Нас всегда удивляет тот факт, что в горячих средах могут обитать живые организмы. Чаще всего - это микроорганизмы, о прибывании которых в средах обитания с повышенной температурой мы можем судить иногда только по косвенным факторам (выделение газов, изменение цвета воды или почвы и др.).
Мы часто употребляем понятие "микроорганизмы", понимая, что это настолько мелкие организмы, что их можно увидеть только при значительном увеличении, используя различные микроскопы. Сегодня постараемся конкретно узнать, какие организмы относятся к этой "сборной" группе, какие конкретные царства живых организмов они представляют. А затем уже откроем для себя среди всех микроорганизмов те, которые любят высокие температуры для своей жизни, то есть являются термофильными.
Итак, вот определение понятия: "МИКРООРГАНИ́ЗМЫ (микробы), название сборной группы мельчайших, преимущественно одноклеточных, организмов, не видимых невооружённым глазом (размером менее 0,1 мм). К ним относятся все прокариоты (бактерии и археи), а также микроскопические представители эукариотических организмов: грибы и протисты (водоросли, простейшие). Иногда к микроорганизмам относят также вирусы, которые обычно выделяют в особую группу."(https://bigenc.ru/c/mikroorganizmy-2b4015)
В поле нашего зрения попадают бактерии и археи (прокариоты), грибы и протисты (эукариоты).
Сегодня мы подробнее узнаем о термофильных бактериях. Бактерии - это одноклеточные микроорганизмы, у которых нет оформленного клеточного ядра. Это самый распространенный вид живых организмов, которые обитают на Земле.
Бактерии можно встретить везде: в пресных и солёных водоёмах, в горячих источниках, на поверхности льдов, в почве и на её поверхности, внутри и снаружи тел других организмов.
Какие бактерии живут в горячих средах, чем они отличаются от других бактерий и какие самые высокие температуры могут выдерживать?
Оказывается, что к термофильным бактериям относятся бактерии, которые способны к жизнедеятельности в среде с температурой выше 50 °C. Часто - это "враждебные места" для жизни в нашем понимании. Такие бактерии могут жить, например, в гидротермальных источниках и почвах, вулканах наземных и подводных мест, в пустынях. В зависимости от диапазона температур, пригодных для их жизни, эти микроорганизмы классифицируются как термофилы, экстремальные термофилы и гипертермофилы.
Определённые показатели температур находятся в сочетании с определёнными показателями pH среды, концентраций солей и химических соединений (органических и неорганических), которые могут сопутствовать высоким температурам. В зависимости от этих конкретных условий среды в ней разовьется тот или иной вид термофильных бактерий.
Термофилы живут в диапазоне температур от 50 до 68 °C, оптимум роста - более 60 °C.
Экстремальные термофилы процветают в диапазоне от 35 до 70 °С, при оптимальных показателях 65 °C.
Гипертермофилы хорошо себя чувствуют в диапазоне температур от 60 до 115 °C, с оптимальным ростом при ≥80 °C. (ru.sperohope.com)
Пример термофильных бактерий - Geobacillus stearotermophilus, широко распространена в почве, горячих источниках, океанских отложениях и вызывает порчу пищевых продуктов.
К экстремальным термофилам можно отнести Deferribacter desulfuricans.
Впервые эти термофильные бактерии были выделены из глубоководного гидротермального источника. Штамм Deferribacter desulfuricans ( SSM1T ) был обнаружен в глубоководном гидротермальном жерле на острове Суийо в Японском архипелаге. Им оказался анаэробный гетеротроф, способный использовать разнообразные органические соединения и восстанавливать серу, нитрат и арсенат (соль мышьяковой кислоты H₃AsO₄.).
Aquifex aeolicus - бактерия гипертермофил. К этому виду относятся бактерии длиной от 2 до 6 мкм и диаметром около 0,5 мкм. Они лучше всего развиваются в воде при температуре от 85 до 95 °С и обитают вблизи подводных вулканов и горячих источников. Были обнаружены около островов к северу от Сицилии.
Эти бактерии в процессе дыхания производят воду в качестве побочного продукта, что нашло отражение в названии рода подобных бактерий - «Aquifex» означает «создающий воду». Они нуждаются в кислороде, хотя могут переносить низкое содержание его в воде.
Подобные бактерии, как правило, образуют группы - конгломераты, которые включают в себя до 100 отдельных клеток.
Приспособленность бактерий к высоким температурам:
1) особенности клеточной мембраны - она содержит большое количество насыщенных липидов с длинной цепью, что позволяет выдерживать высокие температуры, поддерживать проницаемость и гибкость, обмениваться веществами с окружающей средой, не разрушая себя; липиды, клеточных мембран, содержащие насыщенные жирные кислоты, имеют более высокую точку плавления по сравнению с липидами, содержащими ненасыщенные жирные кислоты.
2) белки обычно денатурируют при высоких температурах, но белки, присутствующие в термофильных бактериях, обладают ковалентными связями, которые взаимодействуют гидрофобно. Эта особенность обеспечивает устойчивость белкам.
3) ферменты, продуцируемые термофильными бактериями, являются термостабильными белками,так как они выполняют свои функции в среде обитания без потери своей конфигурации;
часто высокая термостабильность достигается в результате изменения первичной структуры белковой молекулы; если сравнивать лактатдегидрогеназу (внутриклеточный фермент, участвующий в углеводном обмене) мезофильных (бактерии, для жизни которых необходима температура между 20 и 45 °C.) и термофильных бактерий рода Bacillus, то обнаруживается увеличенное содержание основных аминокислот аргинина и лизина в активном центре лактатдегидрогеназ у термофилов;
устойчивость ферментов термофилов обеспечивается также ионами Са2+, кофакторами и другими агентами, которые связываются с этими ферментами;
4) экстремальные термофильные бактерии отличаются повышенным содержанием гуанина и цитозина в ДНК, что придает стабильность и повышает точку плавления этим молекулам. (https://studfile.net/preview/2283453/page:10/)
Есть особые гидротермальные источники воды на дне океанов. Они получили название "чёрные курильщики". Их можно встретить на глубине от двух до пяти тысяч метров в рифтовых долинах океанских подводных хребтов. Здесь через толщу коры океанического дна вырываются под давлением струи очень горячей воды (источник её нагрева - вулканическое тепло). Эти образования на дне морей и океанов были открыты сравнительно недавно - в 1978 году.
При прохождении воды по трещинам литосферы дна в ней растворяется много сероводорода, сульфидов и оксидов металлов. Попадая в более холодную среду, растворы охлаждаются, и из них выпадают твёрдые осадки, имеющие в общей массе своей чёрный цвет.
Вулканические газы и перегретый водяной пар, вырывающиеся из трещин дна океана, содержат большое количество сероводорода, водорода, метана, а также ионов двухвалентного железа и марганца. При соприкосновении с морской водой происходят химические реакции, в результате которых образуются твёрдые осадки:
Именно они и придают струям вырывающейся воды чёрный клубящийся вид.
Надо учесть и тот факт, что эти осадки, падая на дно, постепенно формируют вокруг горячего источника твёрдый конус, похожий на трубу. Высота такой конической трубы может достигать нескольких десятков метров. В этих местах дно напоминает мистическую фабрику, из труб которой валит чёрный дым.
Как выяснилось, "основу биомасс гидротермальных оазисов составляют хемосинтезирующие бактерии, которые образуют новое органическое вещество за счёт окисления химического букета, выносимого горячей водой."(https://naukatehnika.com/gidrotermalnyie-oazisyi-benticheskoj-pustyini-2.html)
Вопреки набору экстремальных факторов, вокруг Чёрных курильщиков образовалось уникальное сообщество живых организмов. В основе этого сообщества лежит образование микроорганизмами первичного органического вещества из углекислого газа за счет энергии химических связей восстановленных неорганических соединений - процесса хемолитоавтотрофии.
Микроорганизмы зон чёрных курильщиков способны использовать для получения энергии соединения серы, азота, угарный газ, метан, молекулярный водород, ионы двухвалентного железа и марганца. При этом осуществляется как аэробный, так и анаэробный процессы.
В самой верхней части трубы курильщика (температура около 350–200 градусов) практически никто не живёт.
Там, где стенки трубы имеют толщину 4–6 см (температура здесь равна 100–120 градусам) живут бактерии. Понятно, что это - гипертермофилы. Сплетения миллиардов бактериальных клеток, образуют так называемые бактериальные маты или подушки. Их площадь может доходить до нескольких квадратных метров, а толщина - до нескольких сантиметров. Ниже по вертикали трубки чёрного курильщика температура постепенно понижается, что позволяет на этих уровнях жить более высокоорганизованным жизненным формам, которые продолжают цепь питания, основой которой являются бактерии - термофилы.
Справедливости ради, надо сказать, что на дне океанов встречаются и белые курильщики - это тип более низкотемпературных, по сравнению с чёрными курильщиками, гидротермальных источников в гидротермальных зонах дна океанов. Основным материалом этих курильщиков является ангидрит и другие сульфаты, в отличие от черных курильщиков, в которых преобладают сульфиды.
В книге "Этюды о воде" воспроизводится описание события обнаружения белых курильщиков. Описание сначала появилось в интернет-публикациях:
"В подводном горном массиве в центре Атлантического океана были обнаружены белые конусы высотой до 60 м, рядом с которыми находятся образования более причудливой формы, а также многочисленные расщелины, заполненные белой породой. Эти термальные источники нового типа были названы "белыми курильщиками" или "затерянным городом" (англ. Lost City). "Белые курильщики" сложены из карбонатных пород. Вода, изливающаяся из них, нагревается за счет энергии, выделяющейся при реакции, протекающей между растворенными в морской воде веществами и оливином. Во время реакции оливин превращается в другой минерал - серпентин. При этом выделяются метан, водород и избыточное тепло. Изливающаяся вода разогрета меньше, от 15 - 20 до 50 - 80R C. В осадок выпадают такие минералы, как кальцит арагонит и брукит. Соединения серы и железа почти не присутствуют, источники распознаются по световым бликам в местах выхода водяных струй из глубины". (https://proza.ru/2018/03/05/528)
В этой же публикации сделан следующий вывод о белых курильщиках:
"Что касается белых курильщиков, то их фауна также разнообразна, хотя и не столь уникальна, как у "черных". Здесь обитают губки и кораллы, морские ежи и крабы. Но, как и "черные курильщики", "белые" покрыты бактериальными матами. Все эти бактерии и археобактерии питаются метаном и водородом."
Благодарю всех, кто дочитал эту статью до конца, оценил труд, поставив "класс", поделившись информацией, или подписался.
1. О горячих источниках Новозеландии можно узнать по ссылке: https://dzen.ru/a/ZSPvsouKX0PUWO_S
2. Об одном из обитателей чёрных курильщиков Тихого океана можете прочитать по ссылке: https://dzen.ru/a/Yyhj9wEszW5XysVc
