嗜热菌：特征，分类和环境 - 生物学 - 2025

的嗜热是极端微生物，其特征在于高的子类型容忍50℃和75℃之间的温度，或者是因为这些值被维持温度在这些极端的环境中，或因为通常达。

嗜热生物通常是细菌或古细菌，但是也有后生动物（异养和组织的真核生物），它们也在热的地方生长。

图1.智利阿塔卡马沙漠，世界上最干旱的地方之一。资料来源：foto.com

还已知与嗜热细菌共生相关联的海洋生物可以适应这些高温，并且还已经开发出生化机制，例如修饰的血红蛋白，高血容量等，使它们能够耐受硫化物和化合物的毒性。硫。

嗜热原核生物被认为是生命进化中的第一个简单细胞，并居住在海洋中具有火山活动和间歇泉的地方。

这类嗜热生物的例子是生活在热液喷口或海洋底部喷口附近的生物，例如产甲烷菌（产甲烷的细菌）和无核裂纹线虫（Riftia pachyptila）。

可以发现嗜热菌的主要栖息地是：

• 陆地热液环境。
• 海洋热液环境。
• 炎热的沙漠。

嗜热生物的特征

温度：微生物发育的关键非生物因素

温度是决定生物生长和生存的关键环境因素之一。每个物种都有一个可以生存的温度范围，但是，在特定温度下它具有最佳的生长发育。

可以用图形表示每种生物的增长率与温度的关系，从而获得与重要的临界温度（最低，最佳和最高）相对应的值。

最低温度

在生物体的最低生长温度下，会发生细胞膜流动性的下降，并且可以停止物质的运输和交换过程，例如营养物质的进入和有毒物质的排出。

在最低温度和最佳温度之间，微生物的生长速率增加。

最佳温度

在最佳温度下，代谢反应会以最高的效率发生。

最高温度

高于最佳温度，生长速率会降低到每个生物体可以耐受的最高温度。

在这些高温下，结构和功能性蛋白质（例如酶）会变性并失活，因为它们失去其几何构型和特定的空间构型，细胞质膜破裂，并且由于热作用而发生热裂解或破裂。

每种微生物都有其运行和发育的最低，最佳和最高温度。在这三个温度下，嗜热菌具有极高的价值。

嗜热生物的区别特征

• 嗜热生物具有高生长速率，但寿命短。
• 它们的细胞膜中含有大量的长链饱和脂肪或脂质。这种类型的饱和脂肪能够吸收热量并在高温下（熔化）变成液态，而不会被破坏。
• 通过共价键和称为伦敦散射力的特殊分子间力，其结构和功能蛋白非常热稳定（可加热）。
• 它们还具有特殊的酶，可以在高温下维持代谢功能。
• 众所周知，这些嗜热微生物可以利用火山区丰富的硫化物和硫化合物作为养分的来源，将其转化为有机物。

嗜热生物的分类

嗜热生物可分为三大类：

• 中度嗜热菌（在50-60°C之间最佳）。
• 极端嗜热菌（最接近70°C）。
• 嗜热菌（最佳接近80°C）。

嗜热生物及其环境

陆地热液环境

热液场出奇地普遍且分布广泛。它们可以大致分为与火山区相关的和与火山区无关的。

最高温度的热液环境通常与火山特征（火山口，断层，板块构造边界，后弧盆地）有关，这些特征使岩浆上升到可以直接与地下水相互作用的深度。深。

图2.智利阿塔卡马的Tatio Geysers。资料来源：Diego Delso

热点通常还伴随着其他特征，这些特征使生活难以发展，例如极端的pH值，有机物，化学成分和盐度。

因此，陆地热液环境的居民可以在各种极端条件下生存。这些生物被称为多极端微生物。

居住在陆地热液环境中的生物的例子

在陆地热液环境中已经发现了属于这三个领域（真核，细菌和古细菌）的生物。这些生物的多样性主要由温度决定。

尽管各种各样的细菌物种在中等嗜热环境中生活，但光自养生物可以在微生物群落中占主导地位，并形成宏观的“垫”或“地毯”状结构。

这些“光合垫”存在于大多数中性和碱性温泉（pH大于7.0）中，温度在40-71°C之间，主要的生产者是蓝细菌。

高于55°C，光合垫主要居住在单细胞蓝细菌中，例如Synechococcus sp.。

菌

光合微生物垫也可以主要被绿屈挠属的细菌（Chloroflexus和Roseiflexus属）居住。

当与蓝细菌相关时，绿反射藻和红反射藻在光异养条件下生长最佳。

如果pH是酸性的，则通常是嗜酸菌属，嗜酸菌属，脱硫母球菌属，氢杆菌属，甲草属，嗜热厌氧杆菌，嗜热脱硫杆菌和嗜热脱硫菌属。

在高嗜热源中（在72-98°C之间），众所周知，不会发生光合作用，这使得化学自养细菌占优势。

这些生物属于水族门，是世界性的。它们可以用氧气作为电子受体将氢或分子硫氧化，并通过还原性三羧酸（rTCA）途径固定碳。

拱门

在中性和碱性热环境中鉴定出的大多数栽培和未栽培古细菌都属于Crenarchaeota门。

嗜热丝状菌，嗜热球菌或嗜热嗜盐菌Nitrosocaldus yellowstonii等物种在低于77°C的温度下繁殖，嗜中性嗜热菌，Vulcanisaeta分布物，嗜热丝状菌，多年生嗜热气单胞菌，运动性脱硫球菌和Ignisphaera的温度均高于80°C。

在酸性环境中，发现了古细菌属：古菌，古球菌，金属小球藻，嗜酸性菌，白腐球菌，青枯菌，嗜热菌，Thennocladium和Galdivirga。

真核生物

在来自中性和碱性来源的真核生物中，可以提及嗜热丝霉菌，嗜热滑膜藻，嗜热棘孢藻，嗜热滨海藻和真菌性奥拉莫巴。

在酸性来源中，可以发现：Pinnularia，Cyanidioschyzon，Cyanidium或Galdieria。

海洋热液环境

温度范围从2°C到超过400°C，压力超过每平方英寸几千磅（psi），并且高浓度的有毒硫化氢（pH值为2.8），深海热液喷口可能是地球上最极端的环境。

在这个生态系统中，微生物是食物链中的最底层环节，它们的能量来自地球内部深处发现的地热和化学物质。

图4.热液喷口和管蠕虫。资料来源：photolib.noaa.gov

与海洋热液环境有关的动物群的例子

与这些来源或通风口相关的动物种类繁多，并且尚未完全了解不同分类单元之间的关系。

在已分离的物种中，细菌和古细菌都是如此。例如，已分离出甲烷球菌属，甲烷菌属和古芽孢杆菌属嗜热厌氧菌的古细菌。

细菌在生物膜上繁衍生息，生物膜上有多种生物，例如两栖动物，co足类，蜗牛，蟹虾，夜蛾，鱼类和章鱼。

图5.烟曲霉属的居民Rimicaris的虾。资料来源：NOAA Okeanos探索者计划，2011年中开曼群岛上升考察

常见的情况是贻贝，嗜热巴斯德氏菌的堆积，长度超过10厘米，聚集在玄武岩熔岩的裂缝中。这些通常伴随着大量的半角蟹（Munidopsis subsquamosa）。

发现的最不寻常的生物之一是块茎裂谷裂R（Riftia pachyptila），它可以大量聚集，大小接近2米。

这些tube虫没有嘴，胃或肛门（也就是说，它们没有消化系统）；它们是一个完全封闭的囊，没有任何外部环境的开放。

图6.带有海葵和贻贝的夜蛾裂谷夜蛾。资料来源：

NOAA Okeanos探索者计划，加拉帕戈斯纵谷探险2011

笔尖的鲜红色是由于存在细胞外血红蛋白。硫化氢跨过与该羽状细丝相关的细胞膜运输，并通过细胞外血红蛋白到达称为滋养体的专门“组织”，该组织完全由共生化学合成细菌组成。

可以说这些蠕虫具有内部的细菌“花园”，这些细菌以硫化氢为食，为蠕虫提供“食物”，这是一种非凡的适应。

炎热的沙漠

炎热的沙漠覆盖了地球表面的14％至20％，约19-25百万公里。

在北半球和南半球的整个热带地区都发现了最热的沙漠，例如北非的撒哈拉沙漠和美国西南部，墨西哥和澳大利亚的沙漠（介于10°和30-纬度40度）。

沙漠的类型

干旱是沙漠的一个特征。根据Koppen-Geiger气候分类，沙漠是年降雨量少于250毫米的地区。

但是，年降水量可能是一个误导指标，因为失水是水预算的决定因素。

因此，联合国环境规划署对沙漠的定义是正常气候条件下的年水分亏缺，那里的潜在蒸散量（PET）是实际降水量（P）的五倍。

在干旱的沙漠中，PET含量很高，这是因为由于缺乏云层，干旱地区的太阳辐射接近最大值。

沙漠可以根据其干旱程度分为两种：

• 高干旱：干旱指数（P / PET）小于0.05。
• 骨料：指数在0.05到0.2之间。

沙漠与干旱半干旱地区（P / PET 0.2-0.5）和干燥半湿润地区（0.5-0.65）有所不同。

沙漠还有其他重要特征，例如强烈的温度变化和土壤高盐度。

另一方面，沙漠通常与沙丘和沙子相关联，但是，该图像仅对应所有沙丘和沙子中的15％至20％。岩石和山区景观是最常见的沙漠环境。

沙漠嗜热生物的例子

沙漠中的居民是嗜热者，他们进行了一系列适应，以应对由于缺乏雨水，高温，大风，盐度等而引起的逆境。

旱生植物已经开发出避免汗液并尽可能多地贮水的策略。茎和叶的多汁或增厚是最常用的策略之一。

在仙人掌科中很明显，在该科中叶子也被修饰成刺，既可以防止蒸腾作用，又可以防止草食动物。

图7.新加坡植物园的仙人掌。资料来源：来自Wikimedia Commons的Calmg Teo的Img

纳米比亚沙漠原生的Lithops或石头植物也生长着肉质，但在这种情况下，植物与地面齐平生长，并被周围的石头伪装。

图8. Lithops herrei，一种岩石状的沙漠肉质植物。资料来源：加州大学植物园的Stan Shebs

另一方面，生活在这些极端栖息地的动物会发生各种适应，从生理到伦理。例如，所谓的袋鼠大鼠排尿量少且数量少，因此这些动物在缺水的环境中非常有效。

减少水分流失的另一种机制是提高体温。例如，夏季休息的骆驼的体温可能从约34°C升高到40°C以上。

温度变化对于节水至关重要，原因如下：

• 体温升高意味着热量存储在体内，而不是通过水的蒸发散发。后来，在晚上，多余的热量可以排出而不会浪费水。
• 由于温度梯度降低，因此从高温环境获得的热量减少。

另一个例子是沙鼠（Psammomys obesus），它已经开发出一种消化机制，使它们只能以藜科（Chenopodiaceae）的沙漠植物为食，该植物的叶子中含有大量的盐分。

图9.沙鼠（Psammomys obesus）。资料来源：来自Wikimedia Commons的Gary L. Clark

沙漠动物的行为学（行为学）适应方式很多，但也许最明显的一种暗示了活动-休息周期是相反的。

这样，这些动物在日落时会活跃（夜间活动），而在黎明时会停止活动（白天休息），因此它们的活跃寿命与最热的时间不一致。

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