Отличие цианобактерий особенности самое основное. Общие сведения о цианобактериях. Особенности строения клетки

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, или сине-зеленые водоросли (лат. Cyanobacteria) - обширная группа грамотрицательных бактерий крупных размеров, отличительной особенностью которых является способность к фотосинтезу. Цианобактерии - это наиболее сложно устроенные и дифференцированные прокариоты . Так как эти организмы по своей физиологии имеют много общих черт с эукариотическими водоростями, то согласно некоторым классификациям, цианобактерии рассматриваются в составе растений как сине-зеленые водоросли. В настоящее время в альгологии известно более 150 родов и около 1000 видов цианобактерий, бактериологи насчитывают около 400 штаммов.

Цианобактерии распространены в морях и пресных водоемах, почвенном покрове, могут участвовать в симбиозах (лишайники). Весомую часть фитопланктона водоемов составляют водоросли данной группы. Они способны образовывать толстые многослойные покровы на субстрате. Редкие виды обладают токсичностью и условно-патогенны для человека. Сине-зеленые водоросли основные элементы, вызывающие «цветение» воды, что приводит к массовой гибели рыб, отравлениям животных и людей. Для некоторых видов характерна редкая комбинация свойств: способность к фотосинтезу и одновременно фиксации азота из атмосферного воздуха.

Строение . В строении цианобактерий имеются характерные особенности. Эти организмы отличаются разнообразной морфологией. Общее в структуре любого вида сине-зеленых водоростей – это слизистая оболочка (гликокаликс из пептидогликанов) и отсутствие жгутиков. Слизистую оболочку покрывает наружная мембрана. Размеры клеток цианобактерий могут быть от 1 мкм до 100 мкм. Цвет разных видов меняется от салатового до темно-синего в связи со способностью изменять соотношение фотосинтетических пигментов в клетке соответственно спектральному составу света.

Цианобактерии – одноклеточные организмы, могут формировать колонии, известны нитчатые формы. Размножение осуществляется посредством бинарного деления, возможно множественное деление. Продолжительность жизненного цикла при благоприятных условиях составляет 6-12 часов.

Внутреннее строение . В клетке каждого организма имеется полноценный аппарат для осуществления фотосинтеза с выделением кислорода. Энергия, полученная посредством фотосинтеза, используется для продуцирования органических веществ из СО 2 . По способу питания подавляющее большинство сине-зеленых водоростей являются облигатными фототрофами. Но они могут в течение короткого периода времени существовать за счет расходования накопленного на свету гликогена.

Значение . По мнению ученых, именно эти организмы спровоцировали в начале протерозойского периода (примерно 2,5 млрд лет назад) глобальную перестройку атмосферы – «кислородную катастрофу». Это повлекло кардинальные изменения в биосфере и гуронское оледенение.

Впервые в лабораторных условиях геном фотосинтезирующего организма был расшифрован именно на примере цианобактерии Synechocystis. До настоящего времени сине-зеленые водоросли являются ценными биологическими объектами исследований.

В Китае и странах Южной Америки сине-зеленые водоросли родов спирулина и носток используют в пищу. После высушивания из них делают муку. Спирулину используют как пищевую добавку, так как эта водоросль обладает рядом полезных свойств.

Общие сведения. Цианобактерии (цианеи) - фототрофные прокариоты, традиционно называемые синезелеными водорослями (Cyanophyta). Название «цианобактерии» широко употребляется в микробиологической литературе, в то время как в ботанической чаще сохраняется название «синезеленые водоросли». Благодаря большой изменчивости признаков в зависимости от условий среды число видов, указываемых разными авторами для этого отдела, резко отличается (200…2000).

Цианобактерии - водные в основном пресноводные), реже почвенные организмы. Организация клеток, наличие муреина в клеточной стенке, близость генетических свойств, способность фиксировать азот - все это сближает их с бактериями. Однако между ними существуют различия: более высокий уровень дифференциации тела; пигментная система (аналогичная таковой у эукариотических красных водорослей и существенно отличающаяся от системы фототрофных бактерий); фотосинтез с выделением кислорода. Эти признаки, а также водный образ жизни сближают цианобактерии с эукариотическими водорослями.

Цианобактерии - древнейшие из известных нам организмов, появившиеся около 3 млрд. лет тому назад. Остатки их находят в строматолитах протерозоя. С появлением цианобактерий в атмосфере начал накапливаться молекулярный кислород, создавая условия, необходимые для эволюции организмов, получающих энергию за счет аэробного дыхания.

Строение. К цианобактериям относят одноклеточные, колониальные и нитчатые фототрофные организмы (рис.1). Для них характерно полное отсутствие подвижных жгутиковых стадий и полового процесса. Хлоропластов нет; фотосинтетические пигменты находятся в мембранах, расположенных в цитоплазме.

Рис. 1. Цианобактерия носток: а - слизистые сливовидные колонии; б - нитчатые талломы цианобактерии (1) в общей слизи (3), видны гетероцисты (2)

Клетки имеют довольно толстые многослойные клеточные стенки, основной компонент которых - муреин. В клеточных стенках есть поры, через которые соединяются протопласты соседних клеток. Клеточные стенки обычно одеты слизистым чехлом, предохраняющим их от высыхания и облегчающим скользящее движение клеток и нитей.

Цитоплазма лишена вакуолей с клеточным соком, окрашена в периферических частях (хроматоплазма) и бесцветна в центре (центроплазма). В хроматоплазме расположены фотосинтезирующие одиночные тилакоиды. Их мембраны содержат хлорофилл a и каротиноиды. На поверхности тилакоидов локализованы в виде гранул - фикобилисом - дополнительные пигменты фикобилины: синие - фикоцианин и аллофикоцианин и красный - фикоэритрин. В отличие от растений тилакоиды не отграничены от цитоплазмы мембранами, отсутствует и хлорофилл b. Преобладание тех или иных пигментов и определяет окраску цианобактерий - от сине-зеленой до фиолетовой и красноватой или почти черной. Фотосинтез аэробный с выделением кислорода. В центральной части клеток находится нуклеоид обычного для прокариота строения. В цитоплазме имеются включения запасных веществ: гликогена, волютина. Белка цианофицина. Вакуолей с клеточным соком нет. Имеются газовые вакуоли, или псевдовакуоли. У ряда нитчатых форм наблюдаются образование гетероцист - крупных клеток, в которых происходит фиксация азота (рис.1). При этом тилакоиды разрушаются, формируются новые плотно упакованные мембранные концентрические и сетчатые структуры; исчезают фикобилины, принимающие участие в реакциях выделения кислорода при фотосинтезе. Создаются анаэробные условия. Необходимые для фиксации азота ферментом нитрогеназой. Образование гетероцист, как и азотфиксация, подавляется присутствием связанного азота, особенно аммиаком и нитратами. Функционирующие гетероцисты подавляют процесс перехода соседних вегетативных клеток в гетероцисты, таким образом, регулируется распределение гетероцист вдоль нити.

Цианобактерии способны образовывать споры - акинеты - крупные клетки с толстыми оболочками и запасом питательных веществ. Они могут выдержать высыхание и затем прорастают, каждая в новую особь.

Размножение. Вегетативное размножение у одноклеточных и колониальных происходит в результате деления клеток пополам после удвоения и расхождения хромосомы; у нитчатых - распадением нити.

Распространение и значение. Распространены цианобактерии повсеместно, среди них преобладают водные, главным образом пресноводные, но есть морские и почвенные организмы. Благодаря миксотрофности (способности сочетать одновременно различные типы питания - авто - и гетеротрофность) и возможности азотфиксации диапазон условий, в которых они способны обитать, чрезвычайно широк. Цианобактерии первыми заселяют обнаженные после вулканических извержений или ядерных взрывов скалы, создавая органическое вещество, формируя почвы; вступают в симбиоз с грибами (образуя самые выносливые лишайники), мхами, папоротниками. Цианобактерии развиваются в воде горячих источников и на ледниках. Пустынные почвы - такыры - обязаны им своим образованием.

Значение цианобактерий велико как в природе, так и в жизни людей. Их массовое развитие в планктоне медленно текущих рек, озер, прудов вызывает «цветение» воды. Особенно резко увеличивается их численность в загрязненных водоемах, куда поступают органические вещества, и удобрения с полей, в почти стоячей, хорошо прогреваемой воде мелко водных водохранилищ. При отмирании и гниении клеток цианей выделяются токсичные вещества, вода приобретает неприятный запах и становится непригодной для питья, происходит массовая гибель рыбы - так называемый замор - настоящее бедствие в прудовом рыбном хозяйстве. Отмирающие цианобактерии благодаря газовым вакуолям всплывают на поверхность и образуют маслянистую грязно-зеленую пленку, не пропускающую воздух.

Массовое развитие красного от избытка фикоэритрина Trichdesmium erythraeum дало название Красному морю. Морские виды цианей фиксируют около 1/4 всего поглощаемого морем азота.

Цианобактерии используются в качестве зеленого удобрения Анабена (Anabena oryza, A.cylindrica и другие виды) в симбиозе с папоротником азолла обладает способностью фиксировать азот атмосферы. Внесенные в почву перед посевом, они повышают урожайность риса на 50%. Действие продолжается в течение двух лет и эквивалентно использованию 60 кг/га азотного удобрения.

Некоторые виды спирулины (Spirulina maxima и др.), нити которой скручены в правильную спираль, содержат 60…80 % протеинов от сухой массы, а также физиологически активные вещества, йодсодержащие гормоны и простагландины.

Более 2000 лет используют спирулину в пищу африканцы в районе оз. Чад. Современная медицина рекомендует спирулину и препараты из нее в качестве биодобавок. Цианобактерии имеют в жизни человека как положительное (азотфиксация, съедобность), так и отрицательное значение (порча воды, гибель рыбы, засорение фильтров водозаборных сооружений).

Положение цианобактерий в системе живого мира

Определение 1

Цианобактерии – это группа прокариотических организмов, способная участвовать в процессах фотосинтеза.

Цианобактерии обладают чертами, характерными для разных царств живых организмов. Долгое время их относили к низшим растениям, но по мере расширения знаний о эукариотической и прокариотической клеточной организации, синезеленые водоросли (цианобактерии) стали относить к бактериям.

Для классификации цианобактерий используют:

• закономерности развития культуры;
• постоянные морфологические признаки;
• особенности клеточного строения;
• нуклеотидная характеристика и величина генома;
• особенности углеродного и азотного обмена и т.д.

Морфология, жизненный цикл цианобактерий

Цианобактерии – это грамотрицательные организмы, включающие одноклеточные, многоклеточные и колониальные формы. У многоклеточных форм единицей структуры является специфическая нить - трихом, или филамент.

Трихомы могут быть простыми, состоящими из одного ряда клеток или ветвящимися. Различают истинное и ложное ветвление.

При истинном ветвлении клетки нити делятся в разных плоскостях, при этом образуются однорядные нити с однорядными боковыми ветвями или многорядные трихомы. При ложном ветвлении происходит соединение или прикрепление нитей под углом друг к другу.

Во время жизненного цикла цианобактерии могут формировать короткие нити или единичные дифференцированные клетки, выполняющие разные функции :

• необходимые в процессе размножения (гормогонии, баеоциты);
• для выживания в неблагоприятных условиях (акинеты, или споры);
• для фиксации азота в аэробных условиях (гетероцисты).

Характерной чертой как одноклеточных, так и многоклеточных форм является способность к скользящему движению.

Способы размножения цианобактерий:

• бинарное деление;
• почкование;
• множественное деление;
• с помощью обрывков трихома;
• гормогониями

В клетках цианобактерий хорошо развита система внутрицитоплазматических мембран в виде тилакоидов. В них расположены компоненты фотосинтетического аппарата (искл. род Gloeobacter).

Замечание 1

Характерная особенность цианобактерий – способность к бескислородному фотосинтезу. Активность I фотосистемы сохраняется, в то время как II фотосистема отключается. В качестве экзогенных доноров электронов используются восстановленные соединения серы, водород, некоторые сахара, органические кислоты.

Синтез АТФ осуществляется благодаря циклическому электронному транспорту, который связан с I фотосистемой. Способность переключаться с одного типа фотосинтеза на другой при изменении условий является доказательством гибкости светового метаболизма цианобактерий, что имеет важное экологическое значение.

Большинство цианобактерий – облигатные фототрофы. В темноте наблюдается активный эндогенный метаболизм. В этом случае субстратом выступает запасенный ранее гликоген. Возможно получение энергии в темноте за счет гликолиза. У некоторых цианобактерий обнаружена способность к хемогетеротрофному росту.

Для построения клетки цианобактерии нуждаются в минимальном количестве неорганических веществ:

• углекислота;
• молекулярный азот, нитратные и аммонийные соли;
• минеральные соли, служащие источником магния, серы, фосфора, железа;
• вода.

Цианобактерии проявляют азотфиксирующую активность, которая зависит от содержания в среде молекулярного кислорода и связанного азота.

Основные таксономические группы цианобактерий

Согласно с Международным кодексом номенклатуры бактерий выделяют пять порядков цианобактерий:

• Порядок Chroococcales. Одноклеточные . Размножаются бинарным делением или почкованием. Характерно образование чехлов вокруг клеток.
• Порядок Pleurocapsales. Одноклеточные. Размножаются множественным делением или бинарным и множественным делением поочередно.
• Порядок Oscillatoriales . Многоклеточные нитчатые. Трихомы состоят из ряда вегетативных клеток, неветвящиеся.
• Порядок Nostocales. Многоклеточные нитчатые. Трихомы состоят из ряда вегетативных клеток, встречаются гетероцисты и акинеты, неветвящиеся.
• Порядок Stigoneomatales. Признаки, характерные для пор. Nostocales. Вегетативные клетки способны делиться в нескольких плоскостях, в результате чего формируются нити с истинным ветвлением или многорядные трихомы.

Люди чаще всего интуитивно понимают тот мир, что их окружает. Но на Земле обитают и микроскопические существа, которых не видно невооруженным глазом. В процессе их изучения возникают вопросы: что такое эти бактерии и цианобактерии? Чем они отличаются от вирусов?

Бактериями называют группу одноклеточных микроорганизмов, у которых отсутствует окруженное оболочкой клеточное ядро. Бывают бактерии различными по форме. Их подразделяют на такие типы, как:

• кокки (шаровидные);
• бациллы (палочковидные);
• спирохеты (спиралевидные);
• извитые: вибрионы (в виде запятой).

По способам питания можно выделить гетеротрофные и автотрофные организмы. Последние живут за счет неорганических веществ, которые они произвели самостоятельно с помощью энергии химических реакций.

Можно выделить и другие классификации. Например, их разделяют по признаку окрашивания или неокрашивания по методу Грама. Для этого бактерии обрабатывают специальными красителями, затем проверяют, обесцвечиваются они после промывания или нет. Если они не обесцвечиваются, то называются грамположительными, иначе – грамотрицательными. К первой группе относится большинство патогенных бактерий. Ко второй – например, цианобактерии.

Отдельно выделяются архебактерии (или археи, Archaebacteria). Это прокариоты (у них отсутствует ядро). Архебактерии и бактерии имеют некоторые сходства. Например, их сближают похожие размер и форма клеток. Однако, несмотря на внешнее сходство с бактериями, по некоторым признакам (часть генов) архебактерии больше напоминают эукариотов. Выделяют более 40 видов архебактерий.

Бактерии и вирусы

В повседневной жизни эти понятия часто не различают. Хотя на самом деле разница огромна:

Отличать вирусы от бактерий важно хотя бы потому, что болезни, вызванные действием этих организмов, лечатся по-разному. Например, антибиотики не действуют при вирусных инфекциях.

Цианобактерии и их особенности

Цианобактерии – группа грамотрицательных бактерий, способных к фотосинтезу с выделением кислорода. На латыни название записывается как Cyanobacteria. Цианобактерии представляют собой сине-зеленые водоросли.

По мнению современной науки, цианобактерии возникли еще около 3 миллиардов лет назад. Они представляют собой клетки с многослойными стенками, состоящими из нерастворимых полисахаридов. Эти клетки не имеют ядер и хлоропластов. Существуют как одиночные, так и колониальные формы.

Цианобактерии – это фотоавтотрофы, они способны к синтезу углеводов. Подобно зеленым растениям, они могут расщеплять молекулы воды за счет световой энергии. В процессе этого образуются водород и свободный кислород. Кроме того, достаточно большое количество цианобактерий способно фиксировать атмосферный азот, потребляемый в дальнейшем животными и растениями, то есть они способны к хемосинтезу.

Окраску цианобактерий определяют находящиеся в клетках пигменты:

• хлорофилл – зеленый;
• фикоцианин – синий;
• фикоэритрин – красный;
• каротиноиды – желтый.

Окраска может варьироваться от сине-зеленой до буроватой.

Главное отличие от бактерий – фотосинтез с выделением кислорода.

Размножение и спорообразование

В большинстве случаев цианобактерии размножаются путем простого деления клетки. Жизненный цикл у одноклеточных форм в благоприятных условиях – около 6-12 часов.

Если наступают неблагоприятные условия среды, некоторые виды цианобактерий могут образовывать споры. Количество воды в клетке при этом уменьшается, оболочка становится толще. Споры могут долгое время находиться в неблагоприятных условиях и без воды за счет запасных веществ. При наступлении благоприятных условий из споры выходит спавшая клетка.

Места обитания

Чаще всего цианобактерии могут быть обнаружены в водоемах, богатых органическим веществом. Некоторые виды обитают и в сильно соленых озерах. Встречаются и на почве, как участники симбиозов (например, в лишайниках)

Известные представители

• Осциллатория (Oscillatoria). Обитает в пресных водоемах.
• Носток (Nostoc). Колониальная форма, также обитает в пресных водоемах. В Китае и Японии употребляется в пищу.

Вред и польза

1. Цианобактерии способны выделять токсины, особенно при массовом чрезмерном развитии. Вследствие этого погибают различные виды рыбы.
2. Цианобактерии – одна из причин возникновения цветения воды.

1. Являются важной частью океанического планктона.
2. Участвуют в большом количестве пищевых цепей.
3. Производят достаточно много кислорода.
4. Некоторые их виды употребляются в пищу.

Таким образом, как бактерии в целом, так и цианобактерии в частности, являются важными элементами биоценозов, необходимых для жизнедеятельности многих животных и растений. Это объясняется, в частности, их способностями к автотрофному питанию и выделению кислорода.

Работаю врачом ветеринарной медицины. Увлекаюсь бальными танцами, спортом и йогой. В приоритет ставлю личностное развитие и освоение духовных практик. Любимые темы: ветеринария, биология, строительство, ремонт, путешествия. Табу: юриспруденция, политика, IT-технологии и компьютерные игры.