termofilik adalah subtipe dari extremophiles ditandai dengan tinggi toleransi terhadap suhu antara 50 ° C dan 75 ° C, baik karena nilai-nilai ini dipertahankan suhu di lingkungan yang ekstrim ini, atau karena sering mencapai.
Organisme termofilik umumnya bakteri atau archaea, namun ada metazoa (organisme eukariotik yang heterotrofik dan jaringan), yang juga berkembang di tempat-tempat panas.
Gambar 1. Gurun Atacama, di Chili, salah satu tempat terkering di dunia. Sumber: pixabay.com
Organisme laut juga diketahui, yang bersimbiosis dengan bakteri termofilik, dapat beradaptasi dengan suhu tinggi ini dan juga telah mengembangkan mekanisme biokimia seperti hemoglobin termodifikasi, volume darah tinggi , antara lain, yang memungkinkan mereka mentolerir toksisitas sulfida dan senyawa. .sulfur.
Prokariota termofilik diyakini sebagai sel sederhana pertama dalam evolusi kehidupan dan menghuni tempat-tempat dengan aktivitas vulkanik dan geyser di lautan.
Contoh organisme termofilik jenis ini adalah mereka yang hidup di sekitar lubang hidrotermal atau lubang di dasar lautan, seperti bakteri metanogenik (penghasil metana) dan annelid Riftia pachyptila.
Habitat utama di mana thermophiles dapat ditemukan adalah:
- Lingkungan hidrotermal terestrial.
- Lingkungan hidrotermal laut.
- Gurun panas.
Indeks artikel
Karakteristik organisme termofilik
Suhu: faktor abiotik penting untuk perkembangan mikroorganisme
Suhu merupakan salah satu faktor lingkungan utama yang menentukan pertumbuhan dan kelangsungan hidup makhluk hidup. Setiap spesies memiliki kisaran suhu di mana ia dapat bertahan hidup, namun memiliki pertumbuhan dan perkembangan yang optimal pada suhu tertentu.
Laju pertumbuhan setiap organisme versus suhu dapat dinyatakan secara grafis, memperoleh nilai yang sesuai dengan suhu kritis yang penting (minimum, optimum dan maksimum).
Suhu minimum
Pada suhu pertumbuhan minimum suatu organisme, terjadi penurunan fluiditas membran sel dan proses transportasi dan pertukaran bahan, seperti masuknya nutrisi dan keluarnya zat beracun, dapat dihentikan.
Antara suhu minimum dan suhu optimum, laju pertumbuhan mikroorganisme meningkat.
Suhu optimal
Pada suhu optimal, reaksi metabolisme terjadi dengan efisiensi setinggi mungkin.
Suhu maksimum
Di atas suhu optimal, terjadi penurunan laju pertumbuhan hingga suhu maksimum yang dapat ditoleransi oleh setiap organisme.
Pada suhu tinggi ini, protein struktural dan fungsional seperti enzim didenaturasi dan dinonaktifkan, karena mereka kehilangan konfigurasi geometris dan konfigurasi spasial tertentu, membran sitoplasma pecah dan lisis atau pecah termal terjadi karena efek panas.
Setiap mikroorganisme memiliki suhu operasi dan pengembangan minimum, optimal dan maksimum. Termofil memiliki nilai yang sangat tinggi pada ketiga suhu ini.
Ciri ciri organisme termofilik
- Organisme termofilik memiliki tingkat pertumbuhan yang tinggi, tetapi masa hidup yang pendek.
- Mereka memiliki sejumlah besar lemak jenuh atau lipid rantai panjang di membran selnya; lemak jenuh jenis ini mampu menyerap panas dan berubah menjadi bentuk cair pada suhu tinggi (mencair), tanpa hancur.
- Protein struktural dan fungsionalnya sangat stabil terhadap panas (termostabil), melalui ikatan kovalen dan gaya antarmolekul khusus yang disebut gaya hamburan London.
- Mereka juga memiliki enzim khusus untuk mempertahankan fungsi metabolisme pada suhu tinggi.
- Diketahui bahwa mikroorganisme termofilik ini dapat menggunakan senyawa sulfida dan belerang yang melimpah di daerah vulkanik, sebagai sumber nutrisi untuk mengubahnya menjadi bahan organik.
Klasifikasi organisme termofilik
Organisme termofilik dapat dibagi menjadi tiga kategori besar:
- Termofil sedang, (optimal antara 50-60 ° C).
- Termofil ekstrem (optimal mendekati 70 ° C).
- Hipertermofil (optimal mendekati 80 ° C).
Organisme termofilik dan lingkungannya
Lingkungan hidrotermal terestrial
Situs hidrotermal sangat umum dan tersebar luas. Mereka secara luas dapat dibagi menjadi yang terkait dengan daerah vulkanik dan yang tidak.
Lingkungan hidrotermal dengan suhu tertinggi umumnya terkait dengan fitur vulkanik (kaldera, sesar, batas lempeng tektonik, cekungan busur belakang), yang memungkinkan magma naik ke kedalaman di mana magma dapat langsung berinteraksi dengan kedalaman air tanah.
Gambar 2. Tatio Geyser, Atacama, Chili. Sumber: Diego Delso [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]
Hot spot juga sering disertai dengan karakteristik lain yang membuat hidup sulit untuk berkembang, seperti ekstrim nilai pH, organik materi , komposisi kimia dan salinitas.
Penduduk lingkungan hidrotermal terestrial, oleh karena itu, bertahan hidup di hadapan berbagai kondisi ekstrim. Organisme ini dikenal sebagai polyextremophiles.
Contoh organisme yang menghuni lingkungan hidrotermal terestrial
Organisme milik ketiga domain (eukariotik, bakteri, dan archaea) telah diidentifikasi di lingkungan hidrotermal terestrial. Keanekaragaman organisme ini ditentukan terutama oleh suhu.
Sementara beragam spesies bakteri menghuni lingkungan termofilik sedang, fotoautotrof dapat mendominasi komunitas mikroba dan membentuk struktur seperti “tikar” atau “karpet” makroskopik.
“Tikar fotosintesis” ini terdapat di permukaan mata air panas yang paling netral dan basa (pH lebih besar dari 7,0) pada suhu antara 40-71 ° C, dengan cyanobacteria ditetapkan sebagai produsen dominan utama.
Di atas 55 ° C, tikar fotosintesis sebagian besar dihuni oleh cyanobacteria bersel tunggal seperti Synechococcus sp.
bakteri
Tikar mikroba fotosintesis juga dapat didominasi oleh bakteri dari genus Chloroflexus dan Roseiflexus , keduanya anggota ordo Chloroflexales.
Bila dikaitkan dengan cyanobacteria, Chloreflexus dan Roseiflexus spesies tumbuh optimal pada kondisi photoheterotrophic.
Jika pH asam, genus Acidiosphaera, Acidiphilium, Desulfotomaculum, Hydrogenobaculum, Methylokorus, Sulfobacillus Thermoanaerobacter, Thercarasulfobium dan Thercarasulfator adalah umum.
Dalam sumber hipertermofilik (antara 72-98 ° C) diketahui bahwa fotosintesis tidak terjadi, yang memungkinkan dominasi bakteri chemolytoautotrophic.
Organisme ini termasuk dalam filum Aquificae dan bersifat kosmopolitan; Mereka dapat mengoksidasi hidrogen atau belerang molekul dengan oksigen sebagai akseptor elektron dan memperbaiki karbon melalui jalur asam trikarboksilat pereduksi (rTCA).
lengkungan
Sebagian besar archaea yang dibudidayakan dan tidak dibudidayakan yang diidentifikasi di lingkungan termal netral dan basa termasuk dalam filum Crenarchaeota.
Spesies seperti Thermofilum pendens, Thermosphaera aggregans atau Stetteria hydrogenophila Nitrosocaldus yellowstonii , berkembang biak di bawah 77 ° C dan Thermoproteus neutrophilus, Vulcanisaeta distributa, Thermofilum pendens , Aeropyruni pernix, Desulfurococcus mobilis dan Ignisphaera, di sumber dengan suhu lebih tinggi dari 80 °.
Di lingkungan asam, archaea dari genus: Sulfolobus, Sulfurococcus, Metallosphaera, Acidianus, Sulfurisphaera, Picrophilus, Thermoplasma, Thennocladium dan Galdivirga ditemukan.
Eukariota
Di antara eukariota dari sumber netral dan basa, kita dapat menyebutkan Thermomyces lanuginosus, Scytalidium thermophilum, Echinamoeba thermarum, Marinamoeba thermophilia dan Oramoeba funiarolia.
Dalam sumber asam Anda dapat menemukan genus: Pinnularia, Cyanidioschyzon, Cyanidium atau Galdieria .
Lingkungan hidrotermal laut
Dengan suhu berkisar dari 2 ° C hingga lebih dari 400 ° C, tekanan lebih dari beberapa ribu pound per inci persegi (psi), dan konsentrasi tinggi hidrogen sulfida beracun (pH 2,8), ventilasi hidrotermal laut dalam mungkin yang paling ekstrem. lingkungan di planet kita.
Dalam ekosistem ini , mikroba berfungsi sebagai mata rantai terbawah dalam rantai makanan, memperoleh energinya dari panas bumi dan bahan kimia yang ditemukan jauh di dalam interior bumi.
Gambar 4. Lubang hidrotermal dan cacing tabung. Sumber: photolib.noaa.gov
Contoh fauna yang berasosiasi dengan lingkungan hidrotermal laut
Fauna yang terkait dengan sumber atau ventilasi ini sangat bervariasi, dan hubungan antara taksa yang berbeda belum sepenuhnya dipahami.
Di antara spesies yang telah diisolasi adalah bakteri dan archaea. Misalnya, archaea dari genus Methanococcus, Methanopyus, dan bakteri anaerob termofilik dari genus Caminibacter telah diisolasi .
Bakteri berkembang dalam biofilm yang banyak organisme seperti amphipoda, copepoda, siput, udang kepiting, cacing tabung, ikan, dan gurita memakan.
Gambar 5. Udang dari genus Rimicaris, penghuni fumarol. Sumber: NOAA Okeanos Explorer Program, Ekspedisi Mid-Cayman Rise 2011
Skenario umum adalah akumulasi kerang, Bathymodiolus thermophilus , lebih dari 10 cm, mengelompok di celah-celah di lava basaltik. Ini biasanya disertai dengan banyak kepiting galateid ( Munidopsis subsquamosa ).
Salah satu organisme paling tidak biasa yang ditemukan adalah cacing tabung Riftia pachyptila , yang dapat berkelompok dalam jumlah besar dan mencapai ukuran hampir 2 meter.
Cacing tabung ini tidak memiliki mulut, perut, atau anus (yaitu, mereka tidak memiliki sistem pencernaan); mereka adalah kantung yang benar-benar tertutup, tanpa membuka ke lingkungan eksternal.
Gambar 6. Cacing tabung Riftia pachyptila dengan anemon dan kerang. Sumber: NOAA Okeanos Explorer Program, Galapagos Rift Expedition 2011
Warna merah cerah pada ujung pulpen disebabkan oleh adanya hemoglobin ekstraseluler. Hidrogen sulfida diangkut melalui membran sel yang terkait dengan filamen bulu-bulu ini, dan melalui hemoglobin ekstraseluler mencapai “jaringan” khusus yang disebut trofosom, yang seluruhnya terdiri dari bakteri kemosintetik simbiosis.
Dapat dikatakan bahwa cacing ini memiliki “taman” internal bakteri yang memakan hidrogen sulfida dan menyediakan “makanan” bagi cacing, suatu adaptasi yang luar biasa.
Gurun panas
Gurun panas menutupi 14-20% permukaan bumi, kira-kira 19-25 juta km.
Gurun terpanas, seperti Sahara Afrika Utara dan gurun barat daya AS, Meksiko dan Australia, ditemukan di seluruh daerah tropis baik di belahan bumi utara dan selatan (antara sekitar 10 ° dan 30-40 ° lintang).
Jenis gurun
Ciri khas gurun yang panas adalah gersang. Menurut klasifikasi iklim Koppen-Geiger, gurun adalah daerah dengan curah hujan tahunan kurang dari 250 mm.
Namun, curah hujan tahunan bisa menjadi tingkat yang menyesatkan, karena kehilangan air adalah penentu anggaran air.
Jadi, definisi gurun menurut Program Lingkungan Perserikatan Bangsa-Bangsa adalah defisit kelembaban tahunan di bawah kondisi iklim normal, di mana evapotranspirasi potensial (PET) lima kali lebih besar dari curah hujan aktual (P).
PET tinggi lazim di gurun panas karena, karena kurangnya tutupan awan, radiasi matahari mendekati maksimum di daerah kering.
Gurun pasir dapat dibagi menjadi dua jenis menurut tingkat kegersangannya:
- Hyper arids: dengan indeks aridity (P/PET) kurang dari 0,05.
- Agregat: dengan indeks antara 0,05 dan 0,2.
Gurun dibedakan dari tanah semi-kering kering (P / PET 0,2-0,5) dan dari tanah kering sub-lembab (0,5-0,65).
Gurun memiliki karakteristik penting lainnya, seperti variasi suhu yang kuat dan salinitas tanah yang tinggi.
Di sisi lain, gurun biasanya dikaitkan dengan bukit pasir dan pasir, namun, gambar ini hanya sesuai dengan 15-20% dari semuanya; lanskap berbatu dan pegunungan adalah lingkungan gurun yang paling sering.
Contoh organisme termofilik gurun
Penghuni gurun yang bersifat thermophiles memiliki serangkaian adaptasi untuk menghadapi kesulitan yang timbul dari kurangnya hujan, suhu tinggi, angin, salinitas, dan lain-lain.
tanaman xerófitas memiliki strategi maju untuk menghindari keringat dan menyimpan air sebanyak mungkin. Sukulen atau penebalan batang dan daun adalah salah satu strategi yang paling sering digunakan.
Terbukti pada famili Cactaceae, di mana daunnya juga telah dimodifikasi dalam bentuk duri, baik untuk menghindari evapotranspirasi maupun untuk mengusir herbivora.
Gambar 7. Kaktus di Singapore Botanic Garden. Sumber: Img oleh Calvin Teo [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html), CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/ ) atau CC BY-SA 2.5 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5)], dari Wikimedia Commons
Genus Lithops atau tanaman batu, asli gurun Namibia, juga mengembangkan sukulen, tetapi dalam hal ini tanaman tumbuh rata dengan tanah, menyamarkan dirinya dengan batu di sekitarnya.
Gambar 8. Lithops herrei tanaman sukulen gurun seperti batu. Sumber: Stan Shebs, di Kebun Raya Universitas California
Di sisi lain, hewan yang hidup di habitat ekstrem ini mengembangkan segala macam adaptasi, dari fisiologis hingga etologis. Misalnya, apa yang disebut tikus kanguru menunjukkan buang air kecil dengan volume rendah dan dalam jumlah kecil, membuat hewan ini sangat efisien di lingkungan yang kekurangan air.
Mekanisme lain untuk mengurangi kehilangan air adalah peningkatan suhu tubuh; misalnya, suhu tubuh unta yang sedang beristirahat dapat meningkat di musim panas dari sekitar 34 ° C menjadi lebih dari 40 ° C.
Variasi suhu sangat penting dalam menghemat air, untuk hal-hal berikut:
- Peningkatan suhu tubuh berarti bahwa panas disimpan dalam tubuh alih-alih dikeluarkan melalui penguapan air. Nantinya, di malam hari, kelebihan panas bisa dikeluarkan tanpa membuang air.
- Perolehan panas dari lingkungan panas berkurang, karena gradien suhu berkurang.
Contoh lain adalah tikus pasir ( Psammomys obesus ), yang telah mengembangkan mekanisme pencernaan yang memungkinkan mereka untuk makan hanya pada tanaman gurun dari keluarga Chenopodiaceae, yang mengandung sejumlah besar garam di daun.
Gambar 9. Tikus pasir (Psammomys obesus). Sumber: Gary L. Clark [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], dari Wikimedia Commons
Adaptasi etologis (perilaku) hewan gurun sangat banyak, tetapi mungkin yang paling jelas menyiratkan bahwa siklus aktivitas-istirahat terbalik.
Dengan cara ini, hewan-hewan ini menjadi aktif saat matahari terbenam (aktivitas nokturnal) dan berhenti aktif saat fajar (istirahat siang hari), sehingga kehidupan aktif mereka tidak bertepatan dengan jam-jam terpanas.
Referensi
- Baker-Austin, C. dan Dopson, M. (2007). Kehidupan dalam asam: homeostasis pH pada asidofil. Tren Mikrobiologi 15, 165-171.
- Berry, JA dan Bjorkman, 0. (1980). Respon fotosintesis dan adaptasi suhu pada tumbuhan tingkat tinggi. Tinjauan Tahunan Fisiologi Tumbuhan 31, 491-534.
- Brock, TD (1978). Mikroorganisme Termofilik dan Kehidupan pada Suhu Tinggi. Springer-Verlag, New York, 378 hal.
- Campos, VL, Escalante, G., Jafiez, J., Zaror, CA dan Mondaca, AM (2009), Isolasi bakteri pengoksidasi arsenit dari biofilm alami yang terkait dengan batuan vulkanik di Gurun Atacama, Chili. Jurnal Mikrobiologi Dasar 49, 93-97.
- Cary, CS, Shank, T. dan Stein, J. (1998). Cacing berjemur di suhu ekstrim. Alam 391, 545-546.
- Chevaldonne, P, Desbruyeres, D. dan Childress, JJ (1992). Ada yang suka panas… dan ada yang lebih suka panas. Alam 359, 593-594.
- Evenari, M., Lange, 01., Schulze, ED, Buschbom, U. dan Kappen, L. (1975). Mekanisme adaptif pada tumbuhan gurun. Dalam: Vemberg, FJ (ed.) Adaptasi Fisiologis terhadap Lingkungan. Intext Press, Platteville, LISA, hal. 111-129.
- Gibson, AC (1996). Hubungan Struktur-Fungsi Tumbuhan Gurun Hangat. Springer, Heidelberg, Jerman, 216 hal.
- Talang, Y. (2002). Strategi Kelangsungan Hidup Tanaman Gurun Tahunan. Springer, Berlin, Jerman, 368 hal.
- Lutz, RA (1988). Penyebaran organisme di ventilasi hidrotermal laut dalam: ulasan. Oceanologica Acta 8, 23-29.
- Lutz, RA, Shank, TM, Fornari, DJ, Haymon, RM, Lilley, MD, Von Damm, KL dan Desbruyeres, D. (1994). Pertumbuhan cepat di ventilasi laut dalam. Alam 371, 663-664.
- Rhoads, DC, Lutz, RA, Revelas, EC dan Cerrato, RM (1981). Pertumbuhan bivalvia di ventilasi hidrotermal laut dalam di sepanjang Galapagos Rift. Sains 214, 911-913.
- Noy-Meir I. (1973). Ekosistem gurun: lingkungan dan produsen. Tinjauan Tahunan Sistem Ekologis 4, 25-51.
- Wiegel, J. dan Adams, MWW (1998). Termofil: kunci evolusi molekuler dan asal usul kehidupan. Taylor dan Francis, London, 346 hal.
