Estremofili

Definizione di Estremofili

Gli Estremofili sono organismi che si sono evoluti per sopravvivere in ambienti che una volta si pensava fossero completamente inabitabili. Questi ambienti sono inospitali, raggiungendo condizioni estreme di calore, acidità, pressione e freddo che sarebbero fatali alla maggior parte delle altre forme di vita. Poiché gli estremofili vivono agli estremi dello spettro, possono indicare la gamma di condizioni in cui la vita è possibile.

Una cosa importante da notare, tuttavia, è che gli estremofili sono “estremi” solo da una prospettiva antropocentrica. Per esempio, mentre l’ossigeno è indispensabile per noi stessi e per gran parte della vita sulla Terra, molti organismi fioriscono in ambienti senza ossigeno.

Gli estremofili possono essere divisi in due grandi categorie: organismi estremofili e organismi estremo-tolleranti. Come suggerisce il suffisso “philic”, tradotto in “amore”, gli organismi estremofili richiedono una o più condizioni estreme per prosperare, mentre gli organismi estremofili crescono in modo ottimale in condizioni più “normali” ma sono ancora in grado di sopravvivere a uno o più valori fisiochimici estremi.

La maggior parte degli estremofili sono organismi microscopici appartenenti a un dominio della vita noto come archaea. Tuttavia, dire che gli estremofili sono limitati a questo dominio non sarebbe corretto. Alcuni estremofili appartengono al dominio dei batteri, e alcuni sono addirittura eucarioti multicellulari!

Importanza nella ricerca

Gli enzimi secreti dagli estremofili, chiamati “extremozimi”, che permettono loro di funzionare in ambienti così difficili, sono di grande interesse per i ricercatori medici e biotecnici. Forse saranno la chiave per creare farmaci a base genetica, o per creare tecnologie in grado di funzionare in condizioni estreme.

Gli astrobiologi si sono anche interessati agli estremofili per la loro notevole resistenza in ambienti freddi. Gli estremofili, o “psicrofili”, che sono attivi in tali ambienti sollevano la possibilità di vita su altri pianeti, poiché la maggior parte dei corpi del sistema solare sono congelati. Inoltre, le proprietà biochimiche di tali psicrofili, come la capacità di utilizzare l’arsenico piuttosto che il fosforo per creare energia, aumenta la possibilità di vita extraterrestre. E, poiché gli estremofili possono indicare la gamma di condizioni in cui la vita è possibile, possono anche fornire indizi su come e dove cercare la vita su altri corpi solari.

Tipi di estremofili

Naturalmente, diverse condizioni ambientali richiedono diversi adattamenti da parte degli organismi che vivono quelle condizioni. Gli estremofili sono classificati in base alle condizioni in cui crescono. Di solito, tuttavia, gli ambienti sono un mix di diverse condizioni fisiochimiche, che richiedono agli estremofili di adattarsi a più parametri fisiochimici. Gli estremofili che si trovano in tali condizioni sono chiamati “poliestremofili”.

Acidofili

Gli acidofili si adattano a condizioni con valori di pH acidi che vanno da 1 a 5. Questo gruppo comprende alcuni eucarioti, batteri e archei che si trovano in luoghi come pozze sulfuree, aree inquinate da drenaggi di miniere acide e persino il nostro stomaco!

Gli acidofili regolano i loro livelli di pH attraverso una varietà di meccanismi specializzati, alcuni dei quali sono passivi (non esercitano energia) e altri attivi (esercitano energia). I meccanismi passivi di solito coinvolgono il rafforzamento della membrana cellulare contro l’ambiente esterno, e possono comportare la secrezione di un biofilm per ostacolare la diffusione di molecole nella cellula, o cambiare la loro membrana cellulare interamente per incorporare sostanze protettive e acidi grassi. Alcuni acidofili possono secernere molecole tampone per aiutare ad aumentare i loro livelli di pH interno. I meccanismi attivi di regolazione del pH coinvolgono una pompa di ioni idrogeno che espelle ioni idrogeno dalla cellula ad un tasso costantemente elevato.

Alakalifili

Alkalifili sono adattati a condizioni con valori di pH basici di 9 o superiori. Mantengono l’omeostasi con meccanismi sia passivi che attivi. I meccanismi passivi includono il raggruppamento delle poliammine citoplasmatiche all’interno della cellula. Le poliammine sono ricche di gruppi amminici caricati positivamente che tamponano il citoplasma in ambienti alcalini. Un altro meccanismo passivo è avere una bassa permeabilità di membrana, che ostacola il movimento dei protoni dentro e fuori la cellula. Il metodo attivo di regolazione coinvolge un canale ionico del sodio che porta i protoni nella cellula.

Termofili

I termofili prosperano a temperature estremamente elevate tra 113 e 251 gradi Fahrenheit. Si possono trovare in luoghi come bocche idrotermali, sedimenti vulcanici e sorgenti calde. La loro sopravvivenza in tali luoghi può essere accreditata ai loro extremozimi. Gli aminoacidi di questi tipi di enzimi non perdono la loro forma e non si deformano in condizioni di calore estremo, permettendo di continuare a funzionare correttamente.

Psychrophile

Psychrophiles (noto anche come Cryophiles) prosperano in temperature estremamente basse di 5 gradi Fahrenheit o inferiori. Questo gruppo appartiene a tutti e tre i domini della vita (batteri, archaea ed eukarya), e si possono trovare in luoghi come suoli freddi, permafrost, ghiaccio polare, acque oceaniche fredde e pacchetti di neve alpini.

Un modo in cui sopravvivono nel freddo estremo può essere attribuito ai loro extremozimi, che continuano a funzionare a basse temperature, e un po’ più lentamente a temperature ancora più basse. Gli psicrofili sono anche in grado di produrre proteine che sono funzionali alle basse temperature, e contengono grandi quantità di acidi grassi insaturi nelle loro membrane plasmatiche che aiutano a tamponare le cellule dal freddo. In particolare, però, alcuni psicrofili sono in grado di sostituire l’acqua nei loro corpi con lo zucchero trealosio, impedendo la formazione di dannosi cristalli di ghiaccio.

Xerofili

Gli xerofili crescono in condizioni estremamente secche che possono essere molto calde o molto fredde. Sono stati trovati in luoghi come il deserto di Atacama, il Grande Bacino e l’Antartico. Come i loro amici psicrofili, alcuni xerofili hanno la capacità di sostituire l’acqua con il trealosio, che può anche proteggere le membrane e altre strutture da periodi di scarsa disponibilità di acqua.

Barofili (Piezofili)

I barofili sono organismi che crescono meglio sotto alte pressioni di 400 atm o più. Possono sopravvivere regolando la fluidità dei fosfolipidi nella membrana. Questa fluidità compensa il gradiente di pressione tra l’interno e l’esterno della cellula e l’ambiente esterno. I barofili estremi crescono in modo ottimale a 700 atmosfere o più, e non crescono a pressioni inferiori.

Halophile

Gli alofili sono organismi che richiedono alte concentrazioni di sale per crescere. A salinità superiori a 1,5M, i batteri procarioti sono predominanti. Ancora, questo gruppo appartiene a tutti e tre i domini della vita, ma in numero minore.

Superare le sfide degli ambienti ipersalini inizia con la minimizzazione della perdita di acqua cellulare. Gli alofili lo fanno accumulando soluti nel citoplasma attraverso vari meccanismi. Gli archei alofili usano una pompa ionica sodio-potassio per espellere il sodio e assumere il potassio. I batteri alotolleranti bilanciano la pressione osmotica usando il glicerolo come soluto compatibile.

Esempi di estremofili

Snottite

Conosciuto anche come “moccolo”, gli snottiti sono costituiti da colonie di batteri monocellulari estremofili che vivono nelle grotte. Queste colonie sembrano simili a stalattiti, ma hanno la consistenza di, beh, moccio. Queste colonie di batteri sopravvivono all’estrema tossicità e acidità, tra le altre condizioni fisiochimiche estreme. Sopravvivono usando la chemiosintesi per trasformare i composti dello zolfo vulcanico in energia e rifiuti di acido solforico.

Il verme tubolare gigante

Il verme tubolare gigante è un estremofilo di mare profondo trovato vicino alle bocche idrotermali che vive in condizioni di alta pressione, alto calore e nessuna luce solare. Le acque vicino alle bocche idrotermali possono raggiungere temperature di 600 gradi Fahrenheit, e la pressione può arrivare fino a quasi 9.000 psi! Non avendo un proprio tratto digestivo, sopravvivono in queste condizioni con l’aiuto dei loro partner simbiotici: batteri estremofili che vivono nel midgut del verme tubolare gigante. I batteri, che possono rappresentare fino alla metà del peso del verme, usano la chemiosintesi per trasformare l’ossigeno, il solfuro di idrogeno e l’anidride carbonica in molecole organiche che il verme può usare come cibo.

Tardigradi

Tecnicamente più estremotolleranti che estremofili, queste creature microscopiche a otto zampe sono uno degli organismi più resistenti conosciuti dall’uomo. Hanno due strategie di sopravvivenza: una in caso di inondazione, e una in caso di congelamento o siccità. In caso di inondazione, i tardigradi si gonfiano come palloni, permettendo loro di galleggiare fino alla superficie dove hanno accesso all’ossigeno. In caso di siccità o gelo, i tardigradi hanno la notevole capacità di sostituire più del 97% dell’acqua nel loro corpo con un tipo di zucchero chiamato trealosio. Questo riduce la necessità di acqua e impedisce la formazione di cristalli di ghiaccio che altrimenti si formerebbero con l’acqua e danneggerebbero questi organismi. Usando queste tecniche di sopravvivenza, queste creature sono sopravvissute a temperature da -458 gradi Fahrenheit a 300 gradi Fahrenheit, pressioni sei volte superiori a quelle che si trovano nelle parti più profonde dell’oceano, dosi letali di radiazioni e persino il vuoto dello spazio! Eppure, più a lungo i tardigradi rimangono in condizioni non ottimali, minori sono le loro possibilità di sopravvivenza.

Loricifera

Questi microscopici organismi sono stati raccolti per la prima volta nelle profondità di un bacino del Mar Mediterraneo, dove la salamoia satura di sale in cui vivono non si mescola né viene annacquata dalle acque sovrastanti. Hanno abitato il sedimento marino, prosperando in questo ambiente salato, solfidico, gelido e altamente pressurizzato senza ossigeno né luce. Questo è possibile perché, a differenza di noi, le Loricifera hanno idrogenosomi che non hanno bisogno di ossigeno, invece dei mitocondri, per produrre energia!

Grylloblattidae

Grylloblattidae è una famiglia di insetti psicrofili che si trovano in ambienti freddi come le cime delle montagne, i ghiacciai e gli strati di ghiaccio. Preferiscono temperature tra 33,8 e 39,2 gradi Fahrenheit, appena sopra lo zero. Quando le temperature scendono sotto lo zero, questi insetti scavano nella neve e stanno vicino al suolo, altrimenti rischiano la morte per la formazione di cristalli di ghiaccio nei loro corpi. Uno psicrofilo _________.
A. prospera nel calore estremo.
B. cresce in alta salinità.
C. ama il freddo.
D. XXXX

2. Un organismo estremotollerante è ______________.
A. un organismo che non si trova sulla terra.
B. adattato a condizioni estreme.
C. adattato a condizioni moderate e può vivere in condizioni estreme.
D. adattato solo a condizioni moderate.

3. Il microbo Picrophilus torridus vive a livelli di pH 0 (molto acido). Che tipo di estremofilo è questo?
A. uno xerofilo.
B. un barofilo.
C. un alcalifilo.
D. un acidofilo.

• Risorse educative. (2017, 10 aprile). Recuperato il 18 maggio 2017, da http://serc.carleton.edu/microbelife/index.html
• Estremofilo. (2017, 15 maggio). Retrieved May 18, 2017, from https://en.wikipedia.org/wiki/Extremophile
• Giant tube worm. (2017, maggio 05). Retrieved May 18, 2017, from https://en.wikipedia.org/wiki/Giant_tube_worm
• Grylloblattidae. (2017, 10 maggio). Retrieved May 18, 2017, from https://en.wikipedia.org/wiki/Grylloblattidae
• Loricifera. (2017, 14 maggio). Retrieved May 18, 2017, from https://en.wikipedia.org/wiki/Loricifera
• Niederberger, T. (n.d.). Extremophile. Retrieved May 18, 2017, from https://www.britannica.com/science/extremophile
• Snottite. (2017, 14 aprile). Recuperato il 18 maggio 2017, da https://en.wikipedia.org/wiki/Snottite
• Tardigrado. (2017, 15 maggio). Recuperato il 18 maggio 2017, da https://en.wikipedia.org/wiki/Tardigrade