Бактерии и цианобактерии. Особенности строения и жизнедеятельности бактерий и цианобактерий

1

Отличия от бактерий

Неспособны усваивать органические
экзогенные соединения
Наличие двух фотосистем расположенных на
мембранах специализированных структур –
тилакоидов.
Возможность протекания двух
взаимоисключающих процессов – оксигенного
фотосинтеза и анаэробной азотфиксации
Отсутствие жгутиков или жгутиковых стадий.
2

В морфологичеком отношении представлены следующими формами:

Одноклеточными. Отдельные
клетки функционируют как
самостоятельные организмы.
Колониальными. Отдельные клетки
объединяются в колонии в которых
связующим материалом является
слизь.
Одноклеточные и
колониальные
формы имеют
коккоидный тип
организации для
которого
характерны
неподвижные,
одетые
оболочками
клетки.
3

Одиночные клетки
Synechocystis
(Chroococcales)
Колонии Microcystis
(Chroococcales)
4

Многоклеточными.
Имеют нитчатый тип организации.
Морфологической единицей у этих цианей
является трихом – нитевидное образование,
состоящие из нескольких рядов симпластно
(посредством плазмодесм –
микроскопических плазматических мостиков)
связанных клеток. Трихом может быть
разветвленным и неразветвленным.
5

Трихом у многоклеточных форм

Разветвленный, например,
Fischielopsis (Stigonematales)
Неразветвленный, например,
Anaebena (Nostocales)
6

Виды трихомов по дифферециации клеток

Гомоцитные – все
клетки одинаковы по
форме и функциям
Гетероцитные – клетки
разные по форме и
функциям
7

Клетки гетероцитных трихомов

Вегетативные (такие же как в гомоцитных
трихомах)
Акинеты (покоящиеся споры) – необходимы
для размножения
Гетероцисты – отвечают за фиксацию
атмосферного азота.
Верхушечные клетки. Только у морфологически
прогрессивных форм. За их счет идет рост
наиболее сложнодифференцированных
талломов.
8

Клеточная стенка

От 35 до 50 нм. Наиболее толстая у акинет и
гетероцист. Сходна по строению с таковой у
граммотрицательных бактерий.
Муреин – специфический пептидогликан. У
отдельных видов есть кальциевые отложения. У
многих – слизистые оболочки и чехлы.
9

10. Муреин

10

11. Запасные вещества

Гликогеноподобный полисахарид
Цианофицин – азотсодержащий полипетид.
Найден только у синезеленых водорослей
11

12. У цианобактерий нет:

Полноценных хлоропластов
Митохондрий
Ядра
12

13. Пигменты

Хлорофилл а (у прохлорофилловых водорослей
встречается хлорофилл b).
Каротиноиды (бета-каротин и зеаксантин,
специфические каротиноиды –
миксоксантофилл, осциллаксантин,
какнтаксантин и эхиненон).
Фикобилины (нет у прохлорофилловых
водорослей): фикоцианин, аллофикоцианин и
фикоэритрин. Работают только в связке с
белками.
Сцитомин (не у всех) – поглощает в
ультрафиолетовой части спектра (212 – 300 нм).
13

14. Размножение

Делением клеток.
С помощью гонидий (эндоспоры – если внутри
материнской клетки, экзоспоры (баеоциты) – если
снаружи).
Нитчатые – с помощью гормогониев. Обычно распад идет
по гетероцистам (сами гетероцисты не способны к
размножению!)
Акинетами – спорами.
Типичного полового разножения нет. Есть
парасексуальные процессы при которых идет обмен
геномами у разных клеток.
14

15. Порядок Хроококковые (Chroococcales)

15

16.

16

17.

17

18. Порядок плеурокапсовые (Pleurocapsales)

18

19. Порядок Осцилаториевые (Oscillaroriales)

19

20. Порядок ностоковые (Nostocales)

20

21. Nostoc paludosum

21

22. Nodularia spumigena

22

23.

23

24. Порядок Стигонемовые (Stigonematales)

24

25. Значение синезеленых водорослей в природе и в жизни человека:

Появление кислорода и озонового слоя.
Сыграли роль в создании горных пород и
почвообразовании.
Являются компонентами слоевища лишайников.
Первичные продуценты.
«Цветение воды».
Выращиваются в качестве источника получения

Применяются как тест-объекты.
Применение для удобрений сельхозугодий как
25
источника азота.

26. Местообитания синезеленых водорослей

Пресные воды
Моря
Почва, скалы
Симбионты некоторых жгутиковых,
корненожек и др.
26

27.

Цветение микроцистиса
Цианобактериальный мат (синехоцистис)
Цианобактериальный мат в разрезе
27

28. ЭВГЛЕНОВЫЕ ВОДОРОСЛИ – EUGLENOPHYTA

Пигменты:
Хлорофиллы «а» и «b»
каротиноиды
Запасное вещество:
парамилон
У многих эвгленовых хлоропластов
нет
Около 1000 видов.
Большинство монадные, есть и коккоидные и
амебоидные.

29.

Тело покрыто пелликулой – эластичный белковый
слой протопласта под плазмолеммой – это позволяет
совершать ползающие движения

30. строение клетки эвгленовых

31. Euglena

32. Phacus

33. Trachelomonas

34. ЗНАЧЕНИЕ ЭВГЛЕНОВЫХ ВОДОРОСЛЕЙ

Участвуют в процессе самоочищения воды
Индикаторы степени загрязнения воды
Объекты для изучения фотосинтеза, строения
хроматофоров, фототаксиса, движения жгутиков
На них исследуют действие антибиотиков, гербицидов,
ростовых веществ
Их используют для количественного определения
витамина B12

35. Зеленые водоросли (Chlorophyta)

35

36. Типы организации таллома зеленых водорослей

Монадный
Пальмеллоидный
Кокоидный
Нитчатый
Разнонитчатый (гетеротрихальный)
Паренхиматозный
Псевнопаренхиматозный
Сифоновый. В основном у зеленых, есть у некоторых желто-зеленых
Харофитный.
Сифонокладальный. Только у зеленых
Сарциноидный.
!!! Ризопоидальной организации таллома у зеленых водорослей не
обнаружено!!!
36

37. Особенности строения

Клеточная оболочка жесткая, чаще всего целлюлозная. Бывает и
пептидогликановая; спроропеллиновая (продукт деградации
каротиноидов, у высших растений – входит в состав оболочки
пыльцы).
Запасной продукт – крахмал, откладывается внутри хлоропласта (вокруг
пиреноида и в строме). Но не у всех. У дазикладовых – инулин. У
некоторых (например, представители рода дуналиелла - липиды).
Хлоропласт, как правило, один. Расположен в центре клетки. Но есть
исключения как по количеству, так и по расположению хлоропластов в
клетке. Хлоропласты зеленого цвета.
Стигма (светочувствительный глазок) находится внутри хлоропласта и не
связан со жгутиковым аппаратом.
У большинства видов имеется крупная внутриклеточная вакуоль с
клеточным соком.
Подвижные виды имеют жгутики, число их разнится.
37

38. Фотосинтетические пигменты

Хлорофилл а
Хлорофилл b
Каротиноиды (альфа- и бета-каротин,
лютеин, неоксантин, зеаксантин и другие)
38

39. Размножение

Бесполое (деление клетки надвое,
неподвижными апланоспорами,
подвижными зооспорами).
Вегетативное (разрыв нитей).
Половое (изогамия, гетерогамия, оогамия –
чаще всего, коньюгация).
Жизненные циклы: зиготическая редукция,
спорическая редукция (с гетероморфной
сменой поколений).
39

40. Чем отличаются подотделы Chlorophyta?

Особенностями жгутикового аппарата.
Особенностями митоза.
Особенностями цитокинеза.
Особенностями метаболизма.
40

41.

41

42. Подотдел Chlorophytina

Класс празинофиты (Prasinophyceae)
Класс собственно зеленые водоросли
(Chlorophyceae)
Класс требуксиевые (Trebouxiphyceae)
Класс ульвовые (Ulvophyceae)
42

43. Класс празинофиты (Prasinophyceae)

Свободноживущие обитатели морей и
пресноводных водоемов
Tetraselmis sp.
В класс входят формы: монадные,
реже пальмеллодные и коккоидные
формы
43

44. Класс собственно зеленые водоросли (Chlorophyceae)

Типы организации талломов: монадные,
пальмеллоидные, коккоидные, нитчаные,
гетеротрихиальные.
При митозе телофазное тело не сохраняется, нити
веретена в анафазе всегда укорачиваются.
Деление клетки всегда происходит с бороздой
или образованием пластинки с участием
фикопласта (пластинки из микротрубочек). Из-за
наличия такой структуры предполагается, что
данный класс – тупиковая ветвь эволюции.
Жизненные циклы гаплоидные с зиготической
44
редукцией.

45. Порядок вольвоксовые (Volvocales)

Одноклеточные, колониальные и ценобиальные монадные формы.
При неблагоприятных условия – пальмеллоидное состояние.
45
Размножение: вегетативное, бесполое, половое – изогамия (реже гетеро- и оогам

46.

Dunaliella salina
46

47.

Haematococcus pluvialis
Chlamydomonas reinhardtii
47

48. Порядок хлорококковые (Chlorococcales)

Коккоидные формы как одноклеточные,
так и колониальные.
Chloroccocum acidum
Бесполое размножение – безжгутиковыми
зооспорами и автоспорами. Половой процесс
изогамный, оогамный и гетерогамный.
Hydrodictyon sp.
48

49.

Scenedesmus quadricauda
Pediastrum
49

50. Порядок эдогониевые (Oedogoniales)

Нитчатый тип организации таллома.
Нити чаще ветвящиеся.
Бесполое размножение –
зооспорами. Половой процесс оогамный.
50

51. Порядок хетофоровые (Chaetophorales)

Разнонитчатые талломы
Fritschiella tuberosa
Изо-, гетеро- и оогамия
51

52.

52

53. Класс требуксиевые (Trebouxiphyceae)

Eremosphaera viridis
Коккоидные, нитчатые и пластинчатые.
Бесполое размножение – автоспорами, деление клетки
. Половой процесс оогамный.
Prasiola stiputata
53

54. Класс ульвовые (Ulvophyceae) Порядок улотриксовые (Ulothricales)

.
Класс ульвовые (Ulvophyceae)
Порядок улотриксовые
(Ulothricales)
Талломы коккоидные, нитчатые, пластинчатые.
Бесполое размножение –автоспорами, половой процесс изогамный.
54

55. Порядок ульвовые (Ulvales)

Таллом пластинчатый или трубчатый
Бесполое размножение – зооспорами, вегетативное - участками таллома.
Половой процесс изогамный,и гетерогамный.
55

56. Порядок бриопсидовые (Bryopsidales)

Caulerpa
Bryopsis
Таллом сифоновый.
Без радиальной симметрии.
Бесполое размножение – почти нет.
Половой процесс гетерогамный, реже изогамный.
Codium
56

57. Порядок дазикладовые (Dasicladales)

Половой процесс изогамный.
Таллом сифоновый.
С радиальной симметрией.
57

58. Порядок сифонокладовые (Siphonocladales)

Таллом сифонокладальный
Cladophora
Бесполое размножение – зооспорами
Половой процесс гетерогамный.
58

59. Подотдел Charophytina

Класс трентеполиевые (Trentepohliophyceae)
Класс клебсормидиевые (Klebsormidiophyceae)
Класс коньюгаты или сцеплянки
(Zygnematophyceae, Conjugatophyceae)
Класс харовые (Charophyceae)
59

60. Класс трентеполиевые (Trentepohliophyceae)

Таллом гетеротрихальный, но редуцированный
Бесполое размножение – зооспорами.
Вегетативное – основное.
60

61. Класс клебсормидиевые (Klebsormidiophyceae) Порядок клебсормидиевые

Кокоидные, сарциноидные и нитчатые талломы.
Бесполое размножение – зооспоры.
Вегетативное.
61

62. Порядок колеохетовые (Coleochaetales)

Нитчатый таллом.
Бесполое размножение – зооспоры
Половой процесс оогамный.
62

63. Класс коньюгаты или сцеплянки (Zygnematophyceae, Conjugatophyceae) Порядок Zygnematales

Одноклеточные и нитчатые формы.
Вегетативное.
Половой процесс коньюгация.
63

64. Порядок десмидиевые (Desmidiales)

Вегетативное.
Одноклеточные и нитчатые формы.
Cosmarium
Половой процесс коньюгация.
Straurastum
64

65. Класс харовые (Charophyceae)

Таллом гетеротрихиальный, усложненный.
Вегетативное с помощью клубеньков, половой процесс усложненный.
65

66. Значение зеленых водорослей в природе и жизни человека

Первичные продуценты. Основа пищевых
цепей.
Продуценты кислорода.
Тест-объекты.
Выращиваются для получения
биологически-активных веществ.
Служат пищей для человека и
сельскохозяйственных животных.
66

67. Местообитания

Моря
Пресные воды
На деревьях, зданиях.
Почва

Подцарство оксифотобактерии - Oxyphotobacteria, или Oxyphotobacteriobionta - это автотрофные прокариоты, способные к аэробному фотосинтезу. К ним относятся цианобактерии и хлороксибактерии . Тип автотрофных прокариотических организмов - "скорее бактерии, нежели водоросли". Одиночные и колониальные формы. Колонии создают органогенные известковые постройки (строматолиты).

Цианобактерии, удивительно неприхотливые микроорганизмы, которые нуждаются лишь в солнечном свете, воде и воздухе. Их роль в эволюции и существовании биосферы нашей планеты особенно значительна [ Громов Б.В. 2000 ]. По характеру своей клеточной организации они соответствуют грамотрицательным бактериям и представляют их самостоятельную эволюционную ветвь. В ботанической литературе цианобактерии до сих пор иногда называют сине-зелеными водорослями, где они рассматриваются как таксон высокого ранга - отдел или тип в системе низших растений. Сине-зеленые - древнейшие организмы Земли (Архей - ныне). Известные из отложений возраста не менее 2,8 млрд.лет, они и поныне играют большую роль в круговоротах веществ и энергии.

В их клетках нет не только ядра, но и хроматофоров - клеточных образования, содержащих пигменты и принимающих участие в фотосинтезе, нет вакуолей. В центральной плотной части клеток сине-зеленых сосредоточены нуклеопротеиды - соединения нуклеиновых кислот с белком. Сине-зеленые замечательны тем, что способны использовать атмосферный азот и превращать его в органические формы азота. При фотосинтезе они могут использовать углекислый газ как единственный источник углерода. В отличие от фотосинтезирующих бактерий синезеленые при фотосинтезе выделяют молекулярный кислород.

У цианобактерий, живущих среди планктона, есть газовые везикулы, содержащие газ и придающие клеткам лучшую плавучесть. Некоторые цианобактерии способны к клеточной дифференцировке. Одним из типов специализированных клеток являются акинеты (или споры) - это крупные покоящиеся клетки с утолщенной оболочкой. Они служат для выживания организма в неблагоприятных условиях. При наступлении оптимальных условий акинеты прорастают. Другим типом дифференцированных клеток являются гетероцисты - специализированные клетки, в которых осуществляется процесс фиксации атмосферного азота. Их могут образовывать некоторые нитчатые цианобактерии ( Anabaena , Nostoc).

Выше уже говорилось, что сине-зеленые представлены не только одноклеточными, но и колониальными, нитчатыми и многоклеточными формами. Но многоклеточные ядерные организмы произошли не от многоклеточных сине-зеленых, а от одноклеточных ядерных форм. Таким образом, у сине-зеленых впервые отмечается попытка прорыва на следующий этап - на уровень многоклеточности. Однако эта попытка не имела особых последствий для эволюции.

Цианобактерии представляют собой единственный пример прокариотического многоклеточного организма, у которого происходит функциональная специализация клеток.

Понимание потенциальных возможностей цианобактерий расширяется при наличии разработанных генетических методов и данных о геномных нуклеотидных последовательностях. Цианобактерии интенсивно используются как модельные организмы для изучения фундаментальных биологических процессов, в их числе: фотосинтез и его генетический контроль [

Цианобактерии (Cyanobacteria) – это тип бактерий, получающих необходимую им энергию через фотосинтез. Их также иногда называют сине-зелеными водорослями, ссылаясь на внешний вид и экологическую нишу этих организмов, однако сейчас термин «водоросли» обычно ограничивается эукариотических представителями группы. Найдены cкамьянили следы цианобактерий (строматолиты) имеют, как считается, возраст до 2,8 миллиардов лет, хотя недавно полученные данные ставят под сомнение это утверждение. Сразу после возникновения, они стали доминирующей группой фотосинтезирующих организмов, продуцируя кислород, углеводороды и другие органические соединения. Именно благодаря этим организмам изменился качественный состав атмосферы Земли, в которой постепенно накопился кислород и стало меньше углекислого газа. Также именно представители этой группы были захвачены в результате ендосимбиозу, став хлоропластами растений и других эукариот, позволяя и им проводить фотосинтез. Цианобактерии – это крупнейшая и важнейшая по влиянию на биосферу группа живых организмов на Земле, составляя 90% живой массы всей биосферы.

Жизненные формы

Цианобактерии включают одноклеточные, колониальные и нитчатые формы. Некоторые нитчатые цианофиты (Cyanophytes) формируют дифференцированные клетки, известные как Гетероцисты (heterocysts), специализирующихся на фиксации азота, и спящие клетки или споры, называемые акинеты. Каждая клетка обычно имеет толстые, желатиноподибни клеточные стенки, которые окрашиваются по Граму отрицательно. Средний размер клеток 2 мкм. Отличаются способностью адаптировать состав фотосинтетических пигментов к спектральному составу света, так что их цвет варьирует от ярко-зеленого до темно-синего.

Движение

Цианобактерии не имеют жгутиков, но некоторые из них способны передвигаться вдоль поверхностей с помощью бактериального скольжения. Многие другие также имеют способность к движению, но механизм этого явления до сих пор не имеет объяснения.

Среда и экология

Большинство видов найдено в пресной воде, тогда как другие живите в морях, во влажной почве, или даже на временно увлажненных скалах в аридных зонах. Некоторые вступают в симбиотические отношения с лишайниками, растениями, противостою или губками, и обеспечивают своего симбионта продуктами фотосинтеза. Некоторые живут в мехах лени, обеспечивая камуфляжный цвет. Цианобактерии составляют значительную долю океанического фитопланктона. Способны к формированию толстых бактериальных матов. Некоторые виды токсичны (наиболее изучен токсин – микроцистин, продуцируемый например, видом Microcystis aeruginosa) или условно-патогенные (Anabaena sp.) Главные участники цветения воды, вызывают массовые заморы рыбы и отравления животных и людей, например, при цветении воды в водохранилищах Украины. Цианобактерии являются уникальной экологической группой, которая сочетает способность к фотосинтетической продукции кислорода и фиксации атмосферного азота (у 2 / 3 изученных видов).

Физиология

Фотосинтез в цианобактериях обычно использует воду в качестве донора электронов и производит кислород как побочный продукт, однако некоторые, возможно, также используют сульфид водорода, как это происходит среди других фотосинтезирующих бактерий. Углекислота редуцируется, создавая углеводы через цикл Кальвина. В большинстве форм фотосинтезирующие органы находятся в складках клеточной мембраны, называемой тилакоиды. Большое количество кислорода в атмосфере была создана действиями древних цианобактерий. Благодаря их способностям связывать в аэробных условиях, их часто находят как симбионтов с целым рядом других групп организмов, таких как грибки (лишайники), кораллы, папоротника (Azolla), цветочных растений (Gunnera) и т.д. Цианобактерии – единственная группа организмов, которые могут связывать азот и углерод в условиях аэробов, факте, который, возможно, отвечает за их эволюционный и экологический успех.

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

Цианобактерии отличает чрезвычайно развитая система внутриклеточных складок цитоплазматичеськои мембраны (ЦПМ) – тилдакоидив; высказаны предположения о возможном существовании у них системы тилакоидов, не связанных с мембраной, что до недавнего времени считалось невозможным у прокариот. Накопленная в результате фотосинтеза энергия используется в темновых процессах фотосинтеза для производства органических веществ из атмосферного CO 2.

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

Фиксация азота обеспечивается энзимом 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 темное время суток. Процесс регулируется генетически на уровне транскрипции; цианобактерии являются единственными прокариотами, у которых доказано существование циркадных ритмов (причем продолжительность суточного цикла может превышать продолжительность жизненного цикла!) В нитчатых цианобактерий процесс фиксации азота локализован в специализированных терминальных дифференцированных клетках – гетероцистах, отличающихся толстыми клеточными стункамы, которые препятствуют проникновению кислорода. При недостатке связанного азота в среде в колонии насчитывается 5-15% гетероцистах. ФС-II в гетероцистах редуцирована. Гетероцисты получают органические вещества от фотосинтезирующих членов колонии. Накопленный связанный азот накапливается в гранулах цианофицин или экспортируется в виде глутаминовой кислоты.

Взаимоотношения в хлоропластов

Хлоропласты найдены у эукариот (морские водоросли и высшие растения), более вероятно представляют собой уменьшенные ендосимбиотични цианобактерии. Эта ендосимбиотична теория поддерживается структурной и генетической сходством. Первичные хлоропласты найдены среди зеленых растений, где они содержат хлорофилл b, и среди красных морских водорослей и глаукофитив, где ионы содержат фикобилины (phycobilins). Сейчас считается, что эти хлоропласты вероятно имели единое происхождение. Другие морские водоросли вероятно взяли свои хлоропласты из этих форм посредством вторичного ендосимбиозу или еды.

Значение

Цианобактерии, по общепринятой версии, явились «творцами» современной кислородсодержащей атмосферы на Земле (согласно другой теории, кислород атмосферы имеет геологическое происхождение), что привело к первой глобальной экологической катастрофе в естественной истории и драматической смене биосферы. Сейчас, будучи в значительной составной частью океанического планктона, цианобактерии стоят в начале большей части пищевых цепей и производят большую часть кислорода (более 90%, но ца цифра признается не всеми исследователями). Цианобактерия Synechocystis стала первым фотосинтезирующим организмом, чей геном был полностью расшифрован (в 1996, Исследовательским институтом Казусы, Япония). В настоящее время цианобактерии служат важнейшими моделдьнимы объектами исследований в биологии. В Южной Америке и Китае бактерии родов Spirulina и Nostoc за недостатка других видов продовольствия используют в пищу, высушивая и готовя муку. Им приписывают целебные и оздоравливающие свойства, которые, однако, в настоящее время не нашли подтверждения. Рассматривается возможное применение цианобактерий в создании замкнутых циклов жизнеобеспечения или как массовой кормовой / пищевой добавки.
Определенные цианобактерии вырабатывают цианотоксины, например, анатоксин-a, анатоксин-as, аплизиатоксин, домоиву кислоту, микроцистин LR, нодуралин R (от Nodularia) или сакситоксин. Как минимум один вторичный метаболит циановирин, имеет активность против ВИЧ. Смотреть гиполиты для примера цианобактерий, живущих в экстремальных условиях.

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

Накопление O2 в атмосфере Земли. Источник: Wikipedia

Пояснение к рисунку:
Зелёный график - нижняя оценка уровня кислорода, красный - верхняя оценка.
1 . (3,85–2,45 млрд лет назад) - Кислород не генерировался
2 . (2,45–1,85 млрд лет назад) Кислород генерировался, но поглощался океаном и породами морского дна
3 . (1,85–0,85 млрд лет назад) Кислород выходит из океана, но расходуется при окислении горных пород на суше и при образовании озонового слоя
4 . (0,85–0,54 млрд лет назад) все горные породы на суше окислены, начинается накопление кислорода в атмосфере
5 . (0,54 млрд лет назад - по настоящее время) современный период, содержание кислорода в атмосфере стабилизировалось

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

Цианобактерии и их уникальная история

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

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

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

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

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

Микроорганизмы, установленные на лотках вне МКС, подвергались воздействию суровой космической среды в течение 16 месяцев. Источник: Farunhofer.de

Цианобактерии были создателями земной атмосферы, теперь они могут стать архитекторами космической цивилизации.

Уникальные свойства цианобактерий в сочетании с их экстремофильной природой вызвали интересные идеи для их применения в исследовании космоса.

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 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.

3. Сельское хозяйство : виды цианобактерий под названием Microcoleus vaginatus сохраняют воду в почве и предотвращают эрозию. Это потенциально делает их очень полезными для сельского хозяйства на инопланетных почвах, где вода не будет легко доступна.

Исследования Lab2Moon

Любые известные виды цианобактерий могут быть использованы только в том случае, если они смогут надежно работать во враждебных условиях космического пространства. Хотя цианобактерии были тщательно протестированы в суровых условиях в нескольких экспериментальных установках на Земле, космическая среда гораздо более враждебна. Поэтому, следующий шаг - увидеть, как они реагируют на экстремальные космические среды. Это и есть цель трех экспериментов Lab2Moon на борту посадочного модуля TeamIndus Moon .

№ 1: Space4Life - Разработка радиационного щита с использованием цианобактерий

Электроника и люди на борту космического корабля должны быть надежно защищены от разрушительной радиации и космических лучей космического пространства. Стандартным материалом для достижения этого традиционно был свинец. Тем не менее, ученые, стоящие за

Систематика
на Викивидах
Изображения
на Викискладе

Эволюционное и систематическое положение

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

Цианобактерии являются объектом исследования как (как организмы, физиологически схожие с водорослями), так и (как ). Сравнительно крупные размеры клеток и сходство с водорослями было причиной их рассмотрения ранее в составе («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. , и сходство цианобактерий с остальными бактериями в настоящее время подтверждено солидным корпусом доказательств.

Жизненные формы и экология

Синезелёные водоросли, высохшие на берегу Киевского водохранилища

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

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

Значение

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

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

Цианобактерия стала первым фотосинтезирующим организмом, чей был полностью расшифрован.

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

Классификация

Исторически существовало несколько систем классификации высших уровней цианобактерий.

• Класс
  • Роды
  • Подкласс
    • Порядок
    • Порядок
  • Подкласс
    • Порядок —
  • Подкласс
    • Порядок —
    • Порядок
    • Порядок —
    • Порядок —
    • Порядок
  • Подкласс
    • Порядок
    • Порядок

• Роды
• Порядок
• Порядок
• Порядок —
• Порядок —
• Порядок
• Порядок