عشاق الحرارة: الخصائص والتصنيف والبيئات - مادة الاحياء - 2026

و أليف للحرارة هي نوع فرعي من القاسية التي تتميز ارتفاع درجات الحرارة ما بين 50 درجة مئوية و 75 درجة مئوية يتسامح، إما لأن المحافظة على هذه القيم درجة الحرارة في هذه البيئات المتطرفة، أو لأن الوصول إلى كثير من الأحيان.

الكائنات المحبة للحرارة هي بشكل عام بكتيريا أو عتائق ، ومع ذلك ، هناك metazoans (كائنات حقيقية النواة غير متجانسة وأنسجة) ، والتي تتطور أيضًا في الأماكن الحارة.

الشكل 1. صحراء أتاكاما ، في تشيلي ، واحدة من أكثر الأماكن جفافاً في العالم. المصدر: pixabay.com

من المعروف أيضًا أن الكائنات البحرية ، المرتبطة بالتعايش مع البكتيريا المحبة للحرارة ، يمكنها التكيف مع درجات الحرارة المرتفعة والتي طورت أيضًا آليات كيميائية حيوية مثل الهيموغلوبين المعدل ، وارتفاع حجم الدم ، من بين أمور أخرى ، مما يسمح لها بتحمل سمية الكبريتيدات والمركبات. كبريت.

يُعتقد أن بدائيات النوى المحبة للحرارة كانت أول خلايا بسيطة في تطور الحياة وتعيش في أماكن ذات نشاط بركاني وينابيع المياه الحارة في المحيطات.

ومن الأمثلة على هذا النوع من الكائنات المحبة للحرارة تلك التي تعيش بالقرب من الفتحات أو الفتحات الحرارية المائية في قاع المحيطات ، مثل البكتيريا الميثانوجينية (المنتجة للميثان) و Riftia pachyptila الحلقي.

الموائل الرئيسية حيث يمكن العثور على الحرارة هي:

• البيئات الحرارية المائية الأرضية.
• البيئات البحرية المائية الحرارية.
• الصحارى الساخنة.

خصائص الكائنات المحبة للحرارة

درجة الحرارة: عامل غير حيوي حاسم لتطور الكائنات الحية الدقيقة

تعتبر درجة الحرارة أحد العوامل البيئية الرئيسية التي تحدد نمو الكائنات الحية وبقائها على قيد الحياة. كل نوع لديه مجموعة من درجات الحرارة التي يمكن أن يعيش فيها ، ومع ذلك ، فإنه يتمتع بالنمو والتطور الأمثل في درجات حرارة محددة.

يمكن التعبير عن معدل نمو كل كائن حي مقابل درجة الحرارة بيانياً ، والحصول على القيم المقابلة لدرجات الحرارة الحرجة المهمة (الحد الأدنى والأمثل والحد الأقصى).

درجات الحرارة الدنيا

عند الحد الأدنى لدرجات حرارة نمو الكائن الحي ، يحدث انخفاض في سيولة غشاء الخلية ويمكن إيقاف عمليات النقل وتبادل المواد ، مثل دخول العناصر الغذائية وخروج المواد السامة.

بين درجة الحرارة الدنيا ودرجة الحرارة المثلى ، يزداد معدل نمو الكائنات الحية الدقيقة.

درجة الحرارة المثلى

عند درجة الحرارة المثلى ، تحدث التفاعلات الأيضية بأعلى كفاءة ممكنة.

درجة الحرارة القصوى

فوق درجة الحرارة المثلى ، يحدث انخفاض في معدل النمو إلى أقصى درجة حرارة يمكن لكل كائن حي تحملها.

في درجات الحرارة المرتفعة هذه ، يتم تغيير خصائص البروتينات الهيكلية والوظيفية مثل الإنزيمات وتعطيلها ، لأنها تفقد تكوينها الهندسي والتكوين المكاني الخاص ، وينكسر الغشاء السيتوبلازمي ويحدث التحلل الحراري أو التمزق بسبب تأثير الحرارة.

كل كائن حي دقيق له درجات الحرارة الدنيا والمثالية والقصوى للتشغيل والتطوير. تحتوي الحرارة على قيم عالية بشكل استثنائي عند درجات الحرارة الثلاثة هذه.

السمات المميزة للكائنات المحبة للحرارة

• تتمتع الكائنات المحبة للحرارة بمعدلات نمو عالية ، لكنها قصيرة العمر.
• لديهم كمية كبيرة من الدهون المشبعة طويلة السلسلة أو الدهون في غشاء الخلية ؛ هذا النوع من الدهون المشبعة قادر على امتصاص الحرارة وتحويلها إلى حالة سائلة عند درجات حرارة عالية (ذوبان) ، دون أن تتلف.
• بروتيناته الهيكلية والوظيفية مستقرة جدًا ضد الحرارة (قابلة للحرارة) ، من خلال الروابط التساهمية والقوى الخاصة بين الجزيئات تسمى قوى تشتت لندن.
• لديهم أيضًا إنزيمات خاصة للحفاظ على أداء التمثيل الغذائي في درجات حرارة عالية.
• من المعروف أن هذه الكائنات الدقيقة المحبة للحرارة يمكنها استخدام مركبات الكبريتيد والكبريت المتوافرة بكثرة في المناطق البركانية ، كمصادر للعناصر الغذائية لتحويلها إلى مادة عضوية.

تصنيف الكائنات المحبة للحرارة

يمكن تقسيم الكائنات المحبة للحرارة إلى ثلاث فئات رئيسية:

• درجة حرارة معتدلة (الأمثل بين 50-60 درجة مئوية).
• محبي الحرارة الشديدة (الأمثل قريبة من 70 درجة مئوية).
• Hyperthermophiles (الأمثل بالقرب من 80 درجة مئوية).

الكائنات المحبة للحرارة وبيئاتها

البيئات الحرارية المائية الأرضية

المواقع الحرارية المائية شائعة بشكل مدهش وموزعة على نطاق واسع. يمكن تقسيمها على نطاق واسع إلى تلك التي ترتبط بالمناطق البركانية وتلك غير المرتبطة.

ترتبط البيئات الحرارية المائية ذات أعلى درجات الحرارة عمومًا بالسمات البركانية (كالديرا ، والصدوع ، وحدود الصفائح التكتونية ، وأحواض القوس الخلفي) ، والتي تسمح للصهارة بالارتفاع إلى عمق حيث يمكن أن تتفاعل مباشرة مع المياه الجوفية عميق.

الشكل 2. تاتيو جيزرز ، أتاكاما ، تشيلي. المصدر: دييغو ديلسو

غالبًا ما تكون البقع الساخنة مصحوبة بخصائص أخرى تجعل الحياة صعبة التطور ، مثل قيم الأس الهيدروجيني القصوى ، والمواد العضوية ، والتركيب الكيميائي والملوحة.

لذلك ، يعيش سكان البيئات الحرارية المائية الأرضية في ظل ظروف قاسية مختلفة. تُعرف هذه الكائنات باسم polyextremophiles.

أمثلة على الكائنات الحية التي تعيش في البيئات الأرضية المائية الحرارية

تم التعرف على الكائنات الحية التي تنتمي إلى جميع المجالات الثلاثة (حقيقية النواة ، والبكتيرية ، والعتائق) في البيئات الحرارية المائية الأرضية. يتم تحديد تنوع هذه الكائنات بشكل أساسي من خلال درجة الحرارة.

في حين أن مجموعة متنوعة من الأنواع البكتيرية تعيش في بيئات محبة للحرارة بشكل معتدل ، يمكن أن تهيمن الكائنات الضوئية على المجتمع الميكروبي وتشكل هياكل شبيهة بالسجاد أو الحصيرة.

توجد "حصائر التمثيل الضوئي" على سطح معظم الينابيع الساخنة المحايدة والقلوية (درجة الحموضة أكبر من 7.0) عند درجات حرارة تتراوح بين 40-71 درجة مئوية ، مع وجود البكتيريا الزرقاء باعتبارها المنتج الرئيسي المسيطر.

فوق 55 درجة مئوية ، يسكن الحصير الضوئي في الغالب بكتيريا زرقاء أحادية الخلية مثل Synechococcus sp.

بكتيريا

يمكن أيضًا أن يسكن الحصير الميكروبي الضوئي في الغالب بكتيريا من جنس Chloroflexus و Roseiflexus ، وكلاهما عضو في رتبة Chloroflexales.

عند ارتباطها بالبكتيريا الزرقاء ، تنمو أنواع Chloreflexus و Roseiflexus على النحو الأمثل في ظل ظروف التغذية الضوئية.

إذا كان الرقم الهيدروجيني حمضيًا ، فإن الأجناس Acidiosphaera و Acidiphilium و Desulfotomaculum و Hydrogenobaculum و Methylokorus و Sulfobacillus Thermoanaerobacter و Thermodesulfobium و Thermodesulfator شائعة.

في المصادر شديدة الحرارة (بين 72-98 درجة مئوية) ، من المعروف أن التمثيل الضوئي لا يحدث ، مما يسمح لهيمنة البكتيريا كيميائية التغذية.

تنتمي هذه الكائنات الحية إلى phylum Aquificae وهي عالمية ؛ يمكنهم أكسدة الهيدروجين أو الكبريت الجزيئي بالأكسجين كمتقبل للإلكترون وإصلاح الكربون عبر مسار تقليل حمض الكربوكسيل (rTCA).

أقواس

تنتمي معظم العتائق المزروعة وغير المزروعة التي تم تحديدها في البيئات الحرارية المحايدة والقلوية إلى شعبة Crenarchaeota.

الأنواع مثل Thermofilum pendens ، Thermosphaera aggregans أو Stetteria hydrogenophila Nitrosocaldus yellowstonii ، تتكاثر أقل من 77 درجة مئوية و Thermoproteus neutrophilus ، Vulcanisaeta Distributa ، Thermofilum pendens ، Aeropyruni pernix ، Desulfregnococcus Mobilis ، درجات حرارة أعلى من درجة حرارة أعلى من.

في البيئات الحمضية ، تم العثور على العتائق من الأجناس: Sulfolobus و Sulfurococcus و Metallosphaera و Acidianus و Sulfurisphaera و Picrophilus و Thermoplasma و Thennocladium و Galdivirga.

حقيقيات النواة

من بين حقيقيات النوى من المصادر المحايدة والقلوية ، يمكن ذكر Thermomyces lanuginosus و Scytalidium thermophilum و Echinamoeba thermarum و Marinamoeba thermophilia و Oramoeba funiarolia.

في المصادر الحمضية ، يمكن العثور على الأجناس: Pinnularia أو Cyanidioschyzon أو Cyanidium أو Galdieria.

البيئات البحرية المائية الحرارية

مع درجات حرارة تتراوح من 2 درجة مئوية إلى أكثر من 400 درجة مئوية ، والضغوط التي تزيد عن عدة آلاف أرطال لكل بوصة مربعة (psi) ، وتركيزات عالية من كبريتيد الهيدروجين السام (الرقم الهيدروجيني 2.8) ، تكون الفتحات الحرارية المائية في أعماق البحار ربما أكثر البيئات قسوة على كوكبنا.

في هذا النظام البيئي ، تعمل الميكروبات كالحلقة السفلية في السلسلة الغذائية ، وتستمد طاقتها من الحرارة الجوفية والمواد الكيميائية الموجودة في أعماق باطن الأرض.

الشكل 4. التنفيس الحراري المائي وديدان الأنبوب. المصدر: photolib.noaa.gov

أمثلة على الحيوانات المرتبطة بالبيئات المائية الحرارية البحرية

تتنوع الحيوانات المرتبطة بهذه المصادر أو المنافذ بشكل كبير ، والعلاقات بين الأنواع المختلفة لم يتم فهمها بالكامل بعد.

من بين الأنواع التي تم عزلها كل من البكتيريا والعتائق. على سبيل المثال ، تم عزل العتائق من جنس Methanococcus و Methanopyus والبكتيريا اللاهوائية المحبة للحرارة من جنس Caminibacter.

تتكاثر البكتيريا في الأغشية الحيوية التي تتغذى عليها كائنات متعددة مثل amphipods ، مجدافيات الأرجل ، القواقع ، جمبري السلطعون ، الديدان الأنبوبية ، الأسماك ، والأخطبوط.

الشكل 5. الجمبري من جنس ريميكاريس ، سكان فومارول. المصدر: NOAA Okeanos Explorer Programme، Mid-Cayman Rise Expedition 2011

السيناريو الشائع هو تراكمات بلح البحر ، Bathymodiolus thermophilus ، يزيد طولها عن 10 سم ، وتتجمع في شقوق في الحمم البازلتية. وعادة ما تكون مصحوبة بالعديد من السرطانات الجلاتينية (Munidopsis subquamosa).

واحدة من أكثر الكائنات الحية غرابة الموجودة هي الدودة الأنبوبية Riftia pachyptila ، والتي يمكن أن تتجمع بأعداد كبيرة وتصل إلى أحجام قريبة من مترين.

لا تحتوي هذه الديدان الأنبوبية على فم أو معدة أو فتحة شرج (أي ليس لديها جهاز هضمي) ؛ هم كيس مغلق تمامًا ، دون أي انفتاح على البيئة الخارجية.

الشكل 6. الديدان الأنبوبية Riftia pachyptila مع شقائق النعمان وبلح البحر. المصدر:

NOAA Okeanos Explorer Programme، Galapagos Rift Expedition 2011

يرجع اللون الأحمر الساطع للقلم عند الطرف إلى وجود الهيموجلوبين خارج الخلية. يتم نقل كبريتيد الهيدروجين عبر غشاء الخلية المرتبط بخيوط هذا العمود ، ومن خلال الهيموغلوبين خارج الخلية يصل إلى "نسيج" متخصص يسمى غذاء ، ويتكون بالكامل من بكتيريا تكافلية كيميائية.

يمكن القول أن هذه الديدان لديها "حديقة" داخلية من البكتيريا التي تتغذى على كبريتيد الهيدروجين وتوفر "طعامًا" للدودة ، وهو تكيف غير عادي.

الصحارى الساخنة

تغطي الصحاري الساخنة ما بين 14 و 20٪ من سطح الأرض ، حوالي 19-25 مليون كيلومتر.

توجد الصحاري الأكثر سخونة ، مثل صحراء شمال إفريقيا وصحاري جنوب غرب الولايات المتحدة والمكسيك وأستراليا ، في جميع أنحاء المناطق الاستوائية في كل من نصفي الكرة الأرضية الشمالي والجنوبي (بين حوالي 10 درجات و 30- خط عرض 40 درجة).

أنواع الصحارى

السمة المميزة للصحراء الساخنة هي الجفاف. وفقًا لتصنيف مناخ Koppen-Geiger ، فإن الصحاري هي مناطق يقل معدل هطول الأمطار فيها سنويًا عن 250 ملم.

ومع ذلك ، يمكن أن يكون هطول الأمطار السنوي مؤشرًا مضللًا ، حيث أن فقدان المياه هو عامل تحديد ميزانية المياه.

وبالتالي ، فإن تعريف برنامج الأمم المتحدة للبيئة للصحراء هو عجز سنوي في الرطوبة في ظل الظروف المناخية العادية ، حيث يكون التبخر المحتمل (PET) أكبر بخمس مرات من هطول الأمطار الفعلي (P).

ينتشر PET المرتفع في الصحاري الساخنة لأنه ، بسبب نقص الغطاء السحابي ، يقترب الإشعاع الشمسي من الحد الأقصى في المناطق القاحلة.

يمكن تقسيم الصحارى إلى نوعين حسب مستوى الجفاف:

• Hyperarids: بمؤشر جفاف (P / PET) أقل من 0.05.
• المجاميع: بمؤشر بين 0.05 و 0.2.

تتميز الصحاري عن الأراضي الجافة شبه القاحلة (P / PET 0.2-0.5) والأراضي الجافة شبه الرطبة (0.5-0.65).

وللصحارى خصائص مهمة أخرى ، مثل التغيرات الشديدة في درجات الحرارة وارتفاع ملوحة تربتها.

من ناحية أخرى ، عادة ما ترتبط الصحراء بالكثبان الرملية والرمال ، ومع ذلك ، فإن هذه الصورة تتوافق فقط مع 15-20٪ منهم ؛ المناظر الطبيعية الصخرية والجبلية هي أكثر البيئات الصحراوية انتشارًا.

أمثلة على الكائنات الصحراوية المحبة للحرارة

يمتلك سكان الصحاري ، وهم من عشاق الحرارة ، سلسلة من التكيفات لمواجهة المحن التي تنشأ من قلة الأمطار ودرجات الحرارة المرتفعة والرياح والملوحة وغيرها.

طورت النباتات الزيروفيتية استراتيجيات لتجنب التعرق وتخزين أكبر قدر ممكن من الماء. تعد عصارة أو سماكة السيقان والأوراق واحدة من أكثر الاستراتيجيات استخدامًا.

يتضح في عائلة Cactaceae ، حيث تم أيضًا تعديل الأوراق إلى أشواك ، لمنع التبخر والنتح وصد العواشب.

الشكل 7. الصبار في حديقة سنغافورة النباتية. المصدر: Img by Calvin Teo، from Wikimedia Commons

يطور جنس نبات الليثوبس أو النباتات الحجرية ، التي تعود أصولها إلى صحراء ناميبيا ، أيضًا عصارة ، ولكن في هذه الحالة ينمو النبات متدفقًا مع الأرض ، ويخفي نفسه بالحجارة المحيطة.

الشكل 8. ليثوبس هيري نبات عصاري يشبه الصخور في الصحراء. المصدر: ستان شيبس ، في حديقة النباتات بجامعة كاليفورنيا

من ناحية أخرى ، فإن الحيوانات التي تعيش في هذه الموائل المتطرفة تطور جميع أنواع التكيفات ، من الفسيولوجية إلى السلوكية. على سبيل المثال ، فإن ما يسمى بجرذان الكنغر لديها تبول منخفض الحجم وبأعداد صغيرة ، وبالتالي فهي فعالة للغاية في بيئتها التي تعاني من ندرة المياه.

آلية أخرى لتقليل فقد الماء هي زيادة درجة حرارة الجسم. على سبيل المثال ، يمكن أن ترتفع درجة حرارة أجسام الإبل في الصيف من حوالي 34 درجة مئوية إلى أكثر من 40 درجة مئوية.

تعتبر التغيرات في درجات الحرارة ذات أهمية كبيرة في الحفاظ على المياه ، وذلك للأغراض التالية:

• زيادة درجة حرارة الجسم تعني تخزين الحرارة في الجسم بدلاً من تبديدها من خلال تبخر الماء. في وقت لاحق ، في الليل ، يمكن طرد الحرارة الزائدة دون إهدار الماء.
• ينخفض ​​اكتساب الحرارة من البيئة الحارة ، لأن تدرج درجة الحرارة ينخفض.

مثال آخر هو جرذ الرمل (Psammomys obesus) ، الذي طور آلية هضمية تسمح له بالتغذي فقط على النباتات الصحراوية من عائلة Chenopodiaceae ، والتي تحتوي على كميات كبيرة من الأملاح في الأوراق.

الشكل 9. جرذ الرمل (Psammomys obesus). المصدر: Gary L. Clark، from Wikimedia Commons

إن التكيفات الأخلاقية (السلوكية) لحيوانات الصحراء عديدة ، ولكن ربما يكون أكثرها وضوحًا يعني أن دورة النشاط والراحة قد انعكست.

وبهذه الطريقة ، تصبح هذه الحيوانات نشطة عند غروب الشمس (نشاط ليلي) وتتوقف عن النشاط عند الفجر (الراحة أثناء النهار) ، وبالتالي لا تتزامن حياتها النشطة مع الساعات الأكثر سخونة.

المراجع

1. بيكر أوستن ، سي ودوبسون ، م. (2007). الحياة في الحمض: توازن درجة الحموضة في الحموضة. الاتجاهات في علم الأحياء الدقيقة 15، 165-171.
2. بيري ، جي إيه وبيوركمان ، 0. (1980). استجابة التمثيل الضوئي والتكيف مع درجة الحرارة في النباتات العليا. المراجعة السنوية لفسيولوجيا النبات 31 ، 491-534.
3. بروك ، TD (1978). الكائنات الدقيقة المحبة للحرارة والحياة في درجات حرارة عالية. Springer-Verlag ، نيويورك ، 378 ص.
4. Campos، VL، Escalante، G.، Jafiez، J.، Zaror، CA and Mondaca، AM (2009)، عزل البكتيريا المؤكسدة للزرنيخ من بيوفيلم طبيعي مرتبط بالصخور البركانية في صحراء أتاكاما ، تشيلي. مجلة علم الأحياء الدقيقة الأساسي 49 ، 93-97.
5. كاري ، سي إس ، شانك ، ت. وستاين ، ج. (1998). تشمس الديدان في درجات الحرارة القصوى. طبيعة 391، 545-546.
6. Chevaldonne، P، Desbruyeres، D. and Childress، JJ (1992). البعض يحبها ساخنة… والبعض يحبها أكثر سخونة. الطبيعة 359 ، 593-594.
7. إيفيناري إم ، لانج ، 01. ، شولز ، إد ، بوشبوم ، يو وكابن ، إل (1975). آليات التكيف في النباتات الصحراوية. في: Vemberg، FJ (ed.) التكيف الفسيولوجي مع البيئة. الصحافة Intext ، بلاتفيل ، ليزا ، ص. 111-129.
8. جيبسون ، إيه سي (1996). العلاقات الهيكلية والوظيفة لنباتات الصحراء الدافئة. سبرينغر ، هايدلبرغ ، ألمانيا ، 216 ص.
9. جوترمان ، واي (2002). استراتيجيات البقاء على قيد الحياة لنباتات الصحراء السنوية. سبرينغر ، برلين ، ألمانيا ، 368 ص.
10. لوتز ، را (1988). تشتت الكائنات الحية في الفتحات الحرارية المائية في أعماق البحار: مراجعة. Oceanologica Acta 8 ، 23-29.
11. Lutz، RA، Shank، TM، Fornari، DJ، Haymon، RM، Lilley، MD، Von Damm، KL and Desbruyeres، D. (1994). نمو سريع في فتحات أعماق البحار. طبيعة 371، 663-664.
12. Rhoads، DC، Lutz، RA، Revelas، EC and Cerrato، RM (1981). نمو ذوات الصدفتين في الفتحات الحرارية المائية في أعماق البحار على طول صدع غالاباغوس. العلوم 214 ، 911-913.
13. نوي مئير آي (1973). النظم البيئية الصحراوية: البيئة والمنتجين. المراجعة السنوية للنظم البيئية 4 ، 25-51.
14. Wiegel ، J. and Adams ، MWW (1998). عشاق الحرارة: مفاتيح التطور الجزيئي وأصل الحياة. تايلور وفرانسيس ، لندن ، 346 ص.