2.1: Ціанобактерії

Last updated
Save as PDF

Page ID: 6303

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Строматоліти

Найбільш ранні скам'янілості інтерпретуються як одноклітинні організми, схожі на сучасні ціанобактерії, іноді їх називають синіми зеленими водоростями. Найбільш широко прийняті з цих скам'янілостей датуються 3,4 мільярда років тому від формування басейну Стріллі в Західній Австралії. Ці конкретні скам'янілості називаються строматолітами і складаються з чергуються шарів скам'янілих клітин та карбонату кальцію. Ми можемо використовувати дані сучасного формування строматоліту в Західній Австралії, щоб зробити висновок, що ці скам'янілі клітини робили процес, який називається фотосинтезом, використовуючи розчинений CO ₂ у воді для утворення молекул цукру. Це призводить до того, що кальцій випадає з морської води, утворюючи затверділі шари карбонату кальцію на вершині колонії організмів. Оскільки їм потрібен доступ до світла для продовження фотосинтезу, живі клітини починають утворювати новий шар поверх карбонату кальцію. Цей процес триває, роблячи кільчастий візерунок у міру зростання освіти, так само, як ми бачимо на деревах та коралах.

Скелясті грудочки виходять з води уздовж пляжу. Кожна грудка - це строматоліт. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): На зображеннях вище показані строматоліти. Перше зображення показує нинішні строматоліти, що утворилися на узбережжі Західної Австралії. На другому зображенні зображений викопний строматоліт з кільцями росту, утвореними послідовними шарами ціанобактерій. Перше фото: AndyGo, CC-BY-NC. Друге зображення: Строматолітове викопне з Вайомінгу Джеймса Сент-Джона через Wikimedia Commons. CC-BY 2.0.

Строматолітове викопне, що показує багато концентричних кілець росту, що випромінюють назовні — Малюнок\(\PageIndex{1}\): На зображеннях вище показані строматоліти. Перше зображення показує нинішні строматоліти, що утворилися на узбережжі Західної Австралії. На другому зображенні зображений викопний строматоліт з кільцями росту, утвореними послідовними шарами ціанобактерій. Перше фото: AndyGo, CC-BY-NC. Друге зображення: Строматолітове викопне з Вайомінгу Джеймса Сент-Джона через Wikimedia Commons. CC-BY 2.0.

Сучасні ціанобактерії

Вільне життя

Ціанобактерії можна зустріти у величезній різноманітності місць, від плавання в океані до проживання в криптобіотичних кірках в пустелі. Носток - це тип ціанобактерій, які часто можна зустріти, що живуть у желатинових колоніях у вологих наземних середовищах. Колонія виділяє слизову оболонку, яка забезпечує захисний бар'єр і дозволяє здійснювати обмін матеріалами між клітинами в колонії.

Багато скляні на вигляд, коричнево-зелені кулі сидять у чиєїсь руці. Кожна куля містить колонію Носток, не помітну неозброєним оком — Малюнок\(\PageIndex{2}\) : Кожна з цих скляних куль містить колонію *Nostoc pruniforme*, оточену слизистою оболонкою. Бактерії не видно неозброєним оком, тому з'являються як єдиний організм. Фото Рене Сталдера, CC-BY-NC.

Одиночна колонія Носток розглядається через мікроскоп. Прозора куля, наповнена ланцюжками зелених клітин, заплутаних в кулю. — Малюнок\(\PageIndex{3}\): Вид на *колонію Носток* через мікроскоп. Колонія складається з ланцюжків особин, загорнутих між собою в кулю. Цей кулька покритий прозорою слизистою оболонкою (видно на першому фото). Зелений колір кулі обумовлений фотосинтетичними пігментами в ціанобактерії. На фото праворуч показана колонія з більшим збільшенням. Можна виділити особин, в тому числі і деякі більші, жовті клітини. Ці останні особини перетворилися в гетероцисти. Перше фото: Іван, CC-BY. Друге фото Мінді Моралес, CC-BY-NC.

Ближчий погляд на колонію. Окремі ланцюга легше розрізнити, все ж заплутаний безлад. Деякі більші, жовті клітини присутні. — Малюнок\(\PageIndex{3}\): Вид на *колонію Носток* через мікроскоп. Колонія складається з ланцюжків особин, загорнутих між собою в кулю. Цей кулька покритий прозорою слизистою оболонкою (видно на першому фото). Зелений колір кулі обумовлений фотосинтетичними пігментами в ціанобактерії. На фото праворуч показана колонія з більшим збільшенням. Можна виділити особин, в тому числі і деякі більші, жовті клітини. Ці останні особини перетворилися в гетероцисти. Перше фото: Іван, CC-BY. Друге фото Мінді Моралес, CC-BY-NC.

Колаж із зображень, що показують кілька видів ціанобактерії Rivularia. — Малюнок\(\PageIndex{4}\): Множинні види драглистої колонії, утвореної Rivularia polyotis. Товста слизова оболонка видно на двох зображеннях у верхньому лівому куті, а також центральне зображення зліва. Ланцюги особин можна виділити, що виглядають як волохаті виступи. При меншому збільшенні колонії нелегко розрізнити, оточені товстим желатиновим шаром. Оскільки зображення досягають більшого збільшення, можна виділити окремі ланцюжки, що складаються з плоских, дископодібних клітин. Фотографії Луїджі, CC-BY-NC.

Мутуалісти

Багато ціанобактерій, які ви побачите в ботаніці, будуть у взаємних стосунках. Анабаена - рід колоніальних ціанобактерій, які можна знайти в листках водної папороті Azolla, фіксуючи азот у відносно бідному поживними речовинами водному середовищі папороті. Nostoc - ще один рід колоніальних ціанобактерій, здатних фіксувати азот. Його можна знайти вільним життям у желатинових колоніях, показаних вище, або, як ви, ймовірно, побачите це у своєму ботанічному курсі, у відсіках сланця кушиста. Ціанобактерії також можуть бути виявлені у взаємному зв'язку з грибами у ціаноліхенів (рис.\(\PageIndex{5}\)).

Темно-синювато-сірий лишайник росте на тлі деякого моху на землі — Малюнок\(\PageIndex{5}\): Темно забарвлені лишайники, такі як ця *Пельтігера* (перша) і *Нефрома* (друга), часто мають ціанобактеріального партнера. Фотографії Марії Морроу CC-BY-NC.

Темний чорнувато-коричневий лишай, що росте, пригнічений до стовбура дерева — Малюнок\(\PageIndex{5}\): Темно забарвлені лишайники, такі як ця *Пельтігера* (перша) і *Нефрома* (друга), часто мають ціанобактеріального партнера. Фотографії Марії Морроу CC-BY-NC.

Дивлячись на ціанобактерії у водних папоротей

Якби ви рубали зразок водяного папороті Азолли і подивилися на нього під мікроскопом, то побачили б, як виглядали нитки з зелених намистин. Кожна намистина - це окрема ціанобактерія роду Anabaena. Однак, незважаючи на те, що кожен з них є індивідуальним, деякі клітини спеціалізуватимуться на наданні послуг колонії в цілому.

Гетероцисти - це товстостінні клітини без хлорофілу, які фіксують атмосферний азот у біодоступні форми за допомогою ферменту нітрогенази. Гетероцисти не можуть робити фотосинтез, оскільки цей процес виробляє кисень і нітрогеназа не може функціонувати в присутності кисню.
Акінети - це особи, які все ще виконують фотосинтез, але також функціонують як свого роду відмовостійкий. Акінети зберігають велику кількість ліпідів і вуглеводів, щоб у них було достатньо енергії, щоб розпочати нову колонію, якщо умови стануть занадто холодними або занадто сухими для виживання. Їх утворення спровоковано цими умовами (сухими або холодними), тому ви можете не побачити їх із прісноводного листя папороті, оскільки це відносно стабільне, комфортне середовище.

Багато водяних папоротей з роду Azolla в страві — Малюнок\(\PageIndex{6}\): На першому зображенні багато рослин *азолли* можна побачити, що плавають у посуді на мілководді. Кожен папороть розміром приблизно в копійку (приблизно 1 см в поперечнику). На другому зображенні окремі клітини *Анабаена* нанизані колоніями. Ці клітини колись знаходилися всередині листя водяного папороті. Фотографії Меліси Ха, CC BY-NC.

Рядки ціанобактеріальних клітин зсередини листя папороті води — Малюнок\(\PageIndex{6}\): На першому зображенні багато рослин *азолли* можна побачити, що плавають у посуді на мілководді. Кожен папороть розміром приблизно в копійку (приблизно 1 см в поперечнику). На другому зображенні окремі клітини *Анабаена* нанизані колоніями. Ці клітини колись знаходилися всередині листя водяного папороті. Фотографії Меліси Ха, CC BY-NC.

Колонія Анабаена показує всі три типи клітин — Малюнок\(\PageIndex{7}\): У цій колонії Анабаена видно три різних типи клітин. У нижній лівій частині знаходиться один великий товстостінний акінете. У правому верхньому куті знаходиться менша, кругла гетероциста розміром приблизно з дві вегетативні клітини. Решта помітні на зображенні клітини - це «нормальні» вегетативні клітини. Фото: Мелісса Ха, CC BY-NC.

Чорно-біле зображення Анабаени, що показує дві гетероцисти та їх полярні тіла — Малюнок\(\PageIndex{8}\): Гетероцисти зазвичай виглядають жовтими і більш округлі, ніж вегетативні клітини. Однак початківці часто плутають більші для акінетів (особливо коли немає акінетів). Щось, що полегшує відрізнення гетероцисти від акінетів, - це наявність полярних тіл. Гетероцисти мають дві різні області з обох боків, які називаються полярними тілами. Акінети не мають їх і виглядають більш зернистими. Фото Марії Морроу. ¹