Сине-зеленые простейшие организмы. Чем они одновременно опасны и интересны?
2018-04-17
Так случается в пляжный сезон, что из-за массового появления сине-зелёных простейших микроорганизмов водоем становится опасным для купающихся. Массовое цветение происходит обычно летом, при сильном солнечном освещении в воде, богатой питательными веществами. Это цветение чрезвычайно опасно для всех живых организмов.
В благоприятных условиях сине-зелёные развиваются в больших количествах и придают воде характерный зеленоватый цвет. А когда начинают отмирать, распадающиеся бактерии потребляют кислород, что смертельно для рыб и других водных существ. Выделяемые сине-зелёными токсины вредны и для пьющих эту воду. Контакт с этими простейшими может вызвать раздражение кожи, нарушение дыхания и пищевые отравления.
Сине-зелёные организмы широко распространёны на Земле. В том или ином количестве они находятся в прудах, озерах и океанах, лужах и купальных бассейнах, влажной почве и даже на сухих, освещенных солнцем скалах. Сине-зелёные бактерии относятся к необыкновенно устойчивым видам - для жизни им необходимо лишь немного воды, минеральных солей и света. По этой причине их относят к пионерским организмам, заселяющим новые, часто очень негостеприимные места, например, образовавшиеся после извержения вулкана или исчезновения ледника.
Эти простейшие невзрачны, поэтому мы с возмущением вспоминаем о них, когда из-за их цветения закрываются пляжи, но при этом забываем, что без них жизнь на Земле никогда бы не возникла.
Ученые доказали, что три миллиарда лет тому назад на Земле появилась новая группа организмов - сине-зелёные, когда в составе земной атмосферы находились химически агрессивные водород, двуокись углерода и метан, образуя однородную токсичную смесь, а вот кислорода не было. Считается, что все первые организмы были гетеротрофами, то есть чужеядными, питающимися готовыми органическими веществами, такими как сахар и аминокислоты. Прежде, чем эти запасы исчерпались, часть организмов прошла эволюцию и приобрела способность к фотосинтезу (автотрофность). Они приспособились к использованию новых источников питания - химических соединений и солнечной энергии. Однако, кроме солнечной энергии, для фотосинтеза также необходим источник водорода. Первые организмы - фотосинтетики - получали водород не из воды, а преобразовывали более безопасные для них соединения - такие как сероводород. Если бы они получали водород из обыкновенной воды, то освобождающийся кислород сжег бы их клетки.
Деятельность первых автотрофов не привела к изменениям в составе атмосферы. Только в результате ряда мутаций некоторые бактерии начали синтезировать ферменты, перехватывающие освобождающийся кислород и транспортирующие его из клетки. Появилась возможность использовать огромные запасы водорода, находящиеся в воде. Этими бактериями были сине-зелёные, вместо бактериохлорофилла содержавшие хлорофилл, благодаря которому способность к фотосинтезу была выше.
По этой причине сине-зелёные обрели количественное преимущество над другими организмами. Побочным продуктом быстро распространяющихся сине-зелёных был кислород. Сначала он накапливался медленно, но около двух миллиардов лет назад сине-зелёные выработали достаточное его количество, чтобы в атмосфере начались существенные изменения. В результате образовался защитный озоновый слой, и произошла эволюция организмов, дышащих кислородом. В результате этой эволюции впоследствии возник и человек.
Длительное время сине-зелёных из-за наличия хлорофилла и образования водорослеподобных колоний причисляли к водорослям. Потом наука признала свою ошибку - теперь уже известно, что это грамотрицательные бактерии.
Клетки сине-зелёных выглядят иначе, чем клетки высших организмов. По размеру они меньше и не содержат клеточного ядра и других структур, типичных для водорослей, растений, грибов и животных. Фотосинтезирующие ламеллы в цитоплазме выполняют функцию, подобную функции оболочки, составляющей часть растительных хлоропластов.
Сине-зелёные относятся к прокариотам - у них нет настоящего структурно сформированного ядра. Их генетический материал обычно собран в одном, расположенном в центре месте, которое называется нуклеоидом и не имеет отдельной оболочки. Прокариотические клетки окружены клеточной мембраной, отделяющей их от внешней среды. У них нет выраженной системы мембран в виде органелл, таких как, например, хлоропласта, митохондрии, ядра или аппарат Гольджи, что характерно для эукариотических клеток. Внутренний слой клеточной оболочки состоит из муреина (пептидогликана).
Вокруг внешней оболочки часто образуется слизистая пленка. Она предохраняет от высыхания виды, обитающие вне водной среды, а также способствует образованию колоний. Большинство сине-зелёных - фотосинтезирующие аутотрофы. Они содержат хлорофилл, имеющийся также у растений и водорослей. Окраска сине-зелёных связана с наличием пигментов: голубого - фикоциана, красного - фикоэритрина, а также каротиноидов. Протопласт сине-зелёных состоит из внешнего окрашенного слоя (хроматоплазмы) и бесцветной внутренней части (центроплазмы). В хроматоплазме находятся ламеллы (пластинки), осуществляющие фотосинтез; они расположены концентрическими слоями вдоль оболочки. Некоторые виды водорослей не образуют пигментов и осуществляют гетеротрофный тип питания.
Особенным свойством сине-зелёных является способность к передвижениям. Такой способностью обладают как одноклеточные, так и многоклеточные нитчатые формы и даже их фрагменты. Перемещение происходит путем одновременного скольжения всего организма вдоль длинной оси тела.
Механизм движения сине-зелёных изучен слабо. Вероятно, он основан на поперечных сокращениях клетки или только внешней части ее стенки. Некоторые нитчатые сине-зелёные рода Oscillatoria производят маятниковые движения верхним концом нити.
В клетках сине-зелёных можно видеть многочисленные воздушные вакуоли. Они служат для временного хранения газов (например, кислорода, двуокиси углерода, азота). Благодаря изменению давления внутри вакуоли эти организмы могут оседать на дно водоемов или всплывать на поверхность воды. Клетки сине-зелёных никогда не ветвятся, поэтому не могут активно плавать в воде.
Сине-зелёные размножаются исключительно вегетативно. У них отсутствует половое размножение, при котором гаметы сливаются парами, но можно наблюдать, как и у других бактерий, явление генетической рекомбинации, заключающееся в обмене генетическим материалом между клетками. Часто размножение происходит путем разрыва нити на отдельные участки. Клетки в середине нити утрачивают тургор (напряженное состояние клеточной оболочки), их стенки ослабляются, западают, вваливаются - и вскоре нить разрывается.
Многие сине-зелёные образуют специальные формы, служащие для вегетативного размножения. Часто их целью является образование цист, после формирования которых клетка входит в фазу покоя, совпадающую с наступлением неблагоприятных для сине-зелёных условий внешней среды. После их исчезновения циста дает начало новым поколениям.
В настоящее время сине-зелёные насчитывают около 2 тысяч видов, которые делят на 5 классов, отличающихся главным образом строением таллома (слоевища):
хроококковые (Chroococcales) и хамесифоновые (Chamaesiphonales) - это одноклеточные организмы, часто образующие простые колонии;
плеврокапсовые (Pleurocapsales), ностоковые (Nostocales) и стигонемовые (Stigonematales) - многоклеточные нитчатые организмы. Некоторые из них разветвлены и образуют плотные массивные талломы.
Часть сине-зелёных - одноклеточные организмы очень маленьких размеров, но большинство из них образуют шарообразные или нитчатые колонии. Некоторые виды живут в свободных группах, где отдельные клетки соединены между собой общей слизистой оболочкой. Более тесная связь наблюдается у нитчатых. У некоторых из них нить состоит из клеток, окруженных собственными стенками. Поперечные перегородки нитчатых сине-зелёных снабжены плазмодесмами. Некоторые нитчатые имеют гетероцисты - бесцветные клетки, изолированные от вегетативных клеток пробками в плазмодесмах.
У водорослей, обитающих на дне водоёмов, основная нить (та, что прикрепляется ко дну) отличается от других. У неё, например, нет пигментов, она окружена более толстой клеточной стенкой. Нити, образуемые колониальными сине-зелёными, чаще разветвлены и представляют собой сложную систему.
У некоторых организмов этого класса наблюдается также разница в функции, выполняемой различными нитями. Часть их плотно прилипает к субстрату и прикрепляет к нему колонию. Оставшиеся растут перпендикулярно субстрату и выполняют функцию фотосинтеза и размножения. Верхняя клетка нити играет роль начальной, поперечным делением вырабатывающей новые клетки, удлиняющейся нити. В редких случаях она делится во всех плоскостях. Тогда возникают массивные талломы, представляющие высшую ступень организации, достигаемой сине-зелёными.