Extremofielen: organismen die leven in extreme omstandigheden
Ontdek extremofielen: microben die floreren in extreme hitte, kou, zout, zuur of druk — inzichten in de oorsprong van leven en toepassingen in biotechnologie.
Een extremofiel is een organisme (een levend wezen) dat het best leeft in extreme omstandigheden die schadelijk zijn voor het meeste leven op aarde. Zij verschillen van organismen die op normale plaatsen leven, mesofielen of neutrofielen genoemd. Extremofielen zijn meestal microben (bacteriën en archaea), maar er bestaan ook eukaryote extremotolerante vormen zoals sommige schimmels, algen en protisten. Complexe meercellige vormen die écht in deze omstandigheden groeien zijn zeldzaam; veel dieren of planten kunnen dergelijke omstandigheden niet verdragen en sommige organismen overleven alleen tijdelijk door in een rusttoestand te gaan (bijvoorbeeld tardigraden door cryptobiose).
Ontdekking en soorten extreme niches
In de jaren '80 en '90 ontdekten biologen dat microben kunnen overleven in extreme omgevingen. Dit zijn niches die op een of andere manier extreem zijn. Ze kunnen extreem heet zijn, of koud, of droog, of onder enorme druk, of zeer zout of zuur. Complexe organismen, zoals dieren of planten, kunnen in deze omgevingen niet leven.
- Thermofielen: groeien bij relatief hoge temperaturen (vaak >45 °C). Hyperthermofielen hebben optimale temperaturen boven ~80 °C en komen voor bij hete bronnen en hydrothermale bronnen.
- Psychrofielen (of cryofielen): gedijen bij lage temperaturen, vaak <15 °C; sommige microben blijven actief rond 0 °C of onder het vriespunt in bevroren milieu's.
- Halofielen: leven in zeer zoute omstandigheden (zoals zoutmeren en evaporatiebassins), sommige soorten groeien bij zoutconcentraties dicht bij verzadiging.
- Acidofielen en alkalifielen: groeien bij zeer lage pH (pH < 3) respectievelijk zeer hoge pH (pH > 9).
- Barofielen of piezofielen: aangepast aan hoge druk, zoals op de diepzeebodem of bij diepzee-hydrothermale bronnen.
- Xerofielen: tolerant voor extreem droge omstandigheden (weinig water beschikbaar).
- Radioresistente microben: bestand tegen hoge dosissen straling door zeer efficiënte DNA-herstelmechanismen.
Waarom zijn extremofielen belangrijk voor begrip van het leven?
Sommige wetenschappers suggereren dat het leven op aarde begonnen kan zijn in hydrothermale bronnen ver onder het oceaanoppervlak. Omgevingen zoals hete oceanen, warmwaterbronnen en diepzee-hydrothermale bronnen zouden veelvuldig zijn voorgekomen tijdens het Archeaanse tijdperk, ongeveer 3,9 miljard jaar geleden. Vroege levensvormen leefden in die omstandigheden. Omdat extremofielen metabolische strategieën en biochemie laten zien die sterk afwijken van die van mesofielen, geven ze aanwijzingen over mogelijke routes voor het ontstaan van leven en over welke chemische omstandigheden leven kan tolereren.
Aanpassingen aan extreme omstandigheden
- Thermostabiele eiwitten en enzymen: eiwitten van thermofielen zijn opgevouwen en gestabiliseerd zodat ze niet denatureren bij hoge temperatuur. Zulke enzymen (soms genoemd extremozymes) blijven functioneel onder omstandigheden die normale enzymen vernietigen.
- Membranen: lipiden in membranen van extremofielen zijn aangepast om vloeibaar te blijven bij lage temperaturen of juist stabiel bij hoge temperaturen en extreme chemicaliën.
- Compatibele soluten en ionenhuishouding: halofielen gebruiken zouten of organische soluten om osmotische balans te houden; acidofielen en alkalifielen reguleren de interne pH actief.
- DNA-bescherming en herstel: sommige microben hebben krachtige systemen om DNA-schade te repareren, of moleculen die DNA en eiwitten beschermen tegen UV en oxidatieve schade.
- Metabolische flexibiliteit: veel extremofielen gebruiken chemolithoautotrofe processen (chemosynthese) waarbij energie gewonnen wordt uit anorganische reacties (bijv. oxidatie van zwavel of ijzer) in plaats van zonlicht.
Toepassingen en belang voor technologie
- Industrie en biotechnologie gebruiken extremozymes omdat ze stabiel zijn bij hoge temperatuur, extreme pH of in aanwezigheid van oplosmiddelen. Een bekend voorbeeld is het Taq-polymerase van Thermus aquaticus, essentieel voor de PCR-techniek in moleculaire biologie.
- Bioremediatie: sommige extremofielen kunnen verontreinigende stoffen afbreken onder omstandigheden waarin gewone microben dit niet kunnen.
- Astrobiologie: kennis over extremofielen helpt bij het beoordelen van de mogelijke aanwezigheid van leven op andere planeten en manen (bijv. Mars, Europa, Enceladus) waar omstandigheden extreem zijn.
- Wetenschappelijk begrip: onderzoek naar extremofielen vergroot ons inzicht in eiwitstabiliteit, celbiologie en de grenzen van leven.
Onderzoeksmethoden
Studie van extremofielen gebeurt zowel door kweek in het laboratorium als door moderne moleculaire technieken zoals metagenomics en genoomsequencing. Omdat veel extremofielen moeilijk te kweken zijn, levert directe DNA-analyse van monsters uit extreme habitats vaak nieuwe soorten en metabole mogelijkheden aan het licht.
Voorbeelden van extremofielen
- Thermus aquaticus — thermofiel, bron van Taq-polymerase.
- Pyrococcus en Methanopyrus — hyperthermofiele archaea uit diepe oceaanhotspots.
- Halobacterium en andere halofiele archaea — leven in zoutmeren en zouthaspels.
- Deinococcus radiodurans — extreem radioresistent door efficiënte DNA-herstelmechanismen.
- Picrophilus — een van de meest zuurminnende organismen, groeit bij extreem lage pH.
Extremofielen laten zien dat het leven opmerkelijk flexibel en veerkrachtig is. Door hun unieke biochemie en ecologie bieden ze zowel fundamentele inzichten in het ontstaan en de grenzen van leven als concrete toepassingen in onderzoek en industrie.
Thermofielen, een soort extremofielen, produceren enkele van de heldere kleuren van de Grand Prismatic Spring, Yellowstone National Park
Soorten extremofielen
De meeste bekende extremofielen zijn microben. Het domein Archaea kent bekende voorbeelden van extremofielen, maar ook sommige bacteriën zijn extremofielen. Het is een vergissing om de term extremofiel te gebruiken voor alle archaea, aangezien sommige daarvan mesofiel zijn. Niet alle extremofielen zijn eencellig: in sommige extreme milieus komen dieren voor die meercellig zijn.
Sommige extremofielen vallen in verschillende categorieën. Zo zijn bijvoorbeeld organismen die in hete rotsen diep onder het aardoppervlak leven, zowel thermofiel als barofiel.
Acidofielen
Een organisme dat het best groeit bij een pH van 3 of lager.
Alkalifielen
Een organisme dat het best groeit bij een pH van 9 of hoger
Endolieten
Een organisme dat leeft in microscopisch kleine ruimten in rotsen, spleten, watervoerende lagen en breuken die diep onder de grond met grondwater gevuld zijn.
Een organisme dat een hoge zoutconcentratie nodig heeft om te groeien.
Hyperthermofiel
Een organisme dat goed kan leven bij temperaturen tussen 80-122 °C, zoals in hydrothermale openingen in de diepe oceaan.
Hypolieten
Een organisme dat in rotsen leeft in koude woestijnen.
Lithoautotrofen
Een organisme (meestal een bacterie) dat alleen koolstof uit kooldioxide en anorganische oxidatie haalt. Het zijn chemolithotrofen, zoals Nitrosomonas europaea. Deze organismen halen energie uit minerale verbindingen, zoals ijzerpyriet. Zij spelen een rol bij de geochemische kringloop en bij de afslijting van het gesteente om bodem te vormen.
Metalotolerant
Deze organismen ondervinden geen schade van hoge gehalten opgeloste zware metalen, zoals koper, cadmium, arseen en zink.
Oligotroof
Een organisme dat kan groeien in een omgeving met zeer weinig voedingsstoffen.
Osmofiel
Een organisme dat kan groeien in een omgeving met veel suiker.
Piëzofiel
Een organisme dat het best leeft onder hoge druk, zoals diep in het aardoppervlak en in diepe oceaangeulen.
Polyextremophile
Een organisme dat tot meer dan één categorie extremofielen behoort.
Psychrofiel/Cryofiel
Een organisme dat beter groeit bij temperaturen van 15 °C of lager. Ze komen veel voor in koude bodems, permafrost, poolijs, koud oceaanwater, en onder sneeuw in hoge bergen.
Organismen die kunnen leven met hoge niveaus van ioniserende straling. Meestal wordt hiermee ultraviolette straling bedoeld, maar er zijn ook organismen die door gammastraling veroorzaakte schade kunnen herstellen.
Een organisme dat goed kan leven bij temperaturen tussen 60-80 °C.
Thermoacidofiel
Een organisme dat zowel een thermofiel als een acidofiel is. Het groeit het best bij temperaturen van 70-80 °C en een pH tussen 2 en 3.
Xerophile
Een organisme dat kan groeien op extreem droge plaatsen, zoals de Atacama-woestijn.
Vragen en antwoorden
V: Wat is een extremofiel?
A: Een extremofiel is een levend organisme dat gedijt in extreme omgevingen die schadelijk zijn voor het meeste andere leven op aarde.
V: Waarin verschillen extremofielen van andere organismen?
A: Extremofielen verschillen van andere organismen die op normale plaatsen leven, mesofielen of neutrofielen genoemd.
V: Wanneer ontdekten biologen dat microben in extreme omgevingen kunnen overleven?
A: Biologen ontdekten dat microben in extreme omgevingen kunnen overleven in de jaren 1980 en 1990.
V: Wat zijn enkele voorbeelden van extreme omgevingen waarin microben kunnen overleven?
A: Extreme omgevingen waarin microben kunnen overleven zijn extreem heet, of koud, of droog, of onder enorme druk, of zeer zout of zuur.
V: Waarom kunnen complexe organismen, zoals dieren of planten, niet in extreme omgevingen leven?
A: Complexe organismen, zoals dieren of planten, kunnen niet in extreme omgevingen leven omdat zij niet aangepast zijn om in die omstandigheden te overleven.
V: Waar is volgens sommige wetenschappers het leven op aarde begonnen?
A: Sommige wetenschappers suggereren dat het leven op aarde begonnen kan zijn in hydrothermale bronnen ver onder het oceaanoppervlak.
V: Wanneer kwamen omgevingen zoals hete oceanen, hete bronnen en hydrothermale bronnen in de diepe oceaan veel voor?
A: Omgevingen zoals hete oceanen, warmwaterbronnen en hydrothermale bronnen in de diepzee zouden veel voorkomen tijdens het Archeon, ongeveer 3,9 miljard jaar geleden.
Zoek in de encyclopedie