna e in altre regioni elevate del mondo.

Figura 3. Fumarole marine o bocchette idrotermali. Esempio di ambiente estremo abitato da un'intera comunità di organismi, in cui sono presenti pressioni e temperature elevate, oltre a scariche solforose. Fonte: NOAA, tramite Wikimedia Commons

Ambienti acidi e alcalini estremi

In generale, gli ambienti estremamente acidi sono quelli che mantengono o raggiungono regolarmente valori inferiori a pH 5.

Il pH basso, in particolare, aumenta la condizione “estrema” di un ambiente, poiché aumenta la solubilità dei metalli presenti e gli organismi che li vivono devono essere adattati per affrontare molteplici estremi abiotici.

Al contrario, gli ambienti estremamente alcalini sono quelli che rimangono o registrano regolarmente valori di pH superiori a 9.

Esempi di ambienti con pH estremo includono laghi, acque sotterranee e terreni altamente acidi o alcalini.

Figura 4. L'aragosta nana (Munidopsis polymorpha), abitante delle caverne ed endemica dell'isola di Lanzarote, Isole Canarie. Tra gli adattamenti tipici a questo tipo di ambienti rupestri estremi ci sono: riduzione delle dimensioni, pallore e cecità. Fonte: flickr.com/photos//5582888539

Ambienti ipersalini e anossici

Gli ambienti ipersalini sono definiti come quelli con concentrazioni saline maggiori di quelle dell'acqua di mare, che ha 35 parti per mille. Questi ambienti includono laghi ipersalini e salini.

Con "salina" non ci riferiamo solo alla salinità dovuta al cloruro di sodio, in quanto potrebbero esserci ambienti salini dove il sale predominante è qualcos'altro.

Figura 5. Colorazione rosa dell'acqua nella Salina Las Cumaraguas, nello stato di Falcón in Venezuela. La colorazione rosa è il prodotto di un'alga chiamata Dunaliella salina, in grado di resistere ad alte concentrazioni di cloruro di sodio presente nella soluzione salina. Fonte: HumbRios, da Wikimedia Commons

Anche gli habitat con ossigeno libero limitato (ipossico) o in assenza di ossigeno (anossico), persistentemente o ad intervalli regolari, sono considerati estremi. Ad esempio, ambienti con queste caratteristiche sarebbero i bacini anossici negli oceani e nei laghi e gli strati di sedimenti più profondi.

Figura 6. Artemia monica, un crostaceo che vive a Mono Lake, in California (USA), un ambiente salino (bicarbonato di sodio) e un pH elevato. Fonte: photolib.noaa.gov

Ambienti ad alta radiazione

Anche le radiazioni ultraviolette (UV) o infrarosse (IR) possono imporre condizioni estreme agli organismi. Gli ambienti con radiazioni estreme sono quelli esposti a radiazioni anormalmente elevate o radiazioni al di fuori dell'intervallo normale. Ad esempio, ambienti polari e di alta quota (terrestri e acquatici).

Phaeocystis pouchetii

Alcune specie mostrano meccanismi evasivi di elevate radiazioni UV o IR. Ad esempio, l'alga Phaeocystis pouchetii produce "filtri solari" solubili in acqua che assorbono fortemente le lunghezze d'onda UV-B (280-320 nm) e proteggono le sue cellule da livelli estremamente elevati di UV-B entro 10 m. colonna d'acqua superiore (dopo la rottura del ghiaccio marino).

Deinococcus radiodurans

Altri organismi tollerano molto le radiazioni ionizzanti. Ad esempio, il batterio Deinococcus radiodurans può preservare la sua integrità genetica compensando danni estesi al DNA dopo l'esposizione a radiazioni ionizzanti.

Questo batterio utilizza meccanismi intercellulari per limitare la degradazione e limitare la diffusione dei frammenti di DNA. Inoltre, ha proteine ​​di riparazione del DNA altamente efficienti.

Astyanax hubbsi

Anche in ambienti con radiazioni apparentemente basse o assenti, gli organismi estremofili sono adattati per rispondere ai cambiamenti nei livelli di radiazione.

Ad esempio, l'Astyanax hubbsi, un pesce cieco messicano che vive in una grotta, non ha strutture oculari superficialmente percettibili, ma può distinguere piccole differenze nella luce ambientale. Usano fotorecettori extraoculari per rilevare e rispondere agli stimoli visivi in ​​movimento.

Figura 7. Pesce cieco del genere Astyanax, abitante delle caverne. Fonte: Shizhao, da Wikimedia Commons

Estremi antropogenici

Attualmente viviamo in un ambiente in cui vengono imposte condizioni ambientali estreme, generate artificialmente come effetto delle attività umane.

I cosiddetti ambienti di impatto antropogenico sono estremamente vari, di portata globale e non possono più essere ignorati quando si definiscono determinati ambienti estremi.

Ad esempio, gli ambienti colpiti da inquinamento (atmosferico, idrico e del suolo) -come i cambiamenti climatici e le piogge acide-, l'estrazione di risorse naturali, i disturbi fisici e il sovrasfruttamento.

Transizioni ed ecotoni

Oltre agli ambienti estremi sopra menzionati, gli ecologisti terrestri sono sempre stati consapevoli della natura speciale delle zone di transizione tra due o più comunità o ambienti diversi, come il limite degli alberi in montagna o il confine tra foreste e praterie. . Questi sono chiamati cinghie di tensione o ecotoni.

Gli ecotoni esistono anche nell'ambiente marino, ad esempio, la transizione tra ghiaccio e acqua rappresentata dal bordo del ghiaccio marino. Queste zone di transizione mostrano tipicamente una maggiore diversità di specie e densità di biomassa rispetto alle comunità fiancheggianti, in gran parte perché gli organismi che vivono in esse possono trarre vantaggio dalle risorse degli ambienti adiacenti, il che può dare loro un vantaggio.

Tuttavia, gli ecotoni sono in continuo cambiamento e regioni dinamiche, spesso mostrando una gamma più ampia di variazione nelle condizioni abiotiche e biotiche su un periodo annuale rispetto agli ambienti adiacenti.

Questo potrebbe essere ragionevolmente considerato "estremo" perché richiede agli organismi di adattare continuamente il loro comportamento, la fenologia (clima stagionale) e le interazioni con altre specie.

Le specie che vivono su entrambi i lati dell'ecotono sono spesso più tolleranti alle dinamiche, mentre le specie il cui areale è limitato a un lato sperimentano l'altro lato come estremo.

In generale, queste zone di transizione sono spesso anche le prime ad essere interessate da cambiamenti climatici e / o perturbazioni, sia naturali che antropiche.

Animali e piante con varie fasi o fasi

Non solo gli ambienti sono dinamici, e possono o non possono essere estremi, ma gli organismi sono anche dinamici e hanno cicli di vita con fasi diverse, adattati a particolari condizioni ambientali.

Può accadere che l'ambiente che sostiene una delle fasi del ciclo di vita di un organismo sia estremo per un'altra delle fasi.

Impianti

Ad esempio, la noce di cocco (Cocos nucifera) ha un seme adattato per il trasporto via mare, ma l'albero maturo cresce sulla terra.

Nelle piante vascolari spore, come felci e diversi tipi di muschi, il gametofito può essere privo di pigmenti fotosintetici, non avere radici e dipendere dall'umidità ambientale.

Mentre gli sporofiti hanno rizomi, radici e germogli che resistono a condizioni di caldo e secco in pieno sole. La differenza tra sporofiti e gametofiti è nello stesso ordine delle differenze tra i taxa.

Animali

Un esempio molto vicino sono gli stadi giovanili di molte specie, che sono generalmente intolleranti all'ambiente che di solito circonda l'adulto, quindi di solito richiedono protezione e cura durante il periodo durante il quale acquisiscono le capacità e le forze di cui hanno bisogno. consentono di affrontare questi ambienti.

Riferimenti

1. Kohshima, S. (1984). Un nuovo insetto tollerante al freddo trovato in un ghiacciaio himalayano. Nature 310, 225-227.
2. Macelroy, RD (1974). Alcuni commenti sull'evoluzione degli estremefili. Biosystems, 6 (1), 74-75. doi: 10.1016 / 0303-2647 (74) 90026-4
3. Marchant, HJ, Davidson, AT e Kelly, GJ (1991), composti protettivi UV-B nell'alga marina Phaeocystis pouchetti dall'Antartide. Marine Biology 109, 391-395.
4. Oren, A. (2005). Cento anni di ricerca Dunaliella: 1905-2005. Saline Systems 1, doi: 10.1186 / 1746-1448 -1-2.
5. Rothschild, LJ e Mancinelli, RL (2001). Vita in ambienti estremi. Nature 409, 1092-1101.
6. Schleper, C., Piihler, G., Kuhlmorgen, B. e Zillig, W. (1995). Lite a pH estremamente basso. Nature 375, 741-742.
7. Storey, KB e Storey, JM (1996). Sopravvivenza al congelamento naturale negli animali. Revisione annuale di ecologia e sistematica 27, 365-386.
8. Teyke, T. e Schaerer, S. (1994) Il pesce cieco delle caverne messicano (Astyanax hubbsi) risponde a stimoli visivi in ​​movimento. Journal of Experimental Biology 188, 89-1 () 1.
9. Yancey, PI I., Clark, ML, Eland, SC, Bowlus RD e Somero, GN (1982). Vivere con lo stress idrico: evoluzione dei sistemi osmolitici. Science 217, 1214-1222.