10: факторы окружающей среды — биология LibreTexts

Конкуренция в мире микробов острая (и мир немикробный!), А ресурсы могут быть скудными. Для тех микробов, которые хотят и могут приспособиться к тому, что может считаться суровой средой, это, безусловно, может означать меньшую конкуренцию. Итак, какие условия окружающей среды могут повлиять на рост микробов? Температура, кислород, pH, активность воды, давление, радиация, недостаток питательных веществ … это основные.Мы расскажем больше о метаболизме (то есть о том, какую пищу они могут есть?) Позже, поэтому давайте теперь сосредоточимся на физических характеристиках окружающей среды и адаптации микробов.

Осмолярность

подвержены изменениям осмотического давления , из-за того, что плазматическая мембрана свободно проницаема для воды (процесс, известный как пассивная диффузия ). Вода обычно будет двигаться в направлении, необходимом для того, чтобы попытаться уравновесить концентрацию растворенного вещества в клетке и концентрацию растворенного вещества в окружающей среде.Если концентрация растворенного вещества в окружающей среде ниже, чем концентрация растворенного вещества в клетке, то говорят, что среда является гипотонической . В этой ситуации вода будет проходить в камеру, вызывая ее набухание и повышение внутреннего давления. Если ситуация не будет исправлена, то клетка в конечном итоге взорвется от лизиса плазматической мембраны. И наоборот, если концентрация растворенного вещества в окружающей среде выше, чем концентрация растворенного вещества, обнаруженная внутри клетки, то говорят, что среда содержит гипертонических .В этой ситуации вода покидает клетку, вызывая ее обезвоживание. Длительные периоды обезвоживания приведут к необратимому повреждению плазматической мембраны.

Гипертонические и гипотонические решения.

Клетки в гипотоническом растворе должны уменьшить осмотическую концентрацию их цитоплазмы. Иногда клетки могут использовать включения, чтобы химически изменить свои растворы, уменьшая молярность. В реальной ситуации они могут использовать так называемые механочувствительные (MS) каналы , расположенные в их плазматической мембране.Каналы MS открываются, когда плазменная мембрана растягивается из-за повышенного давления, позволяя растворенным веществам покинуть клетку и, таким образом, снижая осмотическое давление.

Клетки в гипертоническом растворе, нуждающиеся в увеличении осмотической концентрации в их цитоплазме, могут поглощать дополнительные растворенные вещества из окружающей среды. Тем не менее, клетки должны быть осторожны с тем, какие растворы они поглощают, так как некоторые растворенные вещества могут влиять на клеточные функции и метаболизм. Клетки должны принимать совместимых растворов , таких как сахара или аминокислоты, которые обычно не будут мешать клеточным процессам.

Есть некоторые микробы, которые эволюционировали до экстремальных гипертонических сред, особенно с высокими концентрациями соли, до такой степени, что теперь им требуется присутствие высоких уровней хлорида натрия для роста. Галофилы , которым требуется концентрация NaCl выше 0,2 М, принимают ионы калия, и хлорид как способ компенсировать влияние гипертонической среды, в которой они живут. Их эволюция настолько завершена, что их клеточные компоненты (рибосомы, ферменты) Транспортные белки, клеточная стенка, плазматическая мембрана) теперь требуют наличия высоких концентраций как калия, так и хлорида для функционирования.

pH

pH определяется как отрицательный логарифм концентрации ионов водорода в растворе, выраженный в молярности. Шкала рН колеблется от 0 до 14, где 0 обозначает чрезвычайно кислый раствор (1,0 М Н +) и 14 обозначает крайне щелочной раствор (1,0 × 10-14 М Н +). Каждая единица pH представляет собой десятикратное изменение концентрации ионов водорода, что означает, что раствор с pH 3 в 10 раз более кислый, чем раствор с pH 4.

Обычно клетки предпочитают рН, который аналогичен их внутренней среде, с цитоплазмой, имеющей рН 7.2. Это означает, что большинство микробов — это нейтрофилов («нейтральные любовники»), предпочитая рН в диапазоне от 5,5 до 8,0. Однако есть некоторые микробы, которые эволюционировали, чтобы жить в экстремальных условиях рН.

Ацидофилы («любители кислот»), предпочитающие диапазон рН от 0 до 5,5, должны использовать различные механизмы для поддержания своего внутреннего рН в приемлемом диапазоне и сохранения стабильности своей плазматической мембраны. Эти организмы транспортируют катионы (такие как ионы калия) в клетку, тем самым уменьшая движение H + в клетку.Они также используют протонные насосы, которые активно откачивают Н +.

Alkaliphiles («любители щелочи»), предпочитающие диапазон рН окружающей среды от 8,0 до 11,5, должны закачивать протоны, чтобы поддерживать рН своей цитоплазмы. Обычно они используют антипорты, которые накачивают протоны и ионы натрия.

Шкала рН. OpenStax, неорганические соединения, необходимые для функционирования человека. OpenStax CNX. 18 июня 2013 г. http://cnx.org/contents/e4e45509-bfc0-4aee-b73e-17b7582bf7e1@3.

Температура

Микробы не имеют возможности регулировать свою внутреннюю температуру, поэтому они должны развивать адаптацию к среде, в которой они хотели бы жить. Изменения температуры оказывают наибольшее влияние на ферменты и их активность, с оптимальной температурой, которая приводит к быстрому метаболизму и приводит к скорость роста. Температура ниже оптимальной приведет к снижению активности ферментов и замедлению метаболизма, тогда как более высокие температуры могут фактически денатурировать белки, такие как ферменты и белки-носители, что приведет к гибели клеток.В результате микробы имеют кривую роста по отношению к температуре с оптимальной температурой , , при которой скорость роста достигает максимума, а также с минимальными и максимальными температурами , где рост продолжается, но не так устойчив. Для бактерии диапазон роста обычно составляет около 30 градусов.

Психрофилы — это любители холода с оптимумом 15 ^o C или ниже и диапазоном роста от -20 ^o C до 20 ^o C.Большинство из этих микробов встречаются в океанах, где температура часто составляет 5 ^o С или ниже. Они также могут быть найдены в Арктике и Антарктике, живя во льду, где они могут найти очаги жидкой воды. Адаптация к холоду требовала выделения специфических белков, особенно ферментов, которые все еще могут функционировать при низких температурах. Кроме того, это также потребовало модификации плазматической мембраны, чтобы сохранить ее полужидкой. Психрофилы имеют повышенное количество ненасыщенных жирных кислот с короткой цепью.Наконец, психрофилы производят криопротекторы, специальные белки или сахара, которые предотвращают образование кристаллов льда, которые могут повредить клетку. Psychrotophs или устойчивые к холоду микробы имеют диапазон 0-35 ^o C, с оптимальным значением 16 ^o C или выше.

Люди лучше всего знакомы с мезофилами , микробами с оптимумом роста 37 ^o C и диапазоном 20-45 ^o C. В эту категорию попадает почти вся микрофлора человека, а также почти вся человеческие патогены.Мезофилы занимают ту же среду, что и люди, с точки зрения продуктов, которые мы едим, поверхностей, к которым мы прикасаемся, и воды, в которой мы пьем и плаваем.

На более теплом конце спектра мы находим термофилов («любителей тепла»), микробов, которые любят высокие температуры. Термофилы обычно имеют диапазон 45-80 ^o C и оптимум роста 60 ^o C. Существуют также гипертермофилов , тех микроорганизмов, которым нравятся очень острые вещи.Эти микробы имеют оптимальный рост 88-106 ^o C, минимум 65 ^o C и максимум 120 ^o C. Как термофилам, так и гипертермофилам требуются специализированные термостабильные ферменты, которые устойчивы к денатурации и разворачивается, частично из-за присутствия защитных белков, известных как белков-шаперонов . Плазматическая мембрана этих организмов содержит больше насыщенных жирных кислот с повышенными температурами плавления.

Кривые роста.

Концентрация кислорода

Потребность кислорода в организме связана с типом метаболизма, который он использует. Генерация энергии связана с движением электронов по транспортной цепи электронов (ETC) , где конечным акцептором электронов может быть молекула кислорода или не кислородная молекула.

Организмы, которые используют кислород в качестве конечного акцептора электронов, участвуют в аэробном дыхании для своего метаболизма. Если они требуют присутствия атмосферного кислорода (20%) для своего метаболизма, то их называют облигатными аэробами . Микроаэрофилы нуждаются в кислороде, но на более низком уровне, чем нормальные атмосферные уровни — они растут только на уровнях 2-10%.

Организмы, которые могут расти в отсутствие кислорода, называются анаэробами , при этом существует несколько различных категорий. Факультативные анаэробы являются наиболее универсальными, способными расти в присутствии или отсутствии кислорода, переключая свой метаболизм в соответствии с окружающей средой. Однако они предпочли бы расти в присутствии кислорода, поскольку аэробное дыхание генерирует наибольшее количество энергии и обеспечивает более быстрый рост. Аэротолерантные анаэробы также могут расти в присутствии или отсутствии кислорода, не проявляя предпочтения. Облигатные анаэробы могут расти только в отсутствие кислорода и находить оксигенированную среду токсичной.

Хотя использование кислорода определяется метаболизмом организма, способность жить в оксигенированной среде (независимо от того, используется он организмом или нет) определяется наличием / отсутствием нескольких ферментов. Кислородные побочные продукты ( r eactive o xygen s pecies или ROS ) могут быть токсичными для клеток, даже для клеток, использующих аэробное дыхание.Ферменты, которые могут обеспечить некоторую защиту от АФК, включают супероксиддисмутазу (SOD) , которая расщепляет супероксидные радикалы, и каталазу , которая расщепляет перекись водорода. Облигатным анаэробам не хватает обоих ферментов, поэтому они практически не защищены от АФК.

Рост кислорода и бактерий.

Давление

Подавляющее большинство микробов, живущих на поверхности земли или воды, подвергаются воздействию давления примерно в 1 атмосферу.Но есть микробы, которые живут на дне океана, где гидростатическое давление может достигать 600-1000 атм. Эти микробы — это барофилы («любители давления»), микробы, которые приспособились к предпочтениям и даже требуют высоких давлений. Эти микробы имеют повышенное содержание ненасыщенных жирных кислот в плазматической мембране, а также укороченные хвосты жирных кислот.

Излучение

Все клетки восприимчивы к повреждению, вызванному радиацией, которая отрицательно влияет на ДНК своей короткой длиной волны и высокой энергией. Ионизирующее излучение , такое как рентгеновские и гамма-лучи, вызывает мутации и разрушение ДНК клетки. В то время как бактериальные эндоспоры чрезвычайно устойчивы к вредному воздействию ионизирующего излучения, считалось, что вегетативные клетки весьма восприимчивы к его воздействию. То есть, до открытия Deinococcus radiodurans , бактерии, способной полностью пересобрать свою ДНК после воздействия огромных доз радиации.

Ультрафиолетовое (УФ) излучение также наносит ущерб ДНК, прикрепляя тиминовые основания, которые находятся рядом друг с другом на цепи ДНК.Эти димеров тимина ингибируют репликацию и транскрипцию ДНК. Микробы обычно имеют механизмы репарации ДНК, которые позволяют им восстанавливать ограниченные повреждения, такие как фермент фотолиаза , который расщепляет димеры тимина.

Ключевые слова

осмотическое давление, пассивная диффузия, растворенный, гипотонический, гипертонический, механочувствительный (МС) канал, совместимый растворенный, галофил, pH, нейтрофил, ацидофил, алкалифил, оптимальная температура, минимальная температура, максимальная температура, психрофил, психротроф, мезофил, термофил, гипертермофил , белок шаперон, электронно-транспортная цепь (ETC), аэробное дыхание, облигатный аэроб, микроаэрофил, анаэроб, факультативный анаэроб, аэротолерантный анаэроб, облигатный анаэроб, активные формы кислорода (АФК), супероксиддисмутаза (СОД), каталаза, барофил, ионизирующая радиация, Deinococcus radiodurans , ультрафиолетовое (УФ) излучение, тиминовые диммеры, фотолиаза.

Основные вопросы / цели

1. Каковы все описательные термины, используемые для микробов, которые живут в разных средах, или термины, используемые для сред, в которых они живут? Что означает каждый термин? В каких типах окружающей среды находится каждая микробная группа?
2. Как влияет концентрация растворенного вещества на микробы? Как клетки могут адаптироваться при переходе из среды с низким содержанием растворенного вещества в среду с высоким содержанием растворенного вещества и наоборот? Что такое совместимый раствор? Какие микробные группы требуют высоких концентраций растворенного вещества? Чем отличаются микробы по реакции на активность воды?
3. Как микробы отличаются по своей реакции на pH? Как pH влияет на клетку и что клетки, которые живут с высоким или низким pH, должны делать, чтобы выжить в этих условиях?
4. Как микробы отличаются по своей реакции на температуру? Какие термины используются для этих ответов? Если клетка должна расти при низких или высоких температурах, какие адаптации она должна сделать?
5. Как микробы отличаются по своей реакции на уровень кислорода? Почему они отличаются? Какие ферменты необходимы для адаптации к среде, содержащей различное количество кислорода?
6. Как микробы реагируют на высокое давление? Для ионизирующего излучения? Для ультрафиолета? Какие группы населения устойчивы к этим условиям?

Поисковые вопросы (ДОПОЛНИТЕЛЬНО)

1. Какая самая большая бактерия или архей из когда-либо обнаруженных? Какой самый маленький эукариот из когда-либо обнаруженных?