Цианобактерии — строение, роль и особенности жизнедеятельности

Содержание:

Они являются первыми живыми организмами, вырабатывающими кислород из углекислого газа и воды.

С помощью цианобактерий на Земле образовался озоновый слой, осуществляющий защиту планеты от воздействия ультрафиолетовых лучей.

История открытия и исследования

В биологии определение, что такое цианобактерии, было сформулировано нидерландским ученым Антонио Ван Левенгуком в XVIII столетии. Он занимался изучением бактериальных клеток совместно с французским химиком Луи Пастером и выявил особенности строения и жизнедеятельности водорослей. В результате исследований было обнаружено, что первые организмы, способные производить кислород, появились на Земле несколько миллионов лет назад. Благодаря изобретению микроскопа, исследователи смогли изобразить точную структуру цианобактерий.

Современные исследования первых бактерий, способных синтезировать кислород, проводятся учеными-палеонтологами при помощи изучения останков водорослей, сохранившихся на древних горных породах.

На основе анализа исследователи выявили, что эти организмы обладают высокими показателями выносливости. Они сохранили свое строение после изменений в температурном и химическом составе планеты.

Во второй половине XX — начале XXI вв. синезеленые водоросли были включены в царство бактерий. Они образовали отдельное подцарство цианобактерий.

В нынешнее время эти организмы продуцируют до 40% органических веществ и кислорода на планете.

Особенности строения

Цианобактерии образованы шаровидными, эллипсоидными и цилиндрическими клетками, соединенными в цепи. Клеточные структуры покрыты тонкой пленкой, состоящей из мембран. Для отдельных представителей цианобактерий характерно наличие слизистого чехла, выполняющего защитную и соединительную функции. В состав морских водорослей входят газовые вакуоли, выполняющие роли жгутиков. Они позволяют организмам перемещаться по воде и сохранять равновесие во время передвижения. Если цианобактерии теряют свойство плавучести, то они всплывают на поверхность.

В составе цианобактерий отсутствуют следующие элементы эукариотических клеток:

  • хроматофоры ;
  • митохондрии ;
  • эндоплазматическая сеть ;
  • клеточное ядро ;
  • вакуоли с клеточным соком.

Сходство водорослей и эукариотов заключается в идентичном наборе пигментов, наличии питательных веществ и отсутствии жгутиковых связей.

Также эукариотические клетки способны осуществлять фотосинтез.

Значение и применение синезеленых водорослей

В природе цианобактерии играют роль продуцента. Они наполняют почву азотными соединениями и органическими веществами. Главной функцией водорослей является воспроизводство кислорода — химического элемента, необходимого для жизни большинства живых организмов на планете.

Цианобактерии используются в сельскохозяйственном секторе для повышения урожайности. Они способны фиксировать азот из атмосферы и обогащать им почву, что позволяет выращивать культурные растения на неплодородной земле.

Отдельные виды водорослей используются для кормления небольших животных. Они доставляют организму питательные вещества: белки, жиры, углеводы и витамины.

В азиатских странах из цианобактерий изготавливают пищевые белки и приправы для улучшения вкусовых качеств блюда.

Биохимический состав

Цианобактерии имеют сине-зеленый цвет. Зеленую окраску водорослям придает хлорофилл. Наличие синего цвета обусловлено присутствием пигментов: фикоцианина и алофикоцианина. Если в фотосинтезирующем орагнизме присутствует фикоэритрин, то он приобретает красный оттенок. Отдельные подвиды имеют в своем составе лютеин, ксантофил и зеаксантин. Эти вещества позволяют запасать углеводы, волютин, цианофицин и иные питательные элементы.

Цианобактерии располагают фотосинтетическим аппаратом, осуществляющим процесс образования органических веществ и кислорода.

В результате образуются химические элементы, требуемые для дыхания живых существ. Фотосинтез может происходить как в темное, так и в светлое время суток.

Разновидности цианобактерий

Существует свыше 1500 видов цианобактерий.

Они были классифицированы по общим признакам и объединены в классы:

  • Хроококковые: объединяют фотосинтезирующие организмы, имеющие одиночную или колониальную форму. Для них характерно наличие большого количества слизи, выделяемой клеточными структурами.
  • Плеврокапсовые: включают в себя бактерии, относящиеся к подвидам Плеврокапсы, Дермокапсы и Микосарцины. Они способны формировать беоциты — репродуктивные клетки.
  • Оксиллатории: объединяют вегетативные клетки, осуществляющие деление бесполым способом. Они образуют трихому — структуру из слизи — и делятся внутри нити цианобактерий.
  • Ностоковые: объединяют фотосинтезирующие организмы в форме трихом, осуществляющие половое размножение. Они способы образовывать цветные налеты и обладают свойством криофильности — легкой адаптации в условиях пустыни.
  • Стигонемовые: включают в себя бактерии вида Фишереллы. Они осуществляют половое размножение. Но, в отличие от ностоковых бактерий, могут делиться многократное количество раз в пределах одноклеточного организма.

Эта классификация была представлена американским бактериологом Берджи Дэвидом Хенриксом. Он является создателем справочника по бактериологической систематике, предназначенного для подробного описания всех разновидностей фотосинтезирующих организмов.

Особенности питания

Цианобактерии обладают смешанным способом питания. Они являются автотрофами и могут синтезировать углеводы. Но при изменении среды обитания водоросли приобретают признаки питания гетеротрофов — цветковых растений. Они смогут использовать готовые органические вещества, распадающиеся при меньшем количестве электронов, для проведения фотосинтеза. Отдельные разновидности фотосинтезирующих организмов питаются при помощи хемосинтеза — одновременного синтеза кислорода и фиксирования азота из атмосферы.

Выделяют следующие способы питания фианобактерий:

  • Облигатный: организмы растут под воздействием солнечного света и при наличии неорганического источника углерода.
  • Факультативный: бактерии осуществляют рост в ночное время суток при использовании энергии органических веществ.
  • Фотогетеротрофный: организмы произрастают в дневное время суток при наличии источника солнечного света и углеродных соединений.
  • Миксотрофный: бактерии осуществляют автотрофную фиксацию углекислого газа, используя органические соединения в качестве дополнительного источника углерода.

При помощи универсальных типов питания цианобактерии способны расти в экстремальных условиях. Они могут заселять места с недостаточным количеством питательных элементов, создавая условия для возникновения новых живых организмов.

Ареал обитания

Большая часть синезеленых водорослей обитает в пресных водоемах, морях, влажной почве, на скалистой местности, в горячих источниках, полостях тропических листьев, рисовых полях, на ледяных озерах Антарктики и в пустынях. Среда обитания может отличаться в зависимости от типа питания и биохимического состава бактерий. В редких случаях фотосинтезирующие организмы могут вступать в симбиоз с лишайниками и мхами. При помощи симбионта они получают продукты для фотосинтеза.

Отдельные виды цианобактерий имеют в своем составе токсины, отравляющие места их обитания. Они способны вызывать отравления представителей фауны и людей при попадании в искусственные водоемы или водохранилища.

При массовом размножении цианобактерии способны окрасить среду обитания в синий, зеленый или красный цвета. Ареал обитания лишается запасов кислорода и становится непригодным для жизни других организмов.

Цианобактерии могут появиться в аквариуме из-за отсутствия ухода. Они нарушают экологический баланс и наносят вред обитателям этого резервуара. Для борьбы с этими организмами необходимо тщательно промыть аквариум, заменить воду, убрать резервуар в затемненное место и использовать препарат «Эритромицин», предназначенный для удаления цветного налета.

Еще тесты

Читайте также

Хордовые животные — общая характеристика, классификация и особенности строенияПокрытосеменные растения — характеристика и особенностиПресмыкающиеся — общая характеристика класса, примеры животных и интересные фактыВолк — характеристика животного и образ жизни стаи

Цианобактерии
Anabaena spiroides
Научная классификация
Домен: Бактерии
Отдел: Цианобактерии
Международное научное название
Cyanobacteria(ex Stanier 1974) Cavalier-Smith 2002
Синонимы
  • Cyanophyta
Дочерние таксоны
См. текст
ITIS   956108
NCBI   1117
EOL   3223
FW   67023

Цианобакте́рии[1], или синезелёные во́доросли[2][1], или циане́и[2][1] (лат. Cyanobacteria, от греч.κυανός — сине-зелёный) — отдел[3] крупных грамотрицательныхбактерий, способных к фотосинтезу, сопровождающемуся выделением кислорода.

Эволюционное и систематическое положение

Цианобактерии наиболее близки к древнейшим микроорганизмам, постройки которых (строматолиты, возраст более 3,5 млрд лет) обнаружены на Земле. Это единственные бактерии, способные к оксигенному фотосинтезу. Цианобактерии относятся к наиболее сложно организованным и морфологически дифференцированным прокариотам.

Один из видов древних цианобактерий, вступив в эндосимбиоз с предком архепластид, дал начало их хлоропластам (по молекулярным данным, хлоропласты в этой группе приобретались лишь однажды, а ближайший современный родственник их предка — цианобактерия )[комм. 1]. Кроме этого, известен ещё только один случай первичного[комм. 2] появления пластид — у амёб рода (вступивших в симбиоз с другой цианобактерией и значительно позже)[4].

Цианобактерии являются объектом исследования как альгологов (как организмы, физиологически схожие с эукариотическими водорослями), так и бактериологов (как прокариоты). Сравнительно крупные размеры клеток и сходство с водорослями было причиной их рассмотрения ранее в составе растений («синезелёные водоросли»). За это время было альгологически описано более 1000 видов в почти 175 родах. Бактериологическими методами в настоящее время подтверждено существование не более 400 видов. Биохимическое, молекулярно-генетическое и филогенетическое сходство цианобактерий с остальными бактериями в настоящее время подтверждено солидным корпусом доказательств.

Жизненные формы и экология

Синезелёные водоросли, высохшие на берегу Киевского водохранилища

В морфологическом отношении цианопрокариоты — разнообразная и полиморфная группа. Общие черты их морфологии заключаются только в отсутствии жгутиков и наличии клеточной стенки (гликокаликс, состоящий из пептидогликана). Поверх слоя пептидогликана толщиной 2—200 нм имеют наружную мембрану. Ширина или диаметр клеток варьируется от 0,5 мкм до 100 мкм. Цианобактерии — одноклеточные, нитчатые и колониальные микроорганизмы. Отличаются выдающейся способностью адаптировать состав фотосинтетических пигментов к спектральному составу света, так что цвет варьируется от светло-зелёного до тёмно-синего. Некоторые азотфиксирующие цианобактерии способны к дифференцировке — формированию специализированных клеток: гетероцист и гормогониев. Гетероцисты выполняют функцию азотфиксации, в то время как другие клетки осуществляют фотосинтез.

Морские и пресноводные, почвенные виды, участники симбиозов (например, в лишайнике). Составляют значительную долю океанического фитопланктона. Способны к формированию толстых бактериальных матов. Некоторые виды токсичны (выделяют такие токсины, как anatoxin-a, anatoxin-as, аплизиатоксин, цилиндроспермопсин, домоевую кислоту, микроцистин, нодулярин, неосакситоксин, сакситоксин) и условно-патогенны (например, Anabaena). Главные участники цветения воды, которое вызывает массовые заморы рыбы и отравления животных и людей. Уникальное экологическое положение обусловлено наличием двух трудносочетаемых способностей: к фотосинтетической продукции кислорода и фиксации атмосферного азота (у 2/3 изученных видов).

Делениебинарное в одной или нескольких плоскостях, множественное деление. Жизненный цикл у одноклеточных форм при оптимальных условиях роста — 6—12 часов.

Биохимия и физиология

Цианобактерии обладают полноценным фотосинтетическим аппаратом, характерным для кислородвыделяющих фотосинтетиков. Фотосинтетическая электронтранспортная цепь включает фотосистему (ФС) II, b6f-цитохромный комплекс и ФСI. Конечным акцептором электронов служит ферредоксин, донором электронов — вода, расщепляемая в системе окисления воды, аналогичной таковой высших растений. Светособирающие комплексы представлены особыми пигментами — фикобилинами, собранными (как и у красных водорослей) в фикобилисомы. При отключении ФСII способны к использованию других, нежели вода, экзогенных доноров электронов: восстановленных соединений серы, органических соединений в рамках циклического переноса электронов с участием ФСI. Однако эффективность такого пути фотосинтеза невелика, и он используется преимущественно для переживания неблагоприятных условий.

Цианобактерии отличает чрезвычайно развитая система внутриклеточных впячиваний цитоплазматической мембраны (ЦПМ) — тилакоидов; высказаны предположения о возможном существовании у них системы тилакоидов, не связанных с ЦПМ, что до сих пор считалось невозможным у прокариот. Накопленная в результате фотосинтеза энергия используется в темновых процессах фотосинтеза для производства органических веществ из атмосферного CO2.

Большинство цианобактерий — облигатные фототрофы, которые, однако, способны к непродолжительному существованию за счёт расщепления накопленного на свету гликогена в окислительном пентозофосфатном цикле и в процессе гликолиза (достаточность одного гликолиза для поддержания жизнедеятельности подвергается сомнению).

Азотфиксация обеспечивается ферментомнитрогеназой, который отличается высокой чувствительностью к молекулярному кислороду. Поскольку кислород выделяется при фотосинтезе, в эволюции цианобактерий реализованы две стратегии: пространственного и временного разобщения этих процессов. У одноклеточных цианобактерий пик фотосинтетической активности наблюдается в светлое, а пик нитрогеназной активности — в тёмное время суток. Процесс регулируется генетически на уровне транскрипции; цианобактерии являются единственными прокариотами, у которых доказано существование циркадных ритмов (причём продолжительность суточного цикла может превышать продолжительность жизненного цикла). У нитчатых цианобактерий процесс азотфиксации локализован в специализированных терминально-дифференцированных клетках — гетероцистах, отличающихся толстыми покровами, которые препятствуют проникновению кислорода. При недостатке связанного азота в питательной среде в колонии насчитывается 5—15 % гетероцист. ФСII в гетероцистах редуцирована. Гетероцисты получают органические вещества от фотосинтезирующих членов колонии. Накопленный связанный азот накапливается в гранулах цианофицина или экспортируется в виде глутаминовой кислоты.

Значение

Цианобактерии, по общепринятой версии, явились «творцами» современной кислородсодержащей атмосферы на Земле, что привело к «кислородной катастрофе» — глобальному изменению состава атмосферы Земли, произошедшему в самом начале протерозоя (около 2,4 млрд лет назад), которое привело к последующей перестройке биосферы и глобальному гуронскому оледенению.

В настоящее время, являясь значительной составляющей океанического планктона, цианобактерии стоят в начале большей части пищевых цепей и производят значительную часть кислорода (вклад точно не определён: наиболее вероятные оценки колеблются от 20 % до 40 %).

Наиболее многочисленными оксигенными фототрофными организмами в океане являются представители родов Prochlorococcus и Synechococcus[5].

Цианобактерия стала первым фотосинтезирующим организмом, чей геном был полностью расшифрован.

В настоящее время цианобактерии служат важнейшими модельными объектами исследований в биологии. В Южной Америке и Китае бактерии родов спирулина и носток из-за недостатка других видов продовольствия используют в пищу: их высушивают, а затем готовят муку. Рассматривается возможное применение цианобактерий в создании замкнутых циклов жизнеобеспечения.

Классификация

Исторически существовало несколько систем классификации высших уровней цианобактерий.

В соответствии с «Справочником Берджи по бактериологической систематике», цианобактерии распределены по морфологии на 5 порядков. Хроококковые (Chroococcales) и плеврокапсовые (Pleurocapsales) объединяют одиночные или колониальные сравнительно простые формы, в порядки осциллаториевые (Oscillatoriales), ностоковые (Nostocales), стигонемовые (Stigonematales) входят нитчатые формы. Порядок Oscillatoriales включает в себя нитчатые безгетероцистные виды. Нитчатые формы, имеющие гетероцисты, делятся на виды с настоящим ветвлением Stigonematales, неветвящиеся и виды с ложным ветвлением Nostocales. «Высокоорганизованные» порядки содержат нитчатые формы, разница между ними — в наличии или отсутствии истинного ветвления и в наличии или отсутствии дифференцированных клеток (гетероцист и гормогониев). Внесистематической группой цианобактерий считаются «прохлорофиты» — цианобактерии, содержащие помимо хлорофилла a какой-либо другой хлорофилл (b, с или d). Некоторые из них не имеют фикобилипротеинов (хотя это — один из основных признаков цианобактерий). Родство установлено по гомологии 16S rDNA и генов фотосинтетического аппарата (psbA, psbB).

По данным сайта AlgaeBase, на январь 2018 года отдел делят на следующие таксоны рангом по порядок включительно[6]:

  • Класс Cyanophyceae
    • Роды incertae sedis
    • Подкласс Gloeobacterophycidae
      • Порядок Gloeobacterales
      • Порядок Gloeomargaritales
    • Подкласс Nostocophycidae
      • Порядок Nostocales — Ностоковые
    • Подкласс Oscillatoriophycidae
      • Порядок Chroococcales — Хроококковые
      • Порядок Chroococcidiopsidales
      • Порядок Oscillatoriales — Осциллаториевые
      • Порядок Pleurocapsales — Плеврокапсовые
      • Порядок Spirulinales
    • Подкласс Synechococcophycidae
      • Порядок Pseudanabaenales
      • Порядок Synechococcales

По данным сайта NCBI, на январь 2018 года в отдел включают следующие порядки[7]:

  • Роды incertae sedis
  • Порядок Chroococcidiopsidales
  • Порядок Gloeoemargaritales
  • Порядок Nostocales — Ностоковые
  • Порядок Pleurocapsales — Плеврокапсовые
  • Порядок Spirulinales
  • Порядок Synechococcales
  • Подкласс Oscillatoriophycideae
    • Порядок Chroococcales — Хроококковые
    • Порядок Oscillatoriales — Осциллаториевые
  • Класс Gloeobacteria
    • Порядок Gloeobacterales

Ранее выделявшийся порядок Prochlorales понижен в ранге до семейства Prochloraceae порядка Synechococcales, а порядок Стигонемовые (Stigonematales) синонимизирован с ностоковыми.

См. также

Анаэробное дыхание</th>

  • Нитратное и нитритное
  • Сульфатное
  • Серное
  • Фумаратное
  • Железистое
  • Марганцевое
  • Восстановительное дехлорирование

</td> Эта страница в последний раз была отредактирована 3 января 2021 в 15:06. В природе существует два способа питания, в соответствии с которыми живые организмы делятся на два типа – автотрофы и гетеротрофы. Каждый тип отличается способом получения органических веществ.

Что это?

Автотрофы – живые организмы, способные самостоятельно синтезировать органические веществ из неорганических. Из определения понятно, что к автотрофам в первую очередь относятся зеленые наземные растения, водоросли, а также цианобактерии или сине-зелёные водоросли, т.е. все организмы, способные к фотосинтезу. Они называются фототрофами и используют солнечный свет в качестве источника энергии.

Рис. 1. Цианобактерии.

Помимо фототрофов к автотрофам относятся хемотрофы или хемоавтотрофы. В качестве источника энергии они используют энергию, выделяющуюся при окислении неорганических веществ, и за счёт неё синтезируют органические вещества из неорганических. Получать органические вещества они могут в кислородной или бескислородной среде. К хемотрофам относятся некоторые виды бактерий – серобактерии, железобактерии, нитрифицирующие и т.д. Хемотрофы – единственные организмы, не зависящие от солнечного света.

Рис. 2. Хемотрофы.

Гетеротрофы – живые организмы, получающие готовые органические вещества вместе с пищей. К ним относится большая часть животных от простейших до человека, грибы, большинство бактерий. Гетеротрофы, поедающие автотрофов, являются растительноядными организмами. Гетеротрофные организмы, питающиеся гетеротрофами, могут быть хищниками или паразитами.

По способу потребления пищи гетеротрофы делятся на два вида:

  • фаготрофов (голозоев) – употребляют пищу кусками за счёт проглатывания;
  • осмотрофов – поглощают предварительно переваренные в окружающей среде органические вещества всей поверхностью тела.

Гетеротрофы могут использовать в качестве пищи живые или неживые организмы.В связи с этим выделяют:

  • биотрофов – поедают живые организмы (хищники, травоядные);
  • сапротрофы – потребляют органические вещества мёртвых организмов (бактерии гниения, дрожжи, опята).

К биотрофам относятся:

  • зоофаги – потребляют животных;
  • фитофаги – поедают растения.

Некоторые живые организмы могут быть одновременно зоофагами и фитофагами. Они называются всеядными. К ним относятся многие млекопитающие, в том числе человек. Паразиты в зависимости от природы хозяина могут быть зоофагами или фитофагами. Например, гриб спорынья – паразит растений, аскарида – паразит животных.

Сапротрофы могут питаться:

  • детритом (детритофаги) – некоторые грибы, дождевые черви;
  • трупами животных (некрофаги) – грифы, шакалы;
  • экскрементами (копрофаги) – личинки мух, жуки-скарабеи.

Рис. 3. Виды гетеротрофов.

Автотрофные и гетеротрофные типы питания тесно взаимосвязаны в системе пищевой цепочки. От выживаемости автотрофов зависит жизнь всей последующей цепочки гетеротрофов.

Сравнение

В таблице «Автотрофы и гетеротрофы» приведены сравнительные характеристики двух типов питания.

Признак

Автотрофы

Гетеротрофы

Звено пищевой цепочки

Продуценты

Консументы, редуценты

Способ получения органических веществ

Фотосинтез, хемосинтез

Потребление других организмов

Источник энергии

Солнечный свет, окисление неорганических веществ

Готовые органические вещества, в первую очередь углеводы и жиры

Некоторые организмы практикуют оба вида питания и называются миксотрофами. К ним относятся моллюск восточная изумрудная элизия, эвглена зелёная.

Что мы узнали?

Из урока 9 класса узнали об особенностях типов питания, а также о том, чем отличаются автотрофы от гетеротрофов. Автотрофы способны самостоятельно производить органические вещества, гетеротрофы питаются готовыми органическими веществами, поедая другие организмы. Некоторые живые существа одновременно способны к автотрофному и гетеротрофному питанию.

Тест по теме

  1. Вопрос 1 из 10

    Какие организмы относятся к автотрофам?</h3>

    • <label>Водоросли</label>
    • <label>Грибы</label>
    • <label>Дрожжи</label>
    • <label>Простейшие</label>

(новая вкладка)ТолкованиеПеревод

Цианобактерии
le>Цианобактерии</td></tr>Anabaena spiroides</td></tr>Научная классификация</th></tr>
Домен:  Бактерии
Тип:  Цианобактерии

</td></tr>Международное научное название</th></tr>

CyanobacteriaStanier ex Cavalier-Smith, 2002

</td></tr>Синонимы</th></tr>

  • Cyanophyta

</td></tr>Дочерние таксоны</th></tr>См. текст</td></tr>

ITIS   601
NCBI   1117
EOL   3223

</td></tr>

Цианобакте́рии (лат. Cyanobacteria, сине-зелёные во́доросли, цианопрокариоты или цианеи[1], от греч.κυανός — сине-зелёный) — значительная группа крупных грамотрицательныхбактерий, способных к фотосинтезу, сопровождающемуся выделением кислорода.

Эволюционное и систематическое положение

Цианобактерии наиболее близки к древнейшим микроорганизмам, остатки которых (строматолиты, возраст более 3,5 млрд лет) обнаружены на Земле. Это — единственные бактерии, способные к оксигенному фотосинтезу. Цианопрокариоты относятся к числу наиболее сложно организованных и морфологически дифференцированных прокариотных микроорганизмов. Предки цианобактерий рассматриваются в теории эндосимбиогенеза как наиболее вероятные предки хроматофоровкрасных водорослей. Внесистематическая группировка под условным названием «прохлорофиты» согласно этой теории имеет общих предков с хлоропластами прочих водорослей и высших растений.

Цианобактерии являются объектом исследования как бактериологов (как прокариоты), так и альгологов (как организмы физиологически схожие с эукариотическими водорослями). Сравнительно крупные размеры клеток и сходство с водорослями было причиной их рассмотрения ранее в составе растений («сине-зелёные водоросли»). За это время было альгологически описано более 1000 видов в почти 175 родах. Бактериологическими методами в настоящее время подтверждено существование не более 400 штаммов. Биохимическое, молекулярно-генетическое и филогенетическое сходство цианобактерий с остальными бактериями в настоящее время подтверждено солидным корпусом доказательств.

Жизненные формы и экология

В морфологическом отношении цианопрокариоты — разнообразная и полиморфная группа. Общие черты их морфологии заключаются только в отсутствии жгутиков и наличии слизистой оболочки (гликокаликс, состоящий из пептидогликана). Поверх слоя пептидогликана толщиной 2—200 нм имеют наружную мембрану. Ширина или диаметр клеток варьируют от 0,5 мкм до 100 мкм. Цианобактерии — одноклеточные, нитчатые и колониальные микроорганизмы. Отличаются выдающейся способностью адаптировать состав фотосинтетических пигментов к спектральному составу света, так что цвет варьирует от светло-зелёного до тёмно-синего. Некоторые азотфиксирующие цианобактерии способны к дифференцировке — формированию специализированных клеток: гетероцист и гормогониев. Гетероцисты выполняют функцию азотфиксации, в то время как другие клетки осуществляют фотосинтез.

Морские и пресноводные, почвенные виды, участники симбиозов (например, в лишайнике). Составляют значительную долю океанического фитопланктона. Способны к формированию толстых бактериальных матов. Некоторые виды токсичны (наиболее изучен токсин микроцистин, продуцируемый Microcystis) и условно-патогенны (например, Anabaena). Главные участники цветения воды, которое вызывает массовые заморы рыбы и отравления животных и людей. Уникальное экологическое положение обусловлено наличием двух трудносочетаемых способностей: к фотосинтетической продукции кислорода и фиксации атмосферного азота (у 2/3 изученных видов).

Деление бинарное в одной или нескольких плоскостях, множественное деление. Жизненный цикл у одноклеточных форм при оптимальных условиях роста — 6—12 часов.

Биохимия и физиология

Цианобактерии обладают полноценным фотосинтетическим аппаратом, характерным для кислородвыделяющих фотосинтетиков. Фотосинтетическая электронтранспортная цепь включает фотосистему (ФС) II, ФСI. Конечным акцептором электронов служит ферредоксин, донором электронов — вода, расщепляемая в системе окисления воды, аналогичной таковой высших растений. Светособирающие комплексы представлены особыми пигментами — фикобилинами, собранными (как и у красных водорослей) в фикобилисомы. При отключении ФСII способны к использованию других, нежели вода, экзогенных доноров электронов: восстановленных соединений серы, органических соединений в рамках циклического переноса электронов с участием ФСI. Однако эффективность такого пути фотосинтеза невелика, и он используется преимущественно для переживания неблагоприятных условий.

Цианобактерии отличает чрезвычайно развитая система внутриклеточных впячиваний цитоплазматической мембраны (ЦПМ) — тилакоидов; высказаны предположения о возможном существовании у них системы тилакоидов, не связанных с ЦПМ, что до сих пор считалось невозможным у прокариот. Накопленная в результате фотосинтеза энергия используется в темновых процессах фотосинтеза для производства органических веществ из атмосферного CO2.

Большинство цианобактерий — облигатные фототрофы, которые, однако способны к непродолжительному существованию за счёт расщепления накопленного на свету гликогена в окислительном пентозофосфатном цикле и в процессе гликолиза (достаточность одного гликолиза для поддержания жизнедеятельности подвергается сомнению). Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) не может участвовать в получении энергии из-за отсутствия α-кетоглутаратдегидрогеназы. «Разорванность» ЦТК, в частности, приводит к тому, что цианобактерии отличаются повышенным уровнем экспорта метаболитов в окружающую среду.

Азотфиксация обеспечивается ферментомнитрогеназой, который отличается высокой чувствительностью к молекулярному кислороду. Поскольку кислород выделяется при фотосинтезе, в эволюции цианобактерий реализованы две стратегии: пространственного и временного разобщения этих процессов. У одноклеточных цианобактерий пик фотосинтетической активности наблюдается в светлое, а пик нитрогеназной активности — в тёмное время суток. Процесс регулируется генетически на уровне транскрипции; цианобактерии являются единственными прокариотами, у которых доказано существование циркадных ритмов (причём продолжительность суточного цикла может превышать продолжительность жизненного цикла). У нитчатых цианобактерий процесс азотфиксации локализован в специализированных терминально дифференцированных клетках — гетероцистах, отличающихся толстыми покровами, которые препятствуют проникновению кислорода. При недостатке связанного азота в питательной среде в колонии насчитывается 5—15 % гетероцист. ФСII в гетероцистах редуцирована. Гетероцисты получают органические вещества от фотосинтезирующих членов колонии. Накопленный связанный азот накапливается в гранулах цианофицина или экспортируется в виде глутаминовой кислоты.

Значение

Цианобактерии, по общепринятой версии, явились «творцами» современной кислородсодержащей атмосферы на Земле, что привело к «кислородной катастрофе» — глобальному изменению состава атмосферы Земли, произошедшему в самом начале протерозоя (около 2,4 млрд лет назад) которое привело к последующей перестройке биосферы и глобальному гуронскому оледенению.

В настоящее время, являясь значительной составляющей океанического планктона, цианобактерии стоят в начале большей части пищевых цепей и производят значительную часть кислорода (вклад точно не определен: наиболее вероятные оценки колеблются от 20 % до 40 %).

Цианобактерия Synechocystis стала первым фотосинтезирующим организмом, чей геном был полностью расшифрован.

В настоящее время цианобактерии служат важнейшими модельными объектами исследований в биологии. В Южной Америке и Китае бактерии родов спирулина и носток из-за недостатка других видов продовольствия используют в пищу: их высушивают, а затем готовят муку. Им приписывают целебные и оздоравливающие свойства, которые, однако, в настоящее время не нашли подтверждения. Рассматривается возможное применение цианобактерий в создании замкнутых циклов жизнеобеспечения, а также как массовой кормовой или пищевой добавки.

Классификация

В соответствии с «Справочником Берджи по бактериологической систематике»:

Цианобактерии распределены по морфологии на 5 порядков. Хроококковые (Chroococcales) и плеврокапсовые (Pleurocapsales) объединяют одиночные или колониальные сравнительно простые формы, в порядки осциллаториевые (Oscillatoriales), ностоковые (Nostocales), стигонемовые (Stigoneomatales) входят нитчатые формы. Порядок Oscillatoriales включает в себя нитчатые безгетероцистные виды. Нитчатые формы, имеющие гетероцисты, делятся на виды с настоящим ветвлением Stigonematales, неветвящиеся и виды с ложным ветвлением Nostocales. «Высокоорганизованные» порядки содержат нитчатые формы, разница между ними — в наличии или отсутствии истинного ветвления и в наличии или отсутствии дифференцированных клеток (гетероцист и гормогониев). Внесистематической группой цианобактерий считаются «прохлорофиты» — цианобактерии, содержащие помимо хлорофилла а какой-либо другой хлорофилл (b, с или d). Некоторые из них не имеют фикобилипротеинов (хотя это — один из основных признаков цианобактерий). Родство установлено по гомологии 16S rDNA и генов фотосинтетического аппарата (psbA, psbB). Глобальные морфотипы цианопрокариот легли в основу альтернативной системы порядков J. Komárek, K. Anagnostidis (Komárek, Anagnostidis, 1986, 1989, 1998, 2005; Anagnostidis, Komárek, 1988, 1990).

  • Порядок Beggiatoales — Беггиатовые
  • Порядок Chroococcales — Хроококковые
  • Порядок Nostocales — Ностоковые
  • Порядок Oscillatoriales — Осциллаториевые
  • Порядок Prochlorales — Прохлорофиты
  • Порядок Stigoneomatales — Стигонемовые

В соответствии с NCBI:

  • Порядок Chroococcales — Хроококковые
  • Класс Gloeobacteria
  • Порядок Nostocales — Ностоковые
  • Порядок Oscillatoriales — Осциллаториевые
  • Порядок Pleurocapsales — Плеврокапсовые
  • Порядок Prochlorales — Прохлорофиты
  • Порядок Stigoneomatales — Стигонемовые

См. также

Другие книги по запросу «Цианобактерии» >>

Способ биологического терраформирования колонизируемых планет

1*gIgfhU23Gm2qy3p9Wwveaw.jpegСергей Базанов</span>Dec 7, 2017 · 5 min read</span></span>

1*y_hC6D6LOnd0bjOJJ4b1VQ.jpeg

Вот график, который показывает уровень кислорода в атмосфере Земли за последние 4 миллиарда лет:

1*cfbtJKlxyM4U6W7K1ok-8Q.png
Накопление O2 в атмосфере Земли. Источник: Wikipedia

Пояснение к рисунку:Зелёный график — нижняя оценка уровня кислорода, красный — верхняя оценка.1. (3,85–2,45 млрд лет назад) — Кислород не генерировался2. (2,45–1,85 млрд лет назад) Кислород генерировался, но поглощался океаном и породами морского дна3. (1,85–0,85 млрд лет назад) Кислород выходит из океана, но расходуется при окислении горных пород на суше и при образовании озонового слоя4. (0,85–0,54 млрд лет назад) все горные породы на суше окислены, начинается накопление кислорода в атмосфере5. (0,54 млрд лет назад — по настоящее время) современный период, содержание кислорода в атмосфере стабилизировалось

Как вы видите, еще 2,5 млрд лет назад в атмосфере Земли практически не было кислорода. Затем уровень кислорода в атмосфере резко увеличился. Что привело к такому росту? Цианобактерии!

Цианобактерии и их уникальная история

Цианобактерии, называемые также как синезелёные водоросли, или оксифотобактерии, или цианопрокариоты, или цианеи — это одноклеточные бактерии, которые получают энергию от фотосинтеза. Считается, что они являются первым видом на Земле, который развил способности фотосинтеза. Генерация кислорода в качестве побочного продукта фотосинтеза в конечном итоге привела к распространению многоклеточных организмов и, следовательно, к появлению животной жизни на Земле. Более того, цианобактерии — единственный вид в истории нашей планеты, который начал использовать фотосинтез — все растения и водоросли получили эту способность от них.

1*gLD27MUzhHqgbJNMr3blbQ.png
Большое цветение цианобактерий в озере Атитлан в Гватемале, Центральная Америка. Вид из космоса. Источник: NASA

Выжившие за миллиарды лет и имеющие широкое генетическое разнообразие, цианобактерии встречаются практически везде, будь то на суше или в воде. Они могут цвести в океанской воде или выживать в сухих пустынях. Некоторые виды цианобактерий даже прижились в антарктических породах.

Цианобактерии являются экстремофилами, что означает, что они способны выживать в экстремальных условиях. Цианобактерии даже выживали за пределами Международной космической станции (МКС) в течение 16 месяцев.

Цианобактерии были размещены в лотках за пределами МКС, где они подвергались экстремальным уровням радиации и колебаниям температуры. Они не только выжили в течение 16 месяцев, но и хорошо адаптировались к холоду вакуума.

1*WPnHgsXQ405f9nypDMsTwQ.jpeg

Идея Killa LAB состоит в том, чтобы узнать, как цианобактерии изменяются в ответ на жесткое излучение. Это поможет нам понять, как цианобактерии приспосабливаются и растут в такой среде и использовать их при исследовании космоса.

Вывод

Учитывая их генетическое разнообразие, глобальное присутствие и фундаментальное значение, цианобактерии являются, возможно, одним из самых, если не самым успешным биологическим видом на Земле. При помощи цианобактерий мы можем совершить прыжок к терраформированию других планет. Первые шаги начинаются прямо сейчас.

Cyanobacteria: The first seed of space colonization

Making way for a multi-planetary species

medium.com

Используемые источники:

  • https://nauka.club/biologiya/tsianobakterii.html
  • https://wiki2.org/ru/цианобактерии
  • https://obrazovaka.ru/biologiya/avtotrofy-i-geterotrofy-tablica-9-klass.html
  • https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/81205
  • https://medium.com/space-review/цианобактерии-первое-семя-космической-колонизации-e12dc1b1aa42

</tr>

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий