กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 5 นาที

ไม่มีชื่อบทความ

ไพ โซไฟล์ (จากภาษากรีก "piezo-" แปลว่าความดัน และ "-phile" แปลว่ารัก) คือ สิ่งมีชีวิต ที่มีการเจริญเติบโตได้ดีที่สุดภายใต้ ความดันไฮโดรสแตติก สูงกล่าวคือ...

เพียโซฟิเล

ไพโซไฟล์ (จากภาษากรีก "piezo-" แปลว่าความดัน และ "-phile" แปลว่ารัก) คือสิ่งมีชีวิต ที่มีการเจริญเติบโตได้ดีที่สุดภายใต้ ความดันไฮโดรสแตติกสูงกล่าวคือ สิ่งมีชีวิตที่มีอัตราการเจริญเติบโตสูงสุดที่ความดันไฮโดรสแตติกเท่ากับหรือสูงกว่า10 เมกะปาสคาล (99 บรรยากาศ ; 1,500 psi)เมื่อทดสอบที่อุณหภูมิ ที่อนุญาตทั้งหมด [ 1 ]เดิมทีใช้คำว่า บาโรไฟล์ สำหรับสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ แต่เนื่องจากคำนำหน้า "baro-" หมายถึงน้ำหนักจึงนิยมใช้คำว่า ไพโซไฟล์ มากกว่า[ 2 ] [ 3 ]เช่นเดียวกับคำจำกัดความของเอ็กซ์ตรีโมไฟล์ ทั้งหมด คำจำกัดความของไพโซไฟล์เป็น แบบมนุษย์ เป็นศูนย์กลางและมนุษย์พิจารณาว่าค่าความดันไฮโดรสแตติกปานกลางอยู่ที่ประมาณ 1 บรรยากาศ (= 0.1 MPa = 14.7 psi ) ในขณะที่ความดัน "สุดขั้ว" เหล่านั้นเป็นสภาวะการดำรงชีวิตปกติของสิ่งมีชีวิตเหล่านั้นไฮเปอร์พีโซไฟล์คือสิ่งมีชีวิตที่มีอัตราการเติบโตสูงสุดที่ความดันสูงกว่า 50 MPa (= 493 atm = 7,252 psi) [ 4 ]  

แม้ว่าความดันไฮโดรสแตติกสูงจะมีผลเสียต่อสิ่งมีชีวิตที่เติบโตในความดันบรรยากาศ แต่สิ่งมีชีวิตเหล่านี้ซึ่งพบได้เฉพาะในแหล่งที่อยู่อาศัยที่มีความดันสูงในทะเลลึกนั้น แท้จริงแล้วต้องการความดันสูงเพื่อการเจริญเติบโตที่ดีที่สุด บ่อยครั้งที่การเจริญเติบโตของพวกมันสามารถดำเนินต่อไปได้ที่ความดันสูงกว่ามาก (เช่น 100 MPa) เมื่อเทียบกับสิ่งมีชีวิตที่ปกติเติบโตที่ความดันต่ำ[ 5 ]

จุลินทรีย์ที่ทนแรงดันสูงชนิดแรกที่พบคือ แบคทีเรีย ที่ชอบอุณหภูมิต่ำชื่อColwellia marinimaniaeสายพันธุ์ M-41 [ 6 ] [ 7 ]มันถูกแยกได้จากแอมฟิพอดHirondellea gigas ที่เน่าเปื่อย จากก้นร่องลึกมาเรียนา อาร์เคียที่ ชอบอุณหภูมิสูงและทนแรง ดันสูงชนิดแรกPyrococcus yayanosiiสายพันธุ์ CH1 ถูกแยกได้จากแหล่ง Ashadze ซึ่งเป็นปล่องระบายความร้อนใต้ทะเลลึก[ 8 ]สายพันธุ์ MT-41 มีแรงดันการเจริญเติบโตที่เหมาะสมที่ 70 MPa ที่ 2  °C และสายพันธุ์ CH1 มีแรงดันการเจริญเติบโตที่เหมาะสมที่ 52 MPa ที่ 98  °C พวกมันไม่สามารถเจริญเติบโตได้ที่แรงดันต่ำกว่าหรือเท่ากับ 20 MPa และทั้งสองสายพันธุ์สามารถเจริญเติบโตได้ที่แรงดันสูงกว่า 100 MPa สถิติปัจจุบันสำหรับแรงดันไฮโดรสแตติกสูงสุดที่สังเกตพบการเจริญเติบโตคือ 140 MPa ซึ่งแสดงโดย Colwellia marinimaniae MTCD1 [ 9 ]คำว่า"จุลินทรีย์ทนแรงดันสูง" (obligate piezophile)หมายถึงสิ่งมีชีวิตที่ไม่สามารถเจริญเติบโตได้ภายใต้แรงดันไฮโดรสแตติกต่ำ เช่น 0.1 เมกะปาสคาล ในทางตรงกันข้าม จุลินทรีย์ทนแรงดัน สูง (piezotolerant organisms) คือสิ่งมีชีวิตที่มีอัตราการเจริญเติบโตสูงสุดที่แรงดันไฮโดรสแตติกต่ำกว่า 10 เมกะปาสคาล แต่ยังคงสามารถเจริญเติบโตได้ในอัตราที่ต่ำกว่าภายใต้แรงดันไฮโดรสแตติกที่สูงกว่า

ชีวภาคส่วนใหญ่ของโลก(ในแง่ของปริมาตร) อยู่ภายใต้ความดันไฮโดรสแตติกสูง และชั้นเพียโซสเฟียร์ประกอบด้วยทะเลลึก (ที่ความลึก 1,000 เมตรขึ้นไป) บวกกับใต้พื้นผิว ที่ลึก (ซึ่งสามารถขยายได้ถึง 5,000 เมตรใต้พื้นทะเลหรือพื้นผิวทวีป) [ 4 ] [ 10 ]ทะเลลึกมีอุณหภูมิเฉลี่ยประมาณ 1 ถึง 3  °C และมีจุลินทรีย์ไซโครเพียโซไฟล์เป็นหลัก ในทางตรงกันข้าม ใต้พื้นผิวที่ลึกและปล่องไฮโดรเทอร์มอลในพื้นทะเลมีจุลินทรีย์เทอร์โมเพียโซไฟล์เป็นหลัก ซึ่งเจริญเติบโตได้ดีในอุณหภูมิที่สูงกว่า 45  °C (113  °F)

แม้ว่าการศึกษาเกี่ยวกับการได้รับสารอาหารและการเผาผลาญภายในชั้นเพียโซสเฟียร์ยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น แต่ก็เป็นที่เข้าใจได้ว่าสารอินทรีย์ส่วนใหญ่ที่พบนั้นเป็น พอลิเมอร์เชิงซ้อนที่ ทนทานจากเขตยูโทรฟิกทั้ง การเผาผลาญ แบบเฮเทอโรโทรฟิกและ การตรึง แบบออโตโทรฟิกเกิดขึ้นภายในชั้นเพียโซสเฟียร์ และการวิจัยเพิ่มเติมชี้ให้เห็นถึงการเผาผลาญแร่ธาตุที่มีธาตุเหล็กและคาร์บอนมอนอกไซด์อย่างมีนัยสำคัญ จำเป็นต้องมีการวิจัยเพิ่มเติมเพื่อทำความเข้าใจและกำหนดลักษณะการเผาผลาญของชั้นเพียโซสเฟียร์อย่างครบถ้วน[ 11 ]

การปรับตัวที่ชอบแรงดันสูง

ความดันสูงมีผลกระทบหลายประการต่อระบบชีวภาพ การใช้ความดันส่งผลให้สมดุลเปลี่ยนไปสู่สถานะที่มีปริมาตรน้อย และเปลี่ยนแปลงระยะห่างระหว่างโมเลกุลและส่งผลต่อโครงสร้าง นอกจากนี้ยังส่งผลต่อการทำงานของเซลล์ด้วย จุลินทรีย์ที่ทนต่อความดันสูงใช้กลไกหลายอย่างในการปรับตัวให้เข้ากับความดันไฮโดรสแตติกสูงเหล่านี้ พวกมันควบคุมการแสดงออกของยีนตามความดันและปรับโมเลกุลชีวภาพให้เข้ากับความแตกต่างของความดันด้วย[ 12 ]

กรดนิวคลีอิก

ความดันสูงทำให้พันธะไฮโดรเจนและปฏิกิริยาการเรียงซ้อนของ DNA มีเสถียรภาพมากขึ้น ดังนั้นจึงส่งเสริมโครงสร้างแบบเกลียวคู่ของ DNA อย่างไรก็ตาม เพื่อดำเนินการหลายกระบวนการ เช่น การจำลองแบบ DNA การถอดรหัส และการแปล จำเป็นต้องเปลี่ยนไปเป็นโครงสร้างแบบสายเดี่ยว ซึ่งจะทำได้ยากขึ้นเนื่องจากความดันสูงทำให้อุณหภูมิหลอมเหลว Tm เพิ่มขึ้น ดังนั้นกระบวนการเหล่านี้อาจประสบปัญหา[ 5 ]

เยื่อหุ้มเซลล์

เมื่อความดันเพิ่มขึ้น ความลื่นไหลของเยื่อหุ้มเซลล์จะลดลงเนื่องจากข้อจำกัดของปริมาตร ทำให้โครงสร้างและการจัดเรียงตัวเปลี่ยนแปลงไป ส่งผลให้การซึมผ่านของเยื่อหุ้มเซลล์ต่อน้ำและโมเลกุลต่างๆ ลดลง แบคทีเรียที่ทนต่อความดันสูงจะเปลี่ยนโครงสร้างเยื่อหุ้มเซลล์เพื่อตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของสิ่งแวดล้อม แบคทีเรียเหล่านี้ทำเช่นนั้นโดยการเปลี่ยนแปลง ความยาว ของสายอะซิลการสะสมกรดไขมันไม่อิ่มตัวการสะสมกลุ่มหัวขั้วเฉพาะ และกรดไขมันแบบแตกแขนง[ 13 ] อาร์เคียที่ทนต่อความดันสูงจะสังเคราะห์ ลิปิดขั้ว อาร์คีออลและคาดาร์คีออล ลิปิดเตตระอีเทอร์แบบสองขั้ว รวม วงแหวน ไซโคลเพนเทนและเพิ่มความไม่อิ่มตัว[ 14 ] [ 12 ]

โปรตีน

โมเลกุลขนาดใหญ่ที่ได้รับผลกระทบจากแรงดันมากที่สุดคือโปรตีน เช่นเดียวกับลิปิด โปรตีนจะเปลี่ยนโครงสร้างและการจัดเรียงตัวเพื่อรองรับการเปลี่ยนแปลงของแรงดัน ซึ่งส่งผลต่อโครงสร้างมัลติเมอร์ ความเสถียร และโครงสร้างของไซต์เร่งปฏิกิริยา ซึ่งส่งผลต่อการทำงานของโปรตีน[ 15 ] ในสปีชีส์ที่ไม่ทนต่อแรงดัน โปรตีนมักจะหดตัวและคลายตัวภายใต้แรงดันสูงเนื่องจากปริมาตรโดยรวมลดลง อย่างไรก็ตาม โปรตีนที่ชอบแรงดันมักจะมีช่องว่างน้อยกว่าและช่องว่างโดยรวมมีขนาดเล็กกว่าเพื่อลดแรงดันในการหดตัวและคลายตัว นอกจากนี้ยังมีการเปลี่ยนแปลงในปฏิสัมพันธ์ต่างๆ ระหว่างกรดอะมิโน โดยทั่วไปแล้ว โปรตีนจะทนต่อแรงดันได้ดีมาก[ 16 ] [ 12 ]

เอนไซม์

เนื่องจากลักษณะการทำงานของเอนไซม์ เอนไซม์ที่ทนต่อแรงดันสูงต้องรักษาการทำงานไว้เพื่อความอยู่รอด แรงดันสูงมักจะเอื้อต่อเอนไซม์ที่มีความยืดหยุ่นสูงกว่า แต่ก็ต้องแลกมาด้วยความเสถียรที่ลดลง นอกจากนี้ เอนไซม์ที่ทนต่อแรงดันสูงมักจะมีกิจกรรมเร่งปฏิกิริยาทั้งแบบสัมบูรณ์ (ซึ่งแตกต่างจากอุณหภูมิหรือแรงดัน) และแบบสัมพัทธ์สูง ทำให้เอนไซม์สามารถรักษาการทำงานที่เพียงพอได้แม้จะลดลงเนื่องจากผลกระทบของอุณหภูมิหรือแรงดัน ยิ่งไปกว่านั้น เอนไซม์ที่ทนต่อแรงดันสูงบางชนิดมีกิจกรรมเร่งปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นเมื่อแรงดันเพิ่มขึ้น แม้ว่านี่จะไม่ใช่ข้อสรุปทั่วไปสำหรับเอนไซม์ที่ทนต่อแรงดันสูงทั้งหมดก็ตาม[ 16 ]

ผลกระทบโดยรวมต่อเซลล์

ผลจากความดันสูง อาจทำให้สิ่งมีชีวิตที่ไม่ทนต่อความดันสูญเสียการทำงานหลายอย่าง ผลกระทบอาจรวมถึงการสูญเสียการเคลื่อนที่ของแฟลเจลลา การทำงานของเอนไซม์ และการเผาผลาญ นอกจากนี้ยังอาจนำไปสู่การตายของเซลล์เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงในโครงสร้างของเซลล์[ 17 ]ความดันสูงยังอาจทำให้เกิดความไม่สมดุลในปฏิกิริยาออกซิเดชันและรีดักชัน ทำให้เกิดความเข้มข้นของอนุมูลอิสระออกซิเจน (ROS) สูงขึ้น พบว่ามียีนและโปรตีนต้านอนุมูลอิสระจำนวนมากในสิ่งมีชีวิตที่ทนต่อความดันสูงเพื่อต่อสู้กับ ROS เนื่องจากมักก่อให้เกิดความเสียหายต่อเซลล์[ 3 ]

ดูเพิ่มเติม

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ ไม่มีชื่อบทความ

ไพ โซไฟล์ (จากภาษากรีก "piezo-" แปลว่าความดัน และ "-phile" แปลว่ารัก) คือ สิ่งมีชีวิต ที่มีการเจริญเติบโตได้ดีที่สุดภายใต้ ความดันไฮโดรสแตติก สูงกล่าวคือ...

การปรับตัวที่ชอบแรงดันสูง

ความดันสูงมีผลกระทบหลายประการต่อระบบชีวภาพ การใช้ความดันส่งผลให้สมดุลเปลี่ยนไปสู่สถานะที่มีปริมาตรน้อย และเปลี่ยนแปลงระยะห่างระหว่างโมเลกุลและส่งผลต่อโครงสร้าง นอกจากนี้ยังส่งผลต่อการทำงานของเซลล์ด้วย...

กรดนิวคลีอิก

ความดันสูงทำให้พันธะไฮโดรเจนและปฏิกิริยาการเรียงซ้อนของ DNA มีเสถียรภาพมากขึ้น ดังนั้นจึงส่งเสริมโครงสร้างแบบเกลียวคู่ของ DNA อย่างไรก็ตาม เพื่อดำเนินการหลายกระบวนการ เช่น การจำลองแบบ DNA การถอดรหัส และการแปล จำเป็นต้องเปลี่ยนไปเป็นโครงสร้างแบบสายเดี่ยว...

เยื่อหุ้มเซลล์

เมื่อความดันเพิ่มขึ้น ความลื่นไหลของเยื่อหุ้มเซลล์จะลดลงเนื่องจากข้อจำกัดของปริมาตร ทำให้โครงสร้างและการจัดเรียงตัวเปลี่ยนแปลงไป ส่งผลให้การซึมผ่านของเยื่อหุ้มเซลล์ต่อน้ำและโมเลกุลต่างๆ ลดลง...