极端微生物：特征，类型和例子 - 生物学 - 2025

在极端微生物是生活在极端环境下的生物，即从它们被人类生活最知名的生物条件的那些偏离。

术语“极端”和“极端微生物”相对以人类为中心，因为我们人类根据对我们自身生存的极端考虑来评估栖息地及其居民。

图1. Tardigrades，一种Phylum，以能够在非常恶劣的环境中生存而著称。资料来源：Goldstein Lab的Willow Gabriel，通过Wikimedia Commons

由于上述原因，极端环境的特征在于，它在温度，湿度，盐度，光线，pH，氧气可用性，毒性水平等方面为人类带来了无法忍受的条件。

从非人类中心的角度来看，人类可能是极端微生物，这取决于对其进行评估的生物。例如，从对氧有毒的严格厌氧生物的角度来看，好氧生物（如人类）将是极端微生物。相反，对于人类来说，厌氧生物是极端微生物。

术语“极端微生物”的由来

目前，我们将地球内部和外部的众多环境定义为“极端”，我们不断发现不仅能够生存而且能够在许多生物中广泛繁殖的生物。

麦凯罗伊（RD Macelroy）

1974年，RD Macelroy提出了“极端嗜热菌”一词，以定义这些微生物在极端条件下表现出最佳的生长和发育，而不是在中等条件下生长的嗜温菌。

根据Macelroy的说法：

“极端嗜热菌是对能够居住在对嗜温菌不利的环境中的生物的描述，或仅在中间环境中生长的生物的描述。”

生物体的极端主义有两个基本程度：一种可以忍受极端环境条件并成为其他生物的优势。以及在极端条件下最佳生长和发育的植物。

极端环境的特征

根据对某些环境条件（温度，盐度，辐射等）的基线的极端极端条件的考虑，将环境命名为“极端”是对人为构造的响应，这可以使人类生存。

但是，从居住环境的角度（而不是人类的角度）出发，该名称必须基于环境的某些特征。

这些特征包括：生物量，生产力，生物多样性（物种数量和高级分类单元的表示），生态系统过程的多样性以及对所讨论生物环境的特定适应。

所有这些特征的总和表示环境的极端条件。例如，一种极端环境通常表现为：

• 生物量和生产率低
• 古代生命形式的优势
• 缺少更高的生活形式
• 缺乏光合作用和固氮作用，但依赖于其他代谢途径和特定的生理，代谢，形态和/或生命周期适应性。

动物学上极端微生物的类型

单细胞生物

极端嗜热菌一词经常是指原核生物，例如细菌，有时可与古细菌互换使用。

但是，极端微生物的种类繁多，而我们对极端栖息地系统发育多样性的了解几乎每天都在增加。

例如，我们知道，所有嗜热菌（热爱者）都是古细菌和细菌的成员。真核生物常见于嗜冷者（嗜冷者），嗜酸者（低pH者），嗜碱菌（高pH者），亲旱者（干燥环境者）和嗜盐者（食盐者）。

图2.美国黄石国家公园的温泉，这些温泉获得的鲜艳色彩与嗜热细菌的繁殖有关。资料来源：国家公园管理局的Jim Peaco，通过Wikimedia Commons

多细胞生物

多细胞生物，例如无脊椎动物和脊椎动物，也可以是极端微生物。

例如，一些嗜冷菌包括少量的青蛙，乌龟和蛇，它们在冬季避免其组织内细胞内冻结，在细胞质中积累渗透压，并仅冻结细胞外水（细胞外部） 。

另一个例子是南极线虫Panagrolaimus davidi，它可以在细胞内冻结（其细胞内的水冻结）中存活，在融化后能够生长和繁殖。

同样，南极洲和美洲大陆南部的冷水栖息地的Channichthyidae家族的鱼类也使用抗冻蛋白来保护其细胞免受完全冷冻。

聚极端微生物

多极端微生物是可以同时在多种极端条件下生存的生物，因此在所有极端环境中都很常见。

例如，沙漠植物可以在极高的温度，有限的水供应和高盐度下生存。

另一个例子是栖息在海底的动物，它们能够承受极高的压力，例如缺乏光照和缺乏营养。

最常见的极端环境类型

传统上，极端环境是根据非生物因素定义的，例如：

• 温度。
• 可用水量。
• 压力。
• pH值
• 盐度。
• 氧气浓度。
• 辐射水平。

类似地，根据极端生物所能承受的极端条件对其进行了描述。

我们可以根据其非生物条件识别出的最重要的极端环境是：

极端寒冷的环境

极端寒冷的环境是指温度持续低于5°C的时间段（短期或长期）持续存在或下降的环境。其中包括地球的两极，山区和一些深海栖息地。即使是白天非常热的沙漠，晚上的温度也很低。

冰冻圈中还存在其他生物（水处于固态）。例如，在永久性或周期性积雪下的冰层，多年冻土中生活的生物必须耐受多种极端情况，包括寒冷，干燥和高辐射水平。

极端高温环境

极热的栖息地是指那些会保持或定期达到40°C以上的温度的栖息地。例如，炎热的沙漠，地热场所和深海热液喷口。

它们通常与极高的温度，可用水非常有限（持续或有规律的时间）的环境相关，例如炎热和寒冷的沙漠，以及一些石器时代的栖息地（在岩石中）。

极端压力环境

其他环境也承受着很高的静水压力，例如海洋和深湖的底栖地带。在这些深度，其居民必须承受大于1000个大气压的压力。

另外，在山区和世界上其他高海拔地区，也有低气压的极端情况。

图3.海洋喷气孔或热液喷口。整个生物群落所居住的极端环境的示例，其中存在高压和高温以及含硫排放物。资料来源：NOAA，通过Wikimedia Commons

极端酸性和碱性环境

通常，极端酸性的环境是保持或定期达到pH 5以下的值的环境。

低pH值尤其会增加环境的“极端”条件，因为它会增加所存在金属的溶解度，并且生活在其中的生物必须适应多种非生物极端条件。

相反，极端碱性的环境是保持或定期记录9以上的pH值的环境。

极端pH环境的例子包括湖泊，地下水和高酸性或碱性土壤。

图4.矮人龙虾（Munidopsis polymorpha），一个洞穴居民，加那利群岛兰萨罗特岛的特有物种。对这种极端洞穴环境的典型适应措施包括：减小尺寸，减少苍白和失明。资料来源：flickr.com/photos//5582888539

高盐和缺氧环境

高盐环境的定义是盐浓度高于海水（盐含量为千分之三十五）的环境。这些环境包括高盐湖和盐湖。

对于“盐”，我们不仅仅指由于氯化钠引起的盐度，因为在某些盐碱环境中可能存在其他盐。

图5.委内瑞拉法尔肯州萨利纳拉斯库马拉瓜斯的水呈粉红色。粉色是藻类杜氏盐藻的产物，能够抵抗盐水中存在的高浓度氯化钠。来源：HumbRios，来自Wikimedia Commons

长期或有规律的自由氧含量有限（低氧）或无氧（缺氧）的栖息地也被认为是极端的。例如，具有这些特征的环境将是海洋和湖泊中的缺氧盆地以及更深的沉积物地层。

图6.卤虫Monica，一种生活在加利福尼亚（美国）莫诺湖的甲壳类动物，在盐碱环境（碳酸氢钠）和高pH下。资料来源：photolib.noaa.gov

高辐射环境

紫外线（UV）或红外线（IR）也会对生物施加极端条件。极端辐射环境是暴露于异常高辐射或超出正常范围的辐射的环境。例如，极地和高海拔环境（陆地和水生）。

袋囊藻

一些物种显示出高紫外线或红外线辐射的逃避机制。例如，南极海藻Phaeocystis pouchetii产生了水溶性“防晒霜”，可强烈吸收UV-B波长（280-320nm）并保护其细胞免受10 m以内极高水平的UV-B的伤害。上部水柱（海冰破裂后）。

放射球菌

其他生物非常耐受电离辐射。例如，放射线球菌Deinococcus radiodurans可以通过补偿暴露于电离辐射后的广泛DNA损伤来保持其遗传完整性。

该细菌利用细胞间机制来限制降解并限制DNA片段的扩散。此外，它还具有高效的DNA修复蛋白。

Astyanax Hubbsi

即使在表面辐射很少或没有辐射的环境中，嗜极端微生物也可以适应辐射水平的变化。

例如，墨西哥穴居盲鱼Astyanax hubbsi没有表面上可感知的眼结构，但可以区分环境光的细微差别。他们使用眼外感光器来检测运动的视觉刺激并对其做出反应。

图7.穴居人Astyanax属的盲鱼。来源：Shizhao，来自Wikimedia Commons

人为极端

目前，我们生活在施加极端环境条件的环境中，这种环境条件是人类活动造成的。

所谓的人为影响环境千差万别，范围广泛，在定义某些极端环境时再也不能忽略。

例如，受污染（大气，水和土壤）影响的环境（例如气候变化和酸雨），自然资源的提取，物理干扰和过度开发。

过渡与过渡

除了上面提到的极端环境外，陆地生态学家还一直意识到两个或多个不同社区或环境之间过渡区的特殊性质，例如山区的林木线或森林与草原之间的边界。 。这些被称为张力带或过渡带。

过渡带也存在于海洋环境中，例如，以海冰边缘为代表的冰与水之间的过渡。与过渡社区相比，这些过渡区通常表现出更大的物种多样性和生物量密度，这主要是因为生活在其中的生物可以利用邻近环境的资源，从而为其带来优势。

然而，过渡带是不断变化和变化的区域，一年之中非生物和生物条件的变化通常比邻近环境变化范围更大。

可以合理地将其视为“极端”，因为它要求生物不断适应其行为，物候（季节性天气）以及与其他物种的相互作用。

生活在过渡交错带两侧的物种通常更能容忍动态变化，而范围仅限于一侧的物种则将另一侧的经历视为极端。

通常，这些过渡区通常也是第一个受到自然和人为气候变化和/或干扰影响的区域。

处于不同阶段或阶段的动植物

环境不仅是动态的，而且可能是极端的，也可能不是极端的，而且生物也是动态的，并且生命周期具有不同的阶段，以适应特定的环境条件。

支持有机体生命周期其中一个阶段的环境对于其中另一个阶段可能是极端的。

植物

例如，椰子（Cocos nucifera）的种子适合海上运输，但成熟的树生长在陆地上。

在带有孢子的维管植物中，例如蕨类植物和不同类型的苔藓，配子体可能缺乏光合色素，没有根，并取决于环境湿度。

子孢子具有根状茎，根和芽，它们可以在充分的阳光下经受炎热和干燥的条件。孢子体和配子体之间的差异与分类群之间的差异顺序相同。

动物

一个非常接近的例子是许多物种的幼年阶段，它们通常对成年周围的环境不宽容，因此在获得所需技能和优势的过程中，他们通常需要保护和照料。允许处理这些环境。

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