Cianobakterijos: fotosintezę vykdančios bakterijos (melsvadumbliai)

Cianobakterijos – fotosintezę vykdančios „melsvadumbliai“, sukūrę atmosferinį deguonį, formavę chloroplastus ir lemsčiusios gyvybės evoliuciją bei stromatolitų atsiradimą.

Cianobakterijos - tai bakterijų taksonas, vykdantis fotosintezę. Jos nėra dumbliai, nors kažkada buvo vadinamos melsvadumbliais. Tai bakterijų filumas, kuriame yra apie 1500 rūšių. Pagal endosimbiontų teoriją chloroplastai (plastidai) yra kilę iš cianobakterijų — tai patvirtina jų DNR profilis ir kiti citologiniai bei biocheminiai panašumai.

Cianobakterijų fosilijų istorija labai ilga — ji prasidėjo mažiausiai prieš 3500 milijonų metų (apie 3,5 mlrd. metų). Jos buvo pagrindiniai organizmai archajaus ir proterozojaus epochų stromatolituose, sudarydami stambių akmeninių struktūrų sluoksnius, kurie išliko iki mūsų dienų.

Cianobakterijų gebėjimas vykdyti deguonies fotosintezę yra labai svarbus. Ankstyvoji Žemės atmosfera buvo daugiausia redukcinė, t. y. be deguonies. Stromatolitų cianobakterijos buvo pirmieji žinomi organizmai, kurie fotosintezavo ir gamino laisvą deguonį. Maždaug po milijardo metų dėl šios fotosintezės poveikio prasidėjo didžiuliai atmosferos pokyčiai. Šis procesas, vadinamas Didžiuoju deguonies susidarymo įvykiu, vyko palaipsniui ir pakeitė planetos cheminę aplinką — dauguma anaerobinių organizmų išnyko, o deguonimi kvėpuojantys organizmai galėjo plėstis.

Struktūra ir pigmentai

Cianobakterijos yra prokariotai (neturi branduolio). Joms būdinga:

• Fotosintetinės membranos (tilakoidai), kuriose yra chlorofilo a ir papildomų pigmentų — fikoeritrino, fikocianino (phycobiliproteinai), suteikiančių mėlynai arba raudonai atspalvį.
• Galimybė vykdyti oksigeninę fotosintezę (iš vandens atskirti elektronus ir leisti į atmosferą deguonį).
• Kai kurių rūšių ląstelėse yra heterocistų — specializuotų, sandarių ląstelių, skirtų azoto fiksacijai (N2 → NH3) vykdyti.
• Buvočių rūšių pavienėse kolonijose gali būti gas vesicles (dujinės vakuolės), leidžiančios reguliuoti plūdrumą kolonuose vandenyje.

Morfologija ir dauginimasis

Cianobakterijos gali būti vientisos tokios kaip Synechococcus ar koloninės ir siūlų (filamentinės) — pvz., Nostoc ar Anabaena. Jos dauginasi binarine dalija, taip pat fragmentacija, kolonijų augimas ir sporų formos (akinete) susidarymas esant nepalankioms sąlygoms.

Ecologinė reikšmė ir paplitimas

• Cianobakterijos yra svarbūs pirminiai gamintojai tiek gėluose, tiek jūrose, ypač Prochlorococcus ir Synechococcus, kurie yra vieni gausiausių fotosintetinių organizmų vandenynuose.
• Jos atlieka reikšmingą vaidmenį anglies ir azoto cikluose: ne tik gamina organines medžiagas fotosintezės būdu, bet ir daugelis rūšių fiksuoja atmosferinį azotą.
• Gyvena įvairiausiose aplinkose: nuo povandeninių ir povandeninių dumblėmis apaugusių teritorijų, iki druskingų lagūnų, durpynų, karštųjų versmių, sausringų vietovių ar net ledynų.
• Sudaro simbiozes: pvz., lichenuose cianobakterijos (arba jų algų partneriai) teikia organinę maistą ir azotą, taip pat susiformuoja sąveikos su kai kurių augalų šaknų aplinkomis.

Pavojai ir nauda žmogui

Cianobakterijos turi tiek teigiamų, tiek neigiamų poveikių:

• Neigiamas: tam tikros rūšys (pvz., Microcystis, Anabaena) gali sukelti kitas augančias „žalios spalvos“ arba „žuvį nuodijančias“ masines žydėjimo (angl. harmful algal blooms) bangas ir gaminti cianotoksinus — pvz., mikrociustinus, anatoksinus — kurie pavojingi žmonėms, naminiams gyvūnams ir laukinei faunai. Tai kelia problemas geriamojo vandens tiekimui ir rekreacijai.
• Teigiamas: azoto fiksavimo cianobakterijos naudojamos kaip natūralūs trąšų šaltiniai tradicinėje ir modernioje žemdirbystėje. Biotechnologijoje cianobakterijos tyrinėjamos kaip tvarių biokuro, bioaktyviųjų junginių ir bioremediacijos agentų šaltinis.

Evoliucinis ir molekulinis ryšys su chloroplastais

Pagal endosimbiontų teoriją, ankstyvieji eukariotai per endosimbiozę įgavo sugebėjimą fotosintetinti prisijungdami prie cianobakterijos tipo prokariotinių organizmų. Šią idėją palaiko:

• Chloroplastų DNR panašumas į cianobakterijų DNR ir fosiliniai bei molekuliniai duomenys.
• Funkciniai panašumai, pvz., chlorofilo a buvimas ir panašios fotosistemų struktūros.
• Kai kuriuose chloroplastuose aptinkami likę peptidoglikano sluoksnio fragmentai bei bendros biocheminės ypatybės.

Tyrimai ir stebėsena

Dėl klimato kaitos, maisto ir vandens saugos svarbos, cianobakterijų žydėjimo stebėsena, toksinų tyrimai bei biologinių savybių aiškinimas yra aktyvios mokslinių tyrimų sritys. Biotechnologijoje vyksta tyrimai, kaip panaudoti cianobakterijas tvariam biokurui, nustatyti naujus bioaktyviuosius junginius bei pagerinti azoto fiksacijos procesus žemės ūkyje.

Apibendrinant — cianobakterijos yra seniausi oksigeninės fotosintezės mokiniai mūsų planetoje, turintys didelę reikšmę ekologijai, evoliucijai ir žmogaus veiklai, tačiau jos gali sukelti ir rimtų aplinkos bei sveikatos problemų, todėl jų stebėjimas ir supratimas yra labai svarbūs.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra cianobakterijos?

Klausimas: Kaip seniai išlikę iškastiniai cianobakterijų radiniai?

K: Kokia buvo ankstyvoji Žemės atmosfera?

K: Kaip cianobakterijų buvimas paveikė atmosferą?

Klausimas: Kokie įrodymai patvirtina endosimbiontų teoriją?

K.: Ką cianobakterijos gali atlikti fotosintezės metu?

Paieška pagal raidę