Цианобактерии и их строение, морфологические особенности и жизненный цикл

Фотосинтез и азотфиксация

Фотосинтез и азотфиксация

Некоторые
виды бактерий и архей способны к фиксации азота. Примерно половина азота,
входящего в состав живых организов, фиксируется бактериями. Азотфиксация, то
есть превращение атмосферного азота в различные соединения, осуществляется
ферментом нитрогеназой. Фиксация азота – один из наиболее дорогих биохимических
процессов: на фиксацию одной молекулы азота расходуется 16 молекул АТФ. Есть
менее эффективные системы фиксации, которые расходуют для этих целей до 35
молекул АТФ. Есть и небиологическая фиксация азота. После того, как начали
производить удобрения (промышленная фиксация азота), человек вполне успешно
может конкурировать с биологическими фиксаторами и биосферой в количестве
фиксируемого азота.

Фиксировать
азот могут только прокариотические организмы. Все организмы, способные
фиксировать азот, имеют сходные ферменты нитрогеназы. Нитрогеназа способна
работать только в анаэробных условиях, в присуствии кислорода фермент инактивируется
и фиксация азота останавливается.

Фиксированный
азот уходит в органические соединения. Это процесс могут проводить бактерии и
растения. Мы можем только переводить органические соединение в аммиак.
Соединения аммиака также могут переходить в окиси азота, после фиксации
которого бактериями вновь получается азот.

Фиксацию
азота осуществляют около 250 штаммов эубактерий: азотобактерии, клостридии и
др. Половину этих штаммов составляют разные виды цианобактерий, ранее
называемые сине-зелеными водорослями.

Как
уже говорилось, нитрогеназа чувствительна к кислороду. В его присутствии она
инактивируется и тогда не обратима. А сине-зеленые водоросли занимаются
фотосинтезом, при котором образуется кислород, и процесс фиксации азота
несовместим с процессом фотосинтеза. В результате, днем нитчатая цианобактерия
осциллятория занимается фотосинтезом, а ночью, когда фотосинтез не идет, она
занимается фиксацией азота.

Единственный
организм, способного одновременно проводить и фиксацию азота и фотосинтез, это
цианобактерия Anabaena. Каким образом это осуществляется? Фотосинтез происходит
в большинстве клеток (зеленые клетки на рисунке) на свету, и цианобактерия
может использовать источники азота, растворенные в окружающей среде. Однако
если азота не хватает, она переходит к фиксации азота. Для этого отдельные
клетки, которые раньше занимались фотосинтезом, дифференцируются. Они
называются гетероцисты. Это более крупные клетки, покрытые плотной оболочкой.
Фотосинтез в них прекращается, и ферменты фотосинтеза из них исчезают. Зато
начинается синтез нитрогеназы. Толстая оболочка не пропускает внутрь кислород,
и в гетероцистах происходит фиксация азота, в то время, как все остальные
клетки занимаются фотосинтезом. Все, что нужно гетероцисте для работы (в том
числе и азот), она получает от соседних клеток через специальные межклеточные
контакты, а сама гетероциста отдает соседним клеткам аминокислоту глутамин (посмотрите
строение аминокислот в лекции 4), которая синтезируется после фиксации азота.

К
фотосинтезу способны многие представители прокариот. Раньше мы упоминали уже,
что фотосинтез бывает оксигенный и аноксигенный фотосинтез. Совмещают оба этих
вида опять же цианобактерии. Большинство бактерий способны поводить только один
из двух типов фотосинтеза. Встречаются фотосинтетики и среди архей.

Для
фотосинтеза необходим свет. При этом используются световые волны определенного
диапазаноа, который зависит от «настройки» биоантенн, улавливающих
квант света. Жесткий ультрафиолет использоваться не может, так как он
повреждает ДНК и белки. Растения реагируют на свет длиной волны до 700 нм.

Прокариоты
пользуются более широким спектром излучения. Наиболее простая схема фотосинтеза
– у археи галобактерии, живущей в Мертвом море. Красноватая окраска этих
бактерий обусловлена наличием пигментов каротиноидов, защищающих клетки от
фотоповреждений, которые вполне возможны при высокой интенсивности солнечного
света. Фотосинтез у галобактерий проводится специальным белком
бактериородопсином. Этот белок находится в клеточной мембране, улавливает квант
света и переводит его энергию в электрохимический заряд на мембране (DmH). В
качествен «антенны», улавливающей свет в бактериородопсине,
используется ретиналь – светочувствительная молекула, такая же, как та, что
содержится в родопсине, светочувстительном белке высших организмов.

Фотоантенной
у цианобактерий и высших растений служат хлорофиллы. Это сложные
полициклические соединения с наличием сопряженных связей.

Список литературы

Классификация

Вопрос определения их таксономической принадлежности остается открытым. Пока известно только одно: цианобактерии — прокариоты. Подтверждением этому являются такие особенности, как:

отсутствие ядра, митохондрий, хлоропластов;
наличие в клеточной стенке муреина;
молекулы S-рибосом в составе клетки.

Тем не менее цианобактерии — прокариоты, насчитывающие около 1500 тысяч разновидностей. Все их классифицировали и объединили в 5 больших морфологических группировок.

Хроококковые. Достаточно многочисленная группа, объединяющая одиночные или колониальные формы. Высокие концентрации организмов удерживаются вместе за счет общей слизи, выделяемой клеточной стенкой каждой особи. По форме к этой группе относятся палочковидные и шаровидные структуры.
Плеврокапсовые. Очень схожи с предыдущими формами, однако появляется особенность в виде формирования беоцитов (подробнее об этом явлении позже). Входящие сюда цианобактерии относятся к трем основным классам: Плеврокапсы, Дермокапсы, Миксосарцины.
Оксиллатории. Главная особенность этой группы в том, что все клетки объединяются в общую слизевую структуру под названием трихома. Деление происходит, не выходя за пределы этой нити, внутри. Осциллатории включают в свой состав исключительно вегетативные клетки, делящиеся бесполым способом пополам.
Ностоковые. Интересны за свою криофильность. Способны обитать на открытых ледяных пустынях, образуя на них цветные налеты. Так называемое явление «цветения ледяных пустынь». Формы данных организмов также нитчатые в виде трихом, однако размножение половое, при помощи специализированных клеток — гетероцист. Отнести сюда можно следующих представителей: Анабены, Ностоки, Калотриксы.
Стигонемовые. Очень схожи с предыдущей группой. Главное отличие в способе размножения — они способны делиться множественно в пределах одной клетки. Самый популярный представитель данного объединения — Фишереллы.

Таким образом, и классифицируют цианей по морфологическому критерию, так как по остальным возникает много вопросов и получается путаница. Ботаники и микробиологи к общему знаменателю в систематике цианобактерий пока прийти не могут.

Есть ли взаимодействия с лекарствами?

Лекарства, снижающие иммунитет (иммунодепрессанты)

Сине-зеленые водоросли могут усилить иммунитет. Повышая иммунитет, сине-зеленые водоросли могут снижать эффективность лекарств, снижающих иммунитет.

Некоторые лекарства, снижающие иммунитет, включают азатиоприн (Imuran), базиликсимаб (Simulect), циклоспорин (Neoral, Sandimmune), даклизумаб (Zenapax), муромонаб-CD3 (OKT3, Orthoclone OKT3), микофенолат (CellCept), такролимус (FgrafKacrolimus). ), сиролимус (рапамун), преднизон (дельтасон, оразон), кортикостероиды (глюкокортикоиды) и другие.

Сине-зеленые водоросли могут замедлить свертывание крови. Прием сине-зеленых водорослей вместе с лекарствами, которые также замедляют свертывание крови, может увеличить вероятность синяков и кровотечений.

Некоторые лекарства, замедляющие свертываемость крови, включают аспирин; клопидогрел (Плавикс); нестероидные противовоспалительные препараты (НПВП), такие как Диклофенак (Вольтарен, Катафлам и др.), ибупрофен (Адвил, Мотрин и др.) и напроксен (Анапрокс, Напросин и др.); дальтепарин (Фрагмин); эноксапарин (Ловенокс); гепарин; варфарин (Кумадин) и др.

Лекарства от диабета (антидиабетические препараты)

Сине-зеленые водоросли могут снизить уровень сахара в крови. Лекарства от диабета также используются для снижения уровня сахара в крови. Прием сине-зеленых водорослей вместе с лекарствами от диабета может привести к слишком низкому уровню сахара в крови. Внимательно следите за уровнем сахара в крови. Возможно, потребуется изменить дозу вашего лекарства от диабета.

Некоторые лекарства, используемые для лечения диабета, включают глимепирид (Амарил), глибурид (DiaBeta, Glynase PresTab, Micronase), инсулин, пиоглитазон (Actos), розиглитазон (Avandia), хлорпропамид (Diabinese), глипизид (Glucotrol), оринутамид и др. .

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.

Производство кислорода на Марсе

Немецкие ученые разработали систему под названием Atmos. Оно представляет собой конструкцию из девяти камер, внутри которых поддерживается наиболее подходящее для жизни цианобактерий давление. Изначально исследователи не знали, смогут ли синезеленые водоросли произрастать внутри такой системы

Оказалось, что это возможно, только для этого важно, чтобы в системе были азот, углекислый газ и вода. Но избытка этих веществ на Марсе нет — атмосфера и так на 95% состоит углекислого газа и 3% азота

Вода на Красной планете тоже должна быть, по крайней мере, хотя бы в замерзшем виде.

Система Atmos с цианобактериями внутри

Чтобы проверить работоспособность системы Atmos, исследователи поместили цианобактерии внутрь. Результат оказался впечатляющим, потому что синезеленые водоросли отлично развивались в воде, прямо как в земных условиях. В ходе дальнейших экспериментов ученые также выяснили, что водоросли можно использовать в качестве корма для других организмов. Об этом стало известно после того, как высушенный экстракт был использован для питания кишечной палочки. Ей такой корм пришелся весьма по вкусу.

Удивительно, но кишечная палочка может питаться цианобактериями

Ареал обитания

Источник

Опасность цианобактерий

То, что цианобактерии можно использовать в качестве корма для других организмов, это само по себе очень интересное открытие. Дело в том, что синезеленые водоросли иногда выделяют очень опасные для живых организмов яды. В 2020 году они доставили человечеству достаточно проблем. Возможно, вы помните статьи о том, как в Африке в один момент начали массово погибать слоны. Некоторые из них умирали прямо на ходу, причем никаких признаков насильственной смерти у них не было. Ученые даже начали опасаться, что мир может столкнуться с новым вирусом. Но тайна была раскрыта — оказалось, что слоны пили зараженную синезелеными водорослями воду.

Весь этот кошмар сотворили цианобактерии

Источник

ссылки

Anabaena. Восстановлено с britannica.com
Anabaena. Занимается wikipedia.org
M. Burnat & E. Flores (2014). Инактивация агматиназы, экспрессируемой в вегетативных клетках, изменяет катаболизм аргинина и предотвращает диазотрофный рост в гетероцистеобразующей цианобактерии. Anabaena. Microbiologyopen.
Anabaena. Получено с bioweb.uwlax.edu.
Anabaena. Получено с wildpro.twycrosszoo.org.
N. Rosales Loaiza, P. Vera, C. Aiello-Mazzarri, E. Morales (2016). Сравнительный рост и биохимический состав четырех штаммов Nostoc и Anabaena (Cyanobacteria, Nostocales) по отношению к нитрату натрия. Колумбийский биологический акт.

Как употреблять спирулину

Продукт продается в нескольких формах: порошок, капсулы и хлопья. Выбор формы зависит от способа потребления продукта. Порошок можно легко добавить в утренний или пост-тренировочный смузи/кашу/суп/любое блюдо, а капсулы или хлопья отлично подходят для употребления суперфуда курсами (как таблетку).

Рецепт смузи со спирулиной

Зеленые коктейли – энергетические напитки из зеленых продуктов (зелень, авокадо, овощи, шпинат, сельдерей, яблоко, киви). Использование спирулины насыщает коктейль взрывной дозой бета-каротина, белка, железа, хлорофилла и незаменимых жирных кислот. Рекомендуется сочетать спирулину со сладкими пищевыми продуктами, чтобы перекрыть отталкивающий вкус водорослей. Один стакан напитка несет в себе и вкусное, питательное насыщение, и решение многих проблем со здоровьем.

Суточная норма потребления спирулины составляет от 3 до 5 грамм в сутки (примерно 1-2 чайные ложки).

Нам понадобится:

груша – 1 шт;
спелый банан – 1 шт;
шпинат – 1 горсть;
жидкость по вкусу (растительное молоко/фильтрованная вода) – ¾ чашки;
порошок спирулины – 1 чайная ложка.

Приготовление

Заранее отправьте в морозильную камеру банан, чтобы напиток приобрел густую структуру и низкую температуру (смузи рекомендуется пить слегка охлажденным). Очистите и промойте все ингредиенты, поочередно добавьте в блендер и взбейте до состояния однородной жидкой кашицы. Выпейте смузи сразу же после приготовления или перелейте в шейкер, чтобы насытиться энергетическим напитком позже.

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.

Есть ли взаимодействия с травами и добавками?

Травы и добавки, которые могут снизить уровень сахара в крови

Сине-зеленые водоросли могут снизить уровень сахара в крови. Есть некоторые опасения, что использование сине-зеленых водорослей вместе с другими травами и добавками, имеющими такой же эффект, может слишком сильно снизить уровень сахара в крови. Травы и добавки, которые могут снизить уровень сахара в крови, включают альфа-липоевую кислоту, дьявольский коготь, пажитник, чеснок, гуаровую камедь, конский каштан, женьшень Panax, псиллиум и сибирский женьшень.

Травы и добавки, замедляющие свертывание крови

Сине-зеленые водоросли могут замедлить свертывание крови. Употребление сине-зеленых водорослей вместе с травами, которые также замедляют свертывание, может увеличить вероятность появления кровоподтеков и кровотечений.

Некоторые из этих трав включают дудник, гвоздику, даншен, чеснок, имбирь, гинкго, женьшень обыкновенный, красный клевер, куркуму и другие.

Железо

Сине-зеленые водоросли могут уменьшить количество железа, которое организм может усваивать. Прием сине-зеленых водорослей с добавками железа может снизить эффективность приема дополнительного железа.

Сходство между зелеными водорослями и цианобактериями

Как зеленые водоросли, так и цианобактерии развиваются из водорослей.
И зеленые водоросли, и цианобактерии — это разнообразные организмы.
Как зеленые водоросли, так и цианобактерии встречаются в наземных и водных средах обитания.
Как зеленые водоросли, так и цианобактерии могут быть фотосинтезирующими организмами.
Некоторые из зеленых водорослей и цианобактерий живут симбиотически.
Как зеленые водоросли, так и цианобактерии могут быть как одноклеточными, так и многоклеточными.
Как зеленые водоросли, так и цианобактерии содержат вакуоли.
И зеленые водоросли, и цианобактерии хранят пищу в виде крахмала.

Польза цианобактерий

В отличие от многих других микробов, цианобактерии способны к фотосинтезу. Так называется процесс, когда под воздействием солнечного света клетки начинают производить органические вещества. В случае с цианобактериями конечным продуктом является кислород, который является одним из важнейших компонентов жизни. Именно поэтому некоторые ученые уверены, что миллионы лет назад именно синезеленые водоросли насытили воздух кислородом и на Земле появились полноценные животные. Уже долгое время исследователи надеются, что им удастся использовать цианобактерии для производства кислорода на Марсе. Но на этой планете очень низкое атмосферное давление, которое непригодно для выращивания синезеленых водорослей. Недавно ученые смогли решить эту проблему.

Зеленый налет на воде — это цианобактерии

О том, что цианобактерии могут пригодиться нам на Марсе, ученые также говорили в 2018 году. Только в то время они не знали, как их содержать в марсианских условиях. Теперь знают.

Кто такие цианобактерии и зачем люди возьмут их с собой на Марс?

Цианобактерии — это одни из самых древних и нетребовательных к окружающим условиям организмов на Земле. Под воздействием солнечного света они выделяют много кислорода и ученые хотят использовать их умение в своих целях. Например, бактерии можно взять с собой на Марс, чтобы они в больших количествах производили необходимый для жизни людей воздух. Ведь далекая планета хоть и кажется пригодной для обитания людей местом, дышать там практически нечем. Только вот цианобактерии хоть и не привередливы к окружающей среде, атмосфера Марса им может прийтись не по душе. Виной всему низкое атмосферное давление, которое может помешать бактериям размножаться и производить кислород. К счастью, недавно немецкие ученые разработали аппарат, который представляет собой некий инкубатор для цианобактерий. Кажется, человечество скоро сделает большой шаг к беззаботной жизни на другой планете!

Цианобактерии могут обеспечить нам комфортную жизнь на Марсе

Что такое зеленые водоросли

Зеленые водоросли относятся к зеленым водорослям, обитающим в пресноводных местах обитания. Зеленый цвет — от фотосинтетического пигмента, хлорофилла. Хлорофилл и хлорофилл б два типа хлорофилла в зеленых водорослях. Зеленые водоросли также содержат бета-каротин и ксантофилл. Поэтому зеленые водоросли являются фотоавтотрофами, а пища хранится в виде крахмала и жиров. Поскольку водоросли являются эукариотическими организмами, они содержат мембраносвязанные органеллы в своих клетках. Генетический материал зеленых водорослей встречается в ядре. Кроме того, фотосинтетические пигменты организованы в хлоропласты. Одна клетка может содержать один или несколько хлоропластов. Зеленые водоросли могут быть одноклеточными, многоклеточными или живущими в колониях. У некоторых зеленых водорослей наблюдается коеноцитарный рост, при котором несколько зеленых водорослей состоят из одной большой клетки без поперечных стенок. Большая ячейка может быть как одноядерной, так и многоядерной. Некоторые зеленые водоросли живут в симбиотических отношениях с грибами, образуя лишайники.

Зеленые водоросли, Stigeoclonium показано в Рисунок 1.

Рисунок 1: Stigeoclonium

Бесполое размножение зеленых водорослей происходит путем деления, почкования, фрагментации или образования зооспор. Половое размножение происходит путем образования изогамных (обе гамет подвижны и имеют одинаковый размер) или анизогамных (женские неподвижные и мужские подвижные) гаметы. Большинство зеленых водорослей показывают смену поколений с гаплоидной фазой и диплоидной фазой в жизненном цикле. Зеленые водоросли делятся на два типа; Хлорофита и Charophyta. Большая часть хлорофиты встречается в морской воде, пресной или субаэральной. Chlorophyta включает Trebouxiophyceae, Chlorophyceae, Bryopsidophyceae (морские водоросли), Ulvophyceae (морские водоросли), Dasycladophyceae и Siphoncladophyceae. Charophyta полностью живут в пресноводных местообитаниях.

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.

Анабена и цветение воды

Анабена принадлежит к числу организмов, вызывающих так называемое цветение воды. В жаркие летние дни она размножается до невероятия и сплошь покрывает поверхность воды тонкой она лесцирующей дымкой. Ее иногда легко наловить в достаточном количестве и сохранить в формалине, при чем клетки ее долгое время, почти не изменяются. Анабена имеет вид цепочки, свернутой то кольце образно то винтообразно, с несколькими граничными клетками.

Клетки кажутся темными от находящихся в их протоплазме небольших телец, при повороте микрометрического винта меняющих свою окраску, иногда почти радужных, чаще же красноватых.

При заготовке фиксированного материала все анабены также всплывают на поверхность и образуют сплошной слой, хорошо отличимый, благодаря их яркой окраске. Значит, это не прижизненное, а чисто «физическое явление.

Цветение воды вызывается, однако, не одной анабеной, а также и другими организмами, например прямыми палочкообразными нитями, как у Aphanizomenon, где особенно часто можно видеть, кроме граничных клеток, еще и покоящиеся. Эти последние крупнее в б6 раз, чем деятельные клетки, и в них не видно псевдовакуолей, благодаря чему они окрашены равномерно в характерный синезеленый цвет. Покоящиеся клетки плавают, лишь пока их поддерживают деятельные клетки, после же отмирания последних падают на дно, где и прорастают; только по миновании условий, погубивших деятельные клетки, например по окончании зимы, после прорастания снова образуются цепочки клеток, в них развиваются «псевдовакуоли», и организм всплывает на поверхность.