Життя рослин

Все, що пов’язано з життям рослин

Водорості

Червоні водорості

Водорості складають різноманітну групу (за невеликими винятками) фотосинтезуючих організмів, що виробляють кисень, розміром від мікроскопічних поодиноких клітин до гігантських морських водоростей.

Вивчення водоростей відоме як фікологія (грецькою мовою phycos означає «водорості»). В даний час більшість авторів розміщують еукаріотичні водорості в королівстві Протіста (домен Еукарія), а прокаріотичні водорості - у домені Бактерії.

У минулому водорості вважалися нижчими рослинами, оскільки деякі форми схожі на рослини. Як і у рослин, основним фотосинтетичним пігментом у водоростей є хлорофіл а, а кисень утворюється під час фотосинтезу.

Що таке водорості?

Водорості можна зустріти майже скрізь на землі: океани, річки, озера, на снігу гірських вершин, на лісових і пустельних грунтах, на скелях, на рослинах і тваринах (наприклад, у порожнистих волосах білого ведмедя) або навіть на інші водорості. Вони беруть участь у різноманітних взаємодіях з іншими організмами, включаючи симбіоз, паразитизм та епіфітизм.

Лишайники - це симбіотичні асоціації між водоростями (синьо-зеленими водоростями або ціанобактеріями) та грибами. Атмосферні азотфіксуючі ціанобактерії трапляються в симбіотичних асоціаціях з такими рослинами, як мохоподібні, водяні папороті, голонасінні (наприклад, цикаси) та покритонасінні.

У водному папороті Azolla, який зазвичай використовується як біодобриво на рисових полях в азіатських країнах, міститься симбіотична ціанобактерія Anabaena azollae. Гуннера, єдина квітуча рослина, в якій розміщується симбіотична ціанобактерія Nostoc, широко поширена в тропіках.

Симбіотичні динофлагелати, відомі як зооксантели, живуть у тканинах коралів. Корали отримують свої кольори та отримують енергію від своїх фотосинтетичних симбіонтів. Близько 15 відсотків червоних водоростей трапляються як паразити інших червоних водоростей. Паразитичні водорості можуть навіть переносити ядра в клітини господаря і трансформувати їх.

Після трансформації репродуктивні клітини водоростей-господарів несуть гени паразита. Різні водорості живуть на поверхнях рослин та інші водорості як епіфіти. Іноді водорості можна зустріти в дивних місцях - рожевий колір фламінго походить, наприклад, походить від пігменту водоростей, споживаних цими птахами.

Будова та властивості водоростей

Клітини водоростей обмежені клітинною стінкою. Клітини водоростей бувають або прокаріотичними, або еукаріотичними. Усі прокаріотичні водорості належать до Cyanophyta (ціанобактерії) і не мають як ядра, так і складних мембранно зв'язаних органел, таких як хлоропласти та мітохондрії.

Фотосинтез відбувається у ціанобактеріях у тилакоїдних мембранах, подібних до рослин. Однак подвійної мембрани навколо тилакоїдів ціанобактерій немає.

Всі інші групи водоростей є еукаріотичними. Водорості еукаріот відрізняються від ціанобактерій тим, що вони мають хлоропласти та джгутики з відповідними структурами та своїм складом клітинних стінок. Згідно з гіпотезою про ендосимбіонти, деякі еукаріотичні водорості (червоні та зелені водорості) отримали свої хлоропласти, придбавши симбіотичні прокаріотичні ціанобактерії. Це відоме як первинний ендосимбіоз.

Інші еукаріотичні водорості, ймовірно, отримували свої хлоропласти, поглинаючи еукаріотичні ендосимбіотичні водорості - процес, відомий як вторинний ендосимбіоз. На існування вторинного ендосимбіозу вказує поява більше двох мембран навколо хлоропластів деяких водоростей, таких як гаптофіти, евгленофіти, динофлагелати та криптомонади.

Пігменти, що містяться у водоростях, включають хлорофіли, фікобіліни та каротиноїди. Усі водорості містять хлорофіл а. Аксесуарні пігменти різняться в різних групах водоростей.

Фотоавтотрофія - основний спосіб харчування водоростей; іншими словами, вони є "самогонщиками", використовуючи світлову енергію та фотосинтетичний апарат для виробництва власної їжі (органічного вуглецю) з вуглекислого газу та води. Більшість груп водоростей містять гетеротрофні види, які отримують свої органічні молекули їжі, споживаючи інші організми.

Численні водорості є міксотрофами; тобто використовують різні режими харчування (наприклад, автотрофію та гетеротрофію) залежно від наявності ресурсів. Молекули, що використовуються як запас їжі, різняться між собою і характерні для груп водоростей. Молекули харчових резервів - це полімери глюкози з різними зв'язками між мономерами.

Багато водоростей здатні до руху. Рух здійснюється за допомогою джгутикової дії та екструзії слизу. Існують також перистальтичні та амебоподібні рухи водоростей. Усередині клітин водоростей також відбувається переміщення цитоплазми, пластид і ядра.

Переваги мобільності включають досягнення оптимальних світлових умов для фотосинтезу, уникнення пошкоджень, спричинених надлишком світла, та отримання неорганічних поживних речовин.

Розмноження водоростей та життєві цикли

Водорості можуть розмножуватися як безстатевим, так і статевим шляхом. Безстатеве розмноження серед водоростей включає вироблення одноклітинних спор, які проростають, не зливаючись з іншими клітинами, фрагментацію ниткоподібних форм та поділ клітин шляхом розщеплення.

При статевому розмноженні батьківські клітини виділяють гамети, які потім зливаються, утворюючи зиготу. Зиготи можуть або перерости в нові нитки, або продукувати гаплоїдні спори шляхом мейотичного поділу.

Водорості демонструють різні типи життєвих циклів. Деякі життєві цикли водоростей характеризуються зміною поколінь, подібно до рослин. Відбуваються дві фази: спорофіт (зазвичай диплоїдний) і гаметофіт (зазвичай гаплоїдний).

Спорофіт утворює гаплоїдні спори через мейоз, а гаплоїдний гаметофіт - мітозом чоловічі або жіночі гамети. Залежно від групи водоростей гаметофіт і спорофіт можуть бути структурно однаковими або різними.

Ролі водоростей

Водорості відігравали значну роль в екосистемах Землі з часу виникнення ціанобактерій (також відомих як синьо-зелені водорості) більше трьох мільярдів років тому. Ранні ціанобактерії були відповідальними за розвиток значної кількості вільного кисню в атмосфері, що в подальшому стало можливим аеробне дихання.

Більше 70 відсотків усієї фотосинтетичної активності на землі здійснюється фітопланктоном - плаваючими мікроскопічними водоростями - а не рослинами. Фітопланктон заряджає атмосферу киснем і одночасно поглинає вуглекислий газ, допомагаючи підтримувати складну павутину водної біоти.

Водорості також дуже важливі у глобальному кругообігу інших елементів, таких як вуглець, азот, фосфор та кремній. Кілька груп водоростей, такі як ціанобактерії, зелені водорості, червоні водорості та гаптофітні водорості, здатні утворювати карбонат кальцію.

Осілі водорості є головним фактором глибоководних карбонатних відкладень (пісок), які покривають близько половини світового дна океану. Кальцифіковані коралінові червоні водорості вносять свій вклад у коралові рифи в тропічних водах. Осади кремнезему в океанах (пісок) засновані на рясному зростанні іншої групи водоростей - діатомових водоростей, які містять кремній у своїх клітинних стінках.

Деякі водорості (ціанобактерії) здатні фіксувати атмосферний азот і перетворювати його в аміак. Аміак, у свою чергу, може бути джерелом азоту для рослин і тварин. З іншого боку, високий рівень азоту та фосфору в річках та озерах через забруднення може спричинити швидке та неконтрольоване зростання водоростей, відомих як цвітіння водоростей.

Цвітіння водоростей є загрозою здоров’ю людини та моря як прямо, так і опосередковано. Він засмічує зябра риб, заважає фільтрам води і руйнує місця відпочинку. Понад 50 відсотків цвітіння водоростей виробляють токсини.

Повідомлялося про випадки респіраторних, шкірних та шлунково-кишкових розладів людини, пов’язані з токсинами водоростей. Певне цвітіння водоростей називають червоними припливами. Вода виглядає червоною або коричневою через колір тіл водоростей, головним чином динофлагелатів, що містять пігмент ксантофіл.

Технологічні додатки

Технологічні додатки

Водорості використовувались як їжа, ліки та добрива протягом століть. Найбільш ранні згадки про використання водоростей як їжі трапляються в китайській поетичній літературі приблизно за 600 р. До н. Е. Зовсім недавно водорості почали відігравати важливу роль у певних біотехнологічних процесах.

Кілька водоростей, включаючи червоні, коричневі, зелені та ціанобактерії, використовують для їжі в тихоокеанських та азіатських країнах, особливо в Японії. Щорічний урожай червоної водорості Порфіра у всьому світі коштує кілька мільярдів доларів. Порфира (японський норі, китайський зикай) використовується як обгортка для суші або її можна їсти окремо. Іншою їстівною водоростю з високим вмістом йоду є бура водорість Ламінарія (японська комбу). Ціанобактерія спіруліна з рівнем білка від 50 до 70 відсотків культивувалася століттями корінними жителями Центральної Америки на озері Тескоко біля сучасного Мехіко для використання в якості їжі для людей.

З червоних і бурих водоростей виробляють кілька желюючих речовин. Агар з червоних водоростей використовується як середовище для культивування мікроорганізмів, включаючи водорості, як харчовий гель та у фармацевтичних капсулах. Каррагінан червоної водорості використовується у зубній пасті, косметиці та продуктах харчування, таких як крижаний крем та шоколадне молоко.

Альгінати бурих водоростей знаходять широке застосування у косметичній, мильній та мийній промисловості. Джерелами альгінатів є Laminaria, деякі види Fucus та гігантська ламінарія Macrocystis, яка може виростати довжиною понад 60 метрів. Водорості також використовуються як корм у культурі комерційно важливих риб та креветок.

Масове вирощування водоростей (мікроводоростей) - у відкритих ставках та фотобіореакторах для виробництва палива (наприклад, біомаси) та біохімічних речовин (таких як каротиноїди, амінокислоти та вуглеводи) та для очищення води - область, що швидко розвивається, заснована на використанні сонячна енергія як джерело енергії. Зелена водорість Dunaliella використовується у промисловому виробництві каротину. На очисних спорудах водорості використовують водорості для виведення поживних речовин і важких металів та додавання кисню у воду.

Водорості використовуються у всьому світі як індикатори (біомонітори) якості води, допомагаючи виявити наявність токсичних сполук у зразках води. Використовується кілька швидко зростаючих водоростей, включаючи зелену водорость Selenastrum capricornutum.

Багато водоростей широко використовуються як дослідницькі інструменти, оскільки ними легко культивувати та маніпулювати ними. Експерименти датського біолога Йоахіма Хаммерлінга із зеленою водоростю Acetabularia визначили ядро як ймовірне місце зберігання спадкової інформації.

Таксономісти вважають, що існує від тридцяти шести тисяч до десяти мільйонів видів водоростей. Молекулярне порівняння з використанням послідовностей нуклеотидів у рибосомній РНК (рибонуклеїновій кислоті) свідчить про те, що водорості не потрапляють до однієї групи, пов’язаної спільним предком, але що вони еволюціонували незалежно.

Водорості поділяються на найбільші типи, які відрізняються своїми фотосинтетичними пігментами, запасами їжі, структурою клітин та розмноженням. До цих груп належать евгленоїди, криптомонади, динофлагелати, гаптофіти та червоні водорості.

Тип Euglenophyta містить переважно одноклітинні форми з одним або двома джгутиками. Лише третина цієї групи має хлорофіли, що містять хлоропласти. Інші евгленоїди суворо гетеротрофні.

Тип містить більше дев’ятисот, переважно прісноводних видів. Запас їжі - вуглеводний парамілон, полімер глюкози. В якості фотосинтезуючих пігментів у евгленофітах є хлорофіл а і b, а також каротиноїди. Клітинна стінка відсутня.

Клітини мають кілька невеликих хлоропластів; кожна оточена трьома мембранами. Близьким родичем евгленофітів є найпростіша трипаносома, яка спричиняє хворобу людини африканську сонну хворобу. Розмноження в евгленофітах відбувається шляхом поділу клітин. Статеве розмноження невідоме.

Phylum Cryptophyta включає одноклітинні біфлагеляти. Окрім хлорофілу а, хлоропласти можуть містити хлорофіл с, каротиноїди та фікобіліни. Каротиноїдний пігмент алоксантин є унікальним для Cryptophyta. Чотири мембрани оточують кожен хлоропласт.

Ендоплазматичний ретикулум хлоропласту межує з хлоропластами. Основним запасом їжі є крохмаль. Замість типової клітинної стінки під клітинною мембраною знаходиться перипласт, що складається з білкових пластинок. Прісноводних та морських видів налічується близько двохсот. Розмноження переважно безстатеве.

Представники виду Dinophyta, або динофлагеляти, мають одноклітинні форми з двома різними джгутиками. Існує від двох тисяч до чотирьох тисяч морських видів та близько двохсот прісноводних форм. У багатьох є хлорофіли а і с, а також унікальний каротиноїд перідінін. Деякі представники Dinophyta мають фукоксантин.

Хлоропласти мають три тісно пов’язані між собою мембрани. Основним запасом їжі є крохмаль, але ліпіди також є важливими молекулами для зберігання. Клітина динофлагеляту не оточена клітинною стінкою, але має теку (своєрідну броню) з целюлози. Динофлагелати можуть розмножуватися безстатевим та статевим шляхом.

Тип Haptophyta включає переважно морські одноклітинні двожиткові водорості. Клітина гаптофіта також має схожу на джгутик гаптонему, яка використовується для захоплення їжі. Існує близько трьохсот видів. Фотосинтетичні пігменти включають хлорофіл а та допоміжні пігменти хлорофіл с та каротиноїд фукоксантин.

Кожен хлоропласт має чотири мембрани. Запасом їжі є хризоламінарин, який є полімером глюкози. Кілька шарів лусочок, або кокколітів, що складаються переважно з карбонату кальцію, можуть покривати клітину гаптофітів. Безстатеве та статеве розмноження широко поширене.

Phylum Rhodophyta, або червоні водорості, налічує від чотирьох тисяч до шести тисяч видів. У червоних водоростей відсутні жодні биччакові стадії. До складу фотосинтезуючих пігментів входять хлорофіл а, а також допоміжні фікобіліни та каротиноїди. Дві мембрани оточують кожен хлоропласт.

Запас їжі - флоридський крохмаль. Клітина червоних водоростей оточена стінкою, складеною з целюлози. Безстатеве та статеве відтворення, а також зміна поколінь широко поширені серед родофіт. Трифазний життєвий цикл унікальний для цієї групи водоростей.