Психрофильные бактерии являются подтипом экстремофильных организмов, характеризующихся низкими температурами, обычно от -20 ° С до 10 ° С, и занимающими постоянно холодные места обитания. Эти организмы, как правило, являются бактериями или археями, однако существуют метазои, такие как лишайники, водоросли, грибы, нематоды и даже насекомые и позвоночные животные.

Холодная среда доминирует в биосфере Земли и колонизируется многочисленными и разнообразными микроорганизмами, которые играют потенциально важную роль в глобальных биогеохимических циклах.

Помимо поддержания низких температур, психрофильные организмы также должны быть адаптированы к другим экстремальным условиям, таким как высокое давление, высокая концентрация соли и высокая ультрафиолетовая радиация.

Психрофилы — кто они?

Многие из таких организмов — бактерии или археи , но некоторые эукариоты, такие как лишайники , снежные водоросли , грибы и бескрылые мошки , также относятся к психрофилам.

К бактериям, которые могут переносить экстремальные холода, относятся Arthrobacter sp., Psychrobacter sp. и члены родов Halomonas , Pseudomonas , Hyphomonas и Sphingomonas . Другой пример — Chryseobacterium greenlandensis , психрофил, обнаруженный во льдах возрастом 120 000 лет.

• Umbilicaria antarctica и Xanthoria elegans — это лишайники, фотосинтезирующие при температурах до -24 ° C и могут расти примерно до -10 ° C. Некоторые многоклеточные эукариоты также могут быть метаболически активными при минусовых температурах, например, некоторые хвойные деревья; представителисемейства Chironomidae все еще активны при -16 ° C.
• Penicillium — это род грибов, обитающих в самых разных средах, включая экстремальные холода.

Среди психрофильных насекомых Grylloblattidae или ледяные ползунки, обитающие на вершинах гор, имеют оптимальную температуру от 1 до 4 ° C. Бескрылая мошка (Chironomidae) Belgica antarctica может переносить соль, замораживание и сильный ультрафиолет, и у нее самый маленький из известных насекомых геном. Считается, что небольшой геном из 99 миллионов пар оснований может адаптироваться к экстремальным условиям.

Место обитания

Холодная среда, в которой обитают психрофилы, повсеместно распространена на Земле, поскольку большая часть поверхности нашей планеты испытывает температуры ниже 15 ° C. Они присутствуют в вечной мерзлоте, полярных льдах, ледниках, снежных полях и глубоководных водах океана . Эти организмы также можно найти в очагах морского льда с высоким содержанием соли.

Микробная активность измерялась в почвах, замерзших до температуры ниже -39 ° C. Помимо температурного предела, психрофилы также должны адаптироваться к другим экстремальным условиям окружающей среды, которые могут возникнуть в результате их среды обитания. Эти ограничения включают высокое давление в глубоком море и высокую концентрацию соли на некоторых морских льдах.

Группы психофилов

В зависимости от влияния температурного режима на рост и развитие клетки психрофилы подразделяют на несколько групп:

1. Облигатные (истинные) прсихрофилы – микроорганизмы с оптимальной температурой развития +15°Cи ниже, и максимальной не превышающей +20°C. Данная группа микробов распространена только в местах с постоянно низкой температурой.Они формируют естественный микробоценоз регионов вечного холода.
2. Факультативные психрофиллы (психотрофные или психроактивные) – микробы, развивающиеся при 0°C, но температурный оптимум развития данной группы микроорганизмов выше, и составляет +25°C–+30°C, а температурный максимум +35°C. Микроорганизмы данной подгруппы часто обнаруживают в почве и воде в условиях холодного или умеренного климата.

Особенности психрофилов

По современным представлением способности расти и развиваться при пониженных температурах психрофилы обязаны следующим особенностям:

• содержанию в клетках ферментов, имеющих низкую температуру активизации и способных эффективно функционировать в условиях низких температур, при +30°Cэти ферменты утрачивают способность к катализу соответствующих процессов;
• высокая проницаемость мембран при низких температурах обеспечивается наличием в липидах большого количества ненасыщенных жирных кислот;
• полисомы образуются и в условиях низких температурных режимов.

Типы психрофилов и примеры

Одноклеточные организмы

Разнообразие одноклеточных психрофилов очень велико, среди них можно отметить представителей большинства бактериальных линий: ацидобактерии, актинобактерии, бактероидеты, хлорофлексы, цианобактерии, Firmicutes, Gemmatimonadetes, OP10 и Planctomycetes.

Кроме того, протеобактерии и веррукомикробия были обнаружены в арктических, антарктических и альпийских криоконитах. Они также были обнаружены в Гренландии, Канаде, Тибете и Гималаях..

Среди психрофильных цианобактерий мы находим Leptolvngbva, Phormidium и носток. Другие распространенные жанры одноклеточные Aphanothece, Chroococcus и Charnaesiphon, и нитевидный Oscillatoria, Microcoleus, Schizothrix, Anabaena, Calothrix, Crinalium и Plectonerna.

Плюрицеллюлярные организмы

Среди психофильных насекомых можно назвать род Diamesa Гималаев (Непал), который остается активным до достижения температуры -16 ° C.

Также есть апартусный комар (без крыльев), Бельгия Антарктида, 2-6 мм длиной, эндемично для Антарктиды. Это единственное насекомое на континенте и единственное животное исключительно наземное.

Позвоночные животные также могут быть психрофильными. Некоторые примеры включают небольшое количество лягушек, черепах и змей, которые используют замораживание внеклеточной воды (вода вне клеток) в качестве стратегии выживания, чтобы защитить свои клетки в течение зимы.

Антарктическая нематода Панагролаймус давиди может пережить замерзание внутриклеточной воды и впоследствии отрастать и размножаться.

Кроме того, рыбы семейства Channichthyidae, обитающие в холодных водах Антарктиды и южной части Южной Америки, используют антифризные белки для защиты своих клеток от полного замерзания..

Температуры роста и психофильные организмы

Максимальная температура (Т_Макс) роста организма является самым высоким, что это может терпеть. Пока оптимальная температура (Т_{выбирать}) роста это тот, в котором организм растет быстрее.

Обычно считается, что все организмы, которые выживают и развиваются в условиях низкой температуры, являются психрофильными. Однако, как мы знаем, термин психрофильных его следует применять только к тем организмам, у которых T_Макс составляет 20 ° C (то есть они не могут выжить при более высоких температурах).

Микроорганизмы были выделены из очень холодных областей, которые могут расти в лабораторных условиях при температуре выше 20 ° C, что указывает на то, что, хотя они адаптированы к низким температурам, их не следует считать психрофильными. Эти микроорганизмы называются «мезотолерантами», то есть они переносят средние температуры.

Methanococcoides burtonii и Methanogenium frigidum в озере Эйс

Methanococcoides burtonii Экстремофильная и метаногенная дуга, выделенная из озера Ас в Антарктиде, где температура колеблется от 1 до 2 ° С. Однако в ходе лабораторных исследований было установлено, что его Т_{выбирать} при росте составляет 23 ° С и Т_Макс 28 ° С, поэтому его не следует считать психрофильным.

Methanogenium frigidum это также метаногенные и галофильные археи (которые переносят соль посередине), выделенные из самого озера Ас и которые в лаборатории представляют Т_{выбирать} 15 ° С и Т_Макс 18 ° C, можно классифицировать его как psicrófilo.

Психрофил можно считать М. фригидум он должен быть лучше адаптирован к низким температурам, которые М. Бертонии. однако, М. Бертонии растет быстрее чем М. фригидум при температуре от 1 до 2 ° C в озере Эйс.

Эти данные указывают на то, что существуют и другие факторы окружающей среды (биотические и абиотические), помимо температуры, которые влияют на рост популяции этих микроорганизмов в их естественной среде обитания..

Выживание организма в данной среде зависит от сочетания множества факторов окружающей среды, а не от воздействия только одного. С другой стороны, каждый микроорганизм предъявляет особые требования (отличные от температуры), что также влияет на его производительность.

В случае М. Бертонии и М. фригидум, Известно, что каждый из них использует разные источники углерода и энергии: М. Бертонии использует метилированные субстраты, в то время как М. фригидум использовать H₂: CO₂ для вашего роста. Озеро Ас пропитано метаном, что способствует росту М. Бертонии.

Sphingopyxis alaskensis и галоархии

Sphingopyxis alaskensis является бактерией, изолированной от морских вод северного полушария, где преобладают температуры 4 — 10 ° C. С другой стороны, галоархеи, которые являются археями, населяющими воды, насыщенные солью, растут при -20 ° С..

Несмотря на высокую плотность населения в естественной среде обитания, ни один из этих микроорганизмов нельзя культивировать в лаборатории при температуре ниже 4 ° C..

по очереди, S. alaskensis имеет Т_Макс 45 ° C и галоархии могут расти при температуре выше 30 ° C, поэтому их нельзя считать психрофильными. Тем не менее, их население хорошо адаптировано и очень распространено в чрезвычайно холодных районах.

Исходя из вышесказанного, мы можем предположить, что существуют другие ограничивающие факторы окружающей среды, которые влияют на выживание этих организмов в их естественной среде обитания, и температура не является самым важным фактором.

Психротрофные насекомые

Психротрофные насекомые могут переносить низкие температуры посредством нескольких общих механизмов (в отличие от условно-патогенных и чувствительных к холоду насекомых):

• устойчивость к холоду
• избегание замораживания
• устойчивость к замораживанию

Устойчивые к холоду насекомые гибнут от отрицательных температур после длительного воздействия умеренных или умеренных отрицательных температур. Избегающие замораживания насекомые могут выжить в течение продолжительных периодов времени при температурах ниже нуля в переохлажденном состоянии, но погибают в точке переохлаждения .

Устойчивые к замораживанию насекомые могут пережить образование кристаллов льда внутри своего тела при минусовых температурах. Утверждается, что устойчивость к замораживанию у насекомых является непрерывной, при этом некоторые виды насекомых проявляют частичную (например, Tipula paludosa , Hemideina thoracica ), умеренную (например, Cryptocercus punctulatus ) и сильную устойчивость к замораживанию (например, Eurosta solidaginis и Syrphus ribesii ) , и другие виды насекомых, демонстрирующие морозостойкость с низкой температурой переохлаждения (например, Pytho deplanatus).

Читайте далее: