Какие 4 среды жизни есть на земле: Четыре среды жизни на Земле

Четыре среды жизни на Земле

☰

Среды (места обитания), в которых живут организмы, разные. Выделяют четыре среды обитания — наземно-воздушную, водную, почвенную и организменную (тела других организмов).

Водная среда связана с водоемами: океанами, морями, реками, озерами и др. Воды в них разные, где-то стоячие, где-то с достаточно сильными течениями, соленые и пресные. Во многих водах мало кислорода и солнечного света. С глубиной наступает полумрак, а после 200 м глубины свет вообще отсутствует.

Поэтому растения в воде могут расти лишь на небольшой глубине, там куда еще проникает свет. Температура в водной среде не так резко меняется в течение года и суток. Отрицательной температуры воды не бывает, поэтому даже в самых холодных местах она составляет +4 °C.

Большинство водных растений — это водоросли. Однако среди водных встречаются и высшие растения.

В наземно-воздушной среде обитания растет подавляющее большинство растений и почти все высшие растения. Растения суши формируют леса и луга, степи и тундры и другие растительные сообщества. Особенностями наземно-воздушной среды являются большое количество воздуха и света, наличие ветра, во многих местах сильное колебание температуры и влажности в зависимости от времени года и суток.

Наземно-воздушная среда весьма разнообразна. Растения приспособлены к определенным условиям среды. Одни растут на хорошо освещенных участках, другие — в затененных. Одни растения не переносят холода и живут только в теплых широтах, другие — приспособлены к сезонным колебаниям температуры. Из-за такого разнообразия сред растения наземно-воздушной среды отличаются множеством различных форм.

Почвенная среда обитания находится в почве — верхнем плодородном слое земной коры. Почва образуется как смешение частиц распавшихся горных пород и остатков живых организмов (перегноя). Света здесь почти нет, поэтому в почве могут обитать только мелкие водоросли. Однако здесь находятся семена и споры растений, а также корни. Почвенная среда обитания населена в основном бактериями, животными и грибами.

Организменная среда — это тело какого-либо живого организма, которое используется для жизни другим организмом (паразитом). Обычно организм-хозяин дает питательные вещества паразитирующему организму. Например, растение повилика паразитирует на стеблях других растений, поглощая из них питательные вещества.

Растения могут жить только в средах, к которым приспособлены. Если переместить растение в другую среду, то оно может погибнуть.

Поэтому когда человек выращивает культурные растения, он создает необходимые условия для их нормального роста и развития — поливает их, удобряет почву, избавляет от вредителей. Дикие же растения приспособлены к конкретным условиям окружающей среды.

4 среды обитания живых организмов их характеристика (общая таблица)

Жизненные среды — урок.

Биология, Общие биологические закономерности (9–11 класс).

В пределах биосферы можно выделить четыре основные среды обитания. Это водная среда, наземно-воздушная среда, почва и среда, образуемая самими живыми организмами.

Водная среда

Вода служит средой обитания для многих организмов. Из воды же они получают все необходимые для жизни вещества: пищу, воду, газы. Поэтому, как бы ни были разнообразны водные организмы, все они должны быть приспособлены к главным особенностям жизни в водной среде. Эти особенности определяются физическими и химическими свойствами воды.

Гидробионты (обитатели водной среды) обитают как в пресной, так и в солёной воде и по месту обитания делятся на \(3\) группы:

• планктон — организмы, живущие на поверхности водоёмов и пассивно передвигающиеся за счёт движения воды;
• нектон — активно передвигающиеся в толще воды;
• бентос — организмы, обитающие на дне водоёмов или зарывающиеся в ил.

В толще воды постоянно парит множество мелких растений и животных, ведущих жизнь во взвешенном состоянии. Способность к парению обеспечивается не только физическими свойствами воды, обладающей выталкивающей силой, но и специальными приспособлениями самих организмов, например многочисленными выростами и придатками, значительно увеличивающими поверхность их тела и, следовательно, повышающими трение об окружающую жидкость.

Плотность тела таких животных, как медузы, очень близка к плотности воды.

Удерживаться в толще воды помогает им к тому же характерная форма тела, напоминающая парашют.

У активных пловцов (рыб, дельфинов, тюленей и др.) веретенообразная форма тела, а конечности — в виде ласт.

Их передвижение в водной среде облегчается, кроме того, благодаря особому строению внешних покровов, выделяющих специальную смазку — слизь, снижающую трение о воду.

Вода обладает очень высокой теплоёмкостью, т. е. свойством накапливать и удерживать тепло. По этой причине в воде не бывает резких колебаний температуры, которые часто случаются на суше. Очень глубокие воды могут быть очень холодными, однако благодаря постоянству температуры у животных смог развиться ряд приспособлений, обеспечивающих жизнь даже в этих условиях.

Животные могут жить на огромных океанских глубинах. Растения же выживают только в верхнем слое воды, куда попадает лучистая энергия, необходимая для фотосинтеза. Этот слой называют фотической зоной.

Так как поверхность воды отражает большую часть света, даже в наиболее прозрачных океанских водах толщина фотической зоны не превышает \(100\) м. Животные больших глубин питаются либо живыми организмами, либо останками животных и растений, постоянно опускающимися вниз из верхнего слоя.

Подобно наземным организмам водные животные и растения дышат, им требуется кислород. Количество растворённого в воде кислорода снижается с увеличением температуры. Причём в морской воде кислород растворяется хуже, чем в пресной. По этой причине воды открытого моря тропического пояса бедны живыми организмами. И наоборот, полярные воды богаты планктоном — мелкими рачками, которыми кормятся рыбы и крупные китообразные.

Очень важен для жизни солевой состав воды. Особенное значение для организмов имеют ионы \(Ca2+\). Моллюскам и ракообразным кальций необходим для построения раковины или панциря. Концентрация солей в воде может сильно изменяться. Вода считается пресной, если в одном её литре содержится менее \(0,5\) г растворённых солей. Морская вода отличается постоянством солёности и содержит в среднем \(35\) г солей в одном литре.

Наземно-воздушная среда

Наземно-воздушная среда освоена живыми организмами позже водной и отличается большим разнообразием условий существования. Её населяют более высокоорганизованные живые организмы.

Наиболее важным фактором жизни для обитателей этой среды являются характеристики окружающего их воздуха. Воздух имеет низкую плотность и не может выполнять функцию опоры для организмов. По этой причине у наземных растений и животных хорошо развиты опорные элементы. Формы движения очень разнообразны: бегание, прыгание, ползание, полёт и др. В воздухе летают птицы и некоторые виды насекомых. Ветер разносит семена растений, споры, микроорганизмы.

Воздух постоянно находятся в движении. Его температура непостоянна. Поэтому обитатели наземно-воздушной среды хорошо приспособлены, чтобы переносить резкие колебания температуры.

Наиболее замечательным из них является развитие теплокровности, возникшее именно в наземно-воздушной среде.
Большое значение для жизни растений и животных имеет химический состав воздуха (\(78\) % азота, \(21\) % кислорода и \(0,03\) % диоксида углерода). Диоксид углерода, например, является важнейшим сырьевым источником для фотосинтеза. Азот воздуха необходим для синтеза белков и нуклеиновых кислот.

Количество водяных паров в воздухе (относительная влажность) определяет интенсивность процессов транспирации у растений и испарения с кожи некоторых животных. Организмы, живущие в условиях низкой влажности, имеют многочисленные приспособления, предотвращающие сильные потери воды. Так, например, у пустынных растений мощная корневая система, способная насасывать в растение воду с большой глубины. Кактусы запасают воду в тканях и экономно её расходуют. У многих растений для уменьшения испарения листовые пластинки превращены в колючки. Многие пустынные животные в самый жаркий период впадают в спячку, которая может длиться несколько месяцев.

Почва

Почва — это верхний слой суши, преобразованной в результате жизнедеятельности живых существ. Это важный и очень сложный компонент биосферы, тесно связанный с другими её частями. В почве много обитателей. Между частицами почвы имеются многочисленные полости, которые могут быть заполнены водой или воздухом. Поэтому почву населяют как водные, так и воздуходышащие организмы. Почва очень важна для растений.

Один из важных факторов, влияющих на жизнь в среде, является температура. Однако по мере погружения в почву колебания температуры становятся всё менее заметными: быстро затухают суточные, а по мере увеличения глубины — и сезонные изменения температур.

Даже на небольшой глубине в почве царит полная темнота. Кроме того, по мере погружения в почву падает содержание кислорода и растёт содержание углекислого газа. Поэтому на значительной глубине могут обитать лишь анаэробные бактерии, в то время как в верхних слоях почвы помимо бактерий в изобилии встречаются грибы, простейшие, круглые черви, членистоногие и даже относительно крупные животные, прокладывающие ходы и строящие убежища, например кроты, землеройки, слепыши.

Среда, образуемая живыми организмами

Тела многих организмов служат жизненной средой для других организмов. Это относится не только к паразитизму, но и к некоторым другим формам взаимоотношений между организмами, о чём более подробно будет сказано в следующих разделах.

Очевидно, что условия жизни внутри другого организма характеризуются большим постоянством по сравнению с условиями внешней среды. Поэтому у паразитов часто редуцированы органы и системы, без которых не могут обходиться свободноживущие организмы У них не развиты органы чувств или органы движения, зато возникают приспособления (часто весьма изощрённые) для удержания в теле хозяина и эффективного размножения.

Основные среды жизни живых организмов и их характеристики кратко

Жизнь зародилась на Земле приблизительно 3,7 миллиарда лет назад, по другому источнику около 4,1 млрд лет назад. Развитие продолжается и по сегодняшний день. По всем предположениям, и в дальнейшем жизнь будет продолжаться, приспосабливаясь к окружающей среде, и наличие или отсутствие человека не сможет ее прервать.

Ученые Австралии обнаружили признаки жизни на суше, и им 3,5 млрд лет. Их находки дали подтверждение, что жизнь образовалась в пресных водоемах, а не в соленых источниках. Ученые обратили внимание на эти факты и ищут подтверждение им и на других континентах.

Основные виды жизни

К основным средам жизни относятся:

• водная;
• наземно-воздушная;
• почвенная;
• организменная (паразиты и симбионты).

Каждая из сред обладает своими особенностями и содержит различные организмы, которые проживают, размножаются и эволюционируют.

Наземно-воздушная среда

Эту среду представляет все разнообразие растительной и животной жизни на Земле. Развитие органической жизни на суше позволило возникнуть почве. Дальше пошло развитие растений, лесов, степей, тундры и различных животных, адаптирующихся к разным средам обитания. В результате дальнейшей эволюции органического мира, жизнь распространялась на все верхние оболочки Земли – гидросферу, литосферу, атмосферу. Все живое развивалось и приспосабливалось к резким колебаниям температур и различным средам обитания. Возникли теплокровные и хладнокровные представители животной фауны, разнообразные птицы и насекомые. В наземно-воздушной среде растения приспособились к различным условиям произрастания. Одни любят светлые теплые участки, другие произрастают в тени и влажности, а третьи выживают при низких температурах. Разнообразие этой среды представлено разнообразием жизни в ней.

Водная среда

Параллельно развитию наземно-воздушной среды шло развитие и водного мира.

Водная среда представлена всеми водоемами, которые есть на нашей планете, начиная от океанов и морей, заканчивая озерами и ручейками. 95% поверхности Земли относится к водной среде.

Различные гигантские обитатели водной среды менялись и приспосабливались под волнами эволюции, адаптировались к среде обитания и принимали вид, наиболее увеличивающий выживаемость популяций. Уменьшились размеры, поделились ареалы распространения разных видов их сосуществования. Многообразие жизни в воде удивляет и восхищает. Температура в водной среде не подвержена таким резким колебаниям как в наземно-воздушной среде и даже в самых холодных водоемах не понижается ниже +4 градусов по Цельсию. В воде живут не только рыбы и животные, также вода изобилует различными водорослями. Только на больших глубинах они отсутствуют, там, где царит вечная ночь, идет совсем другое развитие организмов.

Почвенная среда обитания

К почве относится верхний слой земли. Смешение различных пород почвы с горными породами, останками живых организмов, образует плодородную почву. В этой среде нет света, в ней живут, а вернее произрастают: семена и споры растений, корни деревьев, кустарников, трав. В ней также есть мелкие водоросли. Земля представляет собой дом для бактерий, животных и грибов. Это основные ее обитатели.

Организм как среда обитания

На Земле нет ни одного человека, вида животных или растений, в котором не поселился какой-либо организм или паразит. К паразитам растений относится всем известная повилика. Из маленьких спор-семечек вырастает организм, который живет за счет поглощения питательных сил растения хозяина.

Паразиты (от греческого – «нахлебник») – это организм, живущий за счет своего хозяина. Многие организмы паразитируют в телах людей и животных. Они разделяются на временных, которые живут на хозяине определенный цикл, и постоянных, которые паразитируют на теле хозяина цикл за циклом. Это приводит часто к гибели хозяина-носителя. Паразитам подвержено все живое, начиная от бактерий, и завершает этот список высшие растения и животные. К паразитам относятся и вирусы.

К организмам можно прибавить и симбиоз (совместная жизнь).

Симбиоз растений и животных не угнетает хозяина, а выступает партнером в жизни. Симбиотические отношения позволяют выживать определенным видам растений и животных. Симбиоз – промежуток между союзом и слиянием организмов.

Презентация «Четыре среды жизни на Земле»

библиотека
материалов

Содержание слайдов

Номер слайда 1

Четыре среды жизни на Земле

Номер слайда 2

Цели урока:

Номер слайда 3

Что называют средой обитания?Среда обитания – это все, что окружает живой организм и оказывает на него влияние

Номер слайда 4

Среды жизни. Наземно-воздушная. Почвенная Организменная. Водная

Номер слайда 5

Водная среда. Наличие минеральных солей. Мало кислорода. Мало света. Нет резких перепадов температуры

Номер слайда 6

Наземно-воздушная. Обилие воздуха. Много света. Большие колебания температуры. Большие колебания влажности. Большая роль ветра

Номер слайда 7

Почвенная Нет света. Небольшие перепады температуры и влажности в течении суток. Мало кислорода. Почва – это поверхностный плодородный слой суши, образованный из смеси минеральных и органических веществ

Номер слайда 8

Организменная Растение-паразит зависит от растения-хозяина

Номер слайда 9

Растения способны жить лишь в той среде, к условиям которой они приспособлены.

Номер слайда 10

Заполнить таблицу «Общая характеристика сред обитания»   {5 C22544 A-7 EE6-4342-B048-85 BDC9 FD1 C3 A}Факторы среды Наземно-воздушная. Почвенная. Водная. Организменная. Количество воздуха  Количество влаги Количество света Интенсивность изменения температуры

Номер слайда 11

Сверьте ответы:{5 C22544 A-7 EE6-4342-B048-85 BDC9 FD1 C3 A}Факторы среды. Наземно-воздушная. Почвенная. Водная. Организменная. Количество воздуха. Достаточно. Недостаточно. Недостаточно. Недостаточно. Количество влаги. Не всегда достаточно. Не всегда достаточно. Достаточно. Достаточно. Количество света. Достаточно. Не достаточно. Не достаточно. Не достаточно. Интенсивность изменения температуры. Изменяется быстро. Изменяется медленно. Изменяется медленно. По разному

Номер слайда 12

Среды жизни и адаптации к ним организмов / Шпаргалки по экологии / Экология

На Земле можно условно выделить четыре среды жизни: почвенную, водную, наземно-воздушную и среду организмов (когда одни организмы становятся средой для других).

Средообразующие факторы — это те, которые обусловливают свойства сред.

Водная среда. Эта среда самая однородная среди других. Она почти не изменяется в пространстве, в ней нет чётких границ между экосистемами. Амплитуды значений факторов тоже невелики. В частности, амплитуды температуры не превышают 50 °С (для наземно-воздушной среды — до 100 °С). Среду характеризует высокая плотность (океанические воды — 1,3 г/см3, пресные — близки к единице). Давление здесь изменяется в зависимости от глубины. Лимитирующие факторы — кислород и свет. Содержание кислорода часто не более 1 % от объёма. В воде мало теплокровных организмов из-за двух причин: небольшое колебание температур и недостаток кислорода. Основной адаптационный механизм теплокровных животных (киты, тюлени) — противостояние неблагоприятным температурам. И их существование также невозможно без периодической связи с воздушной средой.

Большинство обитателей водной среды имеют переменную температуру тела (группа пойкилотермных). К высокой плотности воды организмы адаптируются, либо используя её как опору, либо имеют плотность (удельный вес), мало отличающуюся от плотности воды (группа планктона).

Наземно-воздушная среда. Она наиболее сложная по свойствам и по разнообразию в пространстве. Характерны: низкая плотность воздуха, значительные колебания температуры, высокая подвижность. Лимитирующие факторы — недостаток или избыток влаги и тепла. Для организмов наземно-воздушной среды характерны три механизма адаптации к изменению температуры: физический (регулирование теплоотдачи), химический (постоянная температура тела), поведенческий.

Для регулирования водного баланса организмы используют также три механизма: морфологический (форма тела), физиологический (высвобождения воды из жиров, белков и углеводов), через испарение и органы выделения, поведенческий (выбор основного расположения в пространстве).

Почвенная среда. Её свойства сближают с водной и наземно-воздушной средами.

Многие мелкие организмы здесь — гидробионты, они живут в поровых скоплениях свободной воды. В почвах также невелики колебания температур. Амплитуды их затухают с глубиной. Наличие пор, заполненных воздухом — сходство с наземно-воздушной средой. Специфические свойства: плотное сложение (твёрдая часть или скелет). Лимитирующие факторы: недостаток тепла, а также недостаток или избыток влаги.

» Среды жизни на планете Земля.»

                          технологическая карта урока 

Урок 21

Ф. И. О. педагога: Ермакова Т. А.
Предмет: биология 5классс
Класс: 5-й
Тема раздела: Жизнь организмов на планете Земля

Тема урока: Среды жизни планеты Земля.

Тип урока: Урок изучения нового материала с использование ИКТ и систематизации знаний

Задачи Образовательные: Познакомить с понятием «Среда обитания». Раскрыть смысл приспособления животных к различным средам обитания. Научится выделять главное из прочитанного. Способствовать развитию грамотной биологической речи, оперативной памяти, произвольного внимания, наглядно-действенного мышления.

Воспитывать культуру поведения при фронтальной работе, индивидуальной работе.

Формировать УУД:

— Личностные: способность к самооценке на основе критерия успешности учебной деятельности, иметь общее представление о моральных нормах поведения, соблюдать их.

— Регулятивные УУД: умение определять и формулировать цель на уроке с помощью учителя; проговаривать последовательность действий на уроке; работать по коллективно составленному плану; оценивать правильность выполнения действия на уровне адекватной ретроспективной оценки; планировать своё действие в соответствии с поставленной задачей; вносить необходимые коррективы в действие после его завершения на основе его оценки и учёта характера сделанных ошибок; высказывать своё предположение.

— Коммуникативные УУД: умение оформлять свои мысли в устной и табличной форме; слушать и понимать речь других; следовать правилам поведения и общения в школе.

— Познавательные УУД: умение ориентироваться в своей системе знаний: отличать новое от уже известного с помощью учителя; добывать новые знания: находить ответы на вопросы, используя учебник, свой жизненный опыт и информацию, полученную на уроке, умение перерабатывать полученную информацию, делать выводы в результате совместной работы всего класса

Цели: Формируем умение работать с рисунками учебника, формируем умение сопоставлять факты, делать выводы о приспособлении организмов к среде обитания.

Формируем умение объяснять взаимосвязи между организмами и окружающей средой; понимать влияние деятельности человека на природ

Обучение самостоятельному формулированию вопросов к тексту учебника или справочной литературы

Технологическая карта с дидактической структурой урока

Ход урока

Формирование УДД

1. Организационный момент

Ребята, добрый день!

Давайте посмотрим, друг на друга и улыбнёмся. Говорят, «улыбка – это поцелуй души». Присаживайтесь на свои места. Я рада, что у вас хорошее настроение, это значит, что мы с вами сегодня очень дружно и активно поработаем. В этом я даже не сомневаюсь

Личностные УУД

создание условий для возникновения внутренней потребности включения в учебную деятельность; 

2. Актуализация знаний

Внимание! Внимание! Седьмого февраля стартуют Олимпийские игры среди животных. На стартовой линии выстроились спортсмены, которые продолжительное время проводили подготовку к знаменательному событию. Перед стартом корреспондент газеты «Необычное в природе» взял интервью у будущих звезд олимпиады.

Первым дал интервью Воробей. Для победы в олимпиаде он готов покорять земные недра. Вторым на стартовой линии стоит Дождевой червь. Он готов покорять воздушное пространство. Третьей на стартовой линии стояла Рыба. Она готова бороться за первенство в наземно-воздушном пространстве. Четвертым на стартовой линии стоит Муха. Она рвется в водное пространство.
Корреспондент пришел в недоумение. Ребята, как вы думаете почему?

Ответы ребят.

Чтобы ответить грамотно на этот вопрос, мы с вами познакомимся со средами жизни планеты Земля.

Коммуникативные

организовать постановку проблемы через побуждающий от проблемной ситуации диалог

Познавательные УУД

-Развиваем умения ориентироваться в своей системе знаний: — отличать новое от уже известного с помощью учителя

Регулятивные УУД

-Высказывать своё предположение

-Определять и формулировать цель на уроке с помощью учителя

Предметные:

-повторение изученного материала, необходимого «для открытия нового знания».

Ребята, как вы думаете, что мы можем назвать « средой обитания»?

— ответы ребят…

Cреда обитания – условия, окружающие организм

Ребята, открываем учебник на стр75,параграф 17, используем справочные карточки. Задания следующие:

1-й ряд. Работает с водной средой.

2-й ряд. Работает с наземно — воздушной.

3-й ряд. Работает с почвенной средой обитания

План

1. Назовите основные характеристики среды обитания?

2..Какими признаками обладают организмы населяющие среду?

3.Назовите основных представителей среды?

Обсуждение вопросов и заполнение таблицы:

Среда жизни

Особенности среды

Обитатели среды

Приспособленность обитателей к среде

Организменная

Водная

Наземно -воздушная

Почвенная

Сообщение ученика о влияние человека на среды жизни .

1-й ученик отрицательное влияние

2-й ученик положительное

Физминутка

Познавательные УУД

-Продолжить формирование умения работать с учебником и дополнительной литературой.

-Продолжить формирование умения находить отличия, работать с информационными текстами, объяснять значения новых слов, сравнивать и выделять признаки, заполнять таблицы

Коммуникативные УУД

-Продолжить формирование умения самостоятельно организовывать учебное взаимодействие при работе в группе (паре).

-Продолжить формирование умения слушать товарища и обосновывать свое мнение.

-Продолжить формирование умения выражать свои мысли и идеи.

Регулятивные УУД

-Продолжить формирование умения участвовать в коллективном обсуждении проблемы, интересоваться чужим мнением, высказывать свое.

-Продолжить формирование умения работать по плану, сверять свои действия с целью и при необходимости исправлять ошибки самостоятельно.

Личностные УУД

-Создание условий к саморазвитию и самообразованию на основе мотивации к обучению и самопознанию.

-Осознавать неполноту знаний, проявлять интерес к новому содержанию

— Устанавливать связь между целью деятельности и ее результатом

4. Закрепление

Задание 1. Прочитать текст и ответить на вопросы.

Текст .

Живя в этой среде, животные либо дышат жабрами, либо поднимаются к поверхности для вдоха . Животные, активно передвигающиеся в этой среде, имеют обтекаемую форму тела.

Вопросы.

1. О какой среде идёт речь?

2. Назовите животных, живущих в этой среде.

Задание 2.

Текст.

Среда обитания характеризуется тем, что она плотная. В ней обитатели находят воздух, воду. А вот свет сюда почти не проникает. Поэтому животные обычно имеют маленькие глаза или вовсе лишены органов зрения. Выручают их в жизни обоняние и осязание.

Вопросы.

1. Как называется эта среда обитания?

2. Каких животных, живущих в этой среде вы знаете? Назовите их.

Задание 3. Посмотрите фрагмент сказки Бианки «Путешествие муравьишки» и

Запишите какие среды обитания освоили насекомые.

Регулятивные УУД

-Уметь корректировать, выделять и осознавать то, что уже усвоено и что ещё подлежит усвоению, осознавать качество и уровень усвоения знаний.

Личностные УУД:

-понимать и оценивать свой вклад в решение общих задач;

-быть толерантным к чужим ошибкам и другому мнению;

-не бояться собственных ошибок и понимать, что ошибки – обязательная часть решения любой задачи.

КоммуникативныеУУД: 

-умение с достаточной полнотой и точностью выражать свои мысли; Уметь сотрудничать со сверстниками

Обсуждение и проверка заданий, ответ на вопрос: Почему корреспондент пришел в недоумение?

Помним, что улыбка это поцелуй души! Улыбнулись друг другу и похлопали!

Регулятивные УУД:

— осознание того, что уже усвоено

—уметь оценивать правильность выполнения действия на уровне адекватной ретроспективной оценки.

Личностные УУД:

-организовать рефлексию собственной учебной деятельности.

6. Инструкция по выполнению дом . задания

Я обнял глобус – шар земной,

И вдруг вздохнул он, как живой;

И шепчут мне материки:

«Ты береги нас, береги!»

В тревоге рощи и леса,

Роса на травах, как слеза!

И тихо просят родники:

«Ты береги нас, береги!»

Грустит глубокая река,

Свои теряя берега,

И слышу голос я реки:

«Ты береги нас, береги!»

Остановил олень свой бег:

-Будь человеком, человек!

В тебя мы верим – не солги,

Ты береги нас, береги!

Я обнял глобус – шар земной,

Такой прекрасный и родной!

И шепчут губы на ветру:

«Я сберегу вас, сберегу!»

Напишите мне небольшое сочинение – рассуждение

1-й ряд. Как человек изменяет водную среду обитания,

2-й ряд. Как человек изменяет наземно – воздушную среду обитания,

3-й ряд. Как человек изменяет почвенную среду

живых существ и окружающей их среды

Жилая среда

Осмотритесь. Все, что вы видите и чувствуете, является частью вашего окружения. Окружающая среда включает в себя живые существа, такие как растения, животные, люди и даже мельчайшие микробы. Живые части окружающей среды называются биотическими частями. Неживые части, такие как камни, солнечный свет и воздух, называются абиотическими частями.

Взаимодействие между организмами и их средой может быть очень сложным, потому что организм получает все необходимое для выживания из биотической и абиотической частей своей среды.Например, дерево получает необходимую энергию от солнечного света, углекислого газа из воздуха, воды и минералов из почвы. Все организмы полагаются на абиотические факторы окружающей среды в дополнение к тому, чтобы полагаться на другие организмы для выживания.

Организмы, живущие в одной среде, влияют на другие живые организмы в этом сообществе. Например, луговые собачки — это грызуны, обитающие на лугах западной части Северной Америки. Они полагаются на травы в окружающей их среде как на источник пищи и энергии.Черноногий хорек — хищник луговых собачек, полагаясь на них как на источник пищи. Предположим, засуха приводит к резкому снижению абиотического фактора воды в их среде. Засуха убивает траву, и популяция луговых собачек начинает вымирать. Поскольку хорьки зависят от луговых собачек как источника пищи, это также влияет на их популяцию. Все эти организмы взаимосвязаны. Что-то, что влияет на одну часть окружающей среды, может повлиять на все живущие в ней организмы.Каждый абиотический и биотический фактор окружающей среды должен присутствовать для передачи энергии от одного организма к другому.

Уровни организации в среде

Упорядочить означает упорядочить или сгруппировать элементы, чтобы их можно было легко найти и понять. В окружающей среде есть четыре основных уровня организации: организмы, популяция, сообщество и экосистема.

• Организмы: Все живые существа в окружающей среде — это организмы, такие как растения, животные, грибы и микроорганизмы.
• Популяция: Популяция организмов — это группа особей одного и того же вида, одновременно проживающих на определенной территории. Зеленокрылые ара, анаконды и обезьяны капуцины — три популяции организмов в тропических лесах Амазонки.
• Сообщество: Биологическое сообщество состоит из всех взаимодействующих популяций организмов в окружающей среде. Взаимодействующие популяции могут конкурировать за пищу, или один вид может охотиться на другого в качестве источника пищи. Виды в сообществе также могут быть полезны для выживания другого вида.Например, в тропическом лесу обезьяна капуцин питается нектаром цветущих деревьев. Когда он пьет нектар, пыльца цветка прикрепляется к меху на его лице. Когда обезьяна пьет нектар другого цветка, она передает пыльцу с лица на цветок и помогает опылять цветы этого дерева.
• Экосистема: Экосистема состоит как из сообщества организмов на территории, так и из их абиотической среды. Тропический лес Амазонки, включающий все растения, животных и абиотические факторы, такие как солнечный свет, вода, почва и камни, является примером экосистемы.Другие экосистемы включают луга, водно-болотные угодья, пустыни и океаны.

Экологи

Экология — это раздел биологии, изучающий взаимодействия между организмами и взаимодействия между организмами и окружающей их средой. Ученые, изучающие экологию, называются экологами.

Эколог, изучающий популяцию, может посмотреть на способы, которыми организмы конкурируют за ресурсы, такие как пища и вода. Экологи также изучают, как организмы в популяции взаимодействуют, чтобы избежать хищников или вырастить детенышей.

Экологи, изучающие сообщества в экосистеме, исследуют факторы, способствующие разнообразию популяций в данной местности. Экологи, изучающие сообщество, могут изучить отношения между хищниками и добычей, способы, которыми разные виды соревнуются за одни и те же виды пищи, или то, как присутствие одного вида может принести пользу или вред другому виду.

Экологи, изучающие экосистему в целом, стремятся ответить на такие вопросы, как то, как солнечный свет и питательные вещества влияют на растения, от которых зависят все другие организмы в экосистеме, или как изменения в составе атмосферы влияют на экосистему.Экологи также заинтересованы в изучении изменений в экосистемах, вызванных климатом. менять.

Экологи называют уникальную стратегию выживания вида своей нишей. В частности, ниша — это роль организма в более крупной экосистеме. Если вы думаете о среде обитания вида как о его домашнем адресе, его ниша — это его занятие. Виды охотятся, едят, прячутся или размножаются по-разному, чтобы не занять ту же нишу, что и другие организмы, или избежать конкуренции с ними.

Биомы

По всему миру похожие сообщества развиваются в местах со сходным климатом.В некоторых регионах короткое прохладное лето и долгая холодная зима. в других регионах тепло круглый год с небольшими изменениями температуры. Биом. 1 — это большой регион, который содержит похожие экосистемы или сообщества и содержит похожие организмы, адаптированные к условиям этого региона.

Влияние климата

Виды приспосабливаются к определенному климату. Климат — это типичный образец погоды, который наблюдается на территории в течение длительного периода времени. Место с водосберегающими растениями и очень небольшим количеством дождя — это пустыня.Климат определяется такими факторами, как температура, осадки, широта, высота над уровнем моря, близость к воде и особенности суши.

Температуры и осадки в течение года являются наиболее важными характеристиками климата. Виды приспосабливаются к выживанию в определенных климатических условиях. На их физические характеристики и поведение влияет диапазон температур экосистемы, а также наличие пищи и воды в регионе.

Широта или расстояние от экватора влияет на температуру и количество осадков в регионе.В регионах, близких к экватору или полюсам, более экстремальные условия, чем между ними. В то время как теплые температуры и большое количество осадков характерны вблизи экватора, низкие температуры и небольшое количество осадков характерны для климата на полюсах. В регионах, расположенных на больших высотах или на расстоянии над уровнем моря, климат более холодный и сухой, чем в регионах на более низких высотах.

Большие водоемы, включая океан и большие озера, также влияют на климат_ Климат у воды теплее и влажнее, чем на суше_ Горные хребты у побережья также влияют на климат.Климат между океаном и горами будет теплее и влажнее, а климат за горами будет жарче и суше. Эти факторы влияют на сообщества, развивающиеся в конкретном регионе.

Наземные биомы

Есть два основных типа биомов: наземные биомы и водные биомы. На карте показаны семь основных наземных биомов.

Тундра

Тундра — это холодная, сухая, безлесная равнина. Постоянно мерзлая почва, называемая вечной мерзлотой, находится под поверхностью и не дает деревьям пустить корни. В короткий летний сезон тундра заполнена цветущими растениями, лишайниками, насекомыми, птицами и пастбищными млекопитающими. В течение долгих холодных зим большинство растений и животных становятся неактивными или перемещаются в более теплые страны.

Тайга

По мере того, как вы путешествуете на юг от тундры, появляются высокие деревья. Это тайга, вечнозеленый лес, занимающий большую площадь на Земле, чем любой другой биом. Зима по-прежнему долгая и холодная, но в течение короткого лета температуры более мягкие. Осадки в тайге преимущественно снежные.Животные, которые остаются активными зимой, адаптируются, отращивая густую шерсть и живя в норах, чтобы согреться.

Тропический лес умеренного климата

К югу от тайги образуются несколько разных биомов. Дождевые леса умеренного пояса образуются между океанами и прибрежными горами. Тропический лес умеренного климата — это прохладный, влажный, вечнозеленый лес, в который выпадает до 400 см осадков в год. Близлежащий океан поддерживает умеренную температуру. Умеренный тропический лес имеет более высокую плотность живого и мертвого вещества любого биома.

Лиственный лес

В лиственных лесах растут лиственные породы деревьев, которые сбрасывают листья при низких температурах. Лиственные леса получают до 150 см осадков в год. Год делится на четыре отчетливых сезона. Летом температура может достигать 30 ° C, а зимой может опускаться ниже нуля. Почва лиственного леса богата опадающими и гниющими листьями.

Луга

Луга образуются там, где недостаточно осадков для поддержки деревьев.Преобладают травы, а деревья растут только по берегам ручьев и рек. На пастбищах выпадает до 75 см осадков в год. На пастбищах холодная зима и жаркое сухое лето. Многие животные живут на лугах, от крупных пастбищных млекопитающих до насекомых.

Тропический лес

Тропические дождевые леса образуются недалеко от экватора, где круглый год тепло и дождливо. Они получают до 600 см осадков в год. Климатические условия идеальны для многих растений, насекомых и птиц.В тропических лесах существует конкуренция за солнечный свет и питательные вещества из почвы. Пышная растительность закрывает солнце от многих растений и животных.

Пустыня

Пустыня формируется там, где не хватает дождя для поддержания пастбищ. Это самые засушливые места на Земле, где выпадает менее 25 см осадков в год. Во многих случаях пустыни образуются из-за того, что влага от океанских бризов блокируется прибрежными горами. Температуры сильно различаются, потому что сухой воздух не блокирует солнечные лучи и не удерживает тепло.Температура воздуха может подниматься выше 40 ° C днем ​​и опускаться ниже нуля ночью. Организмы, обитающие в пустыне, приспособились к перепадам температур и недостатку воды.

Водные биомы

Около 75 процентов поверхности Земли покрыто водой. Вода может быть глубокой или мелкой, пресной или соленой, подвижной или неподвижной. Каждый из этих факторов влияет на виды организмов, обитающих в воде, и на развивающийся биом.

Пресноводный биом

Пресная вода с очень небольшим содержанием соли может быть найдена в заболоченных местах, прудах, озерах, ручьях и реках.Водно-болотные угодья — это участки суши, где почва настолько насыщена водой, что водные растения могут расти. Эти растения позволяют формировать богатую питательными веществами почву. Кислород позволяет процветать множеству различных видов животных. Болота, трясины и болота являются примерами водно-болотных угодий. Пруды и озера образуются там, где вода собирается в низинах. Реки и ручьи — это биомы, содержащие движущуюся воду. Медленные реки имеют илистое дно с растущими на них растениями. У быстрых ручьев каменистое дно, которое не дает возможности расти растениям.

Морской биом

Мировой океан и моря составляют морской биом. Морской биом покрывает большую часть поверхности Земли. Как и пресноводные озера, океаны можно разделить на мелкие и глубокие слои. Солнечный свет проникает в воду примерно на 200 м, создавая теплый неглубокий слой, на котором могут расти растения. Растения производят кислород, позволяя многим морским существам жить в этом неглубоком подводном слое. Глубокие воды океана холодные, темные и в основном безжизненные, за исключением районов вокруг подводных вулканов.Коралловые рифы — это районы морских биомов, которые могут поддерживать разнообразную морскую жизнь.

Окружающая среда: живые и неживые объекты

Идея этого фокуса исследована через:

Противопоставление взглядов студентов и ученых

Ежедневный опыт студентов

Студенты склонны думать о организмах как о животных, которые взаимодействуют с физической средой и растениями, не осознавая сложной взаимозависимости между членами одного вида и между ними.

Исследования: Hubber & Tytler (2004)

Их представления об экосистемах обычно связаны только с природными территориями и дикой природой, а не с их собственной средой. Эта концепция экосистемы также влияет на их представления о том, как люди взаимодействуют с экосистемами, что часто выражается в разрушении или коллапсе природных экосистем и экосистем дикой природы, а не тех систем, которые являются частью их непосредственной среды обитания.

Исследования: Новак и Гоуин (1984)

Научная точка зрения

В мире существует большое разнообразие физических условий, которые создают множество сред, в которых могут быть найдены живые существа.Во всех этих средах организмы взаимодействуют и используют доступные ресурсы, такие как еда, пространство, свет, тепло, вода, воздух и укрытие. Каждая популяция организмов и особи в ней взаимодействуют определенным образом, которые ограничены другими организмами и могут извлекать из них пользу.

Взаимодействия между различными организмами многочисленны и обычно описываются в зависимости от их положительного (полезного), отрицательного или нейтрального воздействия на других.

Взаимодействие между живыми существами и неживой средой составляет целостную экосистему; для понимания какой-либо одной его части требуется знание того, как эта часть взаимодействует с другими.

Экосистемы не «разрушаются», но меняют свои функции, структуру и состав с течением времени из-за естественных или антропогенных нарушений (примеры включают воздействие засухи, наводнения, кошения и гербицидов).

Исследования: Новак и Говин (1984)

Критические идеи обучения

• Все организмы существуют в экосистемах.
• У живых существ есть различные структуры, которые позволяют им выжить: например, транспортные конструкции в растениях позволяют воде и микроэлементам перемещаться.Точно так же существуют пищеварительные и респираторные структуры у животных и репродуктивные структуры у растений и животных, которые помогают организмам функционировать в экосистемах.
• У каждого организма есть определенные формы этих структур, которые помогают им выживать.
• Во всех средах организмы со схожими потребностями могут конкурировать друг с другом за ограниченные ресурсы, включая пищу, пространство, воду, воздух и убежище.

Исследуйте взаимосвязь между представлениями об организмах и их взаимодействием с окружающей средой в
Карты развития концепции — (Поток энергии в экосистемах, естественный отбор)

Учащимся необходимо получить доказательства функционирования экосистемы с обильным взаимодействием растений и животных, чтобы лучше понять сложность взаимодействий и понять, что они сами живут в экосистемах .

Время — это фактор, влияющий на тип взаимодействий и изменений, происходящих в экосистеме. Это проблематично для научного планирования, которое не позволяет учащимся наблюдать изменения в течение длительного периода времени. Важным соображением является возможность проведения текущих расследований в течение года (или, в качестве альтернативы, использование видеоклипов, в которых фиксируются изменения с течением времени).

Исследование: Скамп (2004)

Преподавательская деятельность

Сбор доказательств / данных для анализа

Определите проект в вашем местном сообществе, на который исследования и участие студентов могут оказать влияние.

Вот несколько примеров:

Исследование: Бейкер (2005)

Опровергните некоторые существующие идеи

Чтобы оспорить идеи о том, что экосистемы существуют только в дикой природе и что воздействие человека всегда негативно, поощряйте учащихся к занятиям, которые позволяют они могут исследовать живые существа в естественной местной среде, такой как школьный двор, местный пруд, водно-болотное угодье или искусственно созданная среда, такая как пруд в классе.

Исследования: Skamp (2004)

Сбор доказательств / данных для анализа

Изучение прудовых животных в течение нескольких недель дает представление об изменениях, которые происходят в популяциях, когда они взаимодействуют, или в изменении формы, когда животные проходят свой жизненный цикл. .Студенты могут связать это с более длительным исследованием, чтобы получить представление о сезонных изменениях и адаптации животных, связанных с сезонными циклами. Десятисерийный сериал
№ Жизнь птиц № , завершенный сэром Дэвидом Аттенборо в 1998 году, дает несколько прекрасных примеров того, как птицы приспособились к городской среде.

Исследование: Skamp (2 004)

Сосредоточьте внимание студентов на упускаемых из виду деталях

Поощряйте студентов записывать наблюдения и описания явлений с помощью научных журналов, помеченных диаграмм, графиков времени и презентаций PowerPoint.Используйте микроскопы и ручные линзы, чтобы облегчить наблюдение за структурой и функциями. Например, вы можете нанести на карту школьный пруд или близлежащие водно-болотные угодья, отследить, где кормятся головастики и где находятся или перемещаются другие организмы по отношению друг к другу.

Разъяснение и объединение идей для / путем общения с другими

Студенты могут создать новостной репортаж о своем проекте или разработать проект, например создание новой игровой площадки. Они могли бы изучить вопрос для СМИ или своего школьного информационного бюллетеня с разных точек зрения, таких как политик, зеленый человек, фермер, родитель, местный старейшина или другие учителя.Сюда входит принятие этических решений от имени студентов относительно того, что включать, а что не включать в отчет.

Дополнительные ресурсы

Интерактивные обучающие объекты, связанные с наукой, можно найти на
Страница ресурсов для учителей FUSE.

Чтобы получить доступ к интерактивному объекту обучения ниже, учителя должны войти в FUSE и выполнить поиск по идентификатору учебного ресурса:

• Проект экологической оценки: среда обитания лягушачьего пруда — студенты отвечают на короткий вопрос о том, как организмы адаптируются к своей среде, а затем исследуют среду пруда. Они выбирают подходящие инструменты для отбора проб, чтобы не причинить вред животным и не повредить исследуемую территорию, а затем собирают животных из пруда, травянистого берега, скалистого берега, деревьев и кустарников. Они просматривают описание вида и видео для каждого животного и описывают, как животное удовлетворяет свои основные потребности в пище, воде, убежище и защите.
  Идентификатор учебного ресурса: R9QN9M

• Проект экологической оценки: среда обитания лягушек в пруду (2) — учащиеся изучают, почему популяция лягушек сокращается, глядя на изменения в пруду с течением времени (в частности, качество воды, потерю среды обитания и хищничество со стороны интродуцированных видов).Учащиеся создают пищевую сеть для пруда и моделируют взаимодействия населения. Они определяют, какие виды оказывают наибольшее влияние на лягушек, и, наконец, составляют отчет, используя собранные доказательства в поддержку своих выводов.
  Идентификатор учебного ресурса: FTE6CS

Глава 5: Жилая среда

Четыре организма, живущие в экстремальных условиях

Неважно, насколько негостеприимная среда, существует организм, приспособленный к жизни в экстремальных условиях.

Ученые обнаружили жизнь во всех экстремальных условиях, которые вы только можете себе представить, от вулканических котлов до сильно щелочных морей. Эти экстремофилы — не просто диковинки; они могли показать нам, как жизнь может существовать на других планетах с более враждебными условиями, чем Земля.

Некоторые из них привели к инновациям в материаловедении, фармакологии и производстве энергии. Здесь мы рассмотрим четыре организма, которые живут в условиях, убивающих большинство других форм жизни, и узнаем, чему они могут нас научить.

1. Тепловые микробы

Обогреваемые подземным супервулканом, кипящие горячие источники Йеллоустоуна могут превышать 90 ° C, что слишком жарко для обычных организмов.

В 1969 году, изучая экстремофильных микробов, которые действительно живут в горячих источниках Йеллоустоуна и придают им их цвет, Томас Д. Брок и Хадсон Фриз из Университета Индианы открыли Thermus aquaticus. Этот микроб лежал в основе почти всех когда-либо сделанных генетических открытий.

T. aquaticus содержит термостойкий ДНК-полимеризующий фермент, который после выделения стал краеугольным камнем полимеразной цепной реакции.ПЦР — это способ амплификации крошечных образцов ДНК для анализа, который имеет решающее значение для всего, от анализа места преступления до считывания генома.

Это всего лишь одно из применений, которые ученые уже разработали или надеются вскоре разработать, изучая экстремальные организмы.

Большой призматический источник в Йеллоустонском национальном парке. Кредит: Кредит: Том Мерфи / Getty Images

.

2. Морозный прием

Когда на Аляску приходит зима, местные лесные лягушки замерзают. Примерно через семь месяцев, когда, наконец, наступает весна, оттаявшие лягушки прыгают прочь.

Когда-то замораживание убило бы почти любого другого позвоночного, чьи органы были бы пронзены кристаллами льда. Однако с наступлением осени лесные лягушки Аляски могут пережить две недели циклов замораживания-оттаивания ночь / день, прежде чем окончательно замерзнуть. Лягушки, как и некоторые другие устойчивые к замораживанию рыбы и насекомые, вырабатывают химические вещества, которые останавливают образование кристаллов льда.

Исследователи надеются, что, изучая эти виды, они научатся имитировать эту способность хранить человеческие органы для трансплантации. В настоящее время органы разрушаются путем замораживания, и их можно хранить в холодильнике только в течение нескольких часов.

Древесная лягушка в теплые времена. Кредит: Гленда Кристина / Дизайн Кредит: Фото / getty images

3. Бактерия Конан

Deinococcus radiodurans может выжить после взрыва гамма-излучения, в 3000 раз превышающего смертельную дозу для человека.

В 1999 году министерство энергетики США профинансировало исследования по секвенированию генома бактерии в надежде разработать микробы, потребляющие отходы, для очистки чрезвычайно загрязненных ядерных объектов.

Удивительно, но Д.ДНК radiodurans оказалась столь же восприимчивой к радиационным повреждениям, как и обычная E.coli . Секрет бактерии — это набор антиоксидантов, которые защищают ее белки от радиационного поражения. Затем эти белки могут быстро восстанавливать поврежденную ДНК.

В прошлом году исследователи показали, что пептид на основе этих антиоксидантов может защитить мышей от обычно смертельных доз радиации — многообещающий первый шаг к разработке эффективных таблеток для восстановления радиации для людей.

Рибосома — молекулярная машина, производящая белки — Deinococcus radiodurans .Предоставлено: Laguna Design / getty images

.

4. Мультиэкстремофилы

Микроскопическая тихоходка, или водяной медведь, может пережить жару, холод, иссушение, недостаток кислорода и радиацию. Было даже показано, что крошечное животное выжило в 10-дневном путешествии в космос, что побудило некоторых предположить, что это существо, которое могло жить на Марсе.

Не совсем так. Чтобы выжить в этих условиях, тихоходка впадает в нерепродуктивную анабиозную форму.

Однако некоторые экстремофилы действительно кажутся готовыми к жизни на Красной планете.Подземные микроорганизмы, обнаруженные в самых глубоких шахтах и ​​пещерах Земли, похоже, обладают всем необходимым, чтобы выжить под поверхностью Марса (Cosmos 61, стр. 70). Изучение экстремофилов Земли дает возможность получить представление о том, как может выглядеть инопланетная жизнь, и где ее искать.

Водяной медведь или тихоходка. Предоставлено: EYE OF SCIENCE / Getty Images

.

3 Жизнь в экстремальных условиях | Предотвращение прямого заражения Европы

Криптоэндолитические среды являются хорошими примерами абсолютно экстремальных сред, т.е.е., регионы, где физические условия выходят за рамки адаптируемости. Организмы, населяющие скалы, не приспособлены к окружающей среде; они выживают, терпя это. Хотя вся метаболическая активность происходит при ~ ± 10 ° C, оптимальные температуры для организмов, измеренные в лаборатории, находятся в диапазоне от 15 до 25 ° C, а в Антарктике редко достигаются температуры. Таким образом, микроорганизмы в антарктических породах живут вблизи нижних пределов своего физиологического потенциала, и у них нет резервов для компенсации изменений в окружающей среде в случае ухудшения условий.Как следствие, даже незначительное изменение климата может привести к локальному вымиранию. Фактически, около 80 процентов криптоэндолитических сообществ в Антарктиде мертвы или окаменели. ¹⁶

Микроорганизмы вечной мерзлоты наиболее широко изучены в Сибири ¹⁷ и недавно были обнаружены в Антарктиде. ¹⁸ Микроорганизмы вечной мерзлоты возникают в почве, где они были иммобилизованы в результате замерзания, в то время как новая почва продолжает формироваться на поверхности.Возраст самой старой вечной мерзлоты в Сибири составляет от 3,5 до 5 миллионов лет. Недавнее бурение в Антарктиде выявило вечную мерзлоту возрастом около 8 миллионов лет. Температура вечной мерзлоты чрезвычайно стабильна: около -10 ° C в Сибири и до -30 ° C в Антарктиде.

Число жизнеспособных бактерий (до 10 миллионов колониеобразующих единиц на грамм сухого веса) и численность видов, встречающихся в вечной мерзлоте, уменьшаются с увеличением глубины (т. Е. С возрастом). В жизнеспособном микробном сообществе вечной мерзлоты — в основном психротрофы и лишь очень небольшое количество психрофилов — преобладают прокариоты (организмы, клетки которых лишены ядра).Эукариотические водоросли (т.е. водоросли, клетки которых содержат ядро) не выживают более 5000-7000 лет, но жизнеспособные дрожжи обнаруживаются в вечной мерзлоте возрастом 3 миллиона лет. Состав бактериальных сообществ, обнаруженных в вечной мерзлоте, отражает состав почвы, из которой они происходят. Большинство бактерий, выделенных из вечной мерзлоты, являются аэробами; только некоторые из них являются анаэробами, в основном метаногенами. Вечная мерзлота при -10 ° C и ниже замерзает. И все же тонкая пленка незамерзшей воды окутывает как неорганические частицы почвы, так и микроорганизмы.Толщина этой пленки незамерзшей воды зависит от температуры и уменьшается примерно до 0,5 нм при -5 ° C и ниже.

В вечной мерзлоте рост микробов находится в стационарной фазе, и деление клеток, вероятно, не происходит. Это, вместе с тем фактом, что количество видов уменьшается с возрастом, предполагает, что в вечной мерзлоте происходит медленный процесс отбора, и бактерии, которые не могут переносить физические условия окружающей среды, в конечном итоге вымирают. В вечной мерзлоте адаптации нет, только отбор.

ССЫЛКИ

¹ Р.А. Герберт, «Взгляд на биотехнологический потенциал экстремофилов», Trends in Biotechnology 10: 395 1992.

² R.Y. Морита, «Психрофильные бактерии», Bacteriology Review 30: 144, 1975.

³ E.I. Friedmann, Antarctic Microbiology, Wiley-Liss Inc., New York, N.Y., 1993.

⁴ С.Lange, L. Wackett, K. Minton и M.J. Daly, «Создание и характеристика рекомбинантного Deinococcus radiodurans для разложения органических загрязнителей в среде с радиоактивными смешанными отходами», Nature Biotechnology 16: 929, 1998.

.

⁵ М.Дж. Дейли, личное сообщение.

⁶ K.W. Минтон и М.Д. Дейли, «Модель восстановления индуцированных излучением двухцепочечных разрывов ДНК у экстремальных радиофилов Deinococcus radiodurans, » Bio Essays 17: 457, 1995.

⁷ Ф. Красин и Ф. Хатчинсон, «Ремонт двунитевых разрывов ДНК в Escherichia coli, , который требует функции recA и наличия дублированного генома», Journal of Molecular Biology 116: 81 , 1977.

⁸ M.J. Daly et al., «In vivo Damage и RecA -зависимая репарация плазмидной и хромосомной ДНК в радиорезистентной бактерии Deinococcus radiodurans, » Journal of Bacteriology 176: 3508, 1994.

Жизнь в экстремальных условиях | Национальное космическое общество

Из Ad Astra, том 14, номер 1, 2002 г.

Вселенная может быть более пригодной для жизни, чем мы думали

Линн Ротшильд, доктор философии
Исследовательский центр Эймса НАСА

Вверху: Художественная концепция астронавта, изучающего образец горной породы на Марсе. Жизнь изобиловала жизнью в скалах в различных экстремальных условиях на Земле. Подсказки, полученные при нахождении жизни в таких земных местах, послужат руководством к пониманию того, где мы можем найти жизнь в других мирах.Работа Пэта Роулингса любезно предоставлена ​​НАСА.

Экипаж Starship Enterprise регулярно хвастается, что они отправляются туда, куда еще никто не заходил. Увы, ученые обнаружили, что жизнь на Земле уже сделала это — и делала это миллиарды лет. Жизнь процветает в условиях экстремальных физических и химических явлений, которые до недавнего времени считались препятствием для жизни — отсюда и термин «экстремальный», который часто используется для характеристики этих мест. Эти экстремальные условия — горячие, холодные, кислые, насыщенные радиацией — также похожи на то, что мы ожидаем найти в других мирах.Таким образом, астробиологи рассматривают эти среды и жизнь, которая там процветает, как предварительный просмотр того, что мы можем найти в других местах Вселенной.

Различные уникальные физиологии, которые эволюционировали для решения проблем, создаваемых этими «экстремальными» средами, демонстрируют, что жизнь может существовать в некоторых из экстремальных сред, существующих в космосе и за его пределами. Действительно, у некоторых земных организмов были обнаружены приспособления, позволяющие путешествовать между планетными телами.

Где эти крайности? Какие вызовы они ставят перед жизнью и как жизнь адаптировалась? А что это говорит о жизни в другом месте?

ХИМИЯ

Органическая химия — химия, основанная на восстановленных формах углерода (в «восстановленный» углерод был добавлен водород), действует не только на нашей планете, но и во всей нашей солнечной системе и далеко-далеко за ее пределами.Углерод может превзойти даже кремний (обычный компонент каменистых планет) в своей способности образовывать удивительное разнообразие длинных и сложных соединений. Именно эти длинные сложные молекулы делают жизнь способной к тому, что она делает. Действительно, органическая химия во Вселенной довольно широко распространена: было обнаружено, что многие из соединений, связанных с земной жизнью, плавают в огромных пространствах между звездами.

ВОДА — РАСТВОРИТЕЛЬ ЖИЗНИ

Вода является отличным растворителем для органических молекул — она ​​обеспечивает контекст, в котором могут происходить все более сложные химические реакции, и они могут поддерживаться.Основываясь на том, что мы видели в жизни, кажется, что жидкая вода — это sine qua non жизни. Основываясь на этом понимании, официальная мантра текущей программы по Марсу в НАСА — «следовать по воде». По общему признанию, органический углерод (в отличие от углекислого газа и окиси углерода) еще не обнаружен на Марсе, но мы его ищем!

Если вода действительно необходима для жизни, множество физических ограничений жизни кажутся очевидными. Но ключевое слово «кажется». То, что может показаться правдой в теоретическом или экспериментальном контексте, может оказаться неверным после того, как будет сделано достаточно наблюдений.

Вода является жидкостью и остается такой в ​​пределах определенных физических критериев, таких как температура и давление. Слишком много или слишком мало того и другого может остановить жизненные процессы. Когда воды становится мало, начинается борьба за выживание. Для продолжения жизни температура должна находиться в диапазоне, в котором вода может существовать в жидкой форме. Нам еще предстоит найти какую-либо форму жизни, которая могла бы напрямую использовать твердую (то есть замороженную) воду.

Температура имеет другое значение: органические молекулы теряют структуру, необходимую для их функционирования (т.е.е. они «денатурируют») при определенных температурах. И для ДНК, и для хлорофилла (молекулы, лежащей в основе фотосинтеза) эта температура составляет около 70 ° C. С другой стороны, при понижении температуры биохимические реакции замедляются. Кристаллы льда, которые начинают формироваться внутри клеток, могут нанести непоправимый вред, поскольку они прорезают клеточные мембраны. Мембраны — это поверхности, на которых происходят бесчисленные жизненные реакции. Они также служат для хранения содержимого ячейки. Их повреждение замедляет биохимию организма.

Другие факторы препятствуют жизнедеятельности: экстремальное давление может разрушить молекулярные структуры и подавить ферментативные реакции. Кроме того, в окружающей среде есть токсины, такие как ртуть, мышьяк и кадмий, которые могут отравить метаболизм. Высокий уровень радиации может повредить множество органических молекул, наиболее заметной из которых является генетический материал клетки, ДНК. То же самое и с кислородом.

МОЙ ВОЗДУХ — ВАШ ЯД

Подождите! — кислород как экстремальная среда? Кислород позволяет производить АТФ, энергетическую валюту, используемую всеми клетками.Этот процесс в 18 раз эффективнее анаэробного метаболизма, то есть метаболизма, происходящего в отсутствие кислорода. Однако такая повышенная эффективность обходится дорого. Восстановленные (гидрогенизированные) формы кислорода, такие как перекись водорода и особенно гидроксильный радикал, могут быть чрезвычайно опасными. В результате окислительное повреждение, которое они могут вызвать, может привести к повреждению ДНК, вызывая мутации или даже смерть. Анаэробы (организмы, которые не используют кислород в своих метаболических процессах) не обладают способностью выводить токсины из различных форм кислорода и, соответственно, считают кислород смертельным.

Таким образом, с точки зрения существенной части жизни на Земле, способность жить в аэробном (богатом кислородом) мире наделяет наш собственный вид отличием экстремофила. Но есть и другие вещи, которыми организмы могут «дышать». Бактерия Shewanella putrefaciens использует атомы металлов в своем метаболизме так же, как мы используем атомы кислорода. Таким образом, он «дышит» металлом — в данном случае марганцем.

Очевидно, что существуют физические и химические крайности, которые должны сделать жизнь, основанную на органическом углероде, трудной, если не невозможной.Тем не менее, в течение последних нескольких десятилетий мы обнаружили организмы, которые преодолели эти, казалось бы, непреодолимые границы и стали называться «экстремофилами» от латинского «extremus» («быть снаружи») и греческого «philos» для любви. Организмы, которые могут жить более чем в одной крайности, например, Sulfalobus acidocaldarius, член археи (древняя ветвь генеалогического древа жизни), живущие при pH 3 и 80 ° C, называются «полиэстремофилами».

КТО ТАКИЕ ЭКСТРЕМОФИЛЫ?

Слово «экстремофил» часто вызывает образы микробов, причем так называемых «простых», но таксономический диапазон охватывает все три области.(Обратите внимание, что сама жизнь настолько сложна, что создание жизни человеком остается неуловимым. Таким образом, с нашей стороны неоправданно высокомерно называть любую форму жизни «простой».) В то время как все организмы, которые живут при чрезвычайно высоких температурах, являются архей или бактериями. , эукариоты (организмы, клетки которых имеют ядра) распространены среди организмов, которые процветают при низкой температуре, экстремальных значениях pH (высокая кислотность или щелочность), давлении, уровне воды и соли. Экстремофилы включают многоклеточные организмы, любители холода — позвоночные, такие как пингвины и белые медведи.

Должен ли организм быть экстремофилом на всех этапах жизни, чтобы считаться экстремофилом? При любых условиях? Нисколько. Споры, семена, а иногда и яйца или личиночные стадии гораздо более устойчивы к экстремальным условиям окружающей среды, чем взрослые формы. Тем не менее, некоторые взрослые организмы — деревья, лягушки и насекомые — могут переносить чрезвычайно низкие температуры зимой в результате сезонных сдвигов в физиологии, таких как спячка.

Одним из самых устойчивых известных организмов являются тихоходки («водяные медведи»).Тихоходки могут переходить в режим гибернации, называемый состоянием туннеля, который больше похож на «приостановленную анимацию», когда они могут выдерживать температуры от -253 ° C до 151 ° C, а также воздействие рентгеновских лучей и условия вакуума. . Когда вы помещаете тихоходок в перфторуглеродную жидкость (опять же во время гибернации) под давлением 600 МПа (это почти в 6000 раз больше атмосферного давления на уровне моря), они прекрасно выходят из опыта. Даже бактерия Deinococcus radiodurans , наиболее устойчивый к радиации организм из известных, достигает этой устойчивости только при некоторых условиях, таких как быстрый рост и в богатой питательными веществами среде.

КТО? КАКИЕ? КАК?

Жизнь в мире Златовласки, в котором не слишком жарко, не слишком холодно и так далее, — это самая легкая среда для существования жизни. Экстремофил должен либо жить в рамках этих параметров, либо защищаться от внешнего мира, чтобы поддерживать эти условия внутри клетки.

СУХИЕ СРЕДЫ

Представьте себе пустыню, и за ней следует чувство обезвоживания. В отсутствие воды липиды (жиры), белки и нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК) страдают структурным повреждением.Пустыня Атакама, расположенная на высоких северных равнинах Анд в Чили, является одной из старейших и самых засушливых жарких пустынь на Земле, в то время как засушливые антарктические долины — самые холодные и засушливые места на Земле. В обоих случаях, несмотря на крайности окружающей среды, жизнь существует в форме микробов: цианобактерий, водорослей, лишайников и грибов.

Ангидробиоз — это стратегия, которую используют организмы для выживания в засушливые периоды. Во время ангидробиоза их клетки содержат минимальное количество воды. Никакой метаболической активности не происходит.Различные организмы могут стать ангидробиотиками, в том числе бактерии, дрожжи, грибы, растения, насекомые, вышеупомянутые тихоходки, микофаги (питающиеся грибами) нематоды и соленые креветки Сауна с анемией (также известная как «морские обезьяны» при продаже в дети школьного возраста). В процессе высыхания (обезвоживания) меньшее количество доступной воды заставляет вещества увеличивать свою концентрацию. Такое увеличение приводит к стрессовым реакциям внутри клетки, которые аналогичны тем, которые испытывает клетка при воздействии сред с высоким содержанием соли.

Абсолютно сухая среда — это «космическая пустыня». Адаптация к высыханию имеет решающее значение для выживания организмов в межпланетном пространстве. В частности, один организм (описанный ниже) является прирожденным космическим путешественником.

СОЛИЧНОСТЬ

Когда самолеты спускаются в район Сан-Франциско, бросаются в глаза красные пятна на восточном берегу Южного залива. Это пруды-испарители Cargill Salt Company. Причина красного цвета — галофильные (сололюбивые) микробы, которые производят красные пигменты, называемые каротиноидами.Похожая ситуация наблюдается в солончаках, таких как Большое Соленое озеро в штате Юта, и в глубоководных гиперсоленых бассейнах. Вовлеченные микробы являются либо представителями архей, основной группы микробов, внешне похожих на бактерии, либо зеленой водорослью Dunaliella salina . При несколько меньшей (25-33%) солености встречаются бактерии, цианобактерии, другие зеленые водоросли, диатомовые и простейшие. Некоторые археи, цианобактерии и Dunaliella salina могут даже выдерживать периоды в насыщенном хлоридом натрия — в такой соленой среде, которую можно себе представить.

Пруд-испаритель в Баха, Мексика. Красный цвет обусловлен каротиноидными пигментами, выделяемыми галофильными (сололюбивыми) бактериями. Фото Линн Ротшильд.

Соленая вода может испаряться, оставляя отложения («эвапоритовые отложения»), состоящие из солей, таких как хлорид натрия (галит) и сульфат кальция (гипс). Внутри испарений находятся жидкие включения — небольшие застрявшие карманы с водой, которые могут служить убежищем для микробов не менее шести месяцев. Наша исследовательская группа показала, что цианобактерии, заключенные в сухих эвапоритовых корках, могут по-прежнему иметь низкий уровень метаболических функций, таких как фотосинтез.Эти отложения также образуют прекрасные окаменелости организмов, заключенных в них. Хотя это весьма спорно, другие утверждают, что бактерии могут выжить в течение миллионов лет в жидких включениях солевых отложений, включая испарения. Удивительно, но такие отложения были обнаружены на Марсе.

Так как же клетки адаптируются к этой потенциально смертельной среде? Чтобы предотвратить отток воды из клетки, галофилы компенсируют высокое содержание соли в окружающей среде, накапливая такие соединения, как калий и глицин-бетаин.Это обеспечивает баланс солей внутри и снаружи ячейки, предотвращая вытекание воды наружу, как это было бы в случае, если бы в ячейках существовали более низкие уровни соли.

КИСЛОТНОСТЬ И ЩЕЛОЧНОСТЬ

В национальном парке Йеллоустоун есть кипящие кислотные горячие источники, от которых котел ведьмы может казаться безобидным. Они также изобилуют жизнью. Мы снова были поражены тем, что в такой среде обитает жизнь.

Кислотность и щелочность — меры концентрации протонов; используемые единицы измерения pH.Чем меньше число (до нуля), тем выше кислотность. Чем выше (до 14), тем щелочнее. Нейтральный pH около 7 является оптимальным для многих биологических процессов, хотя некоторые из них, например световые реакции фотосинтеза, зависят от градиентов pH. В природе pH может быть высоким, например, в содовых озерах или сушильных прудах, или даже ниже 0. Организмы, которые живут в обоих экстремумах, делают это, поддерживая почти нейтральный pH своей цитоплазмы (то есть жидкости и материалов внутри своих клеток).

Низкий pH — это царство ацидофилов — «любителей кислоты».Если вы ищете чемпионов-любителей кислоты, забудьте о рыбе и цианобактериях, которые не были обнаружены при pH ниже 4, или даже о растениях и насекомых, которые не выживают при pH ниже 2–3. Крайними ацидофилами являются микробы. Некоторые водоросли, такие как одноклеточная красная водоросль Cyanidium caldarium и зеленая водоросль Dunaliella acidophila , являются исключительными ацидофилами, оба из которых могут жить при pH ниже 1. Три гриба: Acontium cylatium , Cephalosporium sp. и Trichosporon cerebriae растут при pH около 0.Другой вид, Ferroplasma acidarmanus , был обнаружен растущим при pH 0 в дренаже кислых шахт в Айрон-Маунтин в Калифорнии. Эти полиэстремофилы (толерантные ко многим экстремальным условиям окружающей среды) процветают в отваре серной кислоты и высоких уровнях меди, мышьяка, кадмия и цинка, имея только клеточную мембрану и не имея клеточной стенки.

ВЫСОКАЯ ТЕМПЕРАТУРА

Температура является критическим параметром, потому что он определяет, присутствует ли жидкая вода. Если температура слишком низкая, ферментативная активность замедляется, текучесть мембран снижается.При температуре ниже точки замерзания образуются кристаллы льда, которые прорезают клеточные мембраны. Высокие температуры могут необратимо изменить структуру биомолекул, таких как белки, и увеличить текучесть мембран. Растворимость газов в воде коррелирует с температурой, что создает проблемы при высоких температурах для водных организмов, нуждающихся в кислороде или двуокиси углерода.

Оказывается, организмы могут перехитрить теорию. Гейзеры, горячие источники, фумаролы и гидротермальные источники — все домашние организмы, живущие при температуре кипения воды или выше.Самыми гипертермофильными (ОЧЕНЬ горячо любящими) организмами являются археи, с Pyrolobus fiimarii (Crenarchaeota), хемолитотроф, восстанавливающий нитраты (организм, получающий энергию из минералов), способный расти при температуре до 113 ° C. действующий чемпион. Таким образом, эти гипертермофилы способны предотвращать денатурацию и химическую модификацию (разрушение) ДНК, которые обычно происходят при относительно низких 70 ° C или около них. Стабильность нуклеиновых кислот повышается за счет солей, защищающих ДНК от разрушения.

Термофилия (жизнь в жарких местах) более распространена, чем жизнь в обжигающих, сверхгорячих местах, и включает фототрофные бактерии (т. Е. Цианобактерии, а также пурпурные и зеленые бактерии, которые получают энергию от фотосинтеза), эубактерии (т. Е. Bacillus , Clostridium , Thiobacillus , Desulfatomaculum , Thermos , молочнокислые бактерии, актиномицеты, спирохеты и многие другие роды), а также археи (т. , и метаногены).Напротив, верхний предел для эукариот составляет около 60 ° C, температура, подходящая для некоторых простейших, водорослей и грибов. Максимальная температура для мхов еще на 10 ° ниже, для сосудистых растений (комнатные растения, деревья) около 48 ° C, а для рыб — 40 ° C.

Источник осьминога, щелочной (pH 8,8-8,3) горячий источник в Йеллоустонском национальном парке, США, расположен в нескольких милях к северу от гейзера Old Faithful. Вода с температурой 95 ° C течет из источника в сливной канал, где охлаждается до 83 ° C.Примерно каждые 4-5 минут из источника поднимается волна воды, повышающая температуру до 88 ° C. В этой среде хорошо растет розовая нитчатая ткань Thermocrinis ruber . Фото Линн Ротшильд.

НИЗКАЯ ТЕМПЕРАТУРА

Представители всех основных форм жизни обитают при температуре чуть ниже 0 ° C. Подумайте о зиме, подумайте о полярных водах. В то время как банки спермы и коллекции бактериальных культур основаны на хранении живых образцов в жидком азоте при -196 ° C, самая низкая зарегистрированная температура для активных микробных сообществ и животных существенно выше -18 ° C.

Замораживание воды внутри клетки почти всегда приводит к летальному исходу. Единственное исключение из этого правила, известное в природе, — нематода Panagrolaimus davidi , которая может выдерживать замерзание всей воды в организме. Напротив, замораживание внеклеточной воды — воды вне клеток — это стратегия выживания, используемая небольшим количеством лягушек, черепах и одной змеи для защиты своих клеток зимой. Выживание при замораживании должно включать механизмы, позволяющие выжить при оттаивании, такие как производство специальных белков или «криопротекторов» (добавок, защищающих от холода), называемых «антифризовыми» белками.Другой способ выжить при низких температурах — это вообще не замерзнуть. Снова образуются молекулы «антифриза», которые могут снизить температуру замерзания воды с 9 до 18 ° C. Рыбам в антарктических морях удается использовать эти механизмы в своих интересах.

Другие изменения, связанные с низкой температурой, включают изменения в структуре белков клетки, в первую очередь их ферментов, чтобы позволить им функционировать при более низких температурах. Текучесть клеточных мембран снижается с повышением температуры.В ответ организмы, которые способны адаптироваться к холоду, просто увеличивают соотношение ненасыщенных и насыщенных жирных кислот, сохраняя, таким образом, необходимую гибкость мембран.

ИЗЛУЧЕНИЕ

Радиация опасна даже на такой комфортной планете, как Земля. Солнечный свет может нанести серьезный ущерб, если не будут созданы механизмы для ремонта или, по крайней мере, ограничения повреждений. У людей, не способных восстанавливать повреждения, вызванные ультрафиолетом (УФ), имеется пигментная ксеродермия. Это заболевание настолько серьезное, что больные не могут выходить из дома в течение дня, если они полностью не укрыты, и должны даже затенять окна в своих домах.

Как только вы покинете защищенную поверхность Земли, все может стать более враждебным. Одна из основных проблем, с которой организмы могут столкнуться во время межпланетного перемещения (например, внутри скалы, оторванной от планеты в результате сильного столкновения), живя на Марсе или даже на больших высотах на Земле, — это высокие уровни УФ (ультрафиолета). радиация.

В космосе есть космическое и галактическое излучение, с которым нужно бороться. Опасности ультрафиолетового и ионизирующего излучения варьируются от подавления фотосинтеза до повреждения нуклеиновых кислот.Прямое повреждение ДНК или косвенное повреждение из-за образования реактивных молекул кислорода может изменить последовательность или даже разорвать цепи ДНК.

Некоторые бактерии, включая два вида Rubrobacter и зеленую водоросль Dunaliella bardawil , могут переносить высокие уровни радиации. Deinococcus radiodurans , с другой стороны, является чемпионом и может выдерживать до 20 кГр гамма-излучения и до 1000 джоулей на квадратный метр УФ-излучения. Действительно, D.radiodurans может подвергаться воздействию радиации, которая разрывает его геном на части, только чтобы организм восстановил его геном и вернулся к нормальной работе в течение дня.

«Тетрада» клеток Deinococcus radiodurans. Фото: УШУС.

Эта необычайная толерантность достигается за счет уникального механизма восстановления, который включает повторную сборку поврежденной (фрагментированной) ДНК. Ученые Министерства энергетики стремятся расширить геном D. radiodurans таким образом, чтобы его можно было использовать для очистки разливов смешанных токсичных и радиоактивных веществ.Биотехнологи так стремятся понять, как D. radiodurans делает то, что делает, что его геном был одним из первых организмов, которые были полностью секвенированы.

Гравитация — постоянная сила в нашей жизни; Кто не представлял, каково быть космонавтом, избегающим гравитации даже на время? Вселенная предлагает разнообразные гравитационные переживания, от почти полного отсутствия гравитационных эффектов в космосе (точнее называемых микрогравитацией) до гнетущих гравитационных режимов планет, значительно больших, чем наша.
Гравитационные эффекты тем сильнее, чем больше масса организма. При этом летные эксперименты показали, что даже отдельные клетки реагируют на изменения силы тяжести. Культуры клеток, переносимые на борту различных космических кораблей, включая клетки почек и лейкоциты, показали заметные изменения в своем поведении, некоторые из которых напрямую связаны с отсутствием воздействия сильного гравитационного поля. Действительно, недавняя работа, проведенная на борту космических шаттлов, показала, что существует генетический компонент (пока понятный) в реакции клеток почек на воздействие микрогравитации.

ДАВЛЕНИЕ

Давление увеличивается с глубиной, будь то водяной столб или скала. Гидростатическое (водное) давление увеличивается примерно на одну десятую атмосферы на метр глубины, тогда как литостатическое (горное) давление увеличивается примерно в два раза. Давление уменьшается с высотой, так что на 10 км над уровнем моря атмосферное давление составляет почти четверть от давления на уровне моря.

Температура кипения воды увеличивается с увеличением давления, поэтому вода на дне океана остается жидкой при температуре 400 ° C.Поскольку жидкая вода обычно не возникает выше примерно 100 ° C, повышенное давление должно повышать оптимальную температуру для роста микробов, но неожиданно давление расширяет температурный диапазон только на несколько градусов, предполагая, что именно температура является ограничивающим фактором.

Марианский желоб — это самое глубокое морское дно в мире на высоте 10 898 м, но в нем обитают организмы, которые могут расти при температуре и давлении, с которыми мы сталкиваемся каждый день. Он также дал облигатно пьезофильные виды (т.е. организмы, которые любят давление и могут расти только под высоким давлением), которые могут расти только при огромном давлении, обнаруженном на самых больших глубинах океана.

ДРУГИЕ ЭКСТРЕМАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ

Немного творческого мышления предлагает другие физические и химические крайности, не рассматриваемые здесь, включая необычный состав атмосферы, окислительно-восстановительный потенциал, токсичные или ксенобиотические (искусственные) соединения и концентрацию тяжелых металлов. Существуют даже такие организмы, как Geobacter Metallireducens , которые могут выжить при погружении в высокие уровни органических растворителей, таких как те, которые содержатся на свалках токсичных отходов.Другие процветают в охлаждающей воде ядерных реакторов. Хотя эти организмы получили относительно мало внимания со стороны сообщества экстремофилов, поиск жизни в другом месте вполне может полагаться на лучшее понимание этих крайностей.

ЭКСТРЕМОФИЛЫ И АСТРОБИОЛОГИЯ

Изучение экстремофилов — это гораздо больше, чем увлечение, подобное Книге рекордов Гиннеса. На первый взгляд причудливые организмы занимают центральное место в нашем понимании того, где может существовать жизнь и куда однажды может отправиться наша собственная земная жизнь.Возникла ли жизнь на Земле из гидротермального источника? Станут ли экстремофилы первопроходцами, которые сделают Марс обитаемым для наших более ограниченных видов?

Глубоководный гидротермальный источник, извергающий горячую воду, богатую сульфидами. Различные формы жизни составляют пищевую сеть, основанную на бактериях, которые живут за счет энергии, обеспечиваемой богатыми сульфидами жерловыми водами. Возможно, что самые ранние формы жизни на Земле развивались в такой среде. Фото: NOAA / WHOI.

К счастью, исследования экстремофилов имеют прибыльную сторону.Промышленные процессы и лабораторные эксперименты могут быть гораздо более эффективными при экстремальных температурах, солености, pH и т. Д. Натуральные продукты, произведенные в ответ на высокие уровни радиации или соли, были проданы на коммерческой основе. Слава также достается тем, кто работает с экстремофилами. По крайней мере, одна Нобелевская премия за изобретение полимеразной цепной реакции (ПЦР) была бы невозможна без фермента термофила. Поскольку мир молекулярной биологии становится все более зависимым от продуктов экстремофилов, они и в дальнейшем будут молчаливым партнером в будущих наградах.

Текущая работа по экстремофилам в космосе сосредоточена на четырех основных средах: пилотируемые летательные аппараты, межпланетное пространство (из-за возможности развития панспермии), Марс и Европа из-за возможности существования жидкой воды — и, следовательно, жизни.

МАРС: ЖИЛЬЕ?

Марс на первый взгляд негостеприимный. Температуры, по большей части, низкие, воздействие ультрафиолетового излучения высокое, а поверхность сильно окисляется, что исключает присутствие органических соединений на поверхности.Атмосферное давление очень низкое (похоже на давление в самых верхних слоях атмосферы Земли), поэтому жидкая вода нестабильна на поверхности. Тем не менее, гидрогеологические данные, полученные от Mars Global Surveyor, намекают, что жидкая вода даже сегодня может течь под поверхностью. Предыдущие свидетельства, кажется, показывают, что когда-то в древние времена она текла гораздо более свободно на поверхности.

Может ли Марс питать подземную жизнь, подобную подземным или гидротермальным сообществам, обнаруженным на Земле? Если это так, он будет защищен от поверхностного излучения, вредных окислителей и будет иметь доступ к жидкой воде.Марс богат углекислым газом, сырьем, используемым растениями для производства органического углерода. Жизнь была обнаружена в глубинах океанов Земли и в нескольких километрах под поверхностью внутри скал. Если он действительно возник в более теплый и влажный период в истории Марса, возможно, ему удалось мигрировать в более теплые и чистые регионы внутренней части планеты, прежде чем поверхность стала непригодной для проживания.

На этой фотографии космического корабля Mars Global Surveyor показаны овраги, прорванные в стене кратера от удара метеора в Ноахис Терра.Возможно, эти овраги указывают на то, что жидкая вода сегодня присутствует в недрах Марса.

БОЛЬШИЕ ЛУНЫ ЮПИТЕРА: ПОДЗЕМНЫЕ ОКЕАНЫ

С появлением доказательств того, что одна или несколько больших лун Юпитера (Европа, Ганимед, Каллисто) имеют покрытые льдом океаны, возможность жизни на этих спутниках становится предметом научных дискуссий. Один из них, Европа, имеет слишком толстый слой льда, чтобы пропускать достаточно света для фотосинтеза, процесса, который движет большей частью наземной жизни, в том числе под вечно покрытыми льдом озерами Антарктиды.Однако Крис Чиба из Института SETI предположил, что химия в ледяном покрове океана, управляемая заряженными частицами, ускоренными в магнитосфере Юпитера, может производить достаточное количество органических и окислительных молекул для поддержания биосферы Европы. Космический корабль «Галилео» обнаружил слабое магнитное поле на Каллисто, что позволяет предположить, что соленая вода может находиться под ледяной поверхностью. Существуют также подтверждающие доказательства наличия океана с Ганимедом. Некоторые из спутников Сатурна и других тел за пределами Солнечной системы также могут обладать потенциалом подповерхностного океана.

ОБНАРУЖЕННЫЙ В КОСМОСЕ: МАКСИМАЛЬНАЯ ЭКСПОЗИЦИЯ

Панспермия («семена распространились далеко»), идея о том, что жизнь может путешествовать в космосе из одного гостеприимного места в другое, больше не является диким предположением. В космосе очень холодно, оно подвержено нефильтрованному солнечному излучению, солнечному ветру, галактическому излучению, космическому вакууму и незначительной гравитации. Но это коварное царство можно пересечь по жизни.

Мы знаем из марсианских метеоритов, таких как (ныне) знаменитый образец ALH84001, что существует естественное транспортное средство для межпланетного транспорта.Эти метеориты содержат органические соединения с Марса, что показывает, что такие соединения могут выжить во время путешествия. Более того, исследования показали, что при наличии камня достаточного размера условия внутри камня, сброшенного с Марса — а затем позже входящего в атмосферу Земли — могут оставаться достаточно прохладными, так что не только органический материал, но и содержащиеся в нем микробы могут (теоретически) пережить поездку.

Критика того, что жизнь не может выдержать длительных периодов пребывания в космосе, сейчас проверяется экспериментально в установках космического моделирования в США.С. и Германии, а также с помощью беспилотных летных экспериментов. Космические эксперименты НАСА с установкой длительного воздействия и космические эксперименты Европейского космического агентства BioPan показали, что микробы могут выжить при прямом воздействии сырых условий космоса. Выжившие на сегодняшний день включают споры Bacillus subtilis и галофилы в активном (вегетативном) состоянии. Надежды на дальнейшие эксперименты подобного рода возлагаются как на беспилотные полеты, так и на экспозиционный объект ЕКА, запланированный для Международной космической станции.

РЕЗЮМЕ

Земля предоставляет нам удивительный набор приспособлений к жизни.Действительно, изучая экстремофилов здесь, на Земле, мы можем получить первое четкое указание на то, какими могут быть инопланетяне — или, по крайней мере, на то, что они могут есть и дышать.

Каталожные номера:

Нортон, К. Ф. и Грант, В. Д. Выживание галобактерий внутри жидких включений в кристаллах соли. J. Gen. Microbial. , 134, 1365-73 (1988).

Ротшильд, Л. Дж., Гивер, Л. Дж., Уайт, М. Р. и Мансинелли, Р. Л. Метаболическая активность микроорганизмов в гипсово-галитовых корках. J. Phycol. , 30: 431-438 (1994).

Вриланд, Р. Х., Розенцвейг, В. Д. и Пауэрс, Д. В. Выделение галотолерантной бактерии возрастом 250 миллионов лет из первичного кристалла соли. Nature 407, 897-900 (2000).

Macelroy, R.D. Некоторые комментарии об эволюции экстремофилов. Biosystems 6, 74-75 (1974).

Отзывы:

Ротшильд, Л. Дж. И Мансинелли, Р. Л. Жизнь в экстремальных условиях. Nature 409: 1092-1101 (2001).

Mancinelli, R.L. & Li. Ротшильд. «Экстремофилы: кто, что, где и как». Биологическая энциклопедия Макмиллана , 2002. В печати.

Мэдиган. М. Т. и Маррс, Б. Л. Экстремофилы. Scientific Am. 276 (4), 82-87 (1997)

Хорикоши, К. и Грант, В. Д. Экстремофилы. Микробная жизнь в экстремальных условиях . (Wiley-Liss, Нью-Йорк, 1998).

Секбах, Дж. (Ред.) Путешествие в разнообразные микробные миры: адаптация к экзотической среде .(Kluwer Academic Publishers, Dordrecht 2000).

5 самых экстремальных природных условий на Земле

Земля является домом для огромного количества потрясающих ландшафтов, прекрасных экосистем и миллионов различных форм жизни. Это также дом для многих сложных и экстремальных условий. Здесь, в Bushmasters, мы специализируемся на том, чтобы вывести людей из зоны комфорта и дать им рекомендации, необходимые для выживания в различных местах.

Пять выбранных нами экстремальных сред, перечисленных ниже, охватывают целый ряд различных условий в различных экосистемах на пяти разных континентах:

Антарктида

Самое холодное место в мире

Давайте начнем, как мы хотим.Антарктида, несомненно, является одной из самых экстремальных сред на планете. Там так холодно, что зимой практически невозможно путешествовать по суше, выезжать из нее или объезжать ее. Сочетание метелей и сильного холода означает, что людям невероятно сложно выжить на улице. В результате любые научные исследователи, решившие выдержать суровые условия, обычно остаются на месте только с ноября по март.

Несмотря на трудности, с которыми сталкиваются люди в Антарктиде, ряд животных обитает на континенте.Пингвины, киты и тюлени прекрасно себя чувствуют в этих условиях, поскольку они приспособились к своему окружению; при средней температуре от -10 до -60 градусов по Цельсию (при рекордно низком уровне -89) неудивительно, что им пришлось это сделать!

Сахара

Самая большая пустыня в мире

От крайности до крайности, Сахара в Африке — одно из самых жарких мест на Земле, и оно легко попадает в наш список экстремальных условий окружающей среды. Интересно, что она занимает третье место в списке крупнейших пустынь мира после арктических и антарктических; нет, пустыни не обязательно должны быть горячими.

Тысячи лет назад окраины Сахары были почти пригодны для обитания. Однако сейчас количество воды и растительности минимально. Однако, несмотря на невыносимую жару и разрушительные песчаные бури, там живет небольшое количество людей. Выживая, занимаясь земледелием и используя любую растительность, которую они могут найти, люди Сахары научились жить в самых суровых условиях жизни, которые только можно вообразить. Дополнительную информацию о том, как они могут это сделать, см. В нашем руководстве по выживанию в пустыне!

Австралийская глубинка

От 50 до -10 градусов по Цельсию… в тот же день!

Еще одно из самых жарких мест в мире — австралийская глубинка.Необжитая местность попала в наш список, потому что в его центре находится полностью функционирующий, относительно «нормальный» город. Два наших предыдущих примера слишком далеки и сложны для того, чтобы такое урегулирование могло работать, но Алис-Спрингс нашел способ.

Основанный в 1872 году, город находится всего в пяти часах езды от одной из самых потрясающих достопримечательностей континента: Улуру. Однако, несмотря на его обитаемые районы, каждый в глубине необжитой местности постоянно сталкивается с рядом опасностей. Помимо очевидных опасностей воздействия и обезвоживания, дикая природа создает ряд проблем.Внутренний тайпан — самая ядовитая змея в мире, в то время как ядовитые пауки и большие морские крокодилы составляют остальную часть беспокойной троицы. Чуть более цивилизованный, но не менее опасный, австралийская глубинка занимает третье место в нашем списке экстремальных условий.

Кататумбо Молния

Вечная буря

Наш выход в Южную Америку наиболее известен одним: штормами. Река Кататумбо протекает через Венесуалу, но это место, где река впадает в озеро Маракайбо, делает его действительно интересным.Молния Кататумбо, также известная как «вечный шторм», является, возможно, самым впечатляющим атмосферным явлением в мире.

В среднем 260 дней в году со штормами, «вечность» тоже не является большим преувеличением. Тысячи молний ударяют в воду за час, при этом каждую минуту происходит до 28 вспышек. Несколько поселений расположены на воде, а это значит, что многие научились безопасно жить в своем супер-заряженном окружении.

Челленджер Глубокий

Самая глубокая точка океана

Расположенный в Тихом океане, недалеко от восточного побережья Азии, это наша пятая и последняя среда обитания.Падение Челленджера немного отличается от наших предыдущих наземных условий. Это самая глубокая из известных точек на морском дне. На глубине 10 916 метров вы можете сбросить Эверест в море и наблюдать, как он комфортно опускается под поверхность.

Само собой разумеется, что, насколько нам известно, на дне Челленджера нет людей. Однако в глубинах патрулирует удивительное количество диких животных. Морской черт Anglerfish подозрительно похож на что-то из первого фильма «Звездные войны», в то время как призрачный осьминог-телескоп добавляет таинственности и атмосферы месту, в котором нет недостатка.Что именно там живет, неизвестно, и можете поспорить, что мы еще не видели всего этого.

Бушмастеры

Мы не организуем никаких поездок в Антарктиду или Сахару, но мы даем вам возможность испытать экстремальные условия. Наши местоположения включают пышные джунгли Гайаны, отдаленный остров Белиз и сложные условия Иорданской пустыни.

Весь наш опыт выживания невероятно полезен.