THERMOPHILES: CARACTÉRISTIQUES, CLASSIFICATION ET ENVIRONNEMENTS - LA BIOLOGIE - 2025

Les thermophiles sont un sous-type d'extrémophiles caractérisés par des températures de tolérance élevées comprises entre 50 ° C et 75 ° C, soit parce que ces valeurs sont maintenues en température dans ces environnements extrêmes, soit parce qu'elles atteignent souvent.

Les organismes thermophiles sont généralement des bactéries ou des archées, cependant, il existe des métazoaires (organismes eucaryotes hétérotrophes et tissulaires), qui se développent également dans les endroits chauds.

Figure 1. Désert d'Atacama, au Chili, l'un des endroits les plus secs du monde. Source: pixabay.com

On sait également que les organismes marins, associés en symbiose avec des bactéries thermophiles, peuvent s'adapter à ces températures élevées et qui ont également développé des mécanismes biochimiques tels que l'hémoglobine modifiée, un volume sanguin élevé, entre autres, qui leur permettent de tolérer la toxicité des sulfures et des composés. soufre.

On pense que les procaryotes thermophiles ont été les premières cellules simples dans l'évolution de la vie et à habiter des endroits avec une activité volcanique et des geysers dans les océans.

Des exemples de ce type d'organismes thermophiles sont ceux qui vivent à proximité des évents hydrothermaux ou des évents au fond des océans, tels que les bactéries méthanogènes (productrices de méthane) et l'annélide Riftia pachyptila.

Les principaux habitats où se trouvent des thermophiles sont:

• Environnements hydrothermaux terrestres.
• Environnements hydrothermaux marins.
• Déserts chauds.

Caractéristiques des organismes thermophiles

La température: facteur abiotique critique pour le développement des microorganismes

La température est l'un des principaux facteurs environnementaux qui déterminent la croissance et la survie des êtres vivants. Chaque espèce a une gamme de températures dans lesquelles elle peut survivre, cependant, elle a une croissance et un développement optimaux à des températures spécifiques.

Le taux de croissance de chaque organisme en fonction de la température peut être exprimé graphiquement, en obtenant les valeurs correspondant aux températures critiques importantes (minimum, optimum et maximum).

Températures minimales

Aux températures de croissance minimales d'un organisme, une diminution de la fluidité de la membrane cellulaire se produit et les processus de transport et d'échange de matériaux, tels que l'entrée de nutriments et la sortie de substances toxiques, peuvent être arrêtés.

Entre la température minimale et la température optimale, le taux de croissance des microorganismes augmente.

Température optimale

À la température optimale, les réactions métaboliques se produisent avec la plus grande efficacité possible.

Température maximale

Au-dessus de la température optimale, une diminution du taux de croissance se produit jusqu'à la température maximale que chaque organisme peut tolérer.

À ces températures élevées, les protéines structurelles et fonctionnelles telles que les enzymes sont dénaturées et inactivées, car elles perdent leur configuration géométrique et leur configuration spatiale particulière, la membrane cytoplasmique se rompt et une lyse thermique ou une rupture se produit sous l'effet de la chaleur.

Chaque micro-organisme a ses températures minimales, optimales et maximales de fonctionnement et de développement. Les thermophiles ont des valeurs exceptionnellement élevées à ces trois températures.

Caractéristiques distinctives des organismes thermophiles

• Les organismes thermophiles ont des taux de croissance élevés, mais des durées de vie courtes.
• Ils ont une grande quantité de graisses saturées à longue chaîne ou de lipides dans leur membrane cellulaire; ce type de graisse saturée est capable d'absorber la chaleur et de se transformer en liquide à haute température (fusion), sans être détruit.
• Ses protéines structurelles et fonctionnelles sont très stables à la chaleur (thermostables), grâce à des liaisons covalentes et des forces intermoléculaires spéciales appelées forces de diffusion de Londres.
• Ils ont également des enzymes spéciales pour maintenir le fonctionnement métabolique à des températures élevées.
• On sait que ces microorganismes thermophiles peuvent utiliser les sulfures et composés soufrés abondants dans les zones volcaniques, comme sources de nutriments pour les convertir en matière organique.

Classification des organismes thermophiles

Les organismes thermophiles peuvent être divisés en trois grandes catégories:

• Thermophiles modérés, (optimal entre 50 et 60 ° C).
• Thermophiles extrêmes (optimum proche de 70 ° C).
• Hyperthermophiles (optimal près de 80 ° C).

Organismes thermophiles et leurs environnements

Environnements hydrothermaux terrestres

Les sites hydrothermaux sont étonnamment communs et largement distribués. Ils peuvent être largement divisés en ceux qui sont associés aux zones volcaniques et ceux qui ne le sont pas.

Les environnements hydrothermaux aux températures les plus élevées sont généralement associés à des caractéristiques volcaniques (caldeiras, failles, limites tectoniques des plaques, bassins d'arrière-arc), qui permettent au magma de s'élever à une profondeur où il peut interagir directement avec les eaux souterraines. Profond.

Figure 2. Geysers de Tatio, Atacama, Chili. Source: Diego Delso

Les points chauds sont également souvent accompagnés d'autres caractéristiques qui rendent la vie difficile à développer, comme les valeurs de pH extrêmes, la matière organique, la composition chimique et la salinité.

Les habitants des milieux hydrothermaux terrestres survivent donc en présence de diverses conditions extrêmes. Ces organismes sont connus sous le nom de polyextrémophiles.

Exemples d'organismes qui habitent des environnements hydrothermaux terrestres

Des organismes appartenant aux trois domaines (eucaryotes, bactériens et archées) ont été identifiés dans des environnements hydrothermaux terrestres. La diversité de ces organismes est déterminée principalement par la température.

Alors qu'une gamme variée d'espèces bactériennes habitent des environnements modérément thermophiles, les photoautotrophes peuvent en venir à dominer la communauté microbienne et former des structures macroscopiques de type «mat» ou «tapis».

Ces «tapis photosynthétiques» sont présents à la surface de la plupart des sources chaudes neutres et alcalines (pH supérieur à 7,0) à des températures comprises entre 40 et 71 ° C, les cyanobactéries établies étant les principaux producteurs dominants.

Au-dessus de 55 ° C, les tapis photosynthétiques sont principalement habités par des cyanobactéries unicellulaires telles que Synechococcus sp.

Les bactéries

Les tapis microbiens photosynthétiques peuvent également être principalement habités par des bactéries des genres Chloroflexus et Roseiflexus, tous deux membres de l'ordre des Chloroflexales.

Lorsqu'elles sont associées à des cyanobactéries, les espèces Chloreflexus et Roseiflexus se développent de manière optimale dans des conditions photohétérotrophes.

Si le pH est acide, les genres Acidiosphaera, Acidiphilium, Desulfotomaculum, Hydrogenobaculum, Methylokorus, Sulfobacillus Thermoanaerobacter, Thermodesulfobium et Thermodesulfator sont courants.

Dans les sources hyperthermophiles (entre 72 et 98 ° C), on sait que la photosynthèse ne se produit pas, ce qui permet la prédominance des bactéries chimolytoautotrophes.

Ces organismes appartiennent au phylum Aquificae et sont cosmopolites; ils peuvent oxyder l'hydrogène ou le soufre moléculaire avec de l'oxygène comme accepteur d'électrons et fixer le carbone via la voie de l'acide tricarboxylique réducteur (rTCA).

Arches

La plupart des archées cultivées et incultes identifiées dans des environnements thermiques neutres et alcalins appartiennent au phylum Crenarchaeota.

Des espèces telles que Thermofilum pendens, Thermosphaera aggregans ou Stetteria hydrogénophila Nitrosocaldus yellowstonii, prolifèrent en dessous de 77 ° C et Thermoproteus neutrophilus, Vulcanisaeta distributa, Thermofilum pendens, Aeropyruni pernix, Desulfurococcus mobilis et Ignisphaera aggregans, dans des sources avec des températures supérieures à 80 °.

Dans les environnements acides, on trouve des archées des genres: Sulfolobus, Sulfurococcus, Metallosphaera, Acidianus, Sulfurisphaera, Picrophilus, Thermoplasma, Thennocladium et Galdivirga.

Eucaryotes

Parmi les eucaryotes de sources neutres et alcalines, on peut citer Thermomyces lanuginosus, Scytalidium thermophilum, Echinamoeba thermarum, Marinamoeba thermophilia et Oramoeba funiarolia.

Dans les sources acides les genres: Pinnularia, Cyanidioschyzon, Cyanidium ou Galdieria peuvent être trouvés.

Environnements hydrothermaux marins

Avec des températures allant de 2 ° C à plus de 400 ° C, des pressions dépassant plusieurs milliers de livres par pouce carré (psi) et des concentrations élevées de sulfure d'hydrogène toxique (pH de 2,8), les évents hydrothermaux en eau profonde sont probablement les environnements les plus extrêmes de notre planète.

Dans cet écosystème, les microbes servent de maillon inférieur de la chaîne alimentaire, tirant leur énergie de la chaleur géothermique et des produits chimiques trouvés profondément à l'intérieur de la Terre.

Figure 4. Évent hydrothermal et vers tubulaires. Source: photolib.noaa.gov

Exemples de faune associée aux milieux hydrothermaux marins

La faune associée à ces sources ou évents est très variée et les relations entre les différents taxons ne sont pas encore entièrement comprises.

Parmi les espèces qui ont été isolées figurent à la fois des bactéries et des archées. Par exemple, des archées du genre Methanococcus, Methanopyus et des bactéries anaérobies thermophiles du genre Caminibacter ont été isolées.

Les bactéries se développent dans les biofilms sur lesquels se nourrissent de multiples organismes tels que les amphipodes, les copépodes, les escargots, les crevettes-crabe, les vers tubicoles, les poissons et les poulpes.

Figure 5. Crevettes du genre Rimicaris, habitants des fumerolles. Source: Programme NOAA Okeanos Explorer, expédition Mid-Cayman Rise 2011

Un scénario courant est l'accumulation de la moule, Bathymodiolus thermophilus, de plus de 10 cm de longueur, se regroupant dans des fissures dans la lave basaltique. Ceux-ci sont généralement accompagnés de nombreux crabes galateidés (Munidopsis subsquamosa).

L'un des organismes les plus inhabituels trouvés est le ver tubicole Riftia pachyptila, qui peut se regrouper en grand nombre et atteindre des tailles proches de 2 mètres.

Ces vers tubicoles n'ont pas de bouche, d'estomac ou d'anus (c'est-à-dire qu'ils n'ont pas de système digestif); il s'agit d'un sac complètement fermé, sans aucune ouverture sur l'environnement extérieur.

Figure 6. Le ver tubicole Riftia pachyptila avec des anémones et des moules. Source:

Programme NOAA Okeanos Explorer, Galapagos Rift Expedition 2011

La couleur rouge vif du stylo à la pointe est due à la présence d'hémoglobine extracellulaire. Le sulfure d'hydrogène est transporté à travers la membrane cellulaire associée aux filaments de ce panache, et via l'hémoglobine extracellulaire atteint un "tissu" spécialisé appelé trophosome, composé entièrement de bactéries chimiosynthétiques symbiotiques.

On peut dire que ces vers possèdent un «jardin» interne de bactéries qui se nourrissent de sulfure d'hydrogène et fournissent de la «nourriture» au ver, une adaptation extraordinaire.

Déserts chauds

Les déserts chauds couvrent entre 14 et 20% de la surface de la Terre, soit environ 19 à 25 millions de km.

Les déserts les plus chauds, tels que le Sahara d'Afrique du Nord et les déserts du sud-ouest des États-Unis, du Mexique et de l'Australie, se trouvent dans tous les tropiques dans les hémisphères nord et sud (entre environ 10 ° et 30- 40 ° de latitude).

Types de déserts

Une caractéristique déterminante d'un désert chaud est l'aridité. Selon la classification climatique de Koppen-Geiger, les déserts sont des régions avec une pluviométrie annuelle inférieure à 250 mm.

Cependant, les précipitations annuelles peuvent être un indice trompeur, car la perte d'eau est un déterminant du bilan hydrique.

Ainsi, la définition du désert du Programme des Nations Unies pour l'environnement est un déficit annuel d'humidité dans des conditions climatiques normales, où l'évapotranspiration potentielle (PET) est cinq fois supérieure aux précipitations réelles (P).

Le PET élevé est répandu dans les déserts chauds car, en raison du manque de couverture nuageuse, le rayonnement solaire approche le maximum dans les régions arides.

Les déserts peuvent être divisés en deux types en fonction de leur niveau d'aridité:

• Hyper-aride: avec un indice d'aridité (P / PET) inférieur à 0,05.
• Agrégats: avec un indice compris entre 0,05 et 0,2.

Les déserts se distinguent des terres arides semi-arides (P / PET 0,2-0,5) et des terres arides subhumides (0,5-0,65).

Les déserts ont d'autres caractéristiques importantes, telles que leurs fortes variations de température et la forte salinité de leurs sols.

D'un autre côté, un désert est généralement associé aux dunes et au sable, cependant, cette image ne correspond qu'à 15-20% d'entre eux; les paysages rocheux et montagneux sont les environnements désertiques les plus fréquents.

Exemples d'organismes thermophiles du désert

Les habitants des déserts, qui sont thermophiles, ont une série d'adaptations pour faire face aux adversités qui découlent du manque de pluie, des températures élevées, des vents, de la salinité, entre autres.

Les plantes xérophytes ont développé des stratégies pour éviter la transpiration et stocker autant d'eau que possible. La succulence ou l'épaississement des tiges et des feuilles est l'une des stratégies les plus utilisées.

Il est évident dans la famille des Cactaceae, où les feuilles ont également été modifiées en épines, à la fois pour empêcher l'évapotranspiration et pour repousser les herbivores.

Figure 7. Cactus dans le jardin botanique de Singapour. Source: Img de Calvin Teo, de Wikimedia Commons

Le genre Lithops ou plantes en pierre, originaire du désert namibien, développe également la succulence, mais dans ce cas la plante pousse au ras du sol, se camouflant avec les pierres environnantes.

Figure 8. Lithops herrei est une plante succulente du désert ressemblant à de la roche. Source: Stan Shebs, au Jardin botanique de l'Université de Californie

D'autre part, les animaux vivant dans ces habitats extrêmes développent toutes sortes d'adaptations, de physiologiques à éthologiques. Par exemple, les rats dits kangourous présentent un faible volume de miction en petit nombre, ce qui rend ces animaux très efficaces dans leur environnement où l'eau est rare.

Un autre mécanisme pour réduire la perte d'eau est une augmentation de la température corporelle; Par exemple, la température corporelle des chameaux au repos peut augmenter en été d'environ 34 ° C à plus de 40 ° C.

Les variations de température sont d'une grande importance dans la conservation de l'eau, pour ce qui suit:

• L'augmentation de la température corporelle signifie que la chaleur est stockée dans le corps au lieu d'être dissipée par évaporation de l'eau. Plus tard, la nuit, l'excès de chaleur peut être expulsé sans gaspiller d'eau.
• Le gain de chaleur de l'environnement chaud diminue, car le gradient de température est réduit.

Un autre exemple est le rat de sable (Psammomys obesus), qui a développé un mécanisme digestif qui leur permet de se nourrir uniquement de plantes du désert de la famille des Chenopodiaceae, qui contiennent de grandes quantités de sels dans les feuilles.

Figure 9. Rat de sable (Psammomys obesus). Source: Gary L. Clark, de Wikimedia Commons

Les adaptations éthologiques (comportementales) des animaux du désert sont nombreuses, mais la plus évidente implique peut-être que le cycle activité-repos est inversé.

De cette manière, ces animaux deviennent actifs au coucher du soleil (activité nocturne) et cessent d'être actifs à l'aube (repos diurne), ainsi leur vie active ne coïncide pas avec les heures les plus chaudes.

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