Цианобактерии

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).

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

Цианобактерии, или сине-зеленые водоросли, вызывают у врачей и ученых серьезные опасения. Эти микроорганизмы способны к быстрому размножению в водоемах, особенно в условиях повышенной температуры и избытка питательных веществ. Врачи отмечают, что некоторые виды цианобактерий производят токсины, которые могут вызывать различные заболевания у человека, включая кожные реакции, проблемы с дыханием и даже поражения печени. Особенно уязвимы дети и люди с ослабленным иммунитетом. Специалисты подчеркивают важность мониторинга водоемов, чтобы предотвратить вспышки заболеваний. Они также рекомендуют населению избегать контакта с водой, в которой наблюдаются цветения цианобактерий, и соблюдать меры предосторожности при использовании водных ресурсов.

Нетрусов А. И. – Микробиология – Цианобактерии

Примечания

Комментарии

1. Время разделения эволюционных линий Gloeomargarita и предка хлоропластов оценивают в 2,1 млрд лет назад, а время существования последнего общего предка архепластид — в 1,9 млрд лет назад.
2. То есть в результате симбиоза непосредственно с цианобактерией, а не с уже содержащей пластиду эукариотической клеткой.

Источники

1. ↑ Биологический энциклопедический словарь / Гл. ред. М. С. Гиляров; Редкол.: А. А. Баев, Г. Г. Винберг, Г. А. Заварзин и др. — М. : Сов. энциклопедия, 1986. — С. 576. — 831 с. — 100 000 экз.
2. ↑ Синезелёные водоросли / Ю. Е. Петров // Сафлор — Соан. — М. : Советская энциклопедия, 1976. — ( :  / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 23).
3. Исторически названия таксонов синезелёных водорослей регулируются МКН, поэтому высший ранг группы — отдел, а не тип, как у остальных бактерий.
4. ↑
5. (Проверено 12 февраля 2018).
6. (Проверено 12 февраля 2018).

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 ферментом нитрогеназой, 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.

Цианобактерии, или сине-зеленые водоросли, вызывают множество обсуждений в научных и экологических кругах. Многие исследователи отмечают их важную роль в экосистемах, так как они способны к фотосинтезу и производят кислород. Однако, наряду с положительными аспектами, существует и ряд негативных мнений. Некоторые специалисты предупреждают о потенциальной опасности цианобактерий, особенно в условиях цветения, когда они могут выделять токсичные вещества, угрожающие водным организмам и здоровью человека. В социальных сетях пользователи делятся личным опытом: кто-то восхищается красотой цианобактерий в природных водоемах, а кто-то выражает опасения по поводу их распространения. В целом, цианобактерии остаются объектом активных исследований и обсуждений, подчеркивая двойственную природу этих микроорганизмов.

Сенсорные системы цианобактерий – Дмитрий Лось

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. 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 ). Кроме этого, известен ещё только один случай первичного появления пластид — у амёб рода (вступивших в симбиоз с другой цианобактерией и значительно позже).

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.

Исследования

Команда ученых, в которой состоял Элмар Крауш из Австралийского национального университета провела интересное исследование. Ученые проверили способность цианобактерий вида Chroococcidiopsis thermis к фотосинтезу при слабом освещении.

Раньше считалось, что фотохимические процессы прекращаются при длине волны света около 700 нанометров. Эта точка известна как «красная граница».

Однако Краус и его коллеги обнаружили интересный факт. Оказалось, что C. thermis продолжает фотосинтез на длинах волн до 750 нанометров. Вывод не только представляет собой значительное расширение предела фотосинтеза при низком уровне интенсивности света. Он также описывает систему, которая может функционировать с использованием гораздо меньшего количества биологического топлива. Исследователи называют это «беспрецедентной низкоэнергетической фотосистемой».

Ключ к решению этой загадки, как выяснили ученые, лежит в присутствии при реакции ранее неизвестных длинноволновых хлорофиллов. Именно они выполняют необходимое разделение зарядов. Исследователи проследили происхождение этих хлорофиллов в геноме C. thermis. И обнаружили, что они расположены в определенном кластере генов, который распространен во многих видах цианобактерий. Это говорит о том, что способность преодолевать «красную границу» среди этих микроорганизмов достаточно распространена.

Цианобактерии/сине-зеленые водоросли под микроскопом [Cyanobacteria under microscope]

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 какой-либо другой . 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 , на январь 2018 года отдел делят на следующие таксоны рангом по порядок включительно:

• 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:

• 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.

Цианобактерии

Цианобактерии являются одними из самых древних земных организмов. Они используют для обеспечения собственной жизнедеятельности процесс, называемый фотосинтезом. Цианобактерии сформировали атмосферу ранней Земли из метана, аммиака и других газов.

Фотохимия, используемая микробами, подобна той, что используется многоклеточными растениями. Процесс происходит преимущественно при участии энергии красной части спектра солнечного света. Интересно, что большинство растений имеют именно зеленый цвет потому, что хлорофилл плохо поглощает энергию из этой части спектра и отражает его.

Солнечный свет является важнейшим участником процесса фотосинтеза. Поэтому растения (и соответствующие бактерии) не могут расти в очень темных условиях. Основной целью нового исследования было выяснение того, насколько малоосвещенными должны быть такие среды, чтобы процесс стал невозможным.

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 %).

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.

Как цианобактерии могут использоваться для космических поселений

Полезные применения цианобактерий в освоении космоса охватывают широкий диапазон:

1. Источник энергии: в процессе фотосинтеза цианобактерии вытесняют свободные электроны высокой энергии в окружающую среду, тем самым вырабатывая электричество от солнечного света. В настоящее время ведутся исследования способов использования этого электричества путем разработки внутренних путей фотосинтеза цианобактерий. Это может обеспечить чистый, надежный и эффективный источник энергии для небольших применений в космических полетах, где другие источники не являются жизнеспособными.
2. Источник кислорода: это идея терраформирования Марса с использованием цианобактерий для генерирования кислорода в атмосфере. Диоксид углерода (углекислый газ) составляет 96% атмосферы Марса. Мы, люди, нуждаемся в кислороде, чтобы выжить, и цианобактерии могут превратить достаточное количество углекислого газа в необходимый для дыхания кислород.

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.

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.

Вопрос-ответ

Что такое цианобактерии простыми словами?

Цианобакте́рии, или сине-зелёные во́доросли, или циане́и (лат. Cyanobacteria, от греч. κυανός — сине-зелёный) — отдел крупных грамотрицательных бактерий, способных к фотосинтезу, сопровождающемуся выделением кислорода.

Чем опасны цианобактерии для человека?

Наиболее распространенные последствия для здоровья – раздражение кожи и глаз. Симптомы у людей и домашних животных могут проявиться в течение нескольких минут после воздействия, но в зависимости от токсина и его концентрации на их развитие может уйти до 36 часов.

Чем полезны цианобактерии?

Цианобактерии, или сине-зеленые водоросли, — это автотрофные прокариоты, которые способны генерировать молекулярный кислород почти как высшие растения. Применение цианобактерий способно решить проблему загрязнения океана пластиком и другими отходами.

Что убивает цианобактерии?

Токсины цианобактерий выделяются при повреждении и гибели клеток водорослей в воде. Например, после обработки воды альгицидом, в частности, сульфатом меди – или же когда проглоченная вода достигает пищеварительного тракта животного.

Советы

СОВЕТ №1

Изучите основные характеристики цианобактерий, такие как их способность к фотосинтезу и роль в экосистемах. Это поможет вам лучше понять их значение для окружающей среды и биосферы.

СОВЕТ №2

Обратите внимание на условия, в которых цианобактерии могут размножаться. Знание факторов, таких как температура, уровень света и наличие питательных веществ, поможет вам избежать их избыточного роста в водоемах.

СОВЕТ №3

Если вы занимаетесь аквариумистикой или садоводством, изучите способы контроля цианобактерий. Используйте методы биологического контроля и избегайте избыточного внесения удобрений, чтобы предотвратить их вредное воздействие.

СОВЕТ №4

Следите за новыми исследованиями и открытиями в области цианобактерий. Эти микроорганизмы могут иметь потенциал для использования в биотехнологиях, таких как производство биотоплива и очистка воды.