ECOFYSIOLOGIE
introductie
Ecologie = interacties tussen een organisme en zijn biotische en abiotische factoren
Fysiologie = levensverrichtingen
Milieu, waarneming en response zijn belangrijk voor adaptaties
Twee definities van adapties:
- een aanpassing als gevolg van evolutionaire druk (evolutie)
- het vermogen van een individu om zich binnen 1 generatie aan te passen (fysiologie).
hoorcollege 1: abiotisch milieu
Ecophysiology = the science of the interrelationships between physiology of organisms and their
environment
- Life explores the full range of possibilities: living at the edge
- Common solotion for common (physical) problems repeatedly evolving
- Wide diversity in solutions
Organisms are living on the edge because of competition ze leven in hele extreme condities zoals hot
springs, diepzee, koude gebieden enzovoorts.
Archaea are extremophiles: they live in extreme conditions kou, warmte, zout, pH.
Er wordt gedacht dat de archaea die nu nog leven, de overlevers zijn, die niet zijn weg gecompeteerd door
de bacteriën en eukaryoten, dus archeae leven alleen nog in hele extreme condities waar bacteriën en
eukaryoten niet konden leven.
- De DNA polymerase van extremophiles wordt gebruikt bij PCR omdat hier de temperatuur
omhoog gaat en deze DNA polymerase kan hiertegen.
Life is always trying to compete with competitors in order to survive.
Abiotic variabels:
- Water (too dry, too wet?)
- Salt (too much, not enough?)
- Temperature (too high, too low?)
- pH and toxic compounds
- Pressure (atmospheric pressure, wind)
1
,Hydrothermal vents: black smokers
- Komen voor tussen meetings van tektonische platen
- Ze zijn te vinden op de bodem van de oceaan
- High pressure 200-400 bar
- Dark no photosynthesis possible
- Hot 2-200 degrees celcius (de smoker is heel heet en de
zee eromheen is extreem koud dus een kleine stroom van
het water kan de temperatuur extreem veranderen)
- Sulfur, acids, H2S pH 2.8-8
- Heavy metals Cd, Co, Cu
- Rondom de smokers leven organismen, zoals wormen,
krabben, vissen, garnalen
Rondom deze black smokers wordt Hydrogen sulfide (H2S) geoxideerd door bacteriën als bron van
energie, die dan opgenomen kunnen worden door hogere organismen. In plaats van de lichtreactie doen
de bacteriën aan de redox reacties en vervolgens de donker reactie. De hogere organismen die leven
rondom de black smokers hebben een symbiotische relatie met de bacteriën. De bacteriën leven in en op
het lichaam van de hogere organismen.
Problemen bij black smokers:
- Enzyme instability (loss of katalisation)
Solutions:
more bonds (H-bridges, electrostatic interactions, intra protein contacts),
hydrophobic clusters may prevent unfolding,
mechanisms could act together
Waarschijnlijk zitten de adaptaties in de tertiaire structuur en die kan je heel lastig
onderzoeken, dus we weten er nog niet heel veel van.
- Membrane melting (above 70 degrees loss of compartimentation)
The structure of a membrane is the lipid bilayer
Solutions:
Om de lipid bilayer steviger te maken kunnen ze doen aan ether linkage en tetra-
ether cross linkage
- DNA destruction (loss of control)
Solutions:
DNA stabilisatie kan met behulp van meer histonen,
high internal salt concentrations (zorgt voor druk die het DNA in plaats houdt),
reverse gyrase for positive supercoiling and repair zodat het DNA steviger
wordt.
Reverse gyrase komt alleen voor bij thermophiles, maar reverse gyrase
is not a prerequisite (voorwaarde) for hyperthermophilic life (zonder
reverse gyrase gaat de groei slomer maar ze overleven wel bij 90 graden
celcius).
Reverse gyrase = useful but not essential
- H2S poisoning (loss of control)
H2S is the main source of energy for hydrothermal organisms
But H2S is extremely toxic
Solutions:
build a protective coat so H2S can’t get in (you can only use this if you don’t need
H2S),
modify/replace the respiratory enzyme cytochrome c oxidase (which is poisoned
by sulfide) to become insensitive to sulfide ze hebben dan een alternatief
oxidase enzym nodig
2
, use an anaerobic pathway to generate energy (komt niet veel voor omdat het
inefficiënt is)
evolve a protein that binds tot he sulfide so it prevents from entering the
mitochondria where the sulfide sensitive enzymes are present
have sulfide-detoxifying enzymes to break down the sulfide that isn’t used by
the bacteria.
- Hydrolisis of metabolites (above 90 degrees)
Solution:
stabilised by enzymes?? unkown
Samengevat zijn dit de strategiën voor extreme omgevingen:
- Barriers
Keep valid materials in
Keep dangerous materials out
- Modify structures and functions
Alternative pathways
Adaptations: special membranes, more histones, protein flexibility, repair enzymes
- Quick and strong binding
Aan H2S zodat het niet kan binden aan dingen die voor beschadiging zorgen
- Rapid detoxification
Breakdown & modify before the damage is done
All organisms have an preferred temperature where they like to live in and they have a maximum and
minimum temperature in which they can survive
- Homeostase: measure correction measure again
Homeotherm = constant temperature
Poikilotherm = temperature changes with the environment
Ectotherm = external heat source
Endotherm = internal heat source
So humans are homeotherm and endotherm
Energy budgets:
Input:
- Solar radiation (via straling)
- Conducted heat (via direct contact)
- Convected heat (via vloeistof)
- Metabolic heat
Output:
- Radiation
- Conduction
- Convection
- Evaporation
Any adaptation for thermoregulation play with these factors
Behavioural regulation:
- Ectotherms are dependent on behavioural regulation
- Endotherms assist their thermoregulation by behaviour
- Plants only have limited options can only use evaporation for cooling trough transpiration
3
