Чим корисні ціанобактерії

Ціанобактерії: їх будова, роль у біології та особливості життя

Статтю написано Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Познавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою

Зміст:

Історія відкриття та дослідження

Першовідкривачем ціанобактерій став один із знаменитих винахідників мікроскопа, голландський вчений-аматор Антоніо Ван Левенгук, який жив у Нідерландах XVIII століття. Незважаючи на те, що за своєю основною професією Антоніо Ван Левенгук був успішним торговцем сукном, а наукою займався як хобі, за своє життя він зробив безліч важливих наукових відкриттів у біології, одними з яких були ціанобактерії. Він виявив їх, розглядаючи синьо-зелені водорості через свій мікроскоп. Будучи також талановитим художником, він першим замалював їх у свій блокнот. Згодом вже детальнішим вивченням ціанобактерій зайнявся інший знаменитий французький біолог Луї Пастер. У ході низки цікавих дослідів він виявив особливості їхньої будови та життєдіяльності, а також визначив, що ціанобактерії здатні виробляти кисень. Зараз біологи вже знають, що перші ціанобактерії існували на нашій планеті вже мільйони років тому, а палеонтологи з цікавістю вивчають останки стародавніх водоростей, що збереглися на древніх гірських породах. Ціанобактерії мають відмінні здібності до виживання в самому різному кліматі, і навіть найнесприятливішому, завдяки своїй високій витривалості.А будова ціанобактерій збереглася і після значних температурних змін на нашій планеті, коли динозаври та багато інших стародавніх тварин давно вимерли, ціанобактерії продовжують спокійно існувати у своєму первозданному вигляді в наші дні, як існували в часи динозавром і задовго до них. За біологічною класифікацією ціанобактерії віднесено до класу бактерій, де займають свій окремий підклас, власне і названий ціанобактеріями. Це цікаво: за зразковими підрахунками саме ціанобактерії виробляють до 40% кисню в атмосфері нашої планети.

Будова

мітохондрії,
хроматофори,
ендоплазматична мережа,
вакуолі із клітинним соком.

Розмноження

Як і багато інших одноклітинні організми ціанобактерії розмножуються за допомогою поділу клітин. Але сам поділ у різних різновидів може мати різні форми, такі як

рівновеликий бінарний поділ, коли з однієї клітини утворюються дві,
нерівновеликий бінарний поділ (брунькування), коли дочірні клітини формуються з відростків материнської клітини,
множинне безстатеве розмноження, коли наступне покоління клітин формується із соматичних клітин без участі репродуктивних клітин – гамет.

Всі ці різновиди поділу клітин є у різних видів ціанобактерій.

Значення та застосування

Ми вже згадали про найважливішу роль ціанобактерій, саме вони першими стали здійснювати фотосинтез і збагатили атмосферу Землі киснем, крім цього вони мають і низку інших корисних властивостей – так вони наповнюють ґрунт азотними добривами та корисними органічними речовинами. Тож не дивно, що їх почали використовувати у сільському господарстві для підвищення врожайності.Завдяки здатності насичувати ґрунт азотом, за їх допомогою можна вирощувати культурні рослини навіть на практично неродючій землі.

Окремі різновиди синьо-зелених водоростей використовуються для годівлі свійських тварин, тому що вони доставляють організму набір необхідних поживних речовин: жирів, білків, вуглеводів та вітамінів.

А в багатьох азіатських країнах із цих водоростей роблять спеціальні смачні та корисні приправи для людей.

Біохімічний склад

Сама назва «синьо-зелені водорості» говорить за себе, зелений колір ціанобактерій надає наявний у них хлорофіл. Наявність синього кольору обумовлена впливом спеціальних пігментів: фікоціаніну та алофікоціаніну.

Деякі підвиди ціанобактерій мають у собі такі спеціальні речовини як лютеїн, ксантофіл і зеаксантин, які дозволяють їм запасатися вуглеводами та іншими важливими поживними елементами.

Зрозуміло, що ціанобактерії мають у собі фотосинтезуючий апарат, здійснює утворення органічних речовин і кисню.

Різновиди

Різновиди ціанобактерій включають понад 1500 видів. За деякими важливими загальними ознаками вони об'єднані в класи:

Хроококові, до цього класу входять організми з одиночної чи колоніальної формою. Також відрізняються великою кількістю слизу, який виділяється клітинними структурами.
Плеврокапсові - тільки вони здатні формувати репродуктивні клітини, так звані беоцити.
Оксилаторії - цей клас поєднує в собі вегетативні клітини, що діляться безстатевим шляхом.
Ностокові характерні тим, що на відміну від оксилаторій здійснюють статеве розмноження.Також мають здатність створювати кольорові нальоти і мають властивість креофільності, тобто можуть адаптуватися навіть до умов пустелі.
Стигонемові – також здійснюють статеве розмноження, але на відміну від нігкових здатні ділиться багато разів у межах одноклітинного організму.

Харчування

Харчування ціанобактерій змішане: з одного боку, будучи автотрофами, можуть синтезувати вуглеводи з неорганічних речовин. Але в умовах зміненого довкілля вони можуть стати гетеротрофами і харчуватися як звичайні квіткові рослини. Також деякі ціанобактерії мають здатність харчуватися за допомогою хемосинтезу - незвичайний спосіб харчування бактерій, заснований на засвоєнні вуглекислого газу завдяки окисленню неорганічних сполук.

Саме завдяки своїм здібностям до універсальних видів харчування ціанобактерії можуть рости в найекстремальніших умовах і заселяти місця з недостатньою кількістю поживних елементів для інших організмів, таким чином створюючи умови для подальшого розвитку життя.

Ареал проживання

Більшість ціанобактерій знаходиться в безоднях світового океану, на дні морів, але чимала їх частина є і в прісноводних озерах і річках, гарячих джерелах, порожнинах тропічного листя, рисових полях і навіть крижаних озерах Антарктиди. Середовище проживання залежить від способу харчування та біохімічного складу того чи іншого різновиду ціанобактерій. Іноді ціанобактерії вступають у біологічний симбіоз з лишайниками та мохами.

Шкода

Деякі види ціанобактерій можуть приносити не тільки користь, а й шкоду, тому що мають у своєму складі токсини, що отруюють місця їх проживання.При масовому розмноженні таких шкідливих ціанобактерій, водоймище, яке вони «захопили» забарвлюється в характерний зелений колір, і він стає непридатним для існування інших живих істот. Також шкідливі ціанобактерії можуть завестися у звичайному акваріумі за відсутності належного догляду. Зайве говорити про можливу шкоду для риб у такій ситуації, щоб уникнути цього необхідно ретельно промити акваріум, повністю замінивши воду.

Ціанобактерії

Ціанобактерії (лат. Cyanobacteria, від грец. κ υανός – синій та бактерії), відділ бактерій, що здійснюють фотосинтез з виділенням молекулярного кисню (оксигенний фотосинтез).

З подібності з водоростями по перебігу фізіологічних процесів і займаної екологічної ніші ця група організмів спочатку отримала назву «синьозелені водорості». Подальше вивчення цієї групи виявило прокаріотичну організацію клітин, і на підставі цього вони були віднесені до бактерій; складають філогенетичну гілку, або відділ, ціанобактерії (Cyanobacteria). Правильність такого перенесення була підтверджена молекулярно-генетичними даними (аналізом послідовності нуклеотидів у 16S рРНК та ін.).

Форма клітин ціанобактерій сферична або паличкоподібна. Серед ціанобактерій є одноклітинні та багатоклітинні нитчасті форми, нерідко ціанобактерії утворюють досить великі скупчення у вигляді кульок, кірок, плівок та інших утворень. Клітини багатьох ціанобактерій покриті слизовою капсулою або чохлом. Ряд нитчастих ціанобактерій в ході життєвого циклу утворюють спеціалізовані клітини, що покояться, які служать для фіксації атмосферного азоту (гетероцисти) і переживання несприятливих умов (акінети).

Розмноження більшості ціанобактерій відбувається розподілом клітин або особливими ділянками ниток - гормогонії. Представники роду плеврокапсу ( Pleurocapsa ) та споріднені форми розмножуються в результаті множинного бінарного поділу великої вегетативної клітини з утворенням великої кількості дрібних клітин – беоцитів.

Як і в інших оксигенних бактерій, фотосинтезуючий апарат ціанобактерій представлений двома фотосистемами (ФС I та ФС II), з'єднаними електронтранспортним ланцюгом (Z-схема перенесення електронів), причому ФС II пов'язана з системою фотолізу Н ₂ О, яка є донором електронів при фотосинтезі.Невелика кількість ціанобактерій [деякі представники пологів осцилаторію, мікроколеус ( Microcoleus ) та ін.] здатні в певних умовах перемикатися на аноксигенний фотосинтез (без виділення ₂ ), при якому функціонує лише ФС I, а донорами електронів служать не вода, а H ₂ S, H ₂ та деякі інші сполуки. Подібний фотосинтез за участю однієї ФС, властивий пурпурним, зеленим та іншим аноксигенним фототрофним бактеріям, іноді розглядають як еволюційно давніший, ніж оксигенний, фотосинтез. Аноксигенний фотосинтез фактично здійснюється у гетероцистах ціанобактерій, дозволяючи їм отримувати АТФ (аденозинтрифосфат) та одночасно забезпечувати анаеробні умови, необхідні для азотфіксації.

Основними пігментами у більшості ціанобактерій є хлорофіл a , каротиноїди та особливі світлозбираючі пігменти – фікобіліни (блакитний фікоціанін та червоний фікоеритрин). Більшість ціанобактерій забарвлена в яскраво-зелений колір, але є ціанобактерії червоного і навіть майже чорного кольору. Співвідношення фікобілінових пігментів і, відповідно, забарвлення деяких ціанобактерій може змінюватись в залежності від спектрального складу світла, що дозволяє їм найефективніше використовувати світло. Склад пігментів вважали характерною ознакою ціанобактерій.

Наприкінці 20 ст. були виявлені оксигенні фототрофні бактерії, що отримали назву прохлорофіти (тобто попередники хлоропластів зелених рослин), клітини яких, як у рослин і більшості водоростей, містять хлорофіли a і b та не містять фікобілінів.Пізніше вони на підставі молекулярно-генетичних даних були включені до складу ціанобактерій, в результаті чого характеристика пігментного складу ціанобактерій стала ширшою: вони можуть мати хлорофіли a , b або d і можуть не мати фікобілінових пігментів. У 21 ст. стали відомі нові групи ціанобактерій з атиповим складом пігментів, а також з'явилися дані про існування ціанобактерій, які не здатні до фотосинтезу.

Більшість ціанобактерій є автотрофами, використовуючи як джерело вуглецю діоксид вуглецю (СО ₂ ), який фіксують під час відновного пентозофосфатного циклу (цикл Кальвіна). Багато ціанобактерії можуть додатково асимілювати на світлі органічні речовини, а невелика кількість видів здатна рости за рахунок органічних речовин у темряві.

Ціанобактерії широко поширені у природі; зустрічаються в різноманітних прісних і солоних водоймищах (входять до складу планктону і бентосу), мулі, грунті, на корі дерев, ростуть на поверхні каменів і скель, є види, що мешкають у гарячих джерелах та на поверхні льоду. За своєю екологічною функцією ціанобактерії є первинними продуцентами. Органічні речовини, що утворюються ціанобактеріями, служать джерелом живлення для інших (гетеротрофних) мікроорганізмів, а азотфіксуючі ціанобактерії збагачують їх і сполуками азоту. Багато ціанобактерій вступають у симбіотичні відносини з деякими безхребетними тваринами, грибами та рослинами, є компонентами лишайників, а також стають внутрішньоклітинними симбіонтами одноклітинних еукаріотів (найпростіших, діатомових водоростей та ін.).При цьому вони можуть втрачати клітинну стінку та перетворюватися на своєрідні фотосинтезуючі органели (ціанелли). Припускають, що ціанобактерії були попередниками хлоропластів – пластид, у яких здійснюється фотосинтез у еукаріотів.

Деякі ціанобактерії, наприклад мікроколеус ( Microcoleus ), служать едифікаторами (будівельниками) ціанобактеріальних співтовариств, як поставляючи членам співтовариства поживні речовини, а й створюючи «архітектуру» співтовариства, створюючи рахунок позаклітинної слизу колоїдний матрикс, у якому вони иммобилизируются (перебувають). Найбільш масштабним і значущим прикладом ціанобактеріальних угруповань є ціанобактеріальні мати.

Ціанобактерії відіграли важливу роль в еволюції біосфери. Найдавніші копалини залишки ціанобактерій виявляються у породах віком понад 3,5 млрд років. Імовірно, тривалий час спільноти ціанобактерій (ціанобактеріальні мати) були переважаючими на нашій планеті. Ймовірно, саме їх масовий розвиток призвів до появи та накопичення вільного кисню в атмосфері Землі, що зумовило виникнення та розвиток рослин та тварин. Судити про широту їхнього географічного поширення в далекому минулому дозволяють строматоліти, що виникли в результаті життєдіяльності угруповань ціанобактерій.

Масовий розвиток ціанобактерій призводить до спалахів «цвітіння» водойм, при цьому вода стає непридатною для використання. Багато ціанобактерій виділяють токсини, отруйні (небезпечні) для людини та тварин.

Ціанобактерії застосовують для очищення стічних вод. Біомасу деяких ціанобактерій (спіруліну) вирощують для отримання вітамінних або кормових добавок, у ряді країн Африки та Південної Америки, у Китаї ціанобактерії пологів носок та спіруліну використовують у їжу. У деяких країнах азотфіксуючі ціанобактерії використовуються як зелене добриво на рисових полях.

Опубліковано 26 травня 2022 р. о 15:08 (GMT+3). Останнє оновлення 31 липня 2023 р. о 09:00 (GMT+3). Зв'язатися з редакцією