Appunti di Biologia degli ambienti estremi, UPO Disit Vercelli

Corso della professoressa Masini

Appunti di Biologia
degli ambienti
estremi
Scienze Biologiche
UPO Disit Vercelli
2022Sezioni

1. Introduzione
2. Similitudini tra archea e bacteria
3. Differenze tra archea e bacteria
4. Classificazione degli archea
5. Vita nello spazio
6. Psicrofili e psicrotolleranti
7. Antartide e organismi unicellulari
8. Antartide e Funghi
9. Antartide e muschi
10. Animali piccoli e Antartide
11. Uomo in Antartide VS uomo nello spazio
12. Termofili
13. Alofili
14. Acidofili e acido tolleranti
15. Alcalofili e alcalotollerenti
16. Ambienti con alta pressione
17. Profondità della terra
18. Xerofili e xerotolleranti
19. Radio Tolleranti
20. Lo spazio parte 2
21. Cambiamenti climatici e biodiversità
22. Vita nelle evaporiti
23. Stress multipli
24. Vita nello spazio parte 3
25. Evoluzione umana e ambientale

Introduzione alla vita in ambienti estremi

La vita è ovunque per cui in ogni tipo di ambiente con le sue caratteristiche e i suoi
adattamenti.
La definizione di ambiente estremo è data dall'uomo che ritiene estremo un ambiente
per le forme di vita che ci vivono sono degli ambienti normali.
Ci sono degli esempi come:

• Pressione
• Ambienti acidi
• Ambienti con sostanze tossiche
• Mancanza di ossigeno

Tutti questi ambienti sono considerati per l'uomo inospitali ed estremi però si basa
tutto sulla percezione dell'uomo. Gli organismi che vivono in ambienti estremi di solito
sono unicellulari e sono in grado di prosperare in microambienti; in questi ambienti ci
possono essere più situazioni stressanti.
Ci sono pochi gruppi tassonomici che vivono in questi ambienti sono degli estremofili
oppure ci sono quelli che sono in grado di sopportarli che sono quelli tolleranti.

Differenze e similitudini tra batteri e archea

I regni viventi sono divisi in:

• Procarioti
• Eucarioti

Gli archea sono di un regno a sé dalla classificazione del 2004 di Cavalier-Smith per
cui
sono classificati come procarioti ma con un loro regno a sé stante.
Gli archea o archeobatteri sono una suddivisione sistematica fondamentale, al più
basso livello della vita cellulare. Possono considerarsi regno o dominio, a seconda
degli schemi classificativi, ma mostrano strutture biochimiche tali da considerarsi un
ramo basilare, presto distaccatosi dalle altre forme viventi.

Similitudini tra archea e bacteria

• Non hanno nucleo, né compartimentazioni interne (gli archea hanno però vescicole
  che si originano dalla membrana)
• Dimensioni : 0,1-15 µ
• Si riproducono in maniera asessuale (gli archea usano il Trasferimento Genico
  Orizzontale (TGO) : una cellula trasferisce il suo materiale genetico ad un'altra non sua
  discendente)

Differenze tra archea e bacteria

Batteri
Archeae
Parete cellulare
Peptidoglicano
[polimero di N-
acetilglucosamina(NAG)
e acido N-acetil-
muramico (NAM)]
Pseudopeptidoglicano
[polimero di NAG e e acido N-
acetil-talosaminuronico (NAT)]
Membrana cellulare
Introni
assenti
presenti
tRNA d'inizio
tRNA, fMet
tRNA, Met

Parete cellulare: Batteri e Archea

• Parete cellulare:
• Batteri Peptidoglicano: 2 aminozuccheri: N- acetilglucosamina (NAG) e acido
  acetilmuramico (NAM) legati con un legame B(1-4)glucosidico
  N-Acetylglucosamine (G)
  N-Acetylmuramic acid (M)
  CH2OH
  CH2OH
  O
  O
  H
  H
  H
  H
  0
  OH
  H
  ฿ (1,4)
  B(1,4)
  H
  NH
  H
  NH
  N-Acetyl
  group
  C=O
  T
  CH3
  O
  C=0
  HC-CH3
  CH
  Ć=0
  NH
  .O
  Lysozyme-
  sensitive
  bond
  HJC-CH-C
  L-Alanine
  NH
  O
  C-CH2-CH2-CH-COOH
  D-Glutamic acid
  NH2
  NH
  1
  HOOC-C-CH2-CH2-CH2-CH-C
  H Meso-diamino-
  pimelic acid
  NH D-Alanine
  H3C-CH-COOH
• archea: pseudopeptidoglicano: 2 aminozuccheri: N- acetilglucosamina (NAG) e acido
  acetil- talosaminurico (NAT) legati con un legame B(1-3)glucosidico
  4
  O
  H
  B(1,4)
  I- Membrana cellulare:
• batteri: (ed eucariota) i fosfolipidi presentano una
  testa polare di D-glicerolo-3-fosfato a cui seguono
  2 catene di acidi grassi (legame estere)
• archea troviamo il L-glicerolo (diversa chiralità)
  unito a 2 catene di isoprenoidi (legame etere).
  Possono essere presenti anche dieteri (fifanile) o
  tetraeteri (diftanile) del glicerolo
• Genoma: Gli introni, insieme agli esoni, formano i
  geni, tuttavia solo gli esoni codificano per una
  proteina. Gli introni sono eliminati subito dopo la
  trascrizione tramite un meccanismo di splicing.
  Sono presenti negli archea, ma non nei Batteri
  Lysozyme-insensitive
  CH3
  N-Acetyl
  group
  C=0
  B(1,3)
  CH2OH
  NH
  O
  O
  H
  H
  0-
  H
  H
  H
  -C
  H
  NH
  I
  NAG
  Glu
  NAT
  CH3
  Ala
  Lys -- Glu
  Lys
  Ala
  Glu
  NAT
  NAG
• Rna polimerasi: Gli archea hanno una RNA- pol simile alla RNA-pol II degli eucarioti,
  con fattori di trascrizione simili, benché siano presenti anche fattori di trascrizione
  comuni ai batteri
• T-rna di inizio: negli Archea, come per gli Eucarioti è il tRNAMet, mentre per i Batteri è
  il tRNAfMe
• Gli archea hanno più DNA e la composizione chimica della parete cellulare e della
  membrana plasmatica.
  Sia i bacteria che gli archea hanno la loro unità costitutiva è la cellula procariote: una
  cellula piccola, molto semplice, che non presenta scomparti interni.
  Gli archea come i batteri non hanno il nucleo e le compartimentazioni interne; negli
  archea ho delle vescicole che si originano dalla membrana plasmatica.
  La membrana batterica e quella degli archea hanno 3 differenze:
• Chiralità
• Legame tra glicerolo e catena alifatica
• Catena alifatica
  Gli introni sono presenti negli archea ma non nei batteri.
  L'unica rna-polimerasi degli archea è molto simile alla rna-polimerasi di tipo 2 degli
  eucarioti.
  Gli archea hanno delle caratteristiche incluse tra procarioti e batteri
  Phospholipid from
  Archaea
  1
  Phytanyl
  sidechain
  O
  HỌC-O-P-O"
  O
  C-O- C-H
  C-Q-CH2
  Phospholipid from Bacteria
  and Eukarya
  2
  Ether linkage
  Ester linkage
  0=0
  C-O -- CH2
  C-O- C-H
  O
  O
  HỌC -O-P-O"
  Glycerol
  Phosphate group
  5
  H
  C
  H
  Peptide
  cross-links

Classificazione degli archea

La filogenesi e le relazioni evolutive tra archea, batteri ed eucarioti rimane poco
chiara. A parte le non-somiglianze nella struttura delle cellule, nelle funzioni molti
fattori di tipo genetico accomunano archea ed eucarioti. Fattori di complicazione
sono le constatazioni che il rapporto tra eucarioti e il phylum Euryarchaeota (archea)
è più vicino del rapporto tra Euryarchaeota e il phylum Crenarchaeota (archea)
nonché la presenza di alcuni archaea-geni in alcuni batteri. In poche parole sono gli
organismi più vicini agli eucarioti.
L'ipotesi principale è l'endosimbiosi, cioè che l'antenato degli eucarioti si sia
discostato anticipatamente dagli archaea, che gli eucarioti originino attraverso la
fusione di un archaea e di un eubacterium, diventandone il nucleo e il citoplasma:
questa spiegazione attualmente è l'unica plausibile e considerata attualmente come
fatto della comunità scientifica.
Ci sono tre phylum che sono:

• Euryarchaeota comprendono gli alofili che vivono a concentrazioni elevate di sale
• Cherarchaeota comprendono i termofili
• Korarchaeota gruppo misterioso perché non sono stati isolati
  Tutti sono classificati come estremofili.
  Sebbene siano presenti in ambienti più ospitali, gli archea sono gli abitatori degli
  ambienti più estremi ed inospitali della Terra.
  I termofili possono svilupparsi a temperature superiori ai 100℃.
  Gli psicrofili a quelle inferiori a -10°C.
  Gli acidofili e gli alcalofili crescono rispettivamente in ambienti estremamente acidi o
  alcalini.
  Gli alofili prediligono ambiente ad elevatissima salinità con concentrazioni di NaCl
  fino a 6 m.
  La maggioranza degli archea che vivono in condizioni di stress ambientale moderato
  hanno membrane cellulari formate da Glicerol-di- eteri (metanogeni e alofili), mentre
  quelli esposti alle più estreme presentano di solito Glicerol-tetra-eteri (termofili e
  acidofili).
  Lo studio degli estremofili è antico ma è progredito rapidamente perché alcuni
  stratagemmi di questi organismi si sono rivelati utili nella vita.

Vita nello spazio

L'uomo va nel spazio e a livello fisiologico ci sono delle alterazioni che compromettono
delle strutture perché non è adatto per vivere senza la forza di gravità.
La microgravità a terra può essere solo sperimentata ma si possono fare degli studi
legata ad essa.
Il corpo in assenza di peso si comporta in modo diverso.
Le cellule tumorali in assenza di peso tendono a aggregarsi e formare delle cellule
staminali cancerogene.
8
C
I problemi del volo di lunga durata quindi sopra i 15 giorni sono diversi:

• I fluidi del corpo tendono a spostarsi verso il capo dando l'effetto di "puff face"

7- Si ha una diminuzione del volume delle gambe o atrofia perché i liquidi sono verso
l'alto

• Circolazione compromessa perché c'è molto più flusso verso il cuore
• L'orecchio interno ha la parte vestibolare che ci consente di comprendere la
  posizione del corpo nello spazio. Gli otoliti hanno un peso sulla terra ma non nello
  spazio per cui come primo effetto l'astronauta non ha più la concezione del suo corpo
  nello spazio.
• L'apparato vestibolare perde la sua funzione e l'astronauta instaura una sindrome di
  disorientamento detta Space motion sickness che è simile alla labirintite sulla terra.
  Comunque l'astronauta è in grado di adattarsi attraverso la vista e accantona
  l'apparato vestibolare.
• Depauperamento delle ossa (che sono molto porose) simile alla osteoporosi che però
  per gli astronauti può essere reversibile per cui si torna a costruire la massa ossea e
  potenza dei muscoli. Con questo problema cambia la secrezione di ormoni legati alla
  crescita ossea come la calcitonina e il paratormone. Nelle ossa si ha la maggior parte
  della concentrazione di calcio per cui una loro porosità provoca degli eventi a catena
  nel nostro organismo legata alla concentrazione di calcio nel flusso ematico. Inoltre si
  ha uno sbilanciamento di osteoclasti e osteoblasti che causa un depauperamento
• A livello muscolare quelli antigravitazionali delle gambe e del dorso uniscono
  un'atrofia del tessuto perché non è sollecitato al suo lavoro. Si assiste inoltre alla
  disorganizzazione dei muscoli come accade nella distrofia.
• Danno al reticolo cristallino che è irreversibile perché si opacizza a causa delle
  radiazioni cosmiche che non vengono del tutto schermate.
• Le difese immunitarie nello spazio sono meno attive rispetto alla terra
  Lo spazio e il cervello sono influenzati dal movimento delle orbite che svolge circa 16
  volte il giro intorno alla terra.
  Nell'arco delle 24 ore gli astronauti subiscono 16 albe e 16 tramonti e si cerca di tenere
  un ritmo circadiani come quello sulla terra anche con l'organizzazione della giornata.
  L'epifisi produce melatonina ma solo nelle ore notturne mentre nelle ore solari si ha il
  cortisolo. Gli astronauti hanno questo ritmo un po' falsato a causa dei 16 giri intorno
  alla terra.
  EYES BECOME MAIN
  WAY TO SENSE MOTION
  OTOLITHS IN INNER EAR
  RESPOND DIFFERENTLY
  TO MOTION
  FLUID REDISTRIBUTION
  CAUSES HEAD CONGESTION
  AND PUFFY FACE
  CHANGED SENSORY
  INPUT CONFUSES BRAIN,
  CAUSING occasional
  DISORIENTATION
  HIGHER RADIATION
  DOSES MAY INCREASE
  CANCER RISK
  LOSS OF BLOOD PLASMA
  CREATES TEMPORARY ANEMIA
  ON RETURN TO EARTH
  WEIGHT-BEARING BONES
  AND MUSCLES DETERIORATE
  KIDNEY FILTRATION RATE
  INCREASES; BONE LOSS MAY
  CAUSE KIDNEY STONES
  FLUID REDISTRIBUTION
  SHRINKS LEGS
  TOUCH AND PRESSURE
  SENSORS REGISTER
  NO DOWNWARD FORCE
  8