Cianobacteriile trăiesc într-un mediu de oxigen pe care le numesc. Informații generale despre cianobacteriile

M. V. Gusev, doctor în științe biologice,

N. N. Kirikova, candidat la științe biologice

Algele albastre-verzi sau cianobacteriile, așa cum se propune acum să fie numite, sunt cel mai vechi grup de microorganisme unic din punct de vedere morfologic și fiziologic. Multe proprietăți ale algelor albastre-verzi (fixarea azotului, eliberarea intravitală de substanțe organice, un tip special de fotosinteză) determină rolul unic și extrem de important pe care îl joacă numeroși reprezentanți ai acestui grup în sol și în corpurile de apă. Recent, cianobacteriile au devenit obiecte de cercetare de către biochimiști și fiziologi, hidrobiologi și microbiologi, geneticieni și fermieri și specialiști în biologia spațiului.

Importanța cianobacteriilor în natură este mare și de netăgăduit. Aceștia sunt pionierii vieții, capabili să existe în condiții extreme, uneori inacceptabile pentru alte ființe vii. Acestea sunt îmbogățitori ai solurilor și apelor cu azot legat. Aceștia sunt în mod specific locuitori dăunători, otrăvitori ai rezervoarelor.

Microorganismele, unite sub denumirea de „alge albastre-verzi”, cuprind o lume întreagă (peste 1600 de specii) de diverse forme unicelulare, coloniale și filamentoase, asemănătoare între ele într-o serie de caracteristici esențiale (structura celulelor procariote, pigmenți specifici).

Proprietățile uimitoare inerente unor alge albastre-verzi, manifestate în capacitatea lor de a trăi într-o varietate de condiții, uneori, aparent insuportabile, i-au îndreptat pe cercetători în căutarea unor structuri neobișnuite, centroboliți și mecanisme biochimice care disting aceste forme neobișnuite de alte organisme vii. , inclusiv mai multe specii „banale” de cianobacterii. În urma acestor căutări, s-a demonstrat că, deși cianobacteriile au uneori trăsături semnificative care le deosebesc de alte organisme, aceste diferențe nu contrazic teoria unității biochimice a vieții. De asemenea, a devenit clar că unitatea de tip al algelor albastre-verzi (Cyanophyta) se bazează pe următoarele trei caractere, care se manifestă la toți reprezentanții acestui tip fără excepție.

1. Toate cianobacteriile sunt capabile să efectueze fotosinteza cu eliberarea de oxigen, ceea ce le diferențiază de bacteriile fotosintetice, care se caracterizează printr-un tip particular de fotosinteză: se desfășoară în condiții anaerobe, nu este însoțită de eliberarea de oxigen.
2. Aparatul pigmentar al cianobacteriilor include, alături de clorofilă și carotenoide, bilicromoproteine ​​(pigmenți solubili în apă de culoare roșie sau albastră) care absorb lumina în regiunea 540-630 nm, prezența lor determină unele dintre proprietățile unice ale cianobacteriilor.
3. Organizarea structurală a celulei de cianobacterie este atât de particulară încât unii cercetători propun să evidențieze Cyanophyta ca regn special al lumii vii. Structurile celulare ale Cyanophyta poartă amprenta antichității - sunt arhaice și mai puțin eterogene decât la alte alge. Cianobacteriilor le lipsesc unele dintre organele responsabile pentru anumite funcții fiziologice ale plantelor, cum ar fi un nucleu bine format. Caracteristicile structurii celulare se reflectă și în proprietățile fiziologice ale reprezentanților Cyanophyta.

Studiile inițiale ale structurii și compoziției chimice a celulelor de cianobacterie au fost efectuate folosind microscopie ușoară și reacții microchimice. În urma acestor studii, a apărut o idee despre structura difuză a protoplastei cianobacteriilor.

În ultimii ani, structura celulară a cianobacteriilor a fost studiată folosind cele mai recente metode de citochimie, microscopie electronică, microscopie cu contrast de fază și ultracentrifugare. Toate aceste studii au arătat că structura difuză a protoplastei cianobacteriilor este exclusă. Atât în ​​partea periferică colorată a celulei, cât și în partea centrală, incoloră, s-au găsit elemente structurale destul de definite.

Unii cercetători consideră că structura celulelor algelor albastre-verzi este similară cu structura celulelor bacteriene și propun să se facă distincția între următoarele componente: 1) nucleoplasmă, 2) ribozomi și alte granule citoplasmatice, 3) plăci fotosintetice, 4) celule. membranelor.

Cu toate acestea, în multe alte lucrări, realizate și la nivel modern, ele aderă la împărțirea protoplastei celulelor Cyanophyta într-o parte centrală - centroplasmă și o parte periferică colorată - cromatoplasmă înconjurată de membrane. Structura centroplasmei - un analog al nucleului în algele albastre-verzi - este apropiată de structurile identice ale celulelor bacteriene și diferă semnificativ de ceea ce este prezent în celulele cu nuclee formate. Din păcate, structura chimică a componentelor centroplasmei Cyanophyta este încă puțin înțeleasă.

Cromatoplasma ocupă regiunea periferică a protoplastei de alge albastre-verzi. Conține pigmenți. Multă vreme, a existat ideea unei distribuții difuze a pigmenților în cromatoplasma Cyanophyta, care i-a diferențiat semnificativ de alte organisme fotosintetice, ai căror pigmenți sunt concentrați pe structuri lamelare din interiorul organelelor speciale - cloroplaste (în plantele superioare și algele). ) sau cromatofori (în bacteriile fotosintetice). Acum se recunoaște în general că principalele elemente structurale ale cromatoplasmei sunt formațiuni lamelare (lamelare) organizate într-un anumit mod. Grosimea și locația acestor plăci sunt diferite în diferite tipuri de alge albastre-verzi.

Pe lângă structurile lamelare fotosintetice, elementele structurale incolore se găsesc și în regiunea periferică a protoplastei cianobacteriilor: ribozomi, boabe de cianoficină și diferite tipuri de cristale (de exemplu, cristale de gips).

Protoplastul cianobacteriilor este separat de mediul extern prin mai multe straturi de bariere. Membrana celulară interioară se învecinează direct cu protoplastul cu una dintre laturile sale, iar cealaltă parte a acestuia este în contact cu o membrană celulară cu două straturi pătrunsă de pori. Deasupra cochiliei se află membrana celulară exterioară, care are un aspect ondulat; crestele sale ating teaca situată în afara celulei, iar depresiunile prin porii tecii sunt conectate la membrana celulară interioară. Membrana celulară a algelor albastre-verzi dă reacții la celuloză, dar componentele sale principale sunt polizaharidele mucoase și substanțele pectinice. Cea mai exterioară barieră care înconjoară celulele cianobacteriene este teaca celulară, care constă din mai multe straturi de fibre subțiri care se împletesc. Învelișul celular nu este conectat la peretele celular. Multe forme de cianobacterii încă formează o adevărată înveliș, de consistență moale. Tricomii (o colecție de celule unite într-un lanț) și în special fragmentele de celule mici, așa-numitele hormoni, pot aluneca din adevăratele lor învelișuri. Părți separate ale învelișurilor mucoase adevărate sunt uneori separate de tricomi și pot fi confundate cu excreții de cianobacterii, în plus, unele cianobacterii eliberează cantități semnificative de substanțe în mediu care nu sunt legate de originea tecii mucoase adevărate. Probabil, porii prezenți în membranele celulare ale cianobacteriilor joacă un anumit rol în acest sens.

Protoplasma Cyanophyta este într-o stare de gel foarte vâscoasă și nu prezintă mișcare vizibilă, spre deosebire de protoplasma majorității celorlalte organisme. În celulele sănătoase de alge albastre-verzi, nu există vacuole obișnuite, dar există formațiuni neobișnuite, așa-numitele vacuole de gaz. Acestea sunt bule de gaz separate de protoplasmă printr-o membrană lipoidă. Prezența vacuolelor de gaz este o caracteristică unică a Cyanophyta. La cianobacterii s-au găsit incluziuni pline cu substanță cenușie omogenă, numite anterior corpuri poliedrice. Studii recente au arătat că în cianobacteriile, precum și în bacteriile chemosintetice, ribulozodifosfat carboxilaza este localizată, așa că acum se propune să le numim carboxizomi. Compoziția chimică a celulelor a fost studiată la relativ puține specii de cianobacterii.

În funcție de gradul de cunoaștere a caracteristicilor fiziologice ale diferitelor specii de Cyanophyta, acestea pot fi împărțite în trei grupe. Primul grup include specii bine studiate. În al doilea - specii în care doar o parte a metabolismului este bine studiată (de exemplu, metabolismul azotului, formarea de toxine etc.). Cel de-al treilea grup poate include aproximativ 50 de specii de cianobacterie, slab studiate fiziologic: informațiile despre ele sunt aleatorii și împrăștiate, de fapt, nu se știe nimic despre ele.

În ciuda neuniformității și inadecvării studiului diferiților reprezentanți ai Cyanophyta, acum este clar că, pe fondul caracterelor tipice comune, speciile individuale au o varietate de anumite proprietăți fiziologice. Printre cianobacteriile se numără autotrofe (singura sursă de carbon pentru construcția tuturor substanțelor celulare este dioxidul de carbon), heterotrofe (sursa de carbon pentru metabolismul constructiv sunt compușii organici ai carbonului) și mixotrofe, alternând autotrofia și heterotrofia, fixatorii de azot și speciile incapabile de fixarea azotului, termofile și mezofile, toxice și specii care nu emit substanțe toxice etc.

Informațiile disponibile în prezent fac posibilă gruparea fiziologică a cianobacteriilor. Principala întrebare care se ridică în studiul fiziologic comparativ al oricăror organisme este problema sursei de energie utilizată de obiectele studiate pentru activitatea lor vitală, adică, în cele din urmă, întrebarea tipului de reacții care duc la formarea unor reacții ușor mobilizabile. compuși cu legături macroergice.

Ce tipuri de procese energetice sunt tipice pentru reprezentanții Cyanophyta? Deoarece metabolismul constructiv este asociat în mod indisolubil și uneori în mod specific cu procesele energetice, le vom lua în considerare în paralel.

Nu există îndoială capacitatea tuturor speciilor de Cyanophyta de a efectua fotosinteza, adică de a sintetiza toate substanțele celulei sale datorită energiei luminii. Această afirmație se bazează pe faptul incontestabil că toate cianobacteriile pigmentate se dezvoltă excelent la lumină într-un mediu în care singura sursă de carbon este dioxidul de carbon, un compus de carbon extrem de oxidat, și nu se dezvoltă în prezența acestei surse de carbon numai în întuneric.

Cianobacteriile sunt capabile să trăiască în detrimentul energiei luminoase transformate, adică să conducă un mod de viață fotosintetic. Evident, transformarea energiei luminoase în energie chimică are loc acolo unde se află pigmenții.

Activitatea fotochimică a cianobacteriilor este localizată în regiunea periferică a protoplastei. Acolo se concentrează în formațiuni lamelare pigmenții, sistemele de enzime reducătoare și boabele metacromatice care conțin fosfați. Fosforilarea fotosintetică și, foarte probabil, alte reacții primare ale fotosintezei cianobacteriilor, sunt asociate cu pigmenții localizați în interiorul lamelelor (clorofilă și carotenoide) sau în apropierea acestora (bilicromoproteine).

Aparatul pigmentar al cianobacteriilor constă din diferite combinații de pigmenți din diferite specii, aparținând la trei grupe - clorofile, bilicromoproteine ​​și carotenoide. Eficacitatea aparatului pigmentar al cianobacteriilor este asigurată de labilitatea sa extremă: atât compoziția pigmenților, cât și conținutul lor cantitativ se pot schimba dramatic în funcție de condițiile de iluminare, de prezența anumitor substanțe care determină stilul de viață (procesele energetice și structurale) al cianobacteriilor.

Clorofila „a” a fost găsită în toate speciile studiate de cianobacterii. Conținutul cantitativ de clorofilă „a” în celulele de cianobacteri este diferit în diferite specii și depinde de condițiile de cultivare. Clorofila, caracteristică algelor verzi și plantelor superioare, nu a fost găsită în celulele Cyanophyta. Prezența obligatorie a uneia sau mai multor bilicromoproteine ​​este o caracteristică tipică a Cyanophyta. Spre deosebire de clorofile, pigmenții de acest tip nu se găsesc în toate organismele fotosintetice. Bilicromoproteinele sunt pigmenți proteici solubili în apă de culoare roșie sau albastră, foarte fluorescenți. Grupele cromofore ale bilicromoproteinelor - ficobiline, derivați de tetrapirol - sunt asociate cu o proteină de tip globulină. Studiul organizării structurale a ficobilinelor a arătat că acestea sunt localizate în formațiuni speciale numite ficobilizomi. Prezența ficobilizomilor este o trăsătură caracteristică a organismelor care formează pigmenți de ficobilină.

În cianobacterii se găsesc trei bilicromoproteine ​​care se izolează sub formă cristalină: C-ficocianina; C - ficoeritrina; aloficocianina. În funcție de capacitatea de a sintetiza C-ficoeritrina, diferitele specii de Cyanophyta diferă unele de altele. Prezența unei astfel de abilități permite celulelor să absoarbă lumina în acea regiune a spectrului, care este cel mai puțin utilizată de toate celelalte microorganisme fotosintetice. Astfel, apariția capacității de a forma C-ficoeritrina este echivalentă cu apariția unei surse suplimentare de energie. Pe lângă cianobacterii, bilicromoproteinele au fost găsite în algele roșii și în unele criptomonade.

După compoziția carotenoidelor, cianobacteriile se remarcă și printre toate organismele fotosintetice. În cianobacterii s-au găsit trei pigmenți carotenoizi principali: β-caroten, echinenonă și mixoxantofilă. Ultimii doi pigmenți nu au fost găsiți în niciun alt reprezentant al lumii vegetale. Pe lângă acești trei pigmenți, s-au găsit și alți pigmenți carotenoizi într-un număr de specii de Cyanophyta: afanitsin; zeaxantina; osciloxantină și luteină.

Datorită compoziției unice și labile a pigmenților, cianobacteriile sunt capabile să absoarbă lumina de diferite lungimi de undă.

Funcția principală a aparatului pigmentar al cianobacteriilor este implementarea a două reacții fotochimice în sistemele bilicromoproteină - clorofilă, aparent protejate de un exces de agent oxidant carotenoid.

Principalii pigmenți fotosintetici, care absorb cuante de lumină, sunt excitați și devin locurile de început al transportului de electroni, în urma căruia se formează „forța de asimilare” - ATP și agenți reducători bogați în energie. Transportul de electroni este condus de două reacții fotochimice care au loc secvenţial. O reacție fotochimică este efectuată de sistemul de pigment II, în care bilicromoproteinele predomină în cianobacterii. O parte laterală a acestei reacții fotochimice este eliberarea stoechiometrică de oxigen din apă (tot oxigenul liber din atmosfera Pământului, aparent, a fost eliberat ca urmare a acestui proces „lateral”). O altă reacție fotochimică este efectuată de sistemul pigmentar I, care este dominat de clorofila „a”.

Pe lângă transportul neciclic de electroni în organele fotosintetice, este posibilă și o altă opțiune - transportul ciclic de electroni. Rezultatul final al acestui tip de transport de electroni este doar formarea ATP - fotofosforilarea ciclică. În acest caz, are loc o singură fotoreacție - în sistemul pigmentar I. Reacția fotochimică în sistemul pigment II, asociată cu mobilizarea electronului hidroxil al apei și determinând eliberarea de oxigen, a apărut se pare pentru prima dată în procesul evolutiv în cele mai vechi cianobacterii.

Forța de asimilare obținută ca urmare a transformării energiei luminoase și acumulată sub formă de ATP și agenți reducători este utilizată pentru procesele de sinteză a substanțelor celulare. Fotosinteza, realizată cu funcționarea coordonată a două fotosisteme și însoțită de eliberarea de oxigen din apă, a devenit unul dintre principalele tipuri de metabolism energetic în formele superioare de viață și ocupă în prezent o poziție dominantă în sistemul energetic al lumii vii.

Calea de reducere a dioxidului de carbon în fotosinteza cianobacteriilor a fost studiată extrem de fragmentar și pe un număr mic de obiecte. Există motive să credem că în cianobacterii această cale poate fi asociată cu reacțiile ciclului Calvin. Ribuloza difosfat carboxilază, o enzimă cheie a ciclului Calvin, se găsește în cantități semnificative în celulele cianobacteriene. Se arată și prezența principalelor reacții ale acestui ciclu.

Pe lângă asimilarea fotosintetică a dioxidului de carbon în cianobacterii, s-a constatat fixarea CO 2 pe fosfoenolpiruvat cu formarea acizilor C4-dicarboxilici. Conform datelor experimentale recente, nu poate fi exclusă posibilitatea fixării dioxidului de carbon de către cianobacterii prin ciclul de reducere a acizilor carboxilici.

Pot cianobacteriile să implice în ciclul fotosintetic al carbonului compuși care sunt mai redusi decât dioxidul de carbon și conțin mai mulți atomi de carbon? Un argument indirect în favoarea posibilității unui astfel de metabolism în lumină este prezența oxidării întunecate a compușilor de carbon într-un număr de cianobacterii. În plus, asimilarea fotosintetică directă a moleculelor de compuși organici este posibilă în lumină, conform tipului cunoscut pentru bacteriile fotosintetice. În comparație cu utilizarea dioxidului de carbon, acesta este asociat cu costuri energetice mai mici, deoarece substanțele organice (zaharuri, acizi organici, alcooli) sunt mai reduse decât CO 2 .

Astfel, sunt posibile două alternative: o cale reductivă pentru utilizarea diferiților compuși ai carbonului de către cianobacterii, asociată cu sinteza directă a substanțelor celulare din aceștia (adică, fără oxidare la dioxid de carbon), sau o cale oxidativă asociată cu descompunerea substanțelor organice. substanțe în fragmente mai mici (până la CO 2), care sunt utilizate pentru sinteza. Cu toate acestea, modul de viață fotoheterotrofic al cianobacteriilor nu a fost încă studiat suficient.

Una sau două surse de energie folosesc cianobacteriile în lumină? Toate datele disponibile până în prezent indică faptul că cianobacteriile, diverse în ceea ce privește capacitățile lor metabolice, folosesc o singură sursă de energie, lumina, atunci când sunt iluminate. O poliglucozidă de tip amilopectină, numită uneori „amidon cianobacterian”, este principala substanță stocată ca urmare a fotosintezei de multe cianobacterii în interiorul celulei. O varietate de substanțe pot servi drept surse de azot pentru metabolismul constructiv al cianobacteriilor: nitrați, săruri de amoniu, compuși organici de azot și azot molecular din aer.

Capacitatea de a fixa azotul atmosferic, inerent multor specii de Cyanophyta, le face singurele organisme de pe Pământ care combină fotosinteza cu eliberarea de oxigen și fixarea azotului. Această autotrofie cea mai perfectă face posibilă considerarea cianobacteriilor fixatoare de azot drept organisme cel mai puțin dependente de mediu, un fel de apogeu în evoluția biochimică a microorganismelor. Dintre cianobacteriile care fixează azotul atmosferic predomină speciile limitate la habitatele terestre sau în condiții de umiditate instabilă. Alături de solul liber Cyanophyta - fixatori de azot s-au găsit și forme simbiotice: colonii sferice de Nostoe punctiforme. Se găsește în nodulii trifoiului alexandrin împreună cu bacteriile obișnuite cu nodul. Multe cianobacterii fixatoare de azot formează heterochisturi (celule de graniță). Există o presupunere că funcția heterochisturilor este localizarea fixării azotului. Mecanismul de fixare a azotului molecular în Cyanophyta nu diferă semnificativ de cel al altor microorganisme fixatoare de azot. Cu toate acestea, la o serie de specii de alge albastre-verzi fixatoare de azot, spre deosebire de bacterii, nu a fost găsită activitate hidrogenazei și, prin urmare, nu se poate face o corelație între aceasta și fixarea azotului.

Procesele oxidative întunecate în cianobacterii sunt încă insuficient studiate. Marea majoritate a speciilor de cianobacterii studiate nu se dezvoltă în întuneric în nicio condiție.

Toate cianobacteriile (atât cele capabile să se dezvolte în absența iluminării, cât și cele care nu sunt capabile) absorb oxigenul în întuneric cu diferite grade de intensitate. Cianobacteriile sunt mai sensibile la oxigenul eliberat în timpul descompunerii apei decât algele verzi și plantele superioare.

Până acum, nu se știe nimic despre prezența oricăror procese întunecate de energie anaerobă în cianobacterii. Toate informațiile de mai sus despre metabolismul cianobacteriilor confirmă ideea diversității lor fiziologice extreme. Cu toate acestea, aderarea la un anumit mod de viață este fixată destul de ferm. Diversitatea fiziologică a cianobacteriilor reflectă „încercările” evolutive ale diverselor posibilități de viață după realizarea de către microorganisme în procesul de evoluție a capacității către cel mai perfect mod de viață - fotosinteza. Grupul Cyanophyta, considerat de mulți cercetători drept unul dintre cele mai vechi (din poziții atât geologice, cât și evolutive), este un „muzeu” viu al „probelor” fiziologice și morfologice.

Studiul clasificării lor naturale va arunca, fără îndoială, lumină asupra problemei evoluției funcțiilor fiziologice în lumea plantelor.

Multe cianobacterii se caracterizează prin capacitatea de a se mișca, care este o diferență importantă între ele față de bacteriile mobile cu flageli și de toate celelalte organisme.

Multe specii de cianobacterie sunt capabile să tolereze efectele adverse ale temperaturii pe termen lung. Un număr de specii sunt termofile, adică sunt special adaptate vieții în apele fierbinți. Unele specii de cianobacterii termofile și netermofile sunt capabile să supraviețuiască câteva săptămâni la temperatura aerului lichid (-190°C).

Cianobacteriile sunt cunoscute a fi forma predominantă de viață în izvoarele termale. Temperaturile optime pentru dezvoltarea mai multor specii de Cyanophyta sunt peste 85°C.

Multe tipuri de cianobacterii sunt rezistente la uscare. Speciile tropicale tolerează bine perioada de uscare a solului și își reiau creșterea în sezonul ploios; cruste măcinate sau depozite de rocă de cianobacterii cresc în timpul umezirii pe termen scurt, iar în restul timpului trăiesc în stare uscată. Uneori nu au nevoie de umiditatea solului, iar pentru o creștere activă au nevoie doar de umiditate ridicată. S-a remarcat faptul germinării sporilor comunei Nostoe după 87 de ani de păstrare în stare uscată într-un erbar.

Dezvoltarea cianobacteriilor în culturi este adesea însoțită de eliberarea diferitelor substanțe în lichidul de cultură. Natura chimică a substanțelor emise este diferită. Eliberarea acestor substanțe are loc în diferite faze ale creșterii algelor și nu este asociată cu autoliza celulară (distrugerea peretelui celular în timpul îmbătrânirii). După cum sa menționat mai sus, elementele membranei mucoase care înconjoară tricomii unor specii de cianobacterii pot fi separate. Astfel de secreții constau în principal din polizaharide de mucus și substanțe pectinice. Un alt grup de compuși izolați sunt substanțele azotate (aminoacizi liberi, polipeptide și chiar proteine). Adesea, substanțele eliberate în lichidul de cultură de către cianobacteriile suprimă dezvoltarea microorganismelor. Unele tipuri de cianobacterii emit substanțe volatile, cum ar fi fitoncidele plantelor superioare.

În perioada de reproducere în masă în corpurile de apă, așa-numita „înflorire”, cianobacteriile sunt toxice pentru nevertebrate, pești și animale domestice. S-a raportat despre faptele de otrăvire a oamenilor cu apă potabilă în timpul înfloririi în masă a cianobacteriilor.

Structura neobișnuită a protoplastei, fotosinteza cu participarea pigmenților neobișnuiți, fixarea azotului, eliberarea diferitelor substanțe în fluidul de cultură, modurile în care sunt utilizate substanțele organice, relația particulară cu oxigenul - toate aceste fapte oferă material pentru ultimele concepte de fiziologie comparată și biochimie.

Rezistența extremă a cianobacteriilor la condiții nefavorabile, surprinzătoarea lor nesolicitare față de substraturi, determină rolul lor enorm de pionieri ai vieții în condiții biologice dificile. Cianobacteriile sunt locuitorii principali și permanenți ai stâncilor, takiri, deșerturi, locuri goale din tundra, solurile arctice. Antarctica este tărâmul cianobacteriilor de culoare neagră, o adaptare la cea mai bună utilizare a luminii. În toate aceste cazuri, activitatea vitală a cianobacteriilor duce la o schimbare a mediului, pune bazele pentru formarea solului și fertilitatea acestuia. Cianobacteriile îmbogățesc solul cu materie organică și azot, contribuie la distrugerea mineralelor, la intemperii rocilor, modifică proprietățile fizice ale solului, în special, îi măresc capacitatea de reținere a apei.

Utilizarea practică a cianobacteriilor include aspecte precum îmbunătățirea fertilității solului. Se știe că algalizarea solului câmpurilor de orez cu Cyanophyta fixatoare de azot crește semnificativ randamentul. Cultivarea în masă a cianobacteriilor este foarte promițătoare. În funcție de conținutul de aminoacizi, Cyanophyta poate fi echivalată cu plantele care oferă cea mai valoroasă hrană proteică. Implementarea cu succes a culturilor de masă de cianobacterii va face posibilă obținerea unui număr de substanțe valoroase produse de acestea în procesul vieții (aminoacizi, vitamina B 12 , pigmenți etc.). Este posibil să se utilizeze cianobacteriile în crearea sistemelor ecologice închise.

Conform conceptelor moderne, evoluția ființelor vii de pe Pământ a început după era evoluției chimice în urmă cu aproximativ 3-4 miliarde de ani. Primele ființe vii, se pare, au trăit într-un mediu anoxic, într-un ocean de materie organică. Evoluția microorganismelor pe Pământ se îndrepta spre independența față de mediul oceanic. Punctul culminant al acestei evoluții a fost o celulă microscopică verde, care amintește de cianobacteriile existente în prezent. Aceste microorganisme sunt cele mai independente de mediu. Pentru a construi toate structurile celulare, constând din polimeri organici complecși, cianobacteriile au nevoie doar de apă, dioxid de carbon, azot molecular, concentrații neglijabile de sulf, fosfor și metale, precum și lumina solară. Toate acestea se găsesc practic pe pământ peste tot.

Momentul decisiv în atingerea acestui vârf al evoluției microbiene este capacitatea dobândită pentru prima dată de strămoșii cianobacteriilor de a mobiliza electronii de apă pentru procesele lor constructive. Utilizarea apei ca donor de electroni și protoni a fost însoțită de eliberarea de oxigen molecular în atmosferă. Din acel moment a început o nouă etapă în evoluția sistemelor vii - deja în condițiile Pământului „oxigen”.

Această etapă de evoluție a dus la o diversitate morfologică colosală a ființelor vii de pe Pământ. Dar cianobacteriile, aparent, s-au schimbat puțin din acele vremuri îndepărtate. Autotrofia supremă obținută de ei și, posibil, structura particulară a protoplastei și învelișurile de conservare din jurul celulelor - aceștia sunt factorii care le-au făcut neschimbate de milenii, cele mai vechi „fosile vii” de pe Pământ.

LITERATURĂ

Gusev M. V. Biologia algelor albastre-verzi. M., Editura Universității de Stat din Moscova, 1968.

Gusev M. V., Nikitina K. A. Progrese în microbiologie, 1978, p. 13, 30.

Gusev M. V., Nikitina K. A. Cianobacteriile (fiziologie și metabolism). M., Nauka, 1979.

Acesta este un grup mare de procariote fototrofe oxigenate. În ele, ca și în alge și plante superioare, fotosinteza are loc în condiții aerobe cu participarea clorofilei a, care face parte din două fotosisteme care utilizează apa ca donor de electroni și eliberează oxigen liber în mediu.Cianobacteriile sunt predominant organisme microscopice, dar multe formele formează colonii macroscopice mari. Odată cu dezvoltarea în masă a multor specii, acumulările lor sunt clar vizibile cu ochiul liber.Se cunosc aproximativ 2 mii de specii de cianobacterii. Acesta este un grup foarte vechi de organisme, vârsta unor cianobacterii fosile este de peste 3 miliarde de ani. Cianobacteriile sunt organisme unicelulare și multicelulare cu structură de talus de tip cocoid, palmelloid, filamentos și multifilamentos. Nu există flageli, cu toate acestea, multe forme sunt mobile. Mobilitatea este asigurată datorită îndoirii filamentelor proteice într-unul dintre straturile peretelui celular și secreției de mucus. Prin urmare, aceste organisme se deplasează prin alunecare de-a lungul substratului. Componentă obligatorie a corpului cianobacteriilor filamentoase - tricomi- o formatiune filamentoasa, formata din unul, mai rar doua sau mai multe randuri de celule interconectate fiziologic. Tricomii sunt lanțuri de celule legate prin plasmodesmate. Culoarea celulelor și a talilor cianobacteriilor este predominant albastru-verde, în funcție de raportul pigmenților, variază de la roz, verde, maro, maro la negru. Principalii pigmenți ai cianobacteriilor sunt: ​​clorofila „a”, carotenoidele, ficobiliproteinele: ficocianina, aloficocianina (ambele albastre) și ficoeritrina (roșu). Acest grup de pigmenți este cel mai asemănător cu algele roșii și criptofite. Substanța de rezervă este o polizaharidă asemănătoare glicogenului.

Luați în considerare structura unei celule de cianobacterie folosind exemplul unui reprezentant al genului Lyngbya

În afara membranei citoplasmatice se află un perete celular format din patru straturi. Al doilea strat este compus din mureină (un peptidoglican polimeric de susținere format din două amino zaharuri și trei aminoacizi; o componentă majoră a peretelui celular bacterian, absent la eucariote). Acest strat de mureină determină rezistența peretelui celular al cianobacteriilor. Pe partea de sus a pereților celulelor se află straturi mucoase. În organismele multicelulare, mucusul secretat de diferite celule se unește, de obicei, pentru a forma o teacă comună sau, altfel, o teacă mucoasă. Există pori în pereții longitudinali și septuri. Protoplastele celulelor adiacente firului sunt conectate prin fire, care sunt numite plasmodesmate . Plasmodesmatele transportă substanțe de la celulă la celulă. Protoplastul celular se caracterizează în primul rând prin absența organelelor - un nucleu pronunțat, nucleoli, vacuole cu seva celulară, cloroplaste și mitocondrii. Partea centrală a celulei conține fibrile de ADN. Aparatul fotosintetic, de regulă, este situat la periferia celulei și este format dintr-un sistem complex de structuri membranare lamelare numite tilacoizi. Tilacoizii nu sunt separați de membrane de citoplasmă și conțin pigmenți fotosintetici care sunt încorporați în membranele lor. Ficobiliproteinele sunt concentrate în granule speciale - ficobilizomi, care se află și pe tilacoizi. Citoplasma contine si ribozomi si substante de depozitare. Produsul fitosintezei cianobacteriilor este o polizaharidă asemănătoare glicogenului, substanțele de depozitare sunt și volutina (acestea sunt polifosfați), granule de cianoficină (înmagazinează azot).Celulele multor cianobacterii conțin așa-numiții aerotopi sau vacuole gazoase care conțin gaze. Aceste structuri reglează flotabilitatea organismelor. Vacuolele de gaz (sau alte vezicule de gaz) sunt subunități strâns împachetate sub formă de fagure sub formă de cilindri goale, cu capace conice. Membranele lor sunt compuse numai din proteine. La algele filamentoase, toate celulele filamentare pot fi complet identice.În majoritatea formelor filamentoase, celulele sunt diferențiate ca formă și funcție. Există celule vegetative, heterochiști și akinete. Heterochistele și akinetele apar prin diferențierea celulelor vegetative.

bacterii- primele organisme care au locuit planeta noastră. Acestea sunt cele mai mici organisme procariote care au o structură celulară. Dimensiunile bacteriilor variază de la câteva zecimi de micron până la 10-13 microni. Se găsesc în aer (la altitudini de până la 40.000 m), sol, apă, zăpadă din regiunile polare și izvoare termale cu o temperatură de aproximativ 90 ° C. Mai ales multe dintre ele în sol - de la 200-500 milioane la 2 miliarde sau mai mulți indivizi la 1 g, în funcție de tipul de sol.

După forma și caracteristicile asocierii celulare, se disting mai multe grupe morfologice de bacterii: sferice, numite coci, drepte în formă de tijă - bacili, curbate - vibrioni, curbate spiralat - spirilla. Cocii legați în perechi se numesc - diplococi legate într-un lanț streptococi, sub formă de clustere - stafilococi si altele.Formele filamentoase sunt mai putin frecvente.

Unele bacterii au organele de mișcare - flageli (de la 1 la 50), care constau dintr-o proteină specială - flagelina. Într-un număr de bacterii, acestea sunt situate la un capăt al celulei, în altele - la două sau pe toată suprafața. Modul în care sunt localizați flagelii este unul dintre semnele în clasificarea bacteriilor mobile.

Membrana celulară subțire și elastică, care include mureina, conferă celulei bacteriene o anumită formă, își protejează conținutul de efectele factorilor negativi de mediu și îndeplinește o serie de alte funcții. Multe tipuri de bacterii sunt înconjurate de o capsulă mucoasă.

Membrana plasmatică este capabilă să formeze proeminențe în citoplasmă, numite mezosomi. Pe membranele mezosomilor sunt localizate enzimele redox, iar în bacteriile fotosintetice, pigmenții corespunzători, datorită cărora mezosomii sunt capabili să îndeplinească funcțiile mitocondriilor, cloroplastelor și altor organite.

În partea centrală a celulei există o moleculă circulară de ADN - genomul, constând din aproximativ 5 milioane de perechi de baze. Multe bacterii au molecule circulare mici de ADN numite plasmide. Mitocondriile, cloroplastele, reticulul endoplasmatic, aparatul Golgi și alte structuri membranare caracteristice tuturor celulelor eucariote sunt absente în bacterii. Cu toate acestea, există până la 20 de mii de ribozomi mici în citoplasmă.

Unele bacterii flagelate din apă și sol din citoplasmă au vacuole gazoase. Prin reglarea cantității de gaze din vacuole, bacteriile acvatice se pot scufunda în coloana de apă sau se pot ridica la suprafața acesteia, în timp ce bacteriile din sol se pot deplasa în capilarele solului. Substanțe de rezervă celule bacteriene - polizaharide (amidon, glicogen), grăsimi, polifosfați, sulf.

Bacteriile sunt incolore (în citoplasma lor nu există pigmenti), cu excepția caprisului verde și violet.

reproducere bacteriile se produc prin diviziune celulară binară simplă. Aceasta este precedată de autodublarea (replicarea) moleculei de ADN. Înmugurirea are loc ca o excepție.

La unele bacterii s-au găsit forme simplificate ale procesului sexual (de exemplu, la Escherichia coli). Procesul sexual seamănă cu conjugarea, în care transferul de material genetic de la o celulă la alta are loc în timpul contactului lor direct. După aceea, celulele sunt separate. Numărul de indivizi ca rezultat al procesului sexual rămâne același, dar există un schimb de material ereditar, adică are loc recombinarea genetică.

sporulare caracteristic doar unui grup mic de bacterii, bacili, clostridium. Sub formă de spori, bacteriile tolerează condițiile nefavorabile. Ele rezistă la uscare prelungită, la încălzire peste 100°C și la răcire aproape la zero absolut. În stare normală, bacteriile sunt instabile atunci când sunt uscate, expuse la lumina directă a soarelui, când temperatura crește la 65-80 ° C etc. În condiții favorabile, sporii se umflă și germinează.

Saprotrofele includ bacterii de degradare și fermentație. Primii descompun compușii care conțin azot, cei din urmă - compușii care conțin carbon. În ambele cazuri, energia necesară activității lor de viață este eliberată.

Rolul bacteriilor în biosferă este destul de mare. Datorită activității lor vitale, are loc descompunerea și mineralizarea substanțelor organice, a plantelor și animalelor moarte. Compușii anorganici simpli rezultați (amoniac, hidrogen sulfurat, dioxid de carbon etc.) sunt implicați în circulația generală a substanțelor. Bacteriile, împreună cu ciupercile și lichenii, sunt implicate în etapele inițiale ale proceselor de formare a solului.

Bacteriile fixatoare de azot joacă un rol special în natură. Locuind în sol, astfel de bacterii îl îmbogățesc cu azot, acestea includ Azotobacter cu viață liberă și bacterii nodulare care se stabilesc pe rădăcinile leguminoaselor și plantelor mimoze.

Bacteriile joacă un rol pozitiv în activitatea economică umană. Bacteriile lactice sunt folosite la prepararea unei varietăți de produse alimentare din lapte: smântână, lapte coagulat, chefir, unt, brânză.

Bacterii patogene- agenti cauzali ai bolilor periculoase la om si animale: ciuma, tularemie, antrax, pneumonie, dizenterie, tuberculoza etc.

Bacteriile și plantele infectează, provocându-le așa-numitele bacterioze (petarea, ofilirea, arsurile, putregaiul umed, tumori etc.).

Bacteriile saprotrofe joacă nu doar un rol pozitiv, asigurând circulația substanțelor în natură, ci și unul negativ, provocând putrezirea alimentelor.

răspândită metode de luptă cu bacterii putrefactive sunt: ​​uscarea fructelor, ciupercilor, cărnii, peștelui, cerealelor; răcirea și înghețarea lor în frigidere și ghețari; produse de decapare în acid acetic; o concentrație mare de zahăr, de exemplu, în fabricarea gemului, care provoacă plasmoliza în celulele bacteriene și perturbă activitatea lor vitală; sărare.

Pentru a distruge formele vegetative de bacterii și pentru a conserva laptele, vinul, sucuri de fructe și alte produse, se utilizează o metodă pasteurizare- încălzire la 65 °C timp de 10-20 de minute, iar pentru a elibera mediul de bacteriile care formează spori, metoda dă cel mai mare efect sterilizare- fierbere la presiune ridicată în autoclave. În medicină, industria alimentară și agricultură se folosește metoda de dezinfecție (tratament cu iod, apă oxigenată, acid boric etc.).

cianobacteriile(Algă verde-albăstruie). Ele reprezintă cel mai vechi, unic grup de organisme. Multe proprietăți ale cianobacteriilor (fixarea azotului, excrețiile pe parcursul vieții de substanțe organice etc.) determină rolul lor extrem de important în biosferă. Departamentul include organisme unicelulare, coloniale și multicelulare (filamentoase) cu diferite structuri morfologice: de la microscopice la vizibile cu ochiul liber. Structurile lamelare și pigmenții fotosintetici sunt localizați în citoplasmă: clorofila α, carotenonde, ficobiline, pigmenți care sunt absenți în alte fotosintetice. Datorită varietatii de pigmenți, cianobacteriile sunt capabile să absoarbă lumina de diferite lungimi de undă.

Cianobacteriile se reproduc asexuat (unicelulare - prin diviziune celulară, coloniale și filamentoase - prin descompunerea în secțiuni separate care pot germina în noi organisme). Procesul sexual și formele și etapele flagelare mobile nu au fost identificate.

Cianobacteriile sunt frecvente în apele dulci și sărate, la suprafața solului, pe roci, în izvoarele termale și fac parte din licheni. Ele îmbogățesc solul cu materie organică și azot, sunt hrană pentru zooplancton și pești și pot fi folosite pentru a obține o serie de substanțe valoroase produse de aceștia în cursul vieții (aminoacizi, vitamina B 12 , pigmenți etc.). Unele - nostoc, spirulina - pot fi folosite in alimentatie. În timpul perioadei de reproducere în masă a cianobacteriilor în corpurile de apă (așa-numita „înflorire a apei”), are loc procesul de degradare a acestora: apa capătă un miros neplăcut și devine nepotrivită pentru băut; există o moarte în masă a peștilor; pe suprafața rezervorului se formează o peliculă uleioasă, verde-murdar, constând din cianobacterii moarte.

Citeste mai mult

← Sistem modern al lumii organice

Viruși →

Cianobacterii sau alge albastru-verzi (lat. Cyanobacteria) - un grup extins de bacterii gram-negative mari, a căror caracteristică distinctivă este capacitatea de a fotosintetiza. Cianobacteriile sunt cele mai complexe și diferențiate procariote. Deoarece aceste organisme în fiziologia lor au multe caracteristici în comun cu algele eucariote, conform unor clasificări, cianobacteriile sunt considerate ca alge albastru-verzi în plante. În prezent, în algologie sunt cunoscute peste 150 de genuri și aproximativ 1000 de specii de cianobacterii, bacteriologii numără aproximativ 400 de tulpini.

Cianobacteriile sunt frecvente în mări și în corpurile de apă dulce, acoperirea solului, pot participa la simbioze (licheni). O parte semnificativă a fitoplanctonului corpurilor de apă sunt alge din acest grup. Ele sunt capabile să formeze acoperiri groase multistrat pe substrat. Speciile rare sunt toxice și oportuniste pentru oameni. Algele albastre-verzi sunt principalele elemente care provoacă „înflorirea” apei, ceea ce duce la moartea în masă a peștilor, otrăvirea animalelor și a oamenilor. Unele specii se caracterizează printr-o combinație rară de proprietăți: capacitatea de a fotosintetiza și de a fixa simultan azotul din aerul atmosferic.

Structura. Structura cianobacteriilor are trăsături caracteristice. Aceste organisme au o varietate de morfologii. Obișnuit în structura oricărui tip de alge albastru-verzi este membrana mucoasă (glicocalix al peptidoglicanilor) și absența flagelilor. Membrana mucoasă este acoperită de o membrană exterioară. Dimensiunea celulelor de cianobacterie poate fi de la 1 µm la 100 µm. Culoarea diferitelor specii variază de la verde deschis la albastru închis datorită capacității de a schimba raportul pigmenților fotosintetici din celulă în funcție de compoziția spectrală a luminii.

Cianobacteriile sunt organisme unicelulare, pot forma colonii, se cunosc forme filamentoase. Reproducerea se realizează prin fisiune binară, este posibilă fisiunea multiplă. Ciclul de viață în condiții favorabile este de 6-12 ore.

Structura interna . În celula fiecărui organism există un aparat complet pentru fotosinteză cu eliberare de oxigen. Energia obţinută prin fotosinteză este folosită pentru a produce materie organică din CO 2 . În ceea ce privește hrănirea, marea majoritate a algelor albastre-verzi sunt fototrofe obligatorii. Dar ele pot exista pentru o perioadă scurtă de timp datorită consumului de glicogen acumulat în lumină.

Sens. Potrivit oamenilor de știință, aceste organisme au provocat o restructurare globală a atmosferei la începutul perioadei proterozoice (acum aproximativ 2,5 miliarde de ani) - o „catastrofă de oxigen”. Acest lucru a dus la schimbări dramatice în biosferă și glaciația Huron.

Pentru prima dată în laborator, genomul unui organism fotosintetic a fost descifrat tocmai pe exemplul cianobacteriei Synechocystis. Până acum, algele albastre-verzi sunt obiecte biologice valoroase de cercetare.

În China și America de Sud, algele albastre-verzi din genurile Spirulina și Nostoc sunt folosite ca hrană. După uscare, se fac făină. Spirulina este folosită ca supliment alimentar, deoarece această alge are o serie de proprietăți utile.