Цианобактерии — фотосинтезиращи бактерии и предци на хлоропластите

Открийте ролята на цианобактериите — древни фотосинтезиращи бактерии и предци на хлоропластите — в Голямото кислородно събитие и формирането на модерната атмосфера.

Цианобакериите са таксон бактерии, които извършват фотосинтеза. Те не са водорасли, въпреки че някога са били наричани синьо-зелени водорасли. Това е филум на бактериите с около 1500 вида по класическата таксономия, но реалното им биологично разнообразие и екологична роля са много по-широки. В теорията за ендосимбионтите хлоропластите (пластидите) произхождат от цианобактериите — съвпадения в геномите и в строежа на фотосинтетичния апарат подкрепят тази хипотеза. Техният ДНК профил е едно от ключовите доказателства за това.

Морфология и клетъчна организация

Цианобактериите са прокариоти — нямат мембранно ограничени органели като ядро, но притежават вътреклетъчни мембранни структури, наречени тилакоиди, където се намира фотосинтетичният апарат. Формите варират от едноклетъчни до колониални и нишковидни (филаментозни) форми; някои образуват многоклетъчни структури с диференциация на клетки. Пигментите им включват хлорофил a и белтъчно-пигментни комплекси (фицианини и фикоеритрини), които дават характерния синьо-зелен цвят.

Фотосинтеза и физиология

Цианобактериите извършват кислородна (оксигенна) фотосинтеза — използват вода като донор на електрони и отделят свободен кислород. Техният фотосинтетичен апарат включва фотосистема I и II, фосфорилиране и светлинно-зависими реакции, подобни по принцип на тези в растенията и в хлоропластите. Някои видове могат да фиксират атмосферния азот чрез специализирани клетки (хетероцисти) или при определени условия, което ги прави важни участници в азотния цикъл.

Еволюционно значение и произход на хлоропластите

Цианобактериите са ключови за разбирането на еволюцията на фотосинтезиращите органели. Според теорията за ендосимбиозата първичните хлоропласти в растенията и водораслите произхождат от древни цианобактерии, поели постоянна симбиотична връзка с протеобактериален или еукариотен предшественик. Сравненията на ДНК и белтъчни последователности, както и наличието на сходни пигменти и тилакоидни структури, подкрепят тази идея. По-късни събития на вторична и третична ендосимбиоза са довели до разпространението на цианобактериално-произхождащи пластиди в много групи водни организми.

Фосилен архив и геоложко въздействие

Цианобактериите имат изключително дълъг фосилен архив, който започва преди поне 3500 милиона години. Те са основните организми в строматолитите от архайския и протерозойския еон, чиито пластове са сред най-старите макроскопични следи от живот. Нарастването на кислорода, причинено от кислородната фотосинтеза на цианобактериите, доведе до драматична промяна в атмосферата на Земята.

Голямото кислородно събитие

Способността на цианобактериите да извършват кислородна фотосинтеза е от голямо значение. Ранната атмосфера на Земята е била предимно редукционна, т.е. без кислород. Цианобактериите в строматолитите са първите известни организми, които фотосинтезират и произвеждат свободен кислород. След около един милиард години ефектът от тази фотосинтеза започва огромна промяна в атмосферата. Процесът, наречен Голямото кислородно събитие, е продължил дълго време. В крайна сметка той унищожил повечето организми, които не можели да живеят в кислород, и довел до вида на околната среда, която познаваме днес, където повечето организми използват и се нуждаят от кислород.

Екология и разпространение

Цианобактериите обитават разнообразни среди — от океанските повърхности и крайбрежни зони до сладководни басейни, блата, почви, каменни повърхности и екстремофилни местообитания (термални извори, солени езера). Морските родове като Prochlorococcus и Synechococcus са сред най-разпространените фотосинтетични организми в световния океан и имат голямо значение за глобалния въглероден и кислороден цикъл.

Цианобактериални цъфтежи и токсини

При благоприятни условия (повишено количество хранителни вещества, топла вода, спокоен режим на водата) цианобактериите могат да образуват масивни цъфтежи (морски или сладководни). Някои видове произвеждат токсини, като микроцистини, които застрашават питейната вода, рибите, добитъка и човешкото здраве. Управлението на еутрофикацията и мониторингът на водните басейни са важни за намаляване на риска от вредни цъфтежи.

Ползи и приложения

• Биотехнологии: цианобактериите се използват като модели в изследвания на фотосинтезата, за производство на биогорива, биопигменти и биоактивни съединения.
• Селско стопанство: някои видове служат като биофертилзатори в оризовите ниви чрез фиксация на азот.
• Екологични приложения: потенциал за биоремедиация и улавяне на въглерод.

Научни модели и изследвания

Поради относителната простота и лесната култивируемост, няколко вида цианобактерии (например Synechocystis и Model Prochlorococcus щамове) са важни модели за молекулярни, генетични и екологични изследвания. Секвенирането на техните геноми е разкрило множество подробности за фотосинтезата, метаболизма и адаптациите им към различни екологични нишови условия.

Заключение

Цианобактериите са древна и екологично значима група микроорганизми, чието влияние върху планетата е огромно — от образуването на първите строматолити и окисляването на атмосферата до днешните им роли в глобалните биогеохимични цикли, екосистемните функции и приложните науки. Разбирането на тяхната биология помага при опазване на водните ресурси, при биотехнологични иновации и при изясняване на основни еволюционни процеси.

Въпроси и отговори

В: Какво представлява цианобактерията?

Въпрос: От колко време съществуват фосилните данни за цианобактериите?

В: Каква е била ранната атмосфера на Земята?

В: Как се е отразило присъствието на цианобактерии върху атмосферата?

Въпрос: Кои доказателства подкрепят теорията за ендосимбионтите?

В: Какво позволява фотосинтезата на цианобактериите?

Търсене по буква