Федеральное агентство по образованию Федеральное государственное образовательное учреждение высшего и профессионального образования

1
Федеральное агентство по образованию
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего и
профессионального образования
Сибирский федеральный университет
Институт фундаментальной биологии и биотехнологии
Е.А. Иванова, В.И. Колмаков, Е.С. Кравчук,
О.В. Барсукова, М.Ю. Трусова
ИЗБРАННЫЕ ГЛАВЫ АЛЬГОЛОГИИ
(Конспект лекций)
Красноярск 2007
2
Лекция 1. ВВЕДЕНИЕ. Альгология: предмет, задачи и методы изучения
Водоросли - самые многочисленные, самые важные для планеты и шире всего распространенные фотосинтезирующие организмы. Их много повсюду - в пресных водах, на суше и в морях, чего нельзя сказать о других
растениях: о мхах, папоротниковидных или семенных растениях. Чаще всего
водоросли микроскопические организмы, но невооруженным глазом водоросли часто можно наблюдать в виде мелких или крупных зеленых пятен
или в виде тины на поверхности воды континентальных водоемов. На почве, древесных стволах они обычно выглядят как зеленая или синезеленая
пленка. В море слоевища крупных водорослей (макрофитов) напоминают
красные, бурые и желтые блестящие «листья» различной формы.
Альгология – наука о водорослях, которая рассматривает вопросы
происхождения, строения, морфологии, жизненных циклов и систематики
водорослей, с которой студенты знакомятся на первом курсе. Курс «Избранные главы альгологии» - как мультидисциплинарная дисциплина, интегрирует накопленные современные знания в области ботаники (альгологии),
физиологии и биохимии растений, генетики, экологии, гидробиологии и
биофизики, уделяет особое внимание методам изучения водорослей, их
культивированию и значению в природе и для человека. Данный курс знакомит студентов с теорией и практикой использования водорослей в природных и искусственных водоемах, при организации экологического мониторинга и прогнозирования развития экосистем, в биотехнологии.
В задачи данной дисциплины входит:
- эволюционное представление о строении клетки, морфологии таллома,
жизненных циклах и размножении водорослей;
- познакомиться с современной классификацией водорослей;
- овладеть новыми методами в изучении водорослей, определении пигментов водорослей и продуктивности фотосинтеза;
- научиться планировать и реализовывать эксперименты, освоить методы
культивирования водорослей.
Термин «водоросли» (algae) к одной из групп растений первым в
1753г. применил шведский ботаник Карл Линней, однако эта группа тогда
включала печеночники и некоторые мхи. И еще более 50 последующих лет
открываемые многочисленные новые виды водорослей относились ботаниками-альгологами все в эту же группу Линнея.
Только в начале XIX в. появилось описания новых родов. С 1800
по 1875 г. рядом авторов, среди которых отец и сын Агарды (К.А.
Аgагdh, I.G. Аgагdh), немецкий исследователь Ф. Кютцинг, известный
своим 20-томным атласом, содержащим до 2 тыс. таблиц с изображениями морских и пресноводных водорослей и другие, было описано подавляющее большинство известных в настоящее время родов водорослей. Имена
3
этих авторов стоят после соответствующих родовых названий. Трудность
в определении что такое «водоросли» сохраняется и в настоящее время, так
как это крайне неоднородная группа.
Водоросли представляют собой продуцирующие кислород, фотосинтезирующие, бессосудистые, слоевищные организмы, имеющие одноклеточные и лишенные специальных покровов репродуктивные органы и предпочитающие водную среду обитания. Водоросли включают как прокариотные,
так и эукариотные формы. Общего определения, приемлемого для всех
групп водорослей не существует. Понятие «водоросли» является не систематическим, а скорее биологическим. Основными критериями при выделении
крупных таксономических групп водорослей являются: морфологическое
строение, состав пигментов, запасные вещества, тонкое строение клетки
(особенности клеточной стенки, характер митоза и цитокинеза, строение
жгутика), жизненный цикл.
В начале XIX в. альгология, как и вся ботаника, носила чисто описательный характер. Однако в середине XIX в. наряду с чисто описательной,
классификаторской ботаникой, начинает бурно развиваться новое направление, заключающееся в изучении клеточного строения растений и особенно их онтогенеза. Этому направлению дали наименование «научной
ботаники». 40 - 50-е годы XIX века знаменовались крупнейшими открытиями в области онтогенеза водорослей, важная составная часть которого бесполое и половое размножение. В России онтогенетическое направление в изучении водорослей успешно развивал И. Н. Горожанкин и его ученики.
Большой материал, накопленный в ходе изучения цитологии и онтогенеза водорослей, подготовил почву для перехода альгологии в новый
период ее истории который начинается с самых первых лет XX в. В области систематики он знаменуется, во-первых, разработкой учения о происхождении различных групп водорослей из разных групп окрашенных жгутиковых и, во-вторых, объяснением явления параллелизма в развитии отдельных
классов и типов водорослей. Разработка того и другого вопросов неразрывно связана с именем чешского альголога А. Пашера. Он, по существу, и
создал современную систематику водорослей.
С 1945 г. начинается современный период в истории альгологии. Для
этого периода характерно, во-первых, использование электронной микроскопии для изучения ультраструктуры водорослей, а, во-вторых, бурное развитие методов искусственного выращивания пресноводных и морских водорослей в условиях культуры.
Новая информация по ультраструктуре водорослей в свою очередь
тесно коррелирует с усовершенствованием методов электронной микроскопии. Первый «взрыв» информации такого рода наблюдался в конце 40х и начале 50-х годов XX века, когда для изучения жгутиков различных во-
4
дорослей был применен метод напыления. Следующий «взрыв» информации в конце 50-х годов связан с усовершенствованием микроскопической
техники и внедрением ультрамикротомов для получения ультратонких срезов, позволяющих изучать детали внутреннего строения клетки. С середины 60-х годов введение техники замораживания скалывания сделало также
возможным изучение поверхностей клеток, стенок мембран и органелл. В
последние годы большое развитие получила сканирующая электронная
микроскопия (СЭМ) и трансмиссионная электронная микроскопия (ТЭМ),
ставшие важным орудием исследования панцирей диатомовых водорослей,
изучения поверхностей клеток десмидиальных, динофлагелляг и многих
других водорослей. Один и тот же объект нередко изучается комплексно,
с привлечением всех вышеназванных методов. Если первые два десятилетия
исследования тонкой структуры водорослей носили описательный характер, то в последнее время данные электронной микроскопии широко используются для расшифровки функций клетки и органелл.
В конце ХХ - начале ХХ1 веков в альгологию прочно вошли молекулярно-генетические методы идентификации водорослей. Связано это было с
тем, что в XX веке проблема систематики бактерий стала настоятельной в
связи со стремительно увеличивавшимся как вширь (описание новых видов),
так и вглубь (более детальное разностороннее изучение уже описанных видов) объемом знаний об этих организмах. Важный шаг на пути создания естественной систематики прокариот связан с успехами молекулярной биологии. В 60-х гг. было установлено, что все свойства организма определяются
уникальными химическими молекулами — ДНК, поэтому бактерии могут
быть классифицированы путем сравнения их геномов. По такому признаку
как генетический материал оказалось возможным на основании выявления
степени сходства делать вывод о степени родства между организмами. Выбор рРНК для решения проблем эволюционной систематики прокариот оказался удачным по ряду причин: эти молекулы обнаружены у всех клеточных
форм жизни, что указывает на их древнейшее происхождение; их функции
всегда одинаковы; первичная структура в целом характеризуется высокой
консервативностью. Особенностью рРНК является нахождение вне сферы
действия отбора, поэтому данные молекулы эволюционируют в результате
спонтанных мутаций, происходящих с постоянной скоростью, и накопление
таких мутаций зависит только от времени. Таким образом, мерой эволюционного расстояния между организмами служит количество нуклеотидных
замен в молекулах сравниваемых рРНК или их генов (рДНК). Известно, что
в рибосомах прокариот присутствуют 3 типа рРНК (5S, 16S и 23S), различающихся молекулярной массой и коэффициентом седиментации. Информационная емкость крупных молекул больше, но их труднее анализировать.
Поэтому наиболее удобным оказался анализ молекул рРНК средней величины - 16S, состоящих приблизительно из 1500 нуклеотидов.
5
Открытие возможности избирательной амплификации определенных
участков ДНК с помощью полимеразной цепной реакции или ПЦР (К. Мюллис, 1985 г.) позволило преодолеть ограничения молекулярно-генетических
методов исследования, связанных с недостаточным для анализа количеством
ДНК. В основе метода ПЦР лежит возможность репликации молекул ДНК,
которая может быть воспроизведена в системе in vitro с помощью ДНК полимеразы, специально подобранной пары олигонуклеотидов-праймеров и
смеси дезоксинуклеотидтрифосфатов (dNTP), которые данный фермент
встраивает во вновь синтезируемую цепь ДНК по принципу комплементарности. Процесс амплификации включает повторяющиеся циклы температурной денатурации ДНК (95°С), молекулярную ассоциацию («отжиг») праймеров с комплементарными им последовательностями на ДНК-матрице (обычно при температуре около 50 – 60°С) и последующую матричную достройку
полинуклеотидных цепей (начиная от этих праймеров) термостабильной
ДНК-зависимой ДНК-полимеразой (обычно при 72 – 75°С). Праймеры ориентированы таким образом, что синтез с помощью полимеразы осуществляется только на участке между ними, удваивая в каждом цикле количество
копий данного участка ДНК. Происходит экспоненциальное накопление амплифицируемых фрагментов (ампликонов): за 20-30 циклов амплификации
количество синтезированных молекулярных копий исходного фрагмента составит примерно 1 миллион.
Этот метод в последнее время активно внедрился практически во все
биологические науки , в том числе и альгологию. Для экспрессного выявления доминирующих видов синезеленых водорослей (цианопрокариот) и
идентификации видовой принадлежности остальных видов в сообществах
используется денатурирующий градиентный гель электрофорез фрагментов
гена 16S РНК. Надежность метода достаточно высокая. Особенно полезен
этот метод для выявления видовой принадлежности водорослей, относящихся к фитопикопланктону, которых из-за маленьких размеров трудно идентифицировать с помощью световой микроскопии.
Альгология является теоретической и практической основой гидробиологии, особенно когда вопросы касаются решения глобальных проблем,
связанных с эксплуатацией водоемов и водотоков. Поэтому наряду с традиционными ботаническими методами в альгологии активно используются:
физиологические, биофизические, методы математического моделирования.
Водоросли – автотрофные организмы - в водоемах являются практически основными продуцентами органического вещества, которое создается
ими в процессе фотосинтеза. Продукционную способность водорослей можно определять по газообмену, количеству синтезированных продуктов или
количеству энергии, заключенной в новообразованной биомассе. Впервые A.
Пюттер в 1908 г. предложил для оценки фотосинтетической деятельности
фитопланктона использовать прием, который в последствии получил назва-
6
ние скляночного метода. В 30-х годах Г.Г. Винберг применил данный подход в отношении первичной продукции, ввел понятие валовой и чистой первичной продукции и выделил целое направление – продукционная гидробиология, где водоросли, объект изучения науки альгологии, играют центральную роль в создании органического вещества в целом для всей водной
экосистемы.
Тесная связь содержания биогенных элементов, особенно фосфора, с
интенсивностью фотосинтеза была известна ученым еще с середины XIX в.,
когда был сформулирован закон “лимитирования” Ю. Либиха. Поэтому, когда в 1927 г. Э. Шрайбер высказал идею и предложил метод оценки потенциальной первичной продукции планктонных водорослей на основе определения роста популяции водорослей после добавления минеральных веществ,
они не вызвали возражений у других исследователей. Суть метода искусственного обогащения (или метода биологических испытаний), который сам
автор назвал методом оценки гидробиологической воспроизводимости, заключается в следующем. В лабораторных условиях создаются световые и
температурные условия, близкие к естественным в толще воды, и туда помещаются склянки с природной водой, содержащей планктонные водоросли.
В начале эксперимента в опытные склянки добавляются минеральные вещества (азот, фосфор и др.), а в контрольные − нет. Далее осуществляется наблюдение за продукцией водорослей в контрольных и опытных склянках и
выносится суждение о потребности конкретного элемента для усиления продуктивной функции у водорослей. Следует отметить, что метод искусственного обогащения позволил установить потребность водорослей в ряде химических элементах, скорости роста водорослей и другие физиологические
функции.
В 30-е и 40-е г. прошлого столетия в бывшем Советском Союзе были
развернуты работы по развитию метода искусственного обогащения, позволяющего практически выявить, какой химический элемент лимитирует продукцию планктонных водорослей в водохранилищах, подверженных массовому развитию синезеленых водорослей. Пионерами данных исследований
стали А.В. Францев и К.А. Гусева. Например, они установили, что в некоторых водохранилищах европейской части развитие фитопланктона регулируется не фосфором или азотом, а микроэлементами − железом и марганцем.
Причем этот вывод относился не ко всему фитопланктону в целом, а к конкретным видам − диатомовой водоросли рода Asterionella и синезеленой водоросли Aphanizomenon flos-aquae. В дальнейшем выяснилось, что для усиления продуктивности водорослей важно не только количество конкретного
химического элемента, но и в какой форме он представлен, это значительно
обогатило знания в области физиологии водорослей. Значение работ А.В.
Францева и К.А. Гусевой особенно возросло, когда появилась практическая
7
необходимость в составлении прогнозов «цветения воды» будущих водохранилищ, создаваемых для гидроэнергетики.
Середина ХХ в. характеризуется внедрением в альгологию физиологических и биофизических методов для диагностики состояния популяций водорослей фитопланктона, таких как спектрофотометрический и флуоресцентный метод определения хлорофилла а водорослей. Содержание хлорофилла позволяет выражать биомассу водорослей в единицах важнейшего
компонента растительной клетки и широко используется для оценки обилия
фитопланктона.
В 1964 г. международная комиссия при ЮНЕСКО разработала и рекомендовала метод определения концентрации хлорофилла фитопланктона. Он
включает пять последовательных операций: концентрирование образца с
помощью фильтрования через специальные фильтры, хранение образца в
темноте при низкой температуре, экстракцию фильтров с клетками планктона в ацетоне, сравнительное измерение показания поглощения на 663, 645 и
630 нм образца и ацетона на стандартном спектрофотометре, расчет концентрации хлорофилла по уравнению:
Схл = (11,64·E663 – 2,16·E645 + 2,16·E630)·(υ / VL),
где Схл – концентрация хлорофилла (мг/м3), E663, E645, E630– поглощение
света на определенной длине волны, υ – объем экстракта (как правило, 10
мл), V – объем пробы (обычно 1 л), L – длина светового пути в кювете (1
см). Данный метод получил название спектрофотометрического и стал широко применяться для оценки первичной продукции на основе ассимиляционного числа (АЧ). В России разработан государственный стандарт, регламентирующий определение хлорофилла в природных водах на основе спектрофотометрического метода. Неоспоримое преимущество «хлорофильного»
метода определения биомассы заключается в его простоте, экспрессности и
более высокой (по сравнению с микроскопическим учетом водорослей) воспроизводимости результатов.
Наукометрический анализ мировой литературы гидробиологического
профиля показывает, что в настоящее время среди методов оценки первичной продукции фитопланктона прочное «лидерство» занимают контактные
флуоресцентные методы. По сравнению со спектрофотометрическим и дистанционными методами зондирования, контактные флуоресцентные методы
позволяют получать информацию не только о количестве хлорофилла, но и о
потенциальной фотосинтетической активности.
Основная идея использования флуоресценции для определения
первичной продукции заключается в том, что флуоресценция может
выступать своего рода природным датчиком количества хлорофилла (маркер
биомассы) в водной экосистеме и показателем фотосинтетической
активности водорослей. При определении первичной продукции
фитопланктона континентальных водоемов распространение получил
8
относительно простой в техническом плане ингибиторный флуоресцентный
метод. Для определения валовой первичной продукции фитопланктона
коллективом под руководством В.М. Гольда было предложено уравнение, где
в качестве исходных выступали измерения флуоресценции и интенсивности
света в области ФАР:
Р=6.227⋅10-3⋅Cхл⋅ΔФл/ФлМ⋅ I ,
где Р – первичная продукция гO2/(м3⋅ч); Cхл - концентрация хлорофилла a
планктонных водорослей (мг/м3); ΔФл/ФлМ – показатель фотосинтетической
активности планктонных водорослей (отн. ед.), I - средняя за экспозицию
интенсивность света в области ФАР (Вт/м2).
Сложность и многокомпонентность надорганизменных систем, большие пространственно-временные масштабы их функционирования создают
существенные трудности для наблюдения за их поведением, и, тем более для экспериментов с ними. Поэтому многие аспекты функционирования
экологических систем, необходимые для понимания и их свойств и прогнозирования состояния могут быть изучены не на самих объектах, а только на
их моделях. Наиболее эффективным инструментом изучения сложных систем является математическое моделирование. Математическая модель представляет собой формализацию знаний об объекте, т.е., запись его структуры
и функции на математическом языке. В результате создаются широкие возможности для мысленных экспериментов с объектами с использованием
разнообразных средств математики. Математическое моделирование в экологии зародилось достаточно давно, еще в начале 20-го века. В альгологии
могут использоваться разного типа модели, но наиболее часто применяются
статистическая модель, основанная на зависимости скорости роста клеток от
главных лимитирующих факторов (температуры, влажности), которые измеряются в специальных экспериментах, а также динамическая модель, позволяющая предсказать никогда не наблюдавшуюся ранее ситуацию (возможную сукцессию в планктонном сообществе).
Таким образом, в современное время создано много полезных приборов и разработано большое количество методов для успешной работы альголога. Водоросли изучают в морфологическом, цитологическом, генетическом,
онтогенетическом, физиолого-биохимическом, экологическом, флористическом, систематическом, эволюционно-филогенетическом и некоторых других
направлениях. Нередко их используют в качестве объектов для решения вопросов, относящихся к области других наук (биохимии, биофизики, генетики
и др.). Данные альгологии нередко учитывают при разработке общебиологических проблем, а также хозяйственных задач.
Развитие прикладной альгологии происходит в трех основных направлениях: 1) обоснование способов непосредственного использования водорослей в медицине и в различных областях хозяйства; 2) поиски путей использо-
9
вания водорослей для решения природоохранных вопросов; 3) накопление
данных о водорослях для решения задач других отраслей.
В течение последних десятилетий в развитии альгологии произошел качественный скачок, выдвинувший ее в ряд передовых наук современности.
Особое значение для развития альгологии имело усовершенствование электронно-микроскопической техники и методов биохимического анализа, а
также разработка способов выделения аксенических культур и создание в
разных странах коллекций штаммов водорослей. Все это стимулировало развитие экспериментальных работ. Расширение объема альгологических исследований привело к существенному увеличению информации о водорослях. В
результате произошла дальнейшая дифференциация альгологии, и на стыке
альгологии с другими науками возникли новые научные направления (палеоальгологическое, радиобиологическое и др.).
В недалеком будущем, по мнению ведущих альгологов современности
Н.П. Масюк и Н.В. Кондратьевой, следует ожидать вычленения из альгологии
дисциплин, аналогичных тем, которые уже выделились из раздела ботаники,
посвященного высшим растениям. Они считают, что стремление к новому, в
общем созвучное с современным стилем научного мышления, привело к определенному перераспределению интересов исследователей водорослей: намного возросла, например, доля физиолого-биохимических и экологических
работ, но значительно сократилась доля исследований, проводимых в традиционных (морфологическом, систематическом и др.) направлениях. Вместе с
тем недооценка значимости работ в традиционных направлениях (содержание которых ничем заменить нельзя) опасна, она может привести даже к кризисному состоянию альгологии. Необходимо гармоническое развитие всех направлений альгологии (как новых, так и традиционных) в сочетании с глубоким целенаправленным теоретическим и методологическим анализом и синтезом полученных знаний. Такой подход приведет не только к вычленению из
альгологии частных отраслей, но и к становлению общей альгологии как самостоятельного раздела науки о водорослях, специально посвященного общим закономерностям структурной организации и функционирования низших фотоавтотрофных организмов.
Лекция 2. Происхождение водорослей. Основные этапы эволюции водорослей
Разгадка происхождения водорослей - центральная тема изучения их
эволюции. Процесс развития этой группы охватывает большую часть известного периода существования жизни на Земле - с появления первых прокариот до нашего времени. Он связан с рядом главных событий ботанической эволюции: появлением фотоавтотрофных прокариот, эукариот, митоза,
10
сингамии и мейоза, чередования поколений, а также с адаптацией к наземной жизни.
Возраст прокариот приближается к возрасту древнейших известных
нам горных пород, т.е. примерно к 3,8 млрд. лет.
Первые автотрофные организмы, синезеленые водоросли, появились
примерно в середине архея (3,8 - 2,6 млрд. лет назад), т.е. в раннем докембрии. В позднем докембрии, протерозое (2,6 - 0,58 млрд. лет назад) часто
называемого веком цианобактерий, они были распространенны повсеместно, причем в ископаемых остатках, известны представители большинства их современных порядков.
Клетки с оформленным ядром (эукариоты), возможно, появились около 1,4 млрд. лет назад, мейоз и эукариотное разделение полов - по крайней мере, 800 млн. лет назад, но не исключено, что и на 530 млн. лет
раньше. Последующее формирование жизненных циклов с чередованием
диплоидного и гаплоидного поколений происходило по четырем основным
направлениям (зиготический, спорический, гаметический и соматический).
Сведений о точном времени зарождения каждого из них нет. Чередование
поколений оказалось одним из приспособлений, существенных при жизни
на суше и в конечном итоге, сыгравшем важную роль в эволюции наземных
растений (эмбриофитов). Широко распространенно мнение, что последним
дали начало предки зеленых водорослей, возможно, где-то между 700 и
400 млн. лет назад (Саут, Уиттик, 1990).
Всегда остается загадкой происхождение прокариот и фотоавтотрофов. Предполагается, что возраст нашей планеты – 4-6 млрд. лет; на
протяжении примерно половины ее существования в атмосфере отсутствовал молекулярный кислород. Прокариоты развивались в течение биогенного периода 4,5 -3,5 млрд. лет назад, когда атмосфера содержала Н2 ,
СО 2 , Н2 , SO2, НС1 и была практически лишена свободного кислорода. Первые прокариоты являлись предположительно водными анаэробами. Их ископаемые остатки встречаются в различных сланцах и строматолитах.
Строматолиты - это плоские, выпуклые, колончатые или куполообразные
осадочные структуры с внутренней слоистостью, возникшие в результате
послойного захватывания, связывания и/или осаждения материала микробными сообществами (в основном синезеленых водорослей), называемыми водорослевыми пленками. Сходные сообщества формируют строматолиты или подобные им образования и в настоящее время, но с конца
докембрия их деятельность значительно сократила свои масштабы.
Строматолиты были наиболее широко распространены и обильны в
позднем архее и в протерозое, когда на протяжении примерно 2,5 млрд.
лет прокариоты были доминирующей формой жизни на Земле (век прокариот).
11
Неясно, когда появились первые прокариоты и, в какой последовательности; как бактерии, так и синезеленые водоросли встречаются в
наиболее ранних строматолитах. Предполагают, что синезеленые водоросли возникли от эубактерий, одной из трех древних эволюционных линий прокариот (архебактерии, уркариоты и эубактерии), отделившихся в
свою очередь от единого предка .
Даже лучше всего сохранившиеся микроскопические ископаемые из
архейских отложений не дают достаточную информацию о морфологии
клетки и возможность определить, были или нет первые синезеленые водоросли автотрофами, а если были, то использовали ли они фотосистемы
- I и 11, т.е. высвобождали ли они как побочный продукт фотосинтеза
кислород.
Л. Маргеллис указывала, что предками синезеленых водорослей могли быть анаэробные фотосинтезирующие бактерии, представленные тремя
основными ныне живущими группами: зелеными и пурпурными серными и
пурпурными несерными бактериями. Эти прокариоты не используют воду
в качестве донора водорода при фотосинтезе и высвобождают не кислород, а ряд других продуктов, в частности серу.
Однако по косвенным признакам можно предположить, когда в архее
начался кислородный фотосинтез. Вероятно, кислород, прежде всего, высвобождался в гидросферу, где процессы окисления могли затрагивать
донные осадки. В период 3,5 - 2,0 млрд. лет назад происходило широкомасштабное отложение полосчатых железистых формаций. Они состоят из
мощных последовательностей сланцев слои, которых поочередно то богаты, то бедны железом, причем в первом случае оно находится в окисленном,
трехвалентном состоянии. В окислении и осаждении двухвалентного железа, растворенного в морской воде, должен был участвовать высвобожденный при фотосинтезе кислород. Следовательно, происхождение кислородного фотосинтеза или предшествовало, или совпадало по времени (свыше
3,5 млрд. лет назад) с появлением первых полосчатых железистых формаций. Отложение красноцветных пластов сменило накопление этих осадков около 2,0 млрд. лет назад. Следовательно, к тому времени кислород
уже накопился в атмосфере в достаточных количествах для окисления обнажающихся пород в ходе их выветривания. Когда его содержание в атмосфере достигло примерно 1% от современного уровня, у верхних ее
границ сформировался слой, богатый озоном. Это событие предопределило появление эукариот. Предполагается, что кислород накапливался в
атмосфере относительно быстро, если исходить из геологических масштабов времени.
Таким образом, косвенные свидетельства позволяют предположить,
что синезеленые водоросли возникли примерно 2,5 млрд. лет назад. Однако интерпретация имеющихся палеонтологических находок чревата
12
сложностями. Первые достаточно достоверно определенные синезеленые
водоросли обнаруживаются только в позднеархейских породах возрастом
примерно 2,8 - 2,5 млрд. лет (группа Фортескью в Западной Австралии).
По морфологии они напоминают Oscillatoria и Lyngbia.
Происхождение эукариот. Наибольший эволюционный скачок среди
живых организмов - это переход от прокариот (у которых отсутствуют окруженные мембранами органеллы, нет жгутиков, организованных по
схеме «9+2» и ядерной оболочки) к эукариотам, обладающим всеми этими признаками (кроме багрянок, лишенных "9+2"-структур). Однако
вплоть до 60-х годов прошлого столетия фундаментальные различия между
прокариотами и эукариотами четко не осознавались. Пока не был открыт
в 1975 г. прокариотическая первичная зеленая водоросль Рrосhlоrоn.
Скачок оказался не только морфологическим, но и биохимическим, и
кандидатов на роль промежуточных форм не было, кроме открытого,
Рrосhlоrоn.
В 70-90 годы достигнут большой прогресс в поисках ответа на вопрос, когда и как появились эукариоты. Предполагают, что это произошло после примерно 1,4 млрд. лет назад (хотя имеются сведения и о 2,0
млрд. лот назад), т.е. когда земная атмосфера содержала достаточно
свободного кислорода.
Имеются две научные школы, резко различающиеся по взглядам на
детали этого процесса. Одна предполагает экзогенное происхождение окруженных мембранами органелл через серию эндосимбиозов (Мережковский и Маргеллис). Выдвинутая в конце XIX — начале XX вв. А. Е. Шимпером, К. С. Мережковскими А.С. Фаминциным гипотеза симбиогенеза, получившая поддержку в работах известных советских ботаников А. А. Еленкина и Б. М. Козо-Полянского, снова возродилась на основе достижений генетики, биохимии и молекулярной биологии в виде теории Л. Маргеллис. Наличие в клеточных органеллах эукариот собственной ДНК, отличающейся
по размеру молекулы, нуклеотидному составу, способности к ренатурации
и степени молекулярной гибридизации от ядерной и более напоминающей
по этим характеристикам ДНК прокариот, чем ДНК, заключенную в ядре
той же клетки, отличия хлоропластных рибосом (по размеру и константе седиментации) от цитоплазматических рассматриваются как доказательства в
пользу теории симбиогенеза. Например, митохондрий произошли от бактерий, хлоропластов - от синезеленых водорослей, жгутиков - от спирохет. Эта теория очень привлекательна тем, что хорошо известны симбиозы одних ныне живущих водорослей с другими и водорослей с животными. Однако она требует признания до пяти отдельных эндосимбиотических событий и 27 независимых этапов перехода от митотического клеточного деления к мейотическому. Еще один недостаток в том, что для
успеха процессов требуется серия совпадений. Постулировано, что митоз,
13
фаготрофность, митохондрия, жгутик, половое размножение и хлоропласт - слишком сложные явления и структуры, и трудно предположить их
неоднократное появление de novo. Экзогенная теория еще должна удовлетворительно объяснить происхождений ядра, а предложенный ею эндосимбиотический путь приобретения "9+2"-жгутиков не получил общего
признания.
Другая теория предполагает постепенную эволюцию окруженных
мембранами органелл от неограниченных мембранами систем прокариотного предка в ходе аутогенного процесса. Автор этой гипотезы КавальеСмит считает, что это наиболее правдоподобная альтернатива эндосимбиозу.
Важнейшим этапом здесь была эволюция эндоцитоза (фагоцитоза и
пиноцитоза), обеспечившего разделение клетки внутренними мембранами. Возможно, эндосимбиоз был бы одним и неминуемых следствий фагоцитоза, но не причиной эукариотного состояния. Способность к фагоцитозу дала предку эукариотических водорослей селективное преимущество
перед другими синезелеными формами (от которых он возник), позволив
фотосинтезировать на свету и фагоцитировать в темноте. Аутогенная
теория предлагает механизмы эволюции ядра, митоза, мейоза, веретена,
митохондрии и микротрубочек без привлечения эндосимбиоза.
Важнейшим этапом здесь была эволюция эндоцитоза (фагоцитоза и
пиноцитоза), обеспечившего разделение клетки внутренними мембранами. Возможно, эндосимбиоз был бы одним и неминуемых следствий фагоцитоза, но не причиной эукариотного состояния. Способность к фагоцитозу дала предку эукариотических водорослей селективное преимущество перед другими синезелеными формами (от которых он возник), позволив фотосинтезировать на свету и фагоцитировать в темноте. Аутогенная теория предлагает механизмы эволюции ядра, митоза, мейоза, веретена, митохондрии и микротрубочек без привлечения эндосимбиоза.
Кавалье-Смит допускал, однако, что симбиотическая природа митохондрий
и хлоропластов совместима с аутогенным происхождением ядра и митотического аппарата, предполагая, что митохондрии и хлоропласты появились значительно позже (около 700 млн. лет назад), чем сами эукариоты (около 1400 млн. лет назад).
Однако он твердо уверен, что экзогенная теория не дает удовлетворительного объяснения происхождению ядра, митотического аппарата и жгутиков. Он полагает, что последние возникли в ходе сложного
ступенчатого процесса, начинающегося образованием филоподиальных выростов с микротрубочками у простых планктонных прокариот.
Вопрос о происхождении эукариотических водорослей остается открытым и, многое еще требуется доказать. Однако, как отмечалось, свои
14
достоинства имеют обе школы. И вряд ли мы когда-нибудь точно узнаем,
как возникли эукариоты.
Лекция 3. Особенности строения прокариотических и эукариотических клеток водорослей
Все живые организмы относятся либо к прокариотам или эукариотам.
Такое разделение произошло давно. Известно, что первые фототрофные
прокариоты предположительно появились около 3,8- 2,6 млрд. лет тому назад, эукариоты, более молодые клетки и возникли предварительно около 2,0
– 1,4 млрд. лет назад. Строение клеток этих организмов существенно различаются.
Прокариоты – доядерные организмы, у которых нет четко оформленного ядра и органелл окруженных мембранами. Эукариоты - клетки с ядром,
хлоропластами (хроматофоры) и митохондриями окруженными двойной
элементарной мембранной, кроме этого имеют еще и органеллы покрытые
одной мембраной (эндоплазматическая мембрана, аппарат Гольджи, лизосомы и вакуоль). Хотя по некоторым представлениям вакуоль не относится к
органеллам и считается производной растительной клетки. Синезеленые и
первичные зеленые водоросли имеют клетки прокариотного типа. Остальные водоросли принадлежат к эукариотам. Строение основных органелл эукариотических клеток очень сходно у растений и животных. Рассмотрим
лишь некоторые особенности строения водорослей, в частности клеточные
покровы, строение жгутиков, и хлоропластов.
Клеточные покровы. Клетки прокариот сверху покрыты клеточной
стенкой, состоящей из муреина. Пептидогликановый (муреиновый) слой,
состоит в основном из одной гигантской молекулы, подобно сетке-мешку
окружает прокариотную клетку, обеспечивая ее структурную жесткость, и
сдерживает внутреннее осмотическое давление. Муреиновый слой сохраняет форму всей клетки. Повреждение этой сетки-молекулы в одном месте не
снижает ее прочности в целом, наличие прочного и эластичного муреинового или псевдомуреинового каркаса у прокариот позволило им выживать в
экстремальных условиях. Уникальность клеточной стенки синезеленых водорослей, сочетающей признаки грамположительных и грамотрицательных
бактерий, ее многослойность (от четырех до восьми слоев) с большим содержанием целлюлозы и наличием мощной слизи также являются эффективными элементами приспособления водорослей к экстремальным условиям среды. Своеобразие строения клеточной стенки позволяет делать вывод о
независимом пути эволюции синезеленых водорослей.
У эукариотов отмечается большое разнообразие клеточных покровов.
У некоторых Bangiophycidae, Chrysophyceae и Chlorophycea, а также у всех
Raphidophyceae в вегетативном состоянии встречаются так называемые го-
15
лые клетки, которые окружены только цитоплазматической мембраной
(плазмалеммой). Надо отметить, что большая часть спор, зооспор и все гаметы также не имеют жесткой клеточной стенки.
Покровами клетки, имеющими различные модификации и обычно находящимися под плазмалеммой, являются перипласт, пелликула и панцирь
(тека). Они характерны для криптофитов, эвгленовых и динофитов соответственно.
Перипласт криптофитов состоит из внешнего волокнистого слоя с
белковыми пластинками под плазмалеммой. Они располагаются по-разному
в зависимости от видовой принадлежности водоросли и могут быть шестиугольными или прямоугольными. Часто с перипластом связаны органы защиты трихоцисты, которые ассоциированы с пластинками.
Пелликула эвгленовых сходна с перипластом белковой природой материала, расположенного под плазмалеммой (80% белка, остальное - липиды
и углеводы). Установлено, что эволюция пелликулы шла в двух разных направлениях: I) по пути усложнения; 2) по пути упрощения и редукции. У
Euglena поверхность клетки на поперечном срезе имеет волнистый контур
из-за наличия белковых пелликулярных полосок, расположенных спирально
или продольно и смыкающихся или соединяющихся между собой. У Trachelomonas клетка одета минерализованным панцирем, состоящим из слизистых
тяжей, содержащих большое количество марганца (20-60% массы). У многих
эвгленовых пелликула гибкая и способна сокращаться растягиваться (метаболическое движение).
Тека динофитов состоит из нескольких слоев. Единства мнений относительно того, находится ли плазматическая мембрана под ней или снаружи,
не достигнуто, хотя, поскольку самая внешняя мембрана переходит в мембрану жгутиков, возможно, она и является плазмалеммой. Динофлагеллат
подразделяют на «голые» и «вооруженные», причем последние формы характеризуются наличием целлюлозных микрофибриллярных пластинок теки, которые откладывались вместе со слоем уплощенных пузырьков под
внешней мембраной. Такие пузырьки присутствуют в теках обоих типов.
Число и расположение пластинок имеет значение в таксономии динофлагеллят. Они могут быть орнаментированы гребнями, иметь сетчатый рисунок,
шипики и т.д.
Клетки золотистых водорослей, примнезиофитов, празинофитов, и некоторых динофитов бывают покрыты чешуйками, расположенными сверху
плазмалеммы. На основании химического состава описано три основных
типа чешуек: органические, известковые и кремнеземные. Органические чешуйки встречаются на теле и жгутиках празинофитов. Известковые чешуйки, или кокколиты характерны для кокколитофорид из примнезиофитов.
Кремнеземные чешуйки откладываются на теле золотистых водорослей в
тонкой пектиновой оболочке снаружи плазмолеммы. Часто у них бывает не-
16
полный панцирь чашевидной или бутылевидной формы, его называют домиком, внутри которого находится клетка со жгутиками.
Панцирь диатомовых водорослей состоит из кремнезема с органическим покровом. Структура и орнаментация панциря диатомей лежит в основе их классификации. Панцирь состоит из двух половинок: внешней –
эпивальвы и внутренней – гиповальвы. Соединяет их между собой поясок,
состоящий из двух перекрывающих частей, верхнего пояскового кольца и
нижнего пояскового кольца. Эпивальва и верхнее поясковое кольцо образуют эпитеку, а гиповальва и нижнее поясковое кольцо дают гипотеку.
Истинные клеточные стенки сходные с таковыми у высших растений
встречаются у Rhodophyceae, Phaeophyceae, Xanthophyceae, Chlorophyceae и
Charophyceae В основе их клеточной стенки лежит целлюлозный микрофиблярный каркас погруженный в аморфный слизистый материал. Часто в
состав клеточных стенок входят разные органические соединения агар-агар,
соли альгиновых кислот, иногда присутствуют инкрустирующие вещества,
такие как кремнезем, карбонат кальция, спорополленин (Саут, Уиттик,
1990).
Жгутики. Жгутики встречаются у представителей большинства отделов водорослей за исключением синезеленых, первичных зеленых и красных
водорослей (у диатомовых подвижными являются гаметы).
Движение жгутиковых форм, зооспор и гамет неклеточных (сифоновых)
и многоклеточных водорослей осуществляется в подавляющем большинстве
случаев с помощью жгутикового аппарата — сложной системы, состоящей
из собственно жгутиков (ундулиподий), базальных тел (кинетосом) и корней
жгутиков .
Термин ундулиподия в переводе с латинского означает «волнопожка».
Среди водорослей чаще всего встречаются 1- и 2-жгутиковые формы, реже 3-,
4- и 8-жгутикопые; у некоторых зооспор число жгутиков достигает нескольких десятков. По соотношению длины жгутиков в пределах одной клетки водоросли разделяют па две группы - равножгутиковые и разножгутиковыс. У последних жгутики часто занимают неодинаковое положение по отношению
|к клетке и имеют различия в частоте и интенсивности биений - длинный
жгутик направлен вперед и работает энергичнее, чем короткий, который обращен в сторону или назад по ходу движения клетки.
Жгутик окружен мембраной, которая является продолжением плазмалеммы клетки. Внутри жгутика находится матрикс аналогичный матриксу
клетки гиалоплазме, и аксонема - осевая структура, изгибанием которой и
обусловлено биение жгутика. Аксонема представляет собой сложный комплекс микротрубочек (внутренний диаметр 25 нм), образованных белком тубулином, и связанных с ними других белков.
Тубулин является димером и образован двумя полипептидами - α- и βтубулином, которые сходны по аминокислотной последовательности. При
17
формировании микротрубочек молекулы тубулина соединяются друг с другом
в протофиламенты - нитевидные комплексы, в которых α -тубулин одного
димера связан с β-тубулином следующего. Обычно 13 таких протофиламентов, расположенных параллельно и прилегающих друг к другу, образуют цилиндрическую структуру - собственно микротрубочку. Так как тубулиновые
полипептиды в соседних протофиламентах несколько смещены относительно друг друга, то в стенке цилиндра они образуют регулярно чередующиеся
спиральные ряды.
Аксонема состоит из 9 пар периферических микротрубочек и 2 центральных.Структура «9 + 2» характерна для жгутиков и ресничек почти всех
эукариотических организмов, хотя имеются и отклонения. Центральная пара
микротрубочек заключена в центральную капсулу, образованную тонкими
загнутыми белковыми отростками, прикрепленными к микротрубочкам. Периферические микротрубочки дуплетов несколько различаются по своей
структуре — одна из них полная (субфибрилла А) построена из 13 субъединиц, вторая — неполная (субфибрилла В) — только из 10. Субфибрилла А по
всей длине несет динеиновые «ручки» — короткие боковые выступы, отходящие от субфибриллы А каждого дуплета по направлению к соседнему с интервалами 24 нм и состоящие из белка динеина. Динеиновые «ручки» необходимы для изгибания жгутиков, которое обусловлено АТФ-зависимым скольжением микротрубочек аксонемы. Динеин состоит из многих полипептидов и
сам по себе действует как АТФаза. Каждая динеиновая «ручка» развивает
примерно такое же усилие, как одна молекула миозина в сокращающейся
мышце. Сила прикладывается к соседнему дуплету микротрубочек, с которым
контактируют «ручки», и стремится сдвинуть его по направлению к кончику
жгутика.
Поперечные эластичные связи между соседними дуплетами микротрубочек образованы белком нексином, благодаря чему аксонема по окружности оказывается как бы скрепленной обручем. От каждого дуплета внутрь аксонемы отходят радиальная «спица», заканчивающаяся глобулярным образованием в непосредственной близости от центральной капсулы (см. рис.
1.6), которая, по-видимому, способствует выполнению центральными микротрубочками регуляторной функции при движении аксонемы.
Поверхность жгутиков может быть гладкой или опушенной за счет латеральных, выростов, или мастигонем, длиной 2—3 мкм, имеющих вид тонких
волосков, диаметр которых варьирует у разных видов водорослей от 5 до
17—19 и даже до 25 нм (некоторые желто-зеленые водоросли). Число рядов,
длина мастигонем и их расположение могут различаться у жгутиков одной
клетки. Как правило, у равножгутиковых водорослей оба жгутика опушены; у
разно-жгутиковых опушен преимущественно двигательный, передний, жгутик. У некоторых зеленых и бурых жгутик оканчивается тонким бичеподобным выростом — акронемой. Поверхность жгутиков у ряда видов зеленых,
18
золотистых и бурых водорослей покрыта плотными неминерализованными
чешуйками различной формы.
Базальные тела, или кинетосомы, жгутиков идентичны по своей структуре центриолям и во многих случаях могут превращаться друг в друга. Центриоли обычно представлены парами, члены которых расположены под прямым углом друг к другу. Каждая центриоль состоит из 9 триплетов микротрубочек Новая пара центриолей образуется по соседству с уже существующей, и этот процесс протекает сходным образом у всех эукариотических организмом. Одной из основных функций центриоли (а согласно крайней точке
зрения - единственной) является образование жгутиков. Например, у Chlamydomonas reinhardii в начале митоза жгутики исчезают, а базальные тела перемещаются в глубь клетки, ближе к ядру, где служат центрами организации
митотического веретена деления. По окончании митоза центриоли снова становятся базальными телами, от которых отрастают жгутики (Водоросли,
1989).
Базальное тело имеет форму короткого цилиндра, стенки которого образованы 9 триплетами продольно расположенных микротрубочек; внешний
диаметр базального тела рамен диаметру аксонемы. Каждый из 9 периферических дуплетом аксонемы продолжается в базальное тело, где к нему присоединяется третья неполная микротрубочка. Обе центральные микротрубочки
аксонемы оканчиваются выше базального тела; центр базального тела лишен
микротрубочек. Микротрубочковые корни жгутиков, выходящие из базальных тел и состоящие преимущественно из 2—4 микротрубочек, у большинства
видов располагаются симметрично, образуя характерные крестообразные фигуры.
Среди фибриллярных структур, ассоциированных с базальными телами,
выделено два основных типа: связывающие тяжи, которые связывают различные базальные тела; фибриллярные корни, возникающие при базальных телах
и оканчивающиеся и различных частях клетки. Известно два типа фибриллярных корней: исчерченные тяжи, ассоциированные с микротрубочковым
корнем жгутика (I система тяжей), в которых полосы чередуются с расстоянием 25—35 им; исчерченные тяжи, состоящие из пучков тонких филаментов диаметром 5—10 нм (II система тяжей), чередующихся с расстоянием
более 80 нм. Число, расположение и субструктура связывающих тяжей и
фибриллярных корней значительно варьируют у разных видов водорослей
Клетки некоторых золотистых водорослей помимо жгутиков имею направленный вперед вырост – гаптонему. По длине гаптонема может быть
короче, равна или длиннее жгутика. Гаптонема состоит из 6 микротрубочек,
собраных в круг в ее свободной части и окруженных частично или полностью эндоплазматической сетью. Два базальных тела прилегают друг к другу и к гаптонеме в высшей степени ассиметрично. 4 микротрубочковых корня образуются в районе базального тела и гаптонемы (Водоросли, 1989)
19
Фотосинтетический аппарат. У водорослей фотосинтетический аппарат, прежде называемый хроматоплазмой, состоит из одиночных свободно
лежащих в цитоплазме, связанных с пигментами, уплощенных мешочков называемых тилакоидами, ширина которых колеблется от 200 до 300 ангстрем.
Тилакоиды располагаются либо беспорядочно, что характерно для представителей Noctocaceae, либо в виде системы параллельных рядов, опоясывающих
переферическую часть клетки, причем самые крайние из них служат как бы
барьером, отделяющим эту зону от остальной клетки. Например, такое отмечали у представителей семейств Chroococcaceae и Oscillatoriaceae. Расположение и количество тилакоидов в клетке находится в зависимости не только
от видовой принадлежности, но также от таких факторов как возраст организма, интенсивность и качество света, температура и состав питательной
среды (Седова, 1977).
У остальных водорослей фотосинтез происходит в хлоропластах (хроматафорах), пигментные системы и переносчики электронов встроены в тилакоидиые мембраны. Строма хлоропластов, внутренняя среда, в которую
погружены тилакоиды - обычно довольно электронно-плотная. В ней обнаруживаются пластоглобулы, состоящие из особых липидов - пластохинонов,
рибосомы, в более светлых зонах - фибриллы ДНК. В строме хлоропластов
также может откладываться крахмал в виде зерен и белок в виде кристаллов;
иногда наблюдаются структуры, напоминающие микротрубочки.
Нередко внутренняя мембрана оболочки хлоропласта образует выросты в строму в виде сети трубок по периферии органеллы, называемой периферическим ретикулюмом. Хлоропласты водорослей многих отделов, кроме
красных, криптофитовых, харовых и зеленых, окружены каналом эндоплазматического ретикулюма.
Морфологическое разнообразие хлоропластов водорослей, прежде
всего, создается за счет расположения тилакоидов, которое весьма специфично в разных отделах. У большинства эукариотичсских водорослей, за исключением красных, тилакоиды собраны в пучки, состоящие из 2 тилакоидов
(криптофитовые, у которых фпкобилисомы как структурные единицы отсутствуют), 3 (дипофитовые, золотистые, желтозеленые, бурые, диатомовые), 2- 6
и более (зеленые и харовые) или образуют граноподобные скопления из 3
тилакоидов (эвгленовые). У красных водорослей фотосинтетическая система
представлена одиночными длинными тилакоидами, несущими на своей поверхности фпкобилисомы. На основе представлений об едином исходном типе
организации тилакоидов рассмотрены возможные направления филогенетического становления различных типов организации хлоропластов.
У многих видов водорослей, особенно одноклеточных, в клетках содержится по одному очень крупному хлоропласту; относительно часто
встречаются виды с двумя хлоропластами чашевидной, поясковидной,
звездчатой, спиралевидной формы. При увеличении числа хлоропластов у
20
ряда неклеточных и многоклеточных водорослей они в основном приобретают линзовидную форму (Водоросли, 1989).
В структурную организации хлоропластов водорослей входит наличие
пиреноида - полуавтономной системы, функционально-пространственно
тесно связанной с хлоропластом. Пиреноид представляет собой образование
белковой природы (в основном состоит из фермента рибулезодифосфаткарбоксилазы), размером 3—12 мкм, и обычно окружен крахмальными зернами амилогенной обкладкой, в образовании которой может принимать участие
ламинарин (бурые водоросли), пирамидон (эвгленовые), липиды (золотистые).
Гранулярный или тонкофибриллярный матрикс пиреноида обычно плотнее
стромы хлоропласта, часто перфорирован 1—2 тилакоидами. У подавляющего
большинства водорослей пиреноид находится внутри хлоропласта, у многих
желтозеленых, динофитовых и криптофитовых пиреноиды располагаются непосредственно под оболочкой хлоропласта, в ряде случаев несколько выступая наружу. У некоторых видов эвгленовых, динофитовых, криптофитовых,
золотистых, желюзеленых, диатомовых и бурых пиреноиды лежат за пределами хлоропласта, но тесно с ним связаны. Количество их варьирует от 1 до
10 и более. Согласно современным представлениям, функция пиреноида заключается в концентрации рибулезодифосфаткарбоксилазы с целью распределения се между дочерними клетками и транспорта в места активного функционирования в хлоропласте. Наличие, размер пиреноида и его амилогенной
обкладки во многом зависят от окружающих условий (интенсивности освещения, температуры, состава питательной среды), а также определяются эндогенными факторами.
У подвижных форм водорослей в хлоропласте или (значительно реже)
вне его, но всегда в функциональной связи с ним, располагается специфическая фоторецепторная органелла этих форм водорослей — стигма, или глазок, имеющая в прижизненном состоянии сферическую, палочковидную, линзовидную или трапециевидную форму. Строгая пространственная ориентация
стигмы на жгутиковый аппарат связана с его функцией регуляции направленного движения клеток путем улавливания световых импульсов, их
трансформации и передачи жгутиковому аппарату. В клетках, длительное
время находящихся в темноте, стигма исчезает, но при перенесении культуры
на свет появляется снова. Структурную основу стигмы составляют тесно
прилегающие друг к другу пигментсодержащие глобулы (каротиноиды), 75—
660 им в диаметре; иногда (у эвгленовых) глобулы ограничены мембраной.
Пластинчатое тело стигмы (некоторые виды динофитовых), длиной около 3 и
шириной 1 мкм, состоит из нескольких (до 50) параллельно расположенных
уплощенных мешочков, сообщающихся между собой; крайние из них непосредственно переходят в канал эндоплазматического ретикулюма. Линзовидное тело, встречающееся в стигме также ряда видов динофитовых, занимает
почти 2/3 стигмы и состоит из группы уплощенных пузырьков, из которых
21
внутренние заполнены зернистым содержимым. В основании линзы находится
ретиноид — чашеподобпое образование, содержащее зоны определенным образом ориентированных фибрилл и зернистого вещества, а также пигментные
глобулы около 300 нм в диаметре, расположенные на самом дне в один ряд. У
многих видов золотистых, бурых, желтозеленых, эвгленовых в основании одного из жгутиков образуется вздутие, или парабаэальное тело, которое размещается точно против вогнутости стигмы, оставаясь отделенным от нее клеточным покровом и оболочкой хлоропласта. Типы структурной организации
стигм постоянны в каждом отделе водорослей (Водоросли, 1989).
Особенности строения жгутиков, клеточных покровов и фотосинтетического аппарата водорослей часто являются основными признаками, по которым прослеживают эволюцию водорослей.
Лекция 4. Хромофитная и хлорофитная линия эволюции
Выяснение эволюционной истории водорослей требует изучения как
ныне живущих, так и вымерших их представителей. Ход эволюции может
быть представлен в виде филогенетического дерева, первый вариант которого опубликовал еще Геккель в 1896. Естественную систему ныне живущих видов можно рассматривать как совокупность конечных ответвлений
такого дерева, причем группировка таксонов проводится на основе признаков общей предковой формы. Такая классификация основана на филогенетической систематике, или кладистике. Однако идентичная или очень сходная схема может быть получена путем группировки современных видов по
уровню их общего сходства. Этот подход называется фенетическим.
Идеальной классификации не существует, всегда остается широкое
поле для умозрительных построений из-за отсутствия соответствующих палеонтологических данных для большинства групп. В целом признано, что
некоторые из выделяемых отделов являются полифилетичными, т.е. имеют
несколько предковых групп, тогда как другие монофилетичны (например,
эвгленовые).
Известно, что у водорослей существует достаточно большое разнообразие пигментов. Поэтому многие альгологи все многообразие водорослей
разделяют на группы по окраске, в частности выделяют хлорофитную и
хромофитную линию эволюции. Все водоросли, у которых кроме хл а есть
хл b относят к хлорофитной линии. У хлорофитов есть четкое разделение на
эвгленовые, зеленые и харовые водоросли. Правда, последние два отдела по
многим системам объедены в один отдел. Но если оставить в стороне эвгленовые, то хлорофитная линия монофилетична. Хромофитная линия включает все водоросли, содержащие кроме хл а еще хл с. Во многих зарубежных
классификациях все представители водорослей, имеющие хл с объединены в
один отдел Chromophyta.
22
Открытие разных типов тонкой структуры хлоропластов у красных,
криптофитовых, зеленых водорослей и представителей хромофитной группы
(динофитовые, золотистые, желто-зеленые, диатомовые, бурые), коррелирующих с составом фотосинтетических пигментов, послужило основанием для
предположения о нескольких независимых актах симбиогенеза между гетеротрофными организмами и фотосинтезирующими прокариотами - предшественниками хлоропластов эукариотических растений. Описание нового отдела прокариотических водорослей (первичных зеленых) послужило новым подтверждением предположения о независимом возникновении симбиогенным путем различно окрашенных фотосинтезирующих эукариот. В связи с
открытием нуклеморфа возникло предположение, что предшественниками
хлоропластов эукариот могли быть не только прокариотические, но и эукариотические внутриклеточные симбионты типа одноклеточных красных водорослей. Предполагают, что предшественниками хлоропластов красных водорослей, обладающих фикобилиновыми пигментами, были синезеленые,
зеленых водорослей и всех зеленых растений, для которых характерно наличие хлорофиллов а и b — прохлорофитовые, криптофитовых - одноклеточные красные водоросли, а представителей желтой пигментной группы неизвестные в настоящее время прокариотические фотосинтетики с хлорофиллами а и с.
Данные биохимии и молекулярной биологии в значительной степени
подтверждают выводы, основанные преимущественно на результатах исследований морфологии, цитологии и ультраструктуры. Новая информация
по мере поступления постепенно включается в филогенетические схемы.
Классификационные (и филетические) схемы для водорослей зависят
от значения, придаваемого различиям в пигментации или особенностям жгутиков. Схема, принятая у Саута и Уиттика, предполагает раннюю дивергенцию между формами, синтезировавшими хлорофилл с (хромофитами), с одной стороны, и хлорофилл b (хлорофитами) — с другой. Однако это расхождение должно было произойти после появления жгутиков — ключевого события в ранней эволюции эукариот. Как указывал Кавалье-Смит, основная
адаптивная радиация, связанная с появлением главных групп эукариот (растений и животных), произошла на стадии одноклеточных жгутиковых. Жгутик - достаточно сложная и при этом стабильная структура (особенно в
строении базального тельца и 9+2 аксонемы), чтобы служить надежным
признаком родства. Другие характеристики жгутиков (например, корни,
внешние особенности, расположение и число) часто объединяют между собой несколько крупных групп и указывают на их связь при наличии общих
модификаций.
Как пигменты, так и особенности жгутикового аппарата, по-видимому,
мало изменились при переходе от одноклеточных к многоклеточным растениям, и можно с большими основаниями считать, что многоклеточные фор-
23
мы возникли в ходе эволюции неоднократно. Таким образом, при рассмотрении филогении водорослей (кроме багрянок) особенности жгутиков и
пигментов (с сопутствующими им цитологическими и биохимическими признаками) чрезвычайно важны при установлении связей и различий на уровне
классов и, в конечном счете, при построении филогенетических деревьев.
Додж (цит. по Саут, Уиттику, 1990), исходя из эндосимбиотической
гипотезы, предлагал три или четыре отдельные линии зукариот, идущие от
предковой прокариоты. Хромофитную и хлорофитную линию он сохранял:
симбиоз красных водорослей и криптофитов дал хромофитную линию, а
прохлорофитоподобный предок, став зндосимбионтом предкового жгутиконосца дал хлорофитную линию. Только динофиты остаются в стороне, и для
их образования требуется «поздняя» эндосимбиотическая интеграция примнезиофита, золотистой водоросли и предкового жгутикового. Реальной
хронологической последовательности событий не предложено, и в этой схеме столько же неясностей, сколько и в строго аутогенной; однако она демонстрирует, насколько различны могут быть взгляды на филогению водорослей в зависимости от исходных предпосылок.
Взаимосвязи основаны, прежде всего, на сходстве в пигментном составе, типе жгутикового аппарата, клеточных покровах и основных запасных
продуктах. Все классы, за исключением золотистых водорослей, повидимому, представляют собой четкие эволюционные линии, хотя следует
помнить, что построения эти в значительной степени фенетические.
Что касается хромофитной линии, там не все однозначно. Из всех водорослей четко выделяются рафидофитовые и криптофитовые водоросли,
потому, что у них кроме хлорофиллов а и с есть еще фикобилины, что их
тесно роднит с красными и синезелеными водорослями. Остальные группы
водорослей содержат только хлорофиллы а и с, зато большое разнообразие
ксантофиллов.
Мелкониан предлагает детальную гипотетическую филетическую схему которая интерпретирует накопленную к настоящему времени информацию об особенностях жгутиковых корней. Предполагаются четыре эндосимбиоза: внедрение в гетеротрофного жгутиконосца эукариотной зеленой водоросли (приведшее к эвгленовым), зеленой прокариоты типа Prochloron
(приведшее к зеленым), синезеленой прокариоты (приведшее к Glaucophyceae) и красной водоросли (приведшее к Cryptophyceae). Эта схема, как и все
прочие, ставит много вопросов, исходит из ряда недоказанных предположений и лишена какой-либо временной шкалы. Она не отрицает обычно признаваемых родственных связей между современными группами, хотя отличается в деталях их трактовки.
Все существующие в настоящее время системы водорослей, несмотря
на их огромное разнообразие, имеют одно общее свойство. Все они являются
иерархическими, имеют древовидный (или вееровидный) характер и основа-
24
ны на принципе монофилии. Э. Майр утверждает, что монофилия является
одним из постулатов эволюционной систематики. Однако признание синтезогенеза как одного из путей эволюции органического мира, возможности
недивергентного происхождения таксонов в результате гибридизации, горизонтального переноса генов или симбиогенеза приведет к необходимости пересмотра формальной структуры системы на принципиально новой основе.
Хотя многие, схемы различаются в деталях, в целом сложилось единство
мнений относительно наиболее существенных аспектов эволюции водорослей:
- так, признаются отдаленность багрянок от остальных эукариот,
- изолированность эвгленовых, динофитов и криптофитов,
- четкая граница между хромофитами и хлорофитами,
- происхождение наземных растений от древних зеленых водорослей.
Лекция 5. Уровни организации таллома. Морфологический параллелизм
К числу основных понятий современной биологии принадлежит понятие
об уровнях организации живых объектов (как сложных динамических систем
взаимосвязанных элементов), характеризующихся определенной целостностью и качественным своеобразием. Чаще всего выделяют следующие уровни
организации живой материи: атомарный, молекулярный, доклеточный, клеточный, органный, организменный, популяционный, экосистемный (ценотический), биосферный. Когда рассматривают водоросли, то в основном, говорят о
молекулярном, клеточном, организменном, популяционном, ценотическом
уровнях организации живой материи.
В организменной форме организации живого, исходя из современных
данных, целесообразно выделять доклеточный (в частности вироидный),
прокариотический и эукариотический уровни организации и в их пределах
различать свои иерархические ряды строения живых объектов. Большинство
водорослей относится к эукариотическому уровню организации, или ступени эволюции, и только отделы синезеленых (Суаnophyta) и первичных
зеленых (Prochlorophyta) водорослей — к прокариотическому. Особи прокариотических и эукариотических водорослей нередко живут одиночно, но
очень часто образуют разнообразные соединения, в том числе колонии. Степень целостности и обособленности этих соединений может меняться в процессе жизненного цикла водорослей и зависит от условий окружающей среды. В связи с этим существенное значение приобретает проблема уровня индивидуальности водорослей. Этот вопрос подробно рассмотрен на примере
Суаnophyta Н.В. Кондратьевой .
Понимание организации крайне важно при рассмотрении эволюции и
классификации водорослей. Морфологическая эволюция имела тенденцию
25
идти в разных отделах водорослей параллельно. Предполагается, что от одноклеточных предков сходные ряды этапов могли привести к колониальным,
нитчатым и в некоторых случаях сифональным типам в каждой из филогенетических линий. В одних отделах это развитие далеко не зашло (или более
продвинутые формы утрачены), в других весь морфологический спектр
представлен ныне живущими видами (например, среди зеленых водорослей).
Рассмотрим ступени морфологической дифференциации у водорослей, принятых у русских систематиков (Водоросли, 1989, Горбунова, 1991):
1. Монадная организация характеризуется активной подвижностью с помощью жгутиков. Она присуща, прежде всего, одноклеточным жгутиконосцам, которые являются начальными звеньями эволюции многих отделов
водорослей. Разновидность монадной организации – подвижные (с помощью жгутиков) колонии и ценобии (ценобии – колонии водорослей, в
которых число клеток постоянно на протяжении всей жизни). У выше организованных водорослей монадной структуры обладают лишь клетки,
служащие для размножения – бесполого (зооспоры) и полового (гаметы)
2. Ризоподиальная (амебоидная) организация наблюдается у некоторых лишенных твердой оболочки форм, которые развивают цитоплазматические
отростки – ризоподии. (У золотистых Chrysoamoeba radians).
3. Пальмеллоидиый (гемимонадный), или капсальный, тип организации
представлен неподвижными, одетыми оболочками или голыми клетками, погруженными в общую слизь. Такие слизистые талломы имели различные размеры и очертания. (Asterococcus).
4. Кокоидная организация характеризуется неподвижными, одетыми оболочками-клетками, одиночными или соединенными в колонии и ценобии
(хлорелла, целяструм, диатомовые и др.)
5. Нитчатая (трихальная) ступень организации представлена клетками, соединенными в нити, простые или разветвленные. Клетки нити непрерывно делятся поперечными перегородками, обуславливая этим ее нарастание в длину. (Anabaena, Ulothrix)
6. Гетеротрихальный или разнонитчатый тип организации сложнее предыдущего и характеризуется двумя системами нитей, стелющими по субстрату и отходящими от них вертикальными нитями (у зеленых, бурых,
красных, желтозеленых)
7. Пластинчатая (тканевая), паренхиматозная организация также легко выводится из нитчатой: в результате делений клеток нити не только в поперечном, но и в продольных направлениях возникают талломы в виде паренхиматозных пластинок. (Тканевая структура представлена у бурых,
красных и зеленых водорослей)
8. Сифональная, или сифоновая организация отличается отсутствием поперечных клеточных перегородок, так что талломы часто крупных размеров
и со значительной внешней дифференцированной формально представ-
26
ляют собой одну клетку с непрерывной вакуолью клеточного сока и
обычно большим количеством клеточных ядер. В этом случае часто говорят о неклеточном строении. Перегородки в таком слоевище могут появляться лишь случайно, при его повреждении или при образовании репродуктивных органов. В обоих случаях процесс образования перегородок
отличается от известных способов их формирования у многоклеточных
растениях. Возникновение этого типа структуры привело к формированию
крупных таксонов, представители которых, особенно в прошедшие геологические эпохи, получили широкое распространение в моря и океанах
всего мира. Однако это направление морфологической эволюции водорослей оказалось тупиковым, не выдержавшим конкуренции с магистральным
эволюционным путем, возникшим на основе вегетативного деления клеток
9. Сифонокладальная организация отличается от сифоновой тем, что сифоновый в начале таллом рано или поздно делится на многоядерные участки, или сегменты. Основным признаком сифонокладального типа структуры является способность к образованию из первичного неклеточного
слоевища в результате сегрегативного деления сложно устроенных слоевищ, состоящих из первично многоядерных сегментов. Характерной особенностью сегрегативного деления, лежащего в основе формирования сифоиокладального слоевища, является разобщенность процессов митоза и
цитокинеза. Сифонокладальный тип структуры известен лишь у зеленых
водороелей (кладофора). Направление морфологической эволюции, возникшее на базе сегрегативного деления, хотя и привело к формированию
новых крупных таксонов и завоеванию новых биотопов и экологических
ниш, но все же оказалось еще одной побочной, тупиковой, ветвью морфологической эволюции растений
Перечисленные ступени организации таллома наиболее полно представлены в отделах зеленых, золотистых, желто-зеленых и динофитовых водорослей. В этих отделах типы организации таллома кладутся в основу деления на порядки, последовательность которых в каждом отделе отражает
действительную картину его филогенетического развития.
Для эвгленовых водорослей, помимо монадной, пока не установлены
другие ступени дифференцировки таллома. Наоборот, у бурых водорослей
неизвестны примитивные одноклеточные представители, здесь преобладают
высшие ступени морфологической дифференцировки таллома - гетеротрихальная и тканевая.
Поскольку начальные ступени эволюции во многих отделах водорослей представлены довольно сходно устроенными монадами (различающимися однако, по окраске, продуктам метаболизма и строению жгутиков), параллельный ход эволюции в разных отделах водорослей объясняется параллельным развитием из монадной, остальных типов морфологической организации таллома.
27
Усложнение строения и переход к многоклеточности сопровождались
потерей подвижности в вегетативном состоянии. Исходная монадная организация сохранялась только у репродуктивных клеток, и то не всегда. При
этом подвижная монадная стадия, все более сокращаясь, удержала основные
черты родоначальной формы. Вот почему монадные репродуктивные клетки
водорослей из разных отделов столь полно воспроизводят признаки, присущие одноклеточным монадным представителям данного отдела.
Другой причиной обусловившей параллельное развитие разных групп
водорослей, могло быть однообразие водной среды по сравнению с местообитаниями суши, что и определило более однотипный ход эволюции у водорослей по сравнению с ходом эволюции у организмов, покинувших водную среду.
Рассматривая различные типы структуры вегетативного тела водорослей, мы видим, что каждый из них более или менее полно представлен в
нескольких отделах водорослей. Этот факт рассматривают как доказательство морфологического параллелизма в эволюционном развитии различных таксономических групп водорослей. Идея параллельного развития
водорослей, получившая широкое признание после работ А. Пашера, опубликованных в первой половине XX в. заключалась в том, что различно
окрашенные водоросли, берущие начало от разных предков, в своем эволюционном развитии проходили сходные этапы — ступени морфологической
дифференциации слоевища.
Дальнейшее развитие учение Пашера получило в работах Ф. Е.
Фритча, М. М. Голлербаха и В. И. Полянского, А. В. Топачевского, Н.В.
Кондратьевой и других, и впоследствии было подтверждено результатами
биохимического изучения и данными о тонкой структуре клеток водорослей. Это учение было крупным теоретическим обобщением и сыграло определяющую роль в систематике водорослей. И в настоящее время филогенетическое древо на уровне водорослей изображают в виде нескольких параллельных стволов.
Явление морфологического параллелизма в мире водорослей универсально: оно проявляется как на одном и том же структурно-эволюционном
уровне в пределах разных эволюционных стволов, так и на разных структурно-эволюционных уровнях в пределах одной и той же эволюционной ветви,
у близкородственных и неродственных организмов, в наследственной и
модификационной изменчивости. Возникновение множественных параллелизмов могло быть обусловлено, с одной стороны, общностью первичных
исходных форм, с другой,— влиянием сходных экологических условий
(Кондратьева, 1986)
Широкое распространение морфологического параллелизма в мире водорослей является существенной помехой в их классифицировании и
идентификации, так как морфологически сходные организмы могут принадле-
28
жать к филогенетически отдаленным систематическим группам. Полому в
некоторых случаях использование для целей систематики наиболее удобных и доступных морфологических признаков недостаточно; их приходится сочетать с менее удобными, более трудоемкими, но зато более надежными дополнительными тестами и критериями.
Лекция 6. Размножение водорослей и эволюция жизненных циклов
Размножение растений, в частности водорослей связано с появлением
в процессе эволюции важнейших двух процессов деления: митоза и мейоза.
Эволюция митоза была сопряжена с развитием ядра. Хотя имеются фундаментальные различия между экзогенной и аутогенной схемами, объясняющими эти процессы. Первая предполагает, что митоз предшествовал
мейозу и формирование ядра, по-видимому, зависело от симбиотнческого
события, приведшего к эволюции митохондрий. Однако Кавалье-Смит
придерживается мнения о параллельном развитии митоза, клеточного деления и мейоза (т.е. микротрубочек веретена, ядерной оболочки и борозды деления), считая, что половой процесс появился в эволюции эукариотных клеток очень рано, еще до завершения развития ядра.
Размножение у водорослей может происходить тремя способами: вегетативным (деление клеток пополам, фрагментами колоний и нитей, специализированными структурами – клубеньками у харовых), собственно бесполым (подвижными зооспорами и неподвижными апланоспорами) и половым
путем с участием гамет или без образования гамет, путем слияния ядер вегетативных клеток.
Почти все одноклеточные водоросли способны размножаться простым
делением. Клетка делится надвое, обе дочерние клетки - тоже, и этот процесс в принципе может идти до бесконечности. Особый случай - клеточное
деление у диатомовых. Их панцирь состоит из двух створок (гипотеки и эпитеки), входящих друг в друга. Каждая дочерняя клетка получает одну родительскую створку, а вторую достраивает сама, причем любая из них становиться эпитекой. В результате чего у диатомеи происходит уменьшение размеров клеток в течение вегетационного периода.
Собственно бесполое размножение осуществляется с помощью зооспор или неподвижных спор, возникающих внутри вегетативных клеток
или особых органов - зооспорангиях или спорангиях путем деления их содержимого. Вскоре после выхода в воду через отверстия в стенке спорангия
зооспоры сбрасывают жгутики, покрываются клеточной оболочкой и может
находиться в состоянии покоя. После длительного или короткого периода
покоя развивается зрелая водоросль.
29
При половом размножении у водорослей формируются мужские и
женские половые клетки (гаметы). Мужская гамета сливается с женской, т.е.
происходит оплодотворение, и образуется зигота. Последняя, обычно после
периода покоя, длящегося в зависимости от вида водорослей от нескольких
недель до нескольких лет, начинает расти и дает в конечном итоге взрослую
особь. Гаметы сильно варьируют по размерам, форме и подвижности. У некоторых водорослей мужская и женская гаметы структурно сходны, а у других четко различаются, т.е. представляют собой спермии и яйцеклетки. Таким образом, половое размножение водорослей имеет множество форм и
уровней сложности.
Половой процесс возможен в трех формах: изогамия, при которой
происходит слияние подвижных гамет одинаковых по размеру и форме. Гетерогамия, при которой сливаются подвижные гаметы, имеющие одинаковую форму, но отличающиеся по размерам, оогамия, когда сливается неподвижная крупная женская гамета – яйцеклетка с мелким подвижным сперматозоидом. У некоторых зеленых водорослей половой процесс осуществляется в форме коньюгации.
У одних водорослей одна и та же особь дает гаметы или споры в зависимости от возраста и условий окружающей среды. У других – функции полового и бесполого размножения выполняют разные особи. В таком случае,
растения, на котором развиваются органы бесполого размножения называются спорофитами, а те, на которых развиваются половые органы – гаметофитами. Эти два поколения в цикле развития организма могут сильно отличаться по структуре или, наоборот, быть внешне очень похожими друг на
друга.
Половой процесс невозможен без мейоза и раздельнополых специализированных клеток – гамет. Развивалась ли раздельнополость (мейоз и
сингамия) постепенно или более или менее одновременно с эукариотным
состоянием, ее появление было основным этапом на пути к сосудистым
растениям. Эволюция различных эукариот стала возможной за счет процессов расхождения хромосом, рекомбинации и естественного отбора.
Неизвестно, когда возникла раздельнополость, но биогеологические
данные свидетельствуют, что она существовала уже 700 млн. лет назад,
когда в ископаемых остатках появляются первые Metazoa. Обсуждение
конкретного возраста этого явления возвращает нас к дебатам относительно экзогенной и аутогенной теорий эволюции эукариот. Учитывая палеонтологические данные и сведения о цитологии, молекулярной биологии и физиологии ныне живущих организмов, Клауд представляет аргументы в поддержку взглядов Кавалье-Смита о более или менее одновременном возникновении митоза и раздельнополости. Такое заключение согласуется с биогеологическими данными о том, что митоз и мейоз суще-
30
ствовали уже 1,3 млрд. лет назад. а также с выводом Шопфа о возможном
появлении раздельнополости ранее 1000 млн. лет назад.
Эукариотная раздельнополость обеспечила прогрессивное развитие
от клеток к тканям и органам. Хотя нет адекватных палеонтологических
находок для большинства современных классов водорослей, возможно,
они обособились в ходе эволюции эукариотного состояния; однако разделились ли основные группы до или после появления раздельнополости,
неясно. Например, эвгленовые, у которых полностью отсутствует половое размножение, могли либо возникнуть до его появления, либо утратить его впоследствии Половое размножение, несомненно, привело к увеличению разнообразия организмов и в целом ускорило процесс эволюции.
Следствием развития раздельнополости было сохранение у ранних
водорослей как диплоидной, так и гаплоидной фаз; возможно, первоначально обе они были одноклеточными. Последующая эволюция в направлении усовершенствования обеих фаз или только одной из них привела к
крайне разнообразным жизненным циклам и у наиболее продвинутых форм
к чередованию поколений: гаплоидных гаметофитов, дающих гаметы, и
диплоидного спорофита, образующего споры. Четких ископаемых свидетельств того, как и когда происходило это развитие, нет, хотя анализ
ныне живущих форм показывает четыре основных пути эволюции в зависимости от момента мейоза в жизненном цикле.
Цитологическую и морфологическую последовательность событий,
происходящих при половом воспроизведении, обычно называют жизненным
циклом. (Иногда этим термином обозначают более широкое понятие, которое может быть определено как сумма адаптаций организма к выживанию и
размножению. Сюда относятся физиологические и экологические моменты,
например распределение ресурсов между ростом и размножением. Полные
жизненные циклы многих водорослей воспроизведены в культуре, но только
для некоторых из них получены цитологические данные, включая уровень
плоидности и место мейоза. Хромосомы водорослей обычно мельче, чем у
цветковых растений, и точный подсчет их сложен. Прямые количественные
определения ядерной ДНК с помощью микроспектрофотометрии и особенно
использование ДНК-специфичных флуорохромов — весьма перспективные
методы, уже использовавшиеся для регистрации изменений в уровне плоидности.
Одним из наиболее важных аспектов полового процесса – место место
мейоза в жизненном цикле по отношению к сингамии. У водорослей он может происходить:
- при прорастании зиготы, являющейся единственной диплоидной фазой (зиготический мейоз);
- при образовании спор, прорастающих затем в гаплоидное растение, на котором путем митоза образуются гаметы (спорический мейоз);
31
- при образовании гамет, которые являются единственной гаплоидной фазой
(гаметический мейоз);
- при вегетативном делении клеток, за которым не следует немедленного образования спор или гамет. В результате одна часть таллома является гаплоидной, а другая – диплоидной (соматический мейоз).
Жизненные циклы водорослей классифицируются в соответствии с
местом мейоза, т.е. подразделяются на зиготический, спорический, гаметический и соматический.
Зиготические жизненные циклы обычно считают примитивными; чаще
всего они встречаются среди одноклеточных таксонов и их колониальных
или пальмеллоидных сородичей. Спорический жизненный цикл включает
обычно диплоидную спорообразующую фазу, спорофит, и, как правило, гаплоидную гаметообразующую, гаметофит. Периодическое их повторение
друг за другом называют чередованием поколений. Фазы изоморфны, если
идентичны по вегетативной морфологии, и гетероморфны, если внешне различны.
Известны и водоросли с несходными морфологическими фазами,
имеющими одинаковый набор хромосом (т.е. между ними нет сингамии или
мейоза); это явление называют плейоморфизмом. Эволюцию и успех таких
гетероморфных/плейоморфных видов связывают с использованием различных физиологических возможностей разных форм. Кроме того, морфологически редуцированные фазы менее подвержены выеданию растительноядными животными, чем вертикальные мясистые талломы. Возможно, лучше
избегать термина «чередование поколений» при обсуждении жизненных
циклов водорослей, поскольку строгое чередование происходит далеко не
всегда. Многие виды способны размножаться в одной или обеих фазах бесполыми спорами, у других наблюдаются плейоморфные смены. Также неоправданно использование этого термина в отношении тех багрянок, у которых
в обычную гаплоидно-диплоидную последовательность вклинивается вторичная диплоидная фаза карпоспорофита (Саут Уиттик, 1989, Жизнь растений, 1977).
Гаметические жизненные циклы, которые присущи также животным и
оомицетам, встречаются у водорослей нечасто и, по-видимому, возникли в
разных их группах независимо. Соматический мейоз еще более редок и достоверно известен только у Prasiolales (Chlorophyceae) и некоторых пресноводных представителей Batrachospermales (Rhodophyceae) .
Соматические жизненные циклы с мейозом, происходящим в вегетативной клетке и непосредственно не ведущим к образованию спор или гамет, по-видимому, встречаются в нескольких группах водорослей, но достоверно установлено только у прозиолы и у некоторых багрянок. У празиолы
клетки в верхней части пластины могут делиться мейотически, а затем мито-
32
тически, давая мозаичные участки парных мужских и женских гаметангиальных зон.
Это считалось свидетельством генотипического определения пола при
мейозе. Однако у некоторых видов показано, что любая клетка, возникающая при мейозе, способна дать как мужские, так и женские гаметангии. Высвобождение гамет облегчается разрушением гаметангиальных стенок. Сингамия оогамная: двужгутиковый спермий оплодотворяет яйцеклетку. Один
жгутик утрачивается, а другой сохраняется и перемещает зиготу перед ее
оседанием и прорастанием в новый таллом. Саутом и Уиттиком предложена схема этапов эволюции основных типов чередования поколений у водорослей.
Все эти стадии в разной степени сохраняются у современных видов. В первую очередь, возможно, возник зиготический мейоз, давший начало двум другим его типам: гаметическому и спорическому. Гаметический путь привел к диплоидным организмам, а спорический - к чередованию поколений. Дальнейшая эволюция чередования поколений дала его
изоморфный и гетероморфный типы. В последнем случае была возможность усовершенствования либо гаметофитного, либо спорофитного поколения.
Оба этих пути привели к появлению наземных растений, но именно
водоросли (и животные) с доминированием диплоидной фазы приобрели
относительно сложные ткани, органы и физиологические процессы, необходимые для адаптации к суровым экологическим требованиям наземного
существования. Четвертый вариант смены ядерных фаз, дикарион, не
встречается у водорослей и известен только у некоторых грибов. Он
представляет собой задержку кариогамии после плазмогамии или соматогамии (слияния талломов), в результате чего совместимые ядра попарно
располагаются в цитоплазме, не сливаясь до образования спор. Происхождение этого механизма неясно.
Лекция 7. Принципы и методы систематики водорослей. Современное состояние систематики водорослей
Систематика — это наука о многообразии организмов и их совокупностей. Основной ее задачей является построение такой системы, которая, основываясь на данных всего комплекса биологических наук, по возможности
правильно отражала бы реально существующее в природе разнообразие организмов и, вместе с тем, облегчала бы понимание взаимосвязей между их
группами, в том числе филогенетических. Предметом систематики являются
организмы и группы сходных и (или) родственных организмов (популяций,
таксонов разного ранга), рассматриваемые с точки зрения построения их системы (классификации). В связи с этим к методам систематики относятся ме-
33
тоды классифицирования (систематизации) живых объектов (в том числе
математические), а также способы анализа результатов применения этих методов.
В понимании терминов систематики имеются существенные разногласия. Это касается уже самих понятий «систематика», «таксономия», «класификация», нередко сопровождаемых различными определениями и приставками (биосистематика, геносистематика, фенетическая и филогенетическая систематика, хемосистематика, нумерическая таксономия и др.). Вероятно, правы те авторы, которые рассматривают систематику, как единую
широкую науку, включающую таксономию в качестве особого раздела, основной задачей которого является разработка принципов и правил классифицирования (систематизации) организмов и построения их классификаций
(систем).
При проведении работ в области систематики следует отличать, с одной
стороны, термины «систематизация» и «классифицирование» (как логические операции, процессы) от терминов «система» и «классификация» (т. е. логических конструкций, возникших в результате процессов систематизации и
классифицирования), а с другой стороны— процесс классифицирования от
процесса систематизации (систематизирования), представляющего собой более высокий (по сравнению с классифицированием) этап упорядочивания
знаний о разнообразии организмов.
Классифицирование (ведущее к построению классификации) можно
понимать не только как деление (разбиение) множеств объектов на подмножества, но и как типизацию, при которой одни (обычно впервые описанные
объекты) условно воспринимаются как «типичные» а остальные сравниваются
с ними и в случае сходства объединяются в одну группу с «типичными».
Все до сих пор построенные «системы» водорослей фактически являются классификациями. Только наиболее удачные из классификаций (отражающие те или иные существующие в природе закономерности) несут определенные черты систем, трактуемых с позиций системного подхода.
Результаты классифицирования кладут в основу соответствующих
справочных пособий, позволяющих определять (идентифицировать) систематическое положение изучаемых организмов, дать им определенные наименования, что облегчает взаимопонимание исследователей. Однако систематику
организмов нельзя воспринимать только как вспомогательную науку, концентрирующую наши знания о многообразии организмов и их совокупностей
и создающую таким образом источник сведений о свойствах и названиях
таксонов водорослей. Она является «теоретической (и в некоторых своих
разделах даже метатеоретической) наукой, которая имеет большое методологическое значение для развития других биологических дисциплин, играет
существенную роль в интеграции, а также в становлении новых знаний и
способна влиять на мировоззрение ученых».
34
За весь период развития систематики живых организмов существовало
пять теорий классифицирования: эсенциализм (типология), номинализм, эмпиризм, кладизм и эволюционизм. Сейчас господствуют три подхода: фенетический, основанный на сходстве исследуемых объектов без учета их родства,
филогенетический (кладистический) и эволюционный. Большинство современных альгологов-систематиков являются сторонниками эволюционной
теории классификации. Однако на деле, в практической работе, по крайней
мере, в большинстве случаев, все еще продолжают применять типологический подход (типизацию), используемый, правда, уже на других, материалистических, основаниях, так как нередко именно он оказывается единственно
возможным и доступным. И только после вычленения таксонов и построения
предварительной классификации начинают обсуждать вероятные родственные связи между теми или иными группами организмов. Принятие эволюционного подхода не исключает возможности использования (в качестве исходных данных) результатов применения фенетического подхода, при котором широко используют методы числовой (нумерической) таксономии.
В систематике водорослей различают таксономические группы организмов (таксоны) тех же основных категорий (рангов, уровней иерархической
классификации), что и в систематики высших растений.
Подавляющее большинство диагнозов таксонов и таблиц для их определения, входящих в общеизвестные пособия для идентификации водорослей, базируются на морфологических данных (полученных на субклеточном, клеточном и индивидуальном уровнях), иногда сопровождаемых
некоторыми другими сведениями и обычно не опирающихся на результаты
математического анализа. При построении схем, отражающих вероятные пути исторического развития водорослей, альгологи особое значение придают
данным о составе пигментов фотосинтетического аппарата водорослей,
представлениям об основных формах строения их тела, явлениям параллелизма, особенностям онтоморфогенеза, т. е. рядам морфологического прогресса и др. Этот подход (при посильном учете экологических и палеоальгологических сведений) используется и сейчас. Однако в наши дни в процессе классифицирования и построения филогенетических схем водорослей
исследователи все чаще стремятся к использованию новейшей информации
о водорослях, полученной методами разных наук, и прежде всего, в результате электронно-микроскопических и биохимических исследований. При
классифицировании диатомовых и динофитовых водорослей все чаще используют методы сканирующей микроскопии, при классифицировании и
построении филогенетических схем зеленых водорослей стремятся к учету
сведений о тонком строении подвижных стадий, а также клеток в состоянии деления и в интерфазе, при исследовании генетических связей прокариотических водорослей учитывают сведения о гомологической последовательности РНК; в ряде случаев основываются на результатах электрофоре-
35
тического анализа и др. Филогения водорослей уже изучается на молекулярном уровне. Вместе с тем в систематических и филогенетических исследованиях водорослей продолжают использовать и традиционные методы,
прежде всего морфологические. Систематики все более осознают необходимость использования при классифицировании водорослей комплексных
критериев и установления корреляционных связей между признаками, что
может содействовать созданию филогенетической системы этих организмов.
Далее кратко рассмотрим обзор важнейших современных систем водорослей. Общее число видов водорослей насчитывает около 35 тыс., поэтому необходимо иметь удобную классификацию водорослей, отражающую
филогенетический подход. Для современной альгологической систематики
характерно множество разнообразных систем. Даже на самых высоких таксономических уровнях царств (надцарств, подцарств), отделов и классов
систематики не могут прийти к единому мнению. Некоторые ученые вообще
отказываются от таких таксономических категорий как надцарство, царство,
подцарство и отдел. В последнем случае, в качестве наивысшей таксономической категории принимается класс.
Предложено множество филогенетических схем для водорослей.
Практически все они учитывают биохимические признаки (например, пигментацию в сочетании с цитологическими и морфологическими особенностями, хотя некоторые, например, Доджи опираются лишь на морфологические и ультраструктурные характеристики или (например, Реген и др.) только на биохимические данные. Клейн и Кронквист дали исчерпывающий
сравнительный обзор биохимических, микроморфологических и физиологических аспектов филогении водорослей, построив полный набор филетических схем, основанных на индивидуальных признаках. Филогению можно
также выводить, исходя только из одного признака (например, митоза или
жгутикового аппарата или фоточувствительного аппарата). Построения могут быть ограничены объемом отдельной группы (например, эвгленовыми).
В современной альгологической систематике наблюдаются две противоположные тенденции: с одной стороны, тенденция к сокращению количества отделов и умножения количества классов, с другой,— к увеличению
числа отделов и уменьшению классов. М. Шадефо впервые выдвинул; концепцию четырех отделов водорослей, относящихся к двум царствам Эту
концепцию принял Т. Христенсен .Однако системы этих двух авторов неидентичны, они различаются, как номенклатурно, так и по систематическому статусу отдельных таксонов, например, по положению Euglenophycea: у
М. Шадефо этот класс отнесен к отделу Chromophyta, у Т. Христенсена — к
Chlorophyta. Концепцию четырех отделов (но без выделения царств) принимают также Б. Фотт и Ф. Гиндак с соавторами. Однако объем отделов
Chromophyta и Chlorophyta у этих авторов не одинаков.
36
Что касается классов, то большинство современных авторов следует
системе А. Пашера. Пашеровская концепция классов, которая выдвигала
требование единообразия таких признаков, как пигментация, характер запасных продуктов, строение монадных клеток, и допускала неограниченные
вариации в строении таллома, сохранилась и до настоящего времени. Принятие этой концепции не препятствует объединению и расчленению конкретных классов системы Пашера в соответствии с новыми данными по
биохимии и цитологии водорослей. В последнее время установлен ряд новых классов (у желто-зеленых, золотистых), однако основные классы системы Пашера остались прежними.
Мнения сильно разделяются, когда речь идет о стволах или отделах
водорослей. Число последних варьирует от: 4 до 10-12. Эти колебания определяются тем, какое место н системе занимают харовые водоросли, каким
образом группируются классы, характеризующиеся желто-бурой окраской,
и отношением авторов к синезеленым водорослям. Согласие достигнуто в
отношении красных водорослей. Эвгленовые водоросли также во многих
системах относят к отделу Euglenophyta. Окрашенные в зеленый цвет водоросли с крахмалом в качестве запасного продукта в одних системах распределяются между 2 отделами: Chlorophyta и Charophyta, как это делал и Пашер), однако многие авторы включают харовые водоросли в качестве класса, а в некоторых системах как порядок в отдел Chlorophyta, а в системе Зерова (1972) большой ствол Chlorophyta объединяет не только все окрашенные в зеленый цвет водоросли, но и высшие растения.
Тенденция к объединению многочисленных классов водорослей в немногие крупные группы еще ярче выражена в одной из более поздних работ М. Шадефо. Автор рассматривает три большие группы водорослей, не
придавая им статус отдела или таксона иного ранга: 1) архаическую цианородофициевую, объединяющую два класса прокариотических и два класса эукариотических подорослей, 2) хромофициевый цикл и 3) хлорофициевую ветвь.
Еще большее разнообразие наблюдается в системах разных авторов
относительно группирования классов водорослей, имеющих золотистобурую окраску. Еще в 1914г. Пашер впервые обратил внимание на ряд
сходных признаков у золотистых, желто-зеленых и диатомовых водорослей.
Эти сходные признаки следующие:
I) состав пигментов с преобладанием ксантофиллов над хлорофиллами;
2) запасные продукты: хризоламинарин, масло, отсутствие крахмала;
3) оболочки, состоящие из двух и более частей;
4) часто окремнение клеточных покровов;
5) сходство монадных клеток;
6) образование особых эндоплазматических цист.
37
На основе сходства этих признаков Пашер счел эти группы родственными и объединил их в один большой отдел Chrysophyta, что было примято
в большинстве систем зарубежных авторов. Однако в русской альгологической литературе, каждому из указанных выше классов соответствует отдел.
В системе Д. К. Зерова 11 отделов, отнесенных к двум царствам —
Ргосагуоtа и Еuсагуоta. В последнее время описан или выделен из состава
других отделов ряд новых отделов: Ргосhlorophytа, Нарtорhyta, или
Ргуmnesiophyta, Eustigmatophyta, Chlorarachniophyta, Zygnematophyta
Особое место занимают синезеленые водоросли. Синезеленые водоросли были выделены из зеленых, и во многих системах фигурируют как
класс. Однако в последнее время их сближают с дробянками и относят к
царству прокариот. Синезеленые водоросли стали называть синезелеными
бактериями - цианобактериями и в некоторых системах низвели их до ранга
класса (класс синезеленые фотобактерии в отделе Protobacteria наряду с
классами красные и зеленые фотобактерии) или даже порядка и выдвинули
требование подчинить номенклатуру Cyanophyta правилам Международного
кодекса номенклатуры бактерий.
Против этих предложений выступили многие альгологи, в том числе и
русские, например Н. В. Кондратьева (1981), подчеркивающие существенные различия между этими двумя группами, и то, что синезеленые водоросли до сих пор подчинялись Международному кодексу ботанической номенклатуры, по которому создание нового таксона в случае водорослей базируется на латинском описании, сопровождаемом рисунками и фотографиями. Подчинение же синезеленых кодексу номенклатуры бактерий означало бы необходимость описания новых таксонов синезеленых водорослей
(и пересмотр более 2000 уже описанных таксонов) на основании чистых аксеничных культур. Последние известны сейчас для сравнительно очень немногих синезеленых водорослей. Кроме того, использование штаммов синезеленых (как того потребовал бы кодекс номенклатуры бактерий) в качестве
номенклатурных типов видов, затрудняется способностью многих синезеленых водорослей при определенных условиях задерживать свое развитие на
промежуточных стадиях, а также вероятностью появления мутаций под воздействием экстремальных факторов, используемых при очистке культур.
Адаптация бактериологического кодекса к синезеленым водорослям сделала
бы невозможным какое-либо экологическое исследование их в природе.
Очевидно, что кроме учтенных различий, основанных на пигментации,
имеется много других морфологических, цитологических и физиологических расхождений между классами (отделами), которые позволяют с большим основанием полагать, что построенная схема действительно отражает
важнейшие точки дивергенции в эволюции водорослей. Однако интерпретировать такую в основном фонетическую схему следует с осторожностью,
поскольку она не может служить доказательством того, что эволюционный
38
процесс происходил во времени именно так, а не иначе. Тем не менее, общие
направления, по которым шли эволюция водорослей, определены ею довольно четко.
Сведений об известных ископаемых остатках водорослей для большинства классов очень мало, и хорошо представлены только известковые
или окремнелые (например, диатомен) формы, а остальные группы известны главным образом по фрагментам очень немногих видов. Поэтому построение филогенетического дерева водорослей, правильно отражающего
их эволюционное прошлое, крайне затруднено.
Таким образом, для современной систематики водорослей характерно
наличие множества систем, различающихся между собой в большей или
меньшей степени даже на самых высоких таксономических уровнях. Еще
больше разногласий существует на более низких уровнях. Нередко один и
тот же таксон (харовые) в одном и том же объеме рассматривается то в качестве отдела, то в качестве класса, то как порядок. Различный таксономический ранг придается диатомовым, желто-зеленым, золотистым, рафидофитовым и многим другим систематическим группам водорослей. Иногда в работах одного и того же автора, опубликованных в разные годы, принимаются
различные системы. Наблюдается переоценка систематических признаков и
критериев. Все большее значение, особенно на уровне высших таксонов, приобретают биохимические и ультраструктурные признаки. Одновременно наблюдается снижение таксономического уровня значимости морфологического критерия. Продолжается интенсивный процесс описания новых таксонов и
переведения некоторых ранее описанных в синонимы. Существенные изменения предлагают внести в классификацию зеленых, диатомовых, динофитовых и других групп водорослей. Так, зеленые растения (Chlorophyta в широком понимании) предлагают выделить в самостоятельное царство Viridiplantae, в пределах которого рассматривают шесть отделов; четыре из них (Charophyta, Prasinophyta, Ulvophyta, Chlorophyta) объединяют водоросли, а два
(Вгуорhyta и Tracheophyta) — высшие растения.
Филогенетические системы, основанные на новых принципах, подчас
кажутся парадоксальными или преждевременными, так как филогенетическая
значимость используемых при их построении признаков нередко остается неясной или недостаточно большим оказывается объем проведенных исследований. Многообразие существующих систем водорослей допускает определенную степень свободы их выбора при проведении исследований несистематического профиля.
Причины нестабильности альгологической систематики кроются,
прежде всего, в неразработанности общей теории систематики как науки, в
частности, в отсутствии общепринятого понимания сущности основных таксономических категорий. Известно, что «Международный кодекс ботанической номенклатуры» утверждает лишь названия таксономических единиц и
39
их последовательность в иерархической системе таксономических категорий, но не дает толкования их сущности, их оперативных определений.
Обычно в систематических работах содержание основных таксономических
категорий не обсуждается, а описание новых или ревизия уже существующих таксонов проводится без достаточно четкого определения позиций авторов относительно принципов выделения и сущности основных таксономических единиц. Однако без такого обсуждения работа систематика приобретает
стихийный, интуитивный характер, а предлагаемые системы являются недостаточно обоснованными. Все еще недостаточно разработаны вопросы о
специфике вида в альгологии как основной таксономической единицы, о
принципах внутривидовой классификации, особенностях процессов макрои микроэволюции.
Нестабильность современной альгологической систематики обусловлена также информационным взрывом, наблюдающимся в XX ст. в связи с
внедрением новых методов исследования: электронно-микроскопических,
биохимических, физиологических, генетических и других, со стремлением к
использованию в филогенетических и систематических целях всей суммы
информации о водорослях, полученной с помощью разнообразных методов
исследования.
Лекция 8. Фотосинтетические пигменты водорослей. Хлорофилл как
показатель фотосинтетической и дыхательной активности фитопланктона
Водоросли относятся к фотосинтезирующим автотрофным организмам, использующим солнечную энергию для создания органических соединений из двуокиси углерода и воды, при этом энергия солнечного света превращается в химическую энергию. О6щие положения физиологии фотосинтеза вы изучили в курсе «Физиология растений».
Фотосинтетические реакции в клетках эукариот происходят в высокоспециализированных органеллах - пластидах или хлоропластах, которые состоят из мелких мембранных образований (гран), имеющих слоистую (ламеллярную) структуру. В ламеллах и вокруг них локализованы фотосинтетические пигменты. Мембраны состоят из субъединиц или физиологических
единиц фотосинтеза, включающих определенное количество молекул хлорофиллов, каротиноидов, а также белки, липиды, цитохромы и некоторые
металлы.
У синезеленых водорослей, которые относятся к прокариотам, фотосинтезирующие структуры организованы проще: они представляют собой
сферические частицы хроматофоры, содержащие пигменты, фосфолипиды и
весь набор ферментов, необходимых для фотосинтеза. У представителей
этого отдела пигменты организованы в фикобилисомы, которые занимают
40
периферическое положение относительно мембраны тилакоида; у синезеленых велика доля хлорофилла хл а, связанного с фотосистемой I (ФС1), и отсутствуют белки светособирающего комплекса ФС11.
Фотосинтез начинается с поглощения квантов света пигментами тилакоидных мембран. Существует три класса фотосинтетических пигментов:
зеленые - хлорофиллы, желтые - каротиноиды, синие и красные - фикобилины. Все растительные фотосинтезирующие клетки содержат хл а, называемый основным пигментом.
Присутствие остальных фотосинтетических пигментов, которые относятся к вспомогательным или дополнительным, специфично для различных
систематических групп. Примерно треть общего количества хлорофилла у
высших растений и зеленых водорослей составляет хл b. В клетках диатомовых, золотистых, динофитовых, криптофитовых и бурых водорослей содержится хл с. Дополнительные пигменты не участвуют в фотосинтетических реакциях, но им принадлежит роль дополнительных светосборщиков,
передающих поглощенную световую энергию хлорофиллу а, благодаря чему более полно используется видимый спектр. Эффективность передачи
этой энергии для многих каротиноидов не превышает 50%, для фукоксантина, перидинина, а также хл b она может достигать 100%.
Свойства хлорофилла были изучены русскими учеными М.В. Ненцким, К.А. Тимирязевым, М.С. Цветом, структура установлена немецкими
исследователями Р. Вилыптеттером, Г. Фишером и подтверждена Р. Вудвордом, осуществившим в 1960 г. синтез этого пигмента.
Хлорофиллу принадлежит основная роль в фотосинтезе как пигменту,
поглощающему солнечный свет. До 1910 г. в науке бытовало мнение, что в
каждом отдельно взятом растении имеется множество различного рода хлорофиллов и что царство растений представляет собой склад неограниченного числа хлорофиллов. Если бы эта теория была верна, было бы очень трудно определить химическую природу фотосинтеза, поскольку данные, полученные в результате опытов над одним видом растений, могли бы не иметь
никакой ценности для других видов.
Основной вклад в решение данной проблемы внесли немецкие ученые
Р. Вильштеттер и его ученик А. Штолль. Они показали, что у всех видов
хлорофилла существует одна основная структура − тетрапиррол, или соединение четырех пиррольных колец, связанных центральным атомом магния.
Таким образом, они продемонстрировали наличие во всем мире одной фундаментальной структуры хлорофилла и сделали вывод, что при фотосинтезе
повсюду происходят одни и те же химические реакции.
Окончательно определил структурную формулу хлорофилла немецкий
химик Х. Фишер в опытах с последовательным разрушением молекул пигмента. Свое открытие он сделал с помощью правильного теоретического
предположения и “удачной” практической находки. Он догадался, что вер-
41
ной является одна из 14 возможных структур хлорофилла. Чтобы сэкономить время, он предложил каждому из 14 студентов в рамках учебного практикума осуществить один из вариантов опыта. У студента под условным номером 9 получился искомый результат, за который ученый в 1930 г. получил
Нобелевскую премию. Поделился ли ей ученый со студентами, неизвестно,
однако поражает степень доверия и “чистота” работы обычных немецких
студентов первой половины XX в.
Хлорофилл представляет собой сложный эфир двухосновной кислоты,
метилового спирта и высокомолекулярного непредельного спирта фитола.
Молекула пигмента состоит из порфиринового ядра с атомом магния в центре, связанного с четырьмя пиррольными кольцами; кроме них имеется одно
циклопентановое кольцо. Пиррольные кольца расположены в виде макроциклической структуры, в которой четыре центральных атома азота координационно связаны с ионом магния, образуя устойчивый комплекс.
Липидные свойства хлорофилла - растворимость в жировых растворителях обусловлены наличием фитола. Расщепление сложноэфирной связи
между карбоксильной группой и фитольным остатком происходит под действием фермента хлорофиллазы. При удалении фитольной цепи образуется
хлорофиллид а - промежуточное соединение биосинтеза хлорофилла. Порфириновое ядро отвечает за адсорбционные свойства хлорофиллов, фитольная цепь хл а и хл b обеспечивает включение этих пигментов в тилакоидную
мембрану, хл с не содержит фитольной группы, в результате чего его молекулы обладают меньшими размерами и более гидрофильны по сравнению с
хл а или хл b.
Состав каротиноидов многообразен (в общей сложности в природных
системах идентифицировано около 500 желтых пигментов) и также специфичен. Эти пигменты образуются dе поvо только у растений и фотосинтезирующих бактерий. Животные приобретают каротиноидную пигментацию
при потреблении пищи, изменяя структуру пигментов за счет их окисления
пищеварительными ферментами. Растительные каротиноиды выполняют
светособирающую, светозащитную и стабилизирующую функции, предохраняя хлорофилл от фотоокисления. Содержание желтых пигментов у
большинства водорослей возрастает при ярком свете, создавая «защитный
экран» или эффективный химический «гаситель» в фотоокислительных реакциях.
Каротиноиды подразделяются на относящиеся к углеводородам каротины и продукты их окисления, включающие молекулы кислорода, ксантофиллы. Все они в основном поглощают свет в |синей области спектра, при
этом максимумы поглощения разных пигментов не совпадают. У синезеленых, красных и криптофитовых водорослей найдены синие пигменты фикоцианины, красные фикоэритрины и пурпурные аллофикоцианины, относящиеся к билипротеинам и состоящие из белка и простетической группы. Все
42
три типа билипротеинов присутствуют у большинства представителей названных отделов; у первых преобладают фикоцианины, у вторых - фикоэритрины. Простетические группы этих пигментов прочно связаны с белком,
что обусловливает хорошую растворимость фикобилинпротеидов в воде.
Фикобилины поглощают световую энергию в широкой полосе зеленой
и желтой области спектра и с небольшими потерями передают ее хлорофиллу. Различные спектральные типы билипротеинов имеют таксономическую
принадлежность, поэтому к их названию добавляют латинскую букву С, R
или В от названия соответствующего отдела водорослей - Cyanophyta, Rhodophyta, Bangiophyceae (подкласс красных водорослей).
Пигменты фотосинтеза в хлоропластах растений организованы в два
функциональные ансамбля, называемые фотосистемами (ФС) I и II, каждая
из которых сопряжена с определенной цепью переноса электронов. Светособирающие комплексы фотосистем представляют собой надсемейство хлорофилл-связывающих белков, которые входят в состав мембран тилакоидов
у всех фотосинтезирующих эукариот. Обе пигментные системы участвуют
во втором этапе фотосинтеза, в результате которого осуществляется перенос
водорода, образующегося при фотолизе воды, на промежуточные продукты,
возникающие в процессе превращения СО2 в углеводы. Адсорбционные полосы хл а в интактной клетке формируются несколькими типами хлорофилл-белкового комплекса, максимумы поглощения которых немного смещены. In vivo существует, по крайней мере, четыре спектральные формы хл
а с различными фотохимическими функциями и низкотемпературными (при
77 °К) максимумами поглощения при 662, 670, 677 и 684 нм. Существование
разных спектральных форм хл b и хл с не выявлено. Молекулы хл b в двух
пигментных системах по-разному связаны друг с другом и другими соединениями. Формы с максимумами поглощения более 680 нм (так называемый
Р700-хлорофилл-белковый комплекс) относятся к ФС1. Этот комплекс обязателен для осуществления фотосинтетических реакций и присутствует у
всех фотосинтезирующих организмов. Реакционный центр ФСП содержит
специфическую форму хл а (Р680), поглощающую при 680 нм.
Оптические свойства хлорофилла в ацетоновом экстракте изменяются
по сравнению с его нативной формой. Эти изменения связаны с нарушением целостности хлорофилл-белково-липидного комплекса тилакоидов. Отделенный от хлоропласта и протеина мембран при экстрагировании хл а характеризуется двумя максимумами поглощения, расположенными в красной
и синей областях спектра около 663-665 и 430 нм. У дополнительных хлорофиллов пики несколько смещены в адсорбционном окне: у хл b они соответствуют длинам волн 643 и 435 нм, у хл с - 630 нм.
Состав фотосинтетических пигментов зависит от систематической
принадлежности водорослей. Одну из первых схем филогенетических связей
между отделами водорослей не только по морфологическим, но и физиоло-
43
гическим критериям, основанным на различиях пигментного состава, приводит Т.В. Седова (I977), выделяя прокариоты (синезеленые и динофитовые) в
основной ствол, включающий все остальные отделы.
Дальнейший анализ качественного состава фотосинтетических пигментов, который, в частности, приведен в монографии Г.К. Барашкова
(1972), позволяет учесть тип светособирающего хлорофилл-белкового комплекса и участие в функции светосбора билипротеинов. Три большие группы водорослей включают: Chlorophyta, Euglenophyta (хл а/b); Bacillariophyta,
Phaeophyta, Dinophyta и Chrysophyta (фукоксантин - хл а/с); Cyanjphyta,
Cryptophyta, Rhodophyta (фикобилинпротеины). Н.А. Гаевский (2003) выделяет четыре типа хлорофилл-белковых комплексов, содержащих соответственно хл а, хл а/b, хл а/с и хл а/d, подразделяя их на шесть групп в зависимости от присутствия фукоксантина или фикобилинов (табл. 1).
Хлорофилл как показатель биомассы фитопланктона. Содержание
хлорофилла (хл) позволяет выражать биомассу водорослей (В) в единицах
важнейшего компонента растительной клетки и широко используется для
оценки обилия фитопланктона. Неоспоримое преимущество «хлорофильного» метода определения биомассы заключается в его простоте, экспрессности и более высокой (по сравнению с микроскопическим учетом водорослей)
воспроизводимости результатов.
Таблица 1
Состав пигментов у основных групп водорослей (Гаевский, 2003)
Отделы водорослей
Зеленые, харовые, эвгленовые
Желтозеленые, рафидофитовые
Диатомовые, динофитовые, золотистые, бурые
Криптофитовые
Красные
Синезеленые
Состав пигментов
хл а/b
хл а/с
хл а/с + фукоксантин
хл а/с + фикобилины
хл а/d + фикобилины
хл а + фикобилины
Соотношение между содержанием хлорофилла и биомассой фитопланктона подробно обсуждается в литературе уже давно. Н.М. Минеева
приводит тот факт, что удельное содержание хлорофилла в единице биомассы (хл/В) колеблется в широких пределах (табл. 2). Судя по коэффициентам
вариации, наиболее изменчивы предельные значения хл/В, более устойчивы
- средние.
Таблица 2
Содержание хлорофилла в единице сырой биомассы (хл/В, %) (Минеева, 2004)
44
Показатели
Пределы
Среднее
Минимальные
Максимальные
Средние
0.02-1.90
0.12-9.70
0.10-3.20
0.30±0.06
1.74±0.31
0.53±0.08
Коэффициент вариации, %
120
137
96
Она приводит анализ литературных данных где предполагается, что
выделить водоемы с низким или высоким отношением хл/В невозможно, т.к.
на этот показатель оказывают влияние многие факторы. Это состав альгоценозов, величина биомассы, физиологическое состояние популяций, обеспеченность водорослей минеральным питанием, световой режим, сезон года,
время суток, температурные условия. По-видимому, содержание хлорофилла
в клетках водорослей определяется всем комплексом лимнических условий,
так как влияние большинства названых факторов в природе неотделимо друг
от друга.
Зависимость хл/В от содержания биогенов предполагает изменение
этого показателя в водах разной трофии. Такая тенденция, отмечается, в частности, для озер Карельского перешейка и подтверждается при осреднении
данных (табл. 3).
Таблица 3
Содержание хлорофилла в единице сырой биомассы (хл/В) водоемов различного трофического типа (в скобках коэффициент вариации, %) (Минеева, 2004)
Трофический тип
водоемов
Олиготрофные
Мезотрофные
Эвтрофные
Высоко эвтрофные
хл/В, %
Минимальное
0.11±0.01 (68)
0.15±0.02 (59)
0.14±0.01 (59)
0.23±0.03 (73)
Максимальное
0.46±0.04 (54)
1.06±0.12 (65)
1.04±0.14 (75)
2.51±0.55 (126)
Среднее
0.18±0.01 (10)
0.40±0.03 (48)
0.39±0.04 (61)
1.03±0.18 (99)
Отношение хл/В становится выше в мезотрофных водоемах но сравнению с олиготрофными и в высоко эвтрофных по сравнению с эвтрофными
при отсутствии достоверных различий между мезотрофными и эвтрофными.
Все это четко прослеживается и для предельных, и для средних значений
хл/В. Увеличение хл/В сопровождается ростом его вариабельности, о чем
свидетельствуют коэффициенты вариации средних, достигающие максимума в высокоэвтрофных водах. Сходны средние показатели для олиготрофных и мезотрофных водоемов.
45
Самые противоречивые мнения существуют о зависимости отношения
хл/В от состава фитопланктона. Различия этого показателя у водорослей
разных отделов хорошо прослеживаются на культурах: минимальная величина хл/В (0.37-0.62%) получена для синезеленых водорослей, более высокая (0.43-0.81%) для диатомей, максимальная (1-2%) для зеленых. В природных сообществах это выражено нечетко, однако чаще всего увеличение хл/В
также отмечается при высоком относительном обилии зеленых водорослей.
Сделано заключение, что в водоемах умеренной зоны состав альгоценозов
не оказывает существенного влияния на показатель хл/В, по крайней мере,
при доминировании представителей основных отделов водорослей - диатомовых, синезеленых, динофитовых и криптофитовых. Это подтверждается
многими исследованиями. Если же такая численность и существует, то ее
эффект перекрывается влиянием более сильных факторов. Свой отпечаток
может накладывать разнообразие абиотических условий, формирующих
среду обитания гидробионтов в водоемах разного типа и разных природноклиматических зон, а также известный «парадокс планктона» (Хатчитсон,
1961), который проявляется в одновременном сосуществовании в сообществах большого числа видов.
Хлорофилл как показатель фотосинтетической и дыхательной активности фитопланктона. Как только ученым стали доступны способы определения содержания хлорофилла, было введено понятие ассимиляционного числа (АЧ) − показателя удельного по хлорофиллу фотосинтеза. Ассимиляционное число рассчитывается по формуле
АЧ=Р/Схл,
где Р- фотосинтетическая продукция (мг О2/ (м3·ч)), Схл – концентрация
хлорофилла (мг/м3). Исходно предполагалось, что АЧ − относительно постоянная величина, особенно при оптимальном освещении, и определение концентрации хлорофилла достаточно для оценки всей фотосинтетической продукции.
Однако еще в 1918 г. Р. Вильштеттер и А. Штоль провели подробные
сравнительные исследования по физиологии фотосинтеза и показали, что
прямой связи между содержанием хлорофилла и интенсивностью фотосинтеза нет. Поэтому они сделали вывод о том, что использовать хлорофилл для
оценки продуктивности растений проблематично. Однако гидробиологи не
прислушались к Р.Вильштеттеру и А. Штолю. В практику гидробиологических исследований ассимиляционные числа были введены в 1941 г. Маннингом и Джеди. К тому времени уже началось широкое применение АЧ для
оценки фотосинтетической продукции фитопланктона, инициатором которого был известный гидробиолог Э. Науманн. Действительно, было установлено, что для фитопланктона АЧ не является константной величиной и может
варьировать в пределах двух порядков. Большой разброс АЧ связан с тем,
что хлорофилл не единственный растительный пигмент, поглощающий свет.
46
В этом процессе участвуют так называемые дополнительные пигменты, например каротиноиды. Однако на практике выяснилось, что варьирование АЧ
невысоко для водоемов одного типа (например, гиперэвтрофных). Другими
словами, если известен тип водной экосистемы, то АЧ можно использовать
для ориентировочных оценок первичной продукции фитопланктона. Поэтому данный расчетный метод до сих пор используется в гидробиологической
практике.
В современной продукционной гидробиологии все чаще оперируют
величинами АЧ, полученными при различных условиях среды, времени экспозиции, а также физиологическом состоянии и составе фитопланктона, что
придает им экологический смысл (Винберг, 1960; Ковалевская, 1979; Ведерников, 1982). Ассимиляционную активность хлорофилла обычно рассматривают в работах по первичной продукции, связывая с АЧ закономерности
подводного фотосинтеза. Специальных исследований, посвященных АЧ, немного (Пырина, 1967; Ковалевская, 1970, 1979; Михеева, 1970, 1977; Ведерников, 1976, 1978, 1981, 1982; Си-гарева, 1984; Кожова, Паутова, 1985; Возняк, Кобленц-Мишке, 1987; Гольд и др., 1996; Финенко и др, 2002). Вопрос о
связи фотосинтеза с содержанием хлорофилла так или иначе затрагивается в
работах И.Л. Пыриной с соавторами (1981); Н.М. Минеевой (1982, 1990а, б,
1993), Л.Е. Сигаревой и Н.М. Минеевой (1985), в которых обсуждается
влияние сезонного и температурного фактора, обилия водорослей, трофии
водоема на АЧ.
С помощью соотношения интенсивности аэробной деструкции и содержания хлорофилла (Ro/Хл) можно оценить дыхательную активность
планктона. Этот показатель назван респираторным числом (Сиротский,
Медведева, 1996). Такой подход дает ориентировочные представления о дыхательном потенциале сообщества, в котором гетеротрофной активностью
обладают не только бактерии, но и водоросли (Гольд и др., 1993; Ильяш,
1998, 2002).
Лекция 9. Фотосинтез синезеленых водорослей. Эволюция фотосинтеза. Использование органических соединений. Фотогетеротрофия
Несмотря на удивительное многообразие жизненных форм растений,
подавляющее большинство из них объединяет уникальная особенность, которая определяется способом их питания. В отличие от животных организмов и многих бактерий, использующих для своей жизнедеятельности готовые органические соединения, у растений выработалась в ходе эволюции
способность использовать для питания такие полностью окисленные вещества, как углекислота и вода, и создавать на их основе органические соединения. Процесс этот осуществляется в природе за счет энергии солнечного
света и сопровождается выделением кислорода. Использование световой
47
энергии для биологических синтезов стало возможно благодаря появлению у
растений комплекса поглощающих свет пигментов, главнейшим из которых
является хлорофилл. Процесс светового и углеродного питания растений получил название фотосинтеза и общее уравнение фотосинтеза в литературе
гидробиологического профиля часто представляют так:
СО2 + 2Н2О → (СН2О) + Н2О + О2.
Следует отметить, что данное уравнение неверно отражает характер и направление фотосинтетических процессов. Во-первых, кислород не конечный, а побочный продукт фотосинтеза. Во-вторых, в процессе фотосинтеза
образуются не только углеводы, но и ряд других важнейших неуглеводных
соединений, например аминокислоты, белки, липиды. В-третьих, важную
роль в фотосинтезе играют азот, фосфор, сера, магний, калий, железо, медь,
молибден и другие элементы минерального питания, участвующие как в образовании неуглеродных продуктов фотосинтеза, так и в биосинтезе структур и агентов самого фотосинтетического аппарата, например хлорофилла.
В-четвертых, фотосинтез представляет собой двухстадийный процесс, включающий фотохимические (световые) и нефотохимические (темновые) реакции.
Если у всех эукариот фотосинтез происходит в хлоропластах, то таковой структуры у синезеленых или цианобактерий нет. В группе цианобактерий обнаружены два типа структурной организации фотосинтетического аппарата. У единственного представителя этой группы - одноклеточной цианобактерии Gloeobacter violaceus - нет тилакоидных мембран и типичных
для всех остальных видов фикобилисом. Единственной мембраной является
цитоплазматическая (ЦПМ), не образующая никаких впячиваний в цитоплазму. В ЦПМ локализованы реакционные центры и электронтранспортные
системы фотосинтеза. Фикобилипротеины (фикоцианин, аллофикоцианины
и фикоэритрины) в виде слоя толщиной 50 - 70 нм прилегают к внутренней
поверхности ЦПМ.
Клетки всех остальных синезеленых содержат развитую систему внутрицитоплазматических мембран - тилакоидов, к наружным поверхностям
которых прикреплены регулярно расположенные дискретные гранулы - фикобилисомы. Их форма, размеры и количество на единицу поверхности
мембраны могут меняться в значительных пределах, но всегда в клетках каждого вида содержатся фикобилисомы одного типа.
Молекулы аллофикоцианина и аллофикоцианина В составляют внутреннее ядро фикобилисомы. К нему примыкают расходящиеся в разные стороны палочковидные образования. построенные из агрегированных молекул
фикоцианина и фикоэритрина, при этом фикоэритрин располагается на периферической части этих структур. У видов, у которых фикоэритрин отсутствует, палочковидные образования состоят только из фикоцианина. Такая
48
организация фикобилисом в наилучшей степени обеспечивает перенос энергии возбуждения в направлении:
Помимо пигментов в составе фикобилисом найдены неокрашенные
полипептиды, необходимые для высокоупорядоченной пространственной
организации фикобилипротеинов в фикобилисоме, а также для прикрепления ее к мембране
В то время как основная масса фотосинтетических пигментов способна только поглощать энергию света и передавать ее соседним молекулам,
небольшая часть молекул хлорофилла участвует в осуществлении фотохимической реакции, т. е. преобразовании электромагнитной энергии в химическую. Процесс этот происходит в реакционных центрах, состоящих из
первичного донора электронов, первичного акцептора и одного или более
вторичных акцепторов электронов. Кроме того, в составе реакционных центров обнаружены молекулы каротиноидов и полипептидов.
При поглощении кванта света реакционным центром первичный донор электронов (Д), которым всегда является длинноволновая форма молекулы хлорофилла, возбуждается, переходит в новое состояние (Д*), в котором становится активным восстановителем, и переносит электрон на первичный акцептор электронов (А). Чтобы предотвратить возвращение электрона на Д+,
вторичный акцептор (В) принимает электрон от первичного акцептора и
стабилизирует таким способом разделение зарядов. Для дальнейшей стабилизации этого разделения вторичный донор электронов (Е), в качестве которого почти всегда выступают цитохромы типа с, отдает электрон на молекулу первичного донора (Д+). Все перечисленные этапы можно суммировать
следующим образом:
Эти реакции происходят в реакционном центре и являются «первичными» химическими реакциями фотосинтеза.
Таким образом, индуцированные светом перемещения электрона в реакционном центре в конечном итоге приводят к переносу его на вторичный
акцептор с отрицательным потенциалом.
Что происходит после того, как вторичный акцептор захватывает электрон? В фотосинтетической мембране в непосредственной близости от реакционного центра локализованы определенным образом ориентированные
переносчики электронов, и по этим переносчикам электрон может возвращаться на "свое" место в молекуле хлорофилла. Последним переносчиком, с
49
которого электроны поступают на хлорофилл реакционного центра, у фотосинтезирующих организмов в большинстве случаев служат цитохромы типа
с. Возвращение электрона — темновой процесс. Электрон перемещается по
цепи переносчиков в соответствии с электрохимическим градиентом. Имеет
место циклический транспорт электронов.
Циклическим электронным транспортом у фотосинтезирующих синезеленых не исчерпываются все возможные пути переноса электронов. Электрон, «оторванный» от первичного донора реакционного центра, может по
цепи, состоящей из других переносчиков, не возвращаться к молекуле хлорофилла, а передаваться на такие клеточные метаболиты, как НАД(Ф)+ или
окисленный ферредоксин, которые используются в реакциях, требующих
восстановителя. Таким образом, электрон, покинувший молекулу хлорофилла, выводится из «системы». Возникает однонаправленный незамкнутый
электронный поток, получивший название нециклического пути переноса
электронов. У пурпурных и зеленых нитчатых бактерий функционирует
только циклический светозависимый поток электронов. У остальных групп
эубактерий, в том числе и синезеленых, фотоиндуцируется как циклический, так и нециклический перенос электронов, при этом у зеленых серобактерий и гелиобактерий оба пути электронного транспорта связаны с функционированием одной фотосистемы, а у синезеленых и прохлорофит циклический перенос электронов зависит от активности I фотосистемы, а для нециклического потока электронов необходимо функционирование обеих фотосистем. Поток электронов по цепи переносчиков на определенных этапах
сопряжен с направленным перемещением протонов через мембрану, что
приводит к созданию протонного градиента, используемого для синтеза
АТФ.
Для протекания процессов биосинтетической природы необходима не
только энергия в форме АТФ, но и восстановитель. Особенно четко потребность в восстановителе проявляется, если основным или единственным источником углерода для конструктивных процессов служит CO2 — предельно
окисленное углеродное соединение. Для превращения углекислоты в структурные компоненты клетки и клеточные метаболиты необходимо ее восстановление до уровня углеводов, белков, липидов. Это же справедливо и при
использовании в качестве источника углерода органических соединений, более окисленных, чем вещества тела, например ацетата.
При циклическом электронном транспорте восстановитель как конечный продукт фотоиндуцированного процесса не образуется, поскольку электрон, покинувший молекулу хлорофилла, в конечном итоге вновь возвращается к ней. Образование восстановителя возможно только на путях нециклического переноса электронов.
У цианобактерий и прохлорофит в результате двух фотохимических
реакций электроны поднимаются до уровня приблизительно — 500 мВ, что
50
делает возможным их прямой перенос на молекулы ферредоксина и НАДФ+.
В группах эубактерий, осуществляющих кислородный фотосинтез, фотоиндуцируются два потока электронов: циклический и нециклический. Циклический перенос электронов, связанный с активностью I фотосистемы, приводит к получению только энергии. При нециклическом электронном транспорте, обеспечиваемом активностью двух последовательно функционирующих фотохимических реакций, на конечном этапе электронного переноса
образуется восстановитель, а на отрезке электронтранспортной цепи между
двумя фотосистемами, где электроны переносятся по электрохимическому
градиенту, имеет место запасание энергии в молекулах АТФ.
Однако окислительно-восстановительный потенциал системы вода —
молекулярный кислород равен+ 820 мВ, из чего следует, что электронная
"вакансия", возникающая, например, в молекуле бактериохлорофилла реакционного центра зеленых серобактерий при нециклическом транспорте
электронов, не может быть заполнена электроном воды (фотоокисленная
форма бактериохлорофилла реакционного центра зеленых серобактерий —
пигмента П840 — имеет окислительно- восстановительный потенциал порядка +250 мВ). Чтобы использование электронов воды стало возможным, необходимо, во- первых, их "оторвать" от молекулы H2O, термодинамически
очень невыгодного донора электронов, и, во- вторых, "поднять" на более высокий энергетический уровень, позволяющий включаться в фотосистему,
описанную выше. Природа решила эти проблемы путем создания дополнительной пигментной системы, обозначаемой как фотосистема II.
Известны две группы эубактерий, у которых фотосистема II уже сформировалась, и процесс фотосинтеза функционирует на качественно ином
уровне. Это синезеленые водоросли и прохлорофиты. Формирование II фотосистемы у них связано с появлением новых фоторецепторов и образованием новых типов фотохимических реакционных центров. Возник новый вид
хлорофилла — хлорофилл а, функционирующий как светособирающий пигмент и в модифицированных формах входящий в состав реакционных центров: II фотосистемы — П680, I фотосистемы — П700. Возникли и новые пигменты антенны: фикобилипротеины и хлорофилл b.
Обнаружено, что в фотоокисленном состоянии хлорофилл a реакционного центра II фотосистемы имеет окислительно-восстановительный потенциал порядка +1000...+1300 мВ, т. е. настолько положительный, что может
быть восстановлен за счет электронов воды. Механизм реакций, связанных с
переносом электронов от молекул воды на П680, неизвестен. Установлено,
что необходимым компонентом системы разложения воды является марганец. Очевидно также, что путь электронов от воды до П680 включает больше,
чем один этап. Таким образом, фотосистема II была достроена к фотосистеме I для того, чтобы стало возможным использование воды в качестве донора электронов. Побочный продукт этого процесса — молекулярный кисло-
51
род. Фотосинтез, осуществляемый при координированном функционировании двух фотосистем и сопровождающийся выделением O2 из воды, стал
одним из основных типов энергетического метаболизма у высших форм
жизни и занимает доминирующее положение в энергетической системе живого мира.
Общая схема фотосинтеза синезеленых водорослей представляет собой определенную серию реакций, включающую две последовательно действующие. Свет, поглощаемый фоторецепторами II фотосистемы — фикобилипротеинами, хлорофиллом a, каротиноидами, — передается на хлорофилл реакционного центра. Поглощение кванта света этим пигментом приводит к отрыву от него электрона и акцептированию молекулой особой
формы пластохинона. Окисленная молекула Лево восстанавливается за счет
электронов воды, подвергающейся фотоокислению в реакционных центрах
фотосистемы II:
Электрон от акцептора II фотосистемы проходит через цепь переносчиков и поступает в реакционный центр I фотосистемы, на фотоокисленную
форму хлорофилла a — пигмент П700 (E0 ~+500 мВ), заполняя электронную
"вакансию" аналогично тому, как это происходит при фотосинтезе зеленых
серобактерий. Перенос электронов от акцептора электронов II фотосистемы
до реакционного центра I фотосистемы — темновой процесс, состоящий из
серии этапов, в которых участвуют переносчики с понижающимися восстановительными потенциалами, такие как цитохромы разного типа, пластоцианин (медьсодержащий белок), пластохинон. Электронный транспорт на
этом участке на определенных этапах сопровождается ориентированным поперек мембраны переносом протонов и, следовательно, генерированием
DmH+, разрядка которого с помощью протонной АТФ-синтазы приводит к
синтезу АТФ.
Поглощение еще одного кванта света молекулой хлорофилла реакционного центра I фотосистемы (П700) приводит к отрыву от нее электрона, перемещающегося против электрохимического градиента, и акцептированию
его молекулой FeS-белка, функционирующего у цианобактерии в качестве
вторичного акцептора электронов I фотосистемы. От FeS-центра электрон
проходит через цепь переносчиков (ферредоксин, флавопротеин) и акцептируется молекулой НАДФ+56. Восстановленные молекулы НАДФ далее используются как доноры электронов в различных биосинтетических процессах и в первую очередь для восстановления CO2.
У синезеленых водорослей два этапа электронного транспорта могут
осуществляться с помощью разных переносчиков: от цитохрома f до П700 с
помощью пластоцианина или при недостатке меди с помощью цитохрома
c553; от FeS до НАДФ+ с участием ферредоксина и флавопротеина или при
52
недостатке железа в среде с участием специфического флавопротеина —
флаводоксина.
Итогом двух фотохимических реакций является создание «ассимиляционной силы» — НАДФ-H2 и АТФ. Конечные продукты фотосинтеза в
этом случае в принципе аналогичны продуктам, образующимся при бескислородном фотосинтезе, за исключением того, что в последнем случае восстановитель находится в форме НАД-H2.
I фотосистема синезеленых водорослей и прохлорофит (как и эубактерий, имеющих только одну фотосистему) фотоиндуцирует также циклический перенос электронов, обеспечивающий клетку энергией
В циклическом потоке электроны, акцептированные FeS-белком, через
цепь переносчиков вновь возвращаются к месту своего старта и заполняют
электронную «вакансию» в молекуле П700. Циклический электронный транспорт сопровождается генерированием протонного градиента и синтезом
АТФ.
Для восстановления 1 молекулы CO2 у фототрофов, имеющих две фотосистемы, необходима энергия 8 — 10 квантов поглощенного света. Эта
величина складывается из следующих значений. Перенос одного электрона
от воды на НАДФ+ требует 2 квантов света. Восстановление молекулы
НАДФ+ происходит с использованием 2 электронов, т. е. 4 квантов света.
Для ассимиляции 1 молекулы CO2 в восстановительном пентозо-фосфатном
цикле необходимы 2 молекулы НАДФ-H2, т. е. 8 квантов света. Кроме восстановителя в процессе ассимиляции CO2 используется энергия в виде АТФ.
В нециклическом электронном транспорте наряду с НАДФ-H2 при переносе
2 электронов синтезируются предположительно 2 — 3 молекулы АТФ. Ассимиляция 1 молекулы CO2 в восстановительном пентозофосфатном цикле
требует 3 молекул АТФ.
Таким образом, нециклическая электронтранспортная система способна или целиком обеспечивать ассимиляцию CO2 в восстановительном пентозофосфатном цикле энергией, или для этого нужны дополнительные молекулы АТФ. Последние могут быть получены в циклическом процессе при
затрате дополнительных квантов света.
Восстановительный пентозофосфатный цикл является основным механизмом автотрофной ассимиляции углекислоты. Последняя у большинства
фотосинтезирующих эубактерий восстанавливается с помощью фотохимически образованной «ассимиляционной силы» — АТФ и восстановителя.
Однако и АТФ, и восстановитель (НАДФ-H2 или НАД-H2) образуются в разных метаболических путях. Поэтому нельзя рассматривать восстановительный пентозофосфатный цикл ассимиляции CO2 строго привязанным только
к фотосинтезу. У большой группы хемоавтотрофных эубактерий этот путь
фиксации CO2 сочетается с темновыми окислительными процессами получения энергии. Важно отметить только, что это основной путь ассимиляции
53
CO2, если последняя служит единственным или главным источником углерода.
У цианобактерии обнаружена способность к бескислородному фотосинтезу, связанная с отключением II фотосистемы при сохранении активности I фотосистемы (см. рис. 2.1). В этих условиях у них возникает потребность в иных, чем H2O, экзогенных донорах электронов. В качестве последних цианобактерии могут использовать некоторые восстановленные соединения серы (H2S, Na2S2O3), H2, ряд органических соединений (сахара, кислоты). Так как поток электронов между двумя фотосистемами прерывается,
синтез АТФ сопряжен только с циклическим электронным транспортом, связанным с I фотосистемой. Способность к бескислородному фотосинтезу обнаружена у многих цианобактерии из разных групп, но активность фиксации
CO2 за счет этого процесса низка, составляя, как правило, несколько процентов от скорости ассимиляции CO2 в условиях функционирования обеих фотосистем. Только некоторые цианобактерии могут расти за счет бескислородного фотосинтеза, например Oscillatoria limnetica, выделенная из озера с
высоким содержанием сероводорода. Способность цианобактерии переключаться при изменении условий с одного типа фотосинтеза на другой служит
иллюстрацией гибкости их светового метаболизма, имеющей важное экологическое значение.
Хотя подавляющее большинство цианобактерии являются облигатными фототрофами, в природе они часто находятся длительное время в условиях темноты. В темноте у цианобактерии обнаружен активный эндогенный
метаболизм, энергетическим субстратом которого служит запасенный на
свету гликоген, катаболизируемый по окислительному пентозофосфатному
циклу, обеспечивающему полное окисление молекулы глюкозы. На двух
этапах этого пути с НАДФ-H2 водород поступает в дыхательную цепь, конечным акцептором электронов в которой служит O2.
O. limnetica, осуществляющая активный фотосинтез бескислородного
типа, оказалась также способной в темноте в анаэробных условиях при наличии в среде серы осуществлять перенос электронов на молекулярную серу, восстанавливая ее до сульфида. Таким образом, анаэробное дыхание
также может поставлять цианобактериям в темноте энергию. Однако насколько широко распространена такая способность среди цианобактерии,
неизвестно. Не исключено, что она свойственна культурам, осуществляющим бескислородный фотосинтез.
Другой возможный путь получения цианобактериями в темноте энергии — гликолиз. У некоторых видов найдены все ферменты, необходимые
для сбраживания глюкозы до молочной кислоты, однако образование последней, а также активности гликолитических ферментов низки. Кроме того,
содержание АТФ в клетке в анаэробных условиях резко падает, так что, ве-
54
роятно, жизнедеятельность цианобактерии только за счет субстратного фосфорилирования поддерживаться не может.
У всех изученных цианобактерии ЦТК из-за отсутствия aкетоглутаратдегидрогеназы «не замкнут».
В таком виде он не функционирует в качестве пути, ведущего к получению энергии, а выполняет только биосинтетические функции. Способность в той или иной степени использовать органические соединения для
биосинтетических целей присуща всем цианобактериям, но только некоторые сахара могут обеспечивать синтез всех клеточных компонентов, являясь
единственным или дополнительным к CO2 источником углерода.
Цианобактерии могут ассимилировать некоторые органические кислоты, в первую очередь ацетат и пируват, но всегда только в качестве дополнительного источника углерода. Метаболизирование их связано с функционированием «разорванного» ЦТК и приводит к включению в весьма ограниченное число клеточных компонентов. В соответствии с особенностями конструктивного метаболизма у цианобактерии отмечают способность к фотогетеротрофии или облигатную привязанность к фотоавтотрофии. В природных условиях часто цианобактерии осуществляют конструктивный метаболизм смешанного (миксотрофного) типа.
Некоторые цианобактерии способны к хемогетеротрофному росту.
Набор органических веществ, поддерживающих хемогетеротрофный рост,
ограничен несколькими сахарами. Это связывают с функционированием у
цианобактерий в качестве основного катаболического пути окислительного
пентозофосфатного цикла, исходным субстратом которого служит глюкоза.
Поэтому только последняя или сахара, ферментативно легко превращаемые
в глюкозу, могут метаболизироваться по этому пути.
Одна из загадок метаболизма цианобактерий — неспособность большинства из них расти в темноте с использованием органических соединений.
Невозможность роста за счет субстратов, метаболизируемых в ЦТК, связана
с «разорванностью» этого цикла. Но основной путь катаболизма глюкозы —
окислительный пентозофосфатный цикл — функционирует у всех изученных цианобактерий. В качестве причин называют неактивность систем
транспорта экзогенных сахаров в клетку, а также низкую скорость синтеза
АТФ, сопряженного с дыхательным электронным транспортом, вследствие
чего количество вырабатываемой в темноте энергии достаточно только для
поддержания клеточной жизнедеятельности, но не роста культуры.
Цианобактерии, в группе которых, вероятно, сформировался кислородный фотосинтез, впервые столкнулись с выделением O2 внутри клетки.
Помимо создания разнообразных систем защиты от токсических форм кислорода, проявляющихся в устойчивости к высоким концентрациям O2, цианобактерии адаптировались к аэробному способу существования путем использования молекулярного кислорода для получения энергии.
55
В то же время для ряда цианобактерий показана способность расти на
свету в строго анаэробных условиях. Это относится к видам, осуществляющим фотосинтез бескислородного типа, которых в соответствии с принятой
классификацией следует отнести к факультативным анаэробам. (Фотосинтез
любого типа по своей природе — анаэробный процесс. Это хорошо видно в
случае фотосинтеза бескислородного типа и менее очевидно для кислородного фотосинтеза). Для некоторых цианобактерий показана принципиальная
возможность протекания темновых анаэробных процессов (анаэробное дыхание, молочнокислое брожение), однако низкая активность ставит под сомнение их роль в энергетическом метаболизме цианобактерий.
Конструктивный метаболизм цианобактерий представляет собой шаг
вперед по пути дальнейшей независимости от органических соединений
внешней среды по сравнению с пурпурными и зелеными серобактериями.
Для построения всех веществ клетки цианобактериям нужен минимум простых неорганических соединений: углекислота, самые простые формы азота
(аммонийные, нитратные соли или молекулярный азот), минеральные соли
(источники фосфора, серы, магния, железа, микроэлементов), вода. Цианобактерии не требуют никаких питательных компонентов в восстановленной
форме. Только некоторые морские виды обнаруживают потребность в витамине B12.
Происхождение и эволюция фотосинтеза.Каким же образом возник
процесс фотосинтеза? Что ему предшествовало и к каким последствиям
привело появление этого процесса на Земле?
Согласно общепризнанной в настоящее время эволюционной теории
происхождения и развития жизни, которая более 50 лет назад была сформулирована А. И. Опариным, первичные, способные к самовоспроизводству
живые образования возникли в результате абиогенной химической эволюции. Будучи окруженными близкими по составу, но еще неживыми органическими соединениями, эти первичные существа могли осуществлять в бескислородной среде анаэробный гетеротрофный тип питания с помощью небольшого набора ферментов. В процессе эволюции появилась группа прокариот, относящихся к эубактериям, получающих энергию в реакциях субстратного фосфорилирования и не зависящих от молекулярного кислорода.
Их предки появились на Земле, когда в ее атмосфере отсутствовал O2. Единственным источником свободной энергии, доступным первобытным организмам, была химическая энергия органических молекул, возникших в основном абиогенным путем. Увеличение численности популяций приводило
к возрастанию использования органических молекул в окружающей среде,
которое на определенном этапе стало превышать их накопление. В результате органические вещества постепенно исчерпывались из среды. Постепенное
истощение и деградация органических веществ, синтезированных абиогенным путем, сопровождались накоплением все более окисленных соедине-
56
ний, вплоть до появления наиболее бедного энергией соединения углерода
— углекислоты. Это влекло за собой необходимость все большего и большего совершенствования и усложнения ферментативного аппарата, необходимого для ассимиляции все более окисленных веществ. Создавалась критическая ситуация, вызываемая нехваткой соединений, которые могли бы служить источником свободной энергии для организмов. Перед ними возникла
проблема поиска новых источников углеродного питания и свободной энергии. В энергетическом плане необходимо было найти способ получения
энергии за счет постоянно действующего источника. В этих условиях, которые все еще характеризовались отсутствием в среде кислорода, вполне вероятно возникновение первичных автотрофных организмов, которые осуществляли восстановление углекислоты за счет химической энергии, полученной из минеральных веществ. Такой тип питания получил название хемосинтез. Появление в этот период сильно восстановленных условий привело к
тому, что с химического вида энергии организмы должны были перейти на
световую, возник протейший тип автотрофного питания фоторедукции и
бактериальный фотосинтез. Глобальное значение развившейся способности
использовать световую энергию в том, что фотосинтез — единственный
процесс, приводящий к увеличению свободной энергии на нашей планете.
Таким образом, фотосинтез обязан своим «происхождением» экологическому кризису, возникшему в результате исчерпания на определенном этапе
развития жизни органических ресурсов планеты.
Использование воды в качестве донора водорода привело к тому, что в
процессе фотосинтеза стал выделяться кислород, что, в свою очередь, ознаменовало переход от анаэробной к аэробной жизни на нашей планете.
На эволюционную связь фоторедукции и фотосинтеза может указывать способность ряда синезеленых, зеленых, красных и бурых водорослей
обратимо переходить к фоторедукции при переводе их в анаэробные условия в атмосферу водорода.
Таким образом, фотоавтотрофный тип питания и фотосинтез возникли
в процессе эволюции как «надстройка» над первичным гетеротрофным типом питания. Появление на Земле фотосинтеза было обусловлено всем ходом предшествовавшей биологической эволюции и явилось поворотным
пунктом в переходе от анаэробного к аэробному типу обмена веществ.
Рассмотренная схема дает представление лишь об общих чертах эволюции фотосинтеза и является в значительной степени гипотетической.
Многие этапы эволюции фотосинтеза и тем более ее детали остаются неясными, ряд моментов по-разному интерпретируется учеными.
Неясным, например, остается вопрос о происхождении хлоропластов
высших растений. Существует точка зрения об эндосимбиотическом их происхождении в результате «захвата» первичных фотосинтезирующих организмов, типа современных синезеленых водорослей, гетеротрофным орга-
57
низмом. На такую возможность указывает определенная генетическая автономность хлоропластов, а также подобие их ДНК, ряда важнейших ферментов, свойств рибосом и ряда РНК таковым у прокариотических организмов,
в частности синезеленых водорослей. Вместе с тем имеется и определенная
генетическая подчиненность хлоропласта ядерному геному, что может указывать на «прямую» эволюцию фотосинтетического аппарата современных
растений от первичных фотосинтезирующих организмов. Все эти вопросы
требуют дальнейшего детального изучения механизмов, молекулярной организации, генетического контроля и физиологических свойств фотосинтеза и
его аппарата.
Лекция 10. Фотосинтез эукариотических водорослей.
Продуктивность фотосинтеза
Существует множество вариантов схем трансформации энергии в водных экосистемах. Однако у всех схем есть одно общее - все они начинаются
с первого этапа, где проходит синтез органических веществ с более высокой
потенциальной энергией из веществ с более низкой потенциальной химической энергии под воздействием солнечной энергии. То есть энергия, необходимая для протекания процесса синтеза и аккумулирующая в органическом
веществе в виде химической энергии, поступает от света. Превращение световой энергии в химическую само по себе не является необычным, но продукты большинства фотохимических реакций очень нестабильны, и когда
такие продукты распадаются, энергия теряется, выделяясь в виде тепла.
Уникальное свойство именно автотрофных организмов − способность превращать энергию света в химическую энергию, фиксируя ее в довольно стабильных веществах, которые могут накапливаться в организме до тех пор,
пока они не потребуются. Впоследствии эти вещества распадаются, а энергия утилизируется организмом. Автотрофные организмы настолько рационально решают проблемы эффективного улавливания солнечной энергии, ее
преобразования и запасания в удобной для биологического потребления
форме, что до сих пор не удается воспроизвести основные этапы фотосинтеза в искусственных системах. Познание механизмов фотосинтеза имеет
большое значение для обеспечения человечества необходимой энергией за
счет практически неиссякаемого источника – солнечного излучения, для повышения фотосинтетической продуктивности водных экосистем, играющей
важнейшую роль в обеспечении человечества пищей, для сохранения и развития биосферы.
Прежде чем перейти к рассмотрению методов определения первичной
продукции, необходимо кратко описать процесс фотосинтеза, лежащий в основе создания первичной продукции. Общее уравнение фотосинтеза в литературе гидробиологического профиля часто представляют так:
58
СО2 + 2Н2О → (СН2О) + Н2О + О2.
Следует отметить, что данное уравнение неверно отражает характер и
направление фотосинтетических процессов. Во-первых, кислород не конечный, а побочный продукт фотосинтеза. Во-вторых, в процессе фотосинтеза
образуются не только углеводы, но и ряд других важнейших неуглеводных
соединений, например аминокислоты, белки, липиды. В-третьих, важную
роль в фотосинтезе играют азот, фосфор, сера, магний, калий, железо, медь,
молибден и другие элементы минерального питания, участвующие как в образовании неуглеродных продуктов фотосинтеза, так и в биосинтезе структур и агентов самого фотосинтетического аппарата, например хлорофилла.
В-четвертых, фотосинтез представляет собой двухстадийный процесс, включающий фотохимические (световые) и нефотохимические (темновые) реакции.
О существовании двух стадий при фотосинтезе высказал предположение в 1905 г. английский ученый Ф. Блекмэн. Дальнейшая практика подтвердила, что в процессе фотосинтеза действительно имеются два типа реакций. Ставшие классическими опыты А. Рихтера, Г. Эмерсона и В. Арнольда с прерывистым освещением показали, что темновые реакции протекают
значительное медленнее световых и поэтому часто лимитируют весь процесс
фотосинтеза. Световые реакции протекают так быстро, что у водорослей даже после мгновенного освещения обнаруживается ряд синтезированных
промежуточных органических веществ. Темновые реакции регулируются
ферментами, недостаток которых и может быть причиной лимитирования
фотосинтеза.
Основным итогом фотохимической стадии преобразования энергии
света у выделяющих кислород фотосинтезирующих организмов выступает
фотоперенос электронов от воды к НАДФ+. В этом процессе участвуют две
фотосистемы (ФС-1 и ФС-2), обеспечивая двухступенчатое поступление
энергии для его протекания. Фотосистема 2 осуществляет окисление воды с
образованием молекулярного кислорода, согласно реакции
2Н2О + 4ην →О2 + 4е− + 4Н+,
где ην – квант света, е− – электрон. В результате фотохимического акта
реакционного центра ФС-2 образуется самый сильный биологический окислитель – окисленный хлорофилл, который окисляет воду. Электроны, оторванные от воды, через цепь темновых реакций поступают на ФС-1, использующую их для фотовосстановления НАДФ+ до НАДФН, которая осуществляется с участием специальной энзиматической системы.
Окисление воды, а также перенос электронов от ФС-2 к ФС-1 приводит к возникновению разности концентраций ионов Н+ по обе стороны тилакоидной мембраны, которая, как и в случае митохондрий, необходима для
59
осуществления процесса фосфорилирования – образования АТФ, основного
энергетического эквивалента, используемого в качестве источника энергии в
биологических процессах.
Возникшие в результате фотохимического переноса электронов АТФ и
НАДФН используются для восстановления СО2 с образованием первичных
сахаров, которое в упрощенном виде можно описать следующим образом:
СО2 + 4е− + 4Н+ →(СН2О) + Н2О.
При этом на каждую молекулу СО2 расходуется две молекулы
НАДФН и три молекулы АТФ. Этот процесс, в результате которого «восстановленная» молекула СО2 включается в состав гексозы, осуществляется через ряд стадий с участием цикла энзиматических реакций, получившего название цикла Кальвина по имени его открывателя.
Таким образом, процесс фотосинтеза желательно представлять для эукариот в виде следующей схемы, которая наиболее точно характеризует
процессы, происходящие при фотосинтезе.
О2
Световая фаза
[CH2O]
АТФ
Темновая фаза
солнечный свет
2Н2О
СО2
В пелагиали континентальных водоемов, морей и океанов основная
доля фотосинтетической первичной продукции водоемов создается за счет
жизнедеятельности планктонных водорослей (фитопланктона). Следовательно, когда перед специалистом стоит задача определения биологической
продуктивности конкретного водоема, ключевым этапом работы является
решения проблемы диагностики первичных источников новообразованного
автохтонного органического вещества фитопланктоном. Вклад остальных
возможных источников автохтонного органического вещества (микрофитобентос, макрофиты, фотосинтезирующие бактерии и др.) в большинстве
континентальных водоемах заметно уступает вкладу фотосинтеза планктонных водорослей. Даже в небольших по размерам водоемах с относительно
большой береговой линией фотосинтез фитопланктона − основной источник
органического вещества. Вероятно, по этой причине на заре развития продукционной гидробиологии исследователи начали решать задачу создания
методов определения первичной продукции именно с фитопланктона.
60
До настоящего времени нет оснований для того, чтобы считать фотосинтетический процесс у планктонных водорослей отличным от подобного
процесса у наземных растений или макрофитов. Хотя для водорослей и характерен дополнительный набор пигментов (например, фикобилины), в основе процесса фотосинтеза водорослей лежит хлорофилл а, как и у наземных
растений. Образование органического вещества в результате фотосинтеза у
планктонных водорослей тесно связано с наличием определенных химических элементов в воде. Необходимо отметить, что лимитирующие факторы
для фотосинтеза фитопланктона другие, чем для наземных растений. Например, Н2О, СО2 (в основном бикарбонаты) всегда в избытке находятся в
водоеме, а для наземных растений, как правило, вода и углекислый газ −
факторы, лимитирующие интенсивность фотосинтеза. Однако очень часто
для фитопланктона наступает недостаток азота, который требуется для синтеза аминокислот и их продуктов, или фосфора, который необходим для
синтеза нуклеиновых кислот. В естественных наземных экосистемах лимитирование фотосинтеза из-за недостатка азота и фосфора наблюдается редко.
Пространственная гетерогенность интенсивности фотосинтеза фитопланктона даже у небольшого водоема определяется множеством факторов, среди
которых основными считаются метеорологические, гидрофизические и гидрохимические условия. Варьирование сочетаний этих факторов определяет
уровень новообразованной (или синтезированной) первичной продукции
(ПП).
Продукционную способность водорослей можно определять по газообмену, количеству синтезированных продуктов или количеству энергии,
заключенной в новообразованной биомассе. Методы газообмена основаны
на измерениях количества поглощенного углекислого газа или выделенного
кислорода в единицу времени. Однако следует помнить, что между газообменом и ростом биомассы далеко не всегда обнаруживается четкая корреляция. Измерение газообмена может адекватно отражать фотосинтетическую
деятельность водорослей только в том случае, когда эти измерения кратковременны. Рост биомассы, наоборот, процесс интегральный, требует относительно длительных промежутков при измерении. Поэтому лучше всего фотосинтез оценивать в двух аспектах – как по накоплению биомассы (или
энергии), так и по газообмену.
Предыстория развития методов оценки газообмена начинается с химического метода Винклера, который до сих пор не потерял своей актуальности. Данный метод позволяет определять концентрацию растворенного кислорода по количественной реакции со свежеосажденной гидроокисью Mn
(II). При подкислении соединения марганца более высокой валентности высвобождают йод из раствора в эквивалентных кислороду количествах. Основы метода были впервые описаны в 1888 г. в статье одного из известнейших
немецких журналов. По мере использования этого метода в природных во-
61
дах было отмечено существенное влияние редокс-активных примесей, искажающих результаты определения растворенного кислорода. Несмотря на
это, методическая простота и надежность позволила уже 1925 г. включить
метод Винклера в сборник стандартных химических методов анализа вод.
Обнаруженное влияние редокс-примесей инициировало разработку модификации метода Винклера, некоторые из которых позднее также стали стандартными химическими методами. Развитие альтернативных методу Винклера инструментальных методов определения растворенного в воде кислорода, таких как газометрические и фотометрические, начало осуществляться
в 40-е гг..
В начале XX в. американский ученый датского происхождения Э.
Бердж показал, что суммарное дыхание гидробионтов можно измерить и
данная величина будет интегральной характеристикой всего водоема. Следующим логическим шагом стало определение суммарного фотосинтеза
планктонных водорослей. Это было реально, так как наука физиология растений к тому времени накопила богатый опыт определения фотосинтеза на
уровне клеток, отдельных органов и целых высших растений. Так сложилось, что пресноводная гидробиология (в английской литературе закрепился
термин «лимнология») хотя и медленно, но использовала на практике успехи
других наук, в частности физиологии растений. Впервые A. Пюттер в 1908 г.
предложил для оценки фотосинтетической деятельности фитопланктона использовать прием, который в последствии получил название скляночного
метода. Суть его заключалась в том, что два вида склянок, прозрачные для
света и непрозрачные, заполнялись водой с содержащимися в ней планктонными водорослями и экспонировались на солнце без погружения в водоем.
Через определенное время (например, через сутки) в склянках определялось
содержание кислорода, и по его разнице в прозрачных и непрозрачных
склянках судили об интенсивности фотосинтеза водорослей. В 20-х г. многочисленные последователи А. Пюттера, например Т. Гардер, Н. Гранд, Р.
Мауха, для более точного соблюдения температурных и световых условий
при экспонировании погружали склянки в водоем на разные горизонты и поэтому более адекватно оценивали первичную продукцию. Термина «первичная продукция» в начале века еще не было. Он появился уже в 30-е г., когда
скляночный метод лавинообразно распространился среди исследователей. С
тех пор первичной продукцией называют скорость образования органического вещества автотрофными организмами, отнесенную к единице площади
или объема водоема. Чаще всего ПП выражают как количество О2 или С под
м2 либо в м3 в единицу времени, или как энергию (например, ккал/м2·ч).
Первичную продукцию принято отличать от биомассы (или урожая органического вещества), т.е. количества органического вещества, находящегося в
момент наблюдения на единице площади или объема водоема. Биомасса выражается как правило, в г/м2 или г/м3.
62
В начале 30-х г. немецкий ученый М. Стрэм ввел понятие чистой и валовой продукции, понимая под явлением продукции результат продукционных процессов, т.е. создание органического вещества из неорганического.
Валовая продукция определялась им как сумма всех особей, отродившихся
за определенный промежуток времени, независимо от их дальнейшей судьбы. Чистая продукция − разница между начальным и конечным моментами в
численности организмов. Г.Г. Винберг применил данный подход в отношении первичной продукции и ввел понятие валовой и чистой первичной продукции. Валовой ПП стали называть все новообразованное в результате фотосинтеза органическое вещество, а чистой ПП − разность между валовой
ПП и той ее частью, которая была затрачена в процессе дыхания всем планктонным сообществом. Дополнительно был предложен термин “эффективная
ПП”, т.е. разность между валовой ПП и той ее частью, которая была затрачена в процессе дыхания самими продуцирующими организмами. Очевидно,
что возникновение терминов было напрямую связано с широким распространением скляночного метода.
Еще Е. Стиман-Нильсен предположил, что скляночный метод в радиоактивной модификации дает величины первичной продукции, занимающие промежуточное положение между валовой и эффективной ПП. Причина
заключается в том, что не учитывается часть ассимилированного углерода,
выделяемого водорослями при дыхании. Кроме того, в стандартном исполнении радиоуглеродная модификация скляночного метода не позволяет оценивать прижизненное выделение продуктов фотосинтеза клетками водорослей в воду. В литературе для обозначения данной продукции закрепился, на
наш взгляд, неудачный термин «внеклеточная первичная продукция2. Неудачный он потому, что вне клетки фотосинтетическая продукция не образуется. Эксперименты по сравнению результатов радиоуглеродной и кислородной модификаций проводились многократно, в том числе Г.Г. Винбергом
и В.Л. Калером, Р. Волленвайдером и К. Науверком, В. Роде, Е. СтиманНильсеном. Чаще авторы отмечали значительные расхождения в результатах
двух модификаций скляночного метода. Проблема настолько сложна, что
единого мнения по вопросу адекватности скляночного метода до сих пор
нет.
Часто исследователи подвергают сомнению принцип о том, что различия в дыхании планктонного сообщества в «темных» и «светлых» склянках
несущественны. В 1955 г. канадский исследователь Д. Деккер обнаружил,
что, помимо ночного дыхания, у растений существует еще один, особенный
процесс дыхания – на свету, который позднее получил название фотодыхания. Известно, что фотодыхание у водорослей отличается от темнового дыхания не только местом локализации и временем протекания, но и более
тесной связью с фотосинтетическими процессами. С одной стороны, фотодыхание и фотосинтез – это конкурирующие процессы, например, когда ме-
63
жду молекулами CO2 и O2 идет «борьба» за один и тот же акцептор – рибулозодифосфат. С другой стороны, они взаимодополняющие процессы. Например, если у водорослей возникают «проблемы» с использованием продуктов световой стадии фотосинтеза или с потреблением уже образовавшихся сахаров, то усиливаются фотоокислительные процессы (фотодыхание). В
результате непосредственно из первых продуктов усвоения углекислоты образуются высокополимерные вещества углеводной и белковой природы. Таким образом, как и при фотосинтезе, происходит синтез органического вещества. Физиологическая сущность фотодыхания заключается в использовании продуктов световой фазы фотосинтеза в условиях блокирования темновой фазы, т.е. в защите от фотодеструкции фотосинтетического аппарата.
Неудивительно, что в физиологии растений фотодыхание рассматривается
как необходимая составляющая часть продукционного процесса. Более того,
темновое (или митохондриальное) дыхание также нельзя рассматривать
только со знаком минус для первичной продукции, поскольку дыхание имеет две составляющих: дыхание на поддержание нормального функционирования организма и дыхание на рост. Если первая составляющая действительно потребляет синтезированное органическое вещество, то вторая − его
создает.
На это первым обратил внимание российский ученый В. М. Гольд. Он
предложил считать, что дыхание на рост – это вклад в первичную продукцию, который не учитывается скляночным методом. Его точку зрения подтверждает анализ экспериментальных данных по изучению работы электронно-транспортной цепи митохондрий, проведенный Н.С. Мамушиной с
соавторами, который показал, что функционирование этого этапа дыхания
на свету не только не подавлено, но и целесообразно в качестве дополнительного источника АТФ для клеток, активно синтезирующих сахарозу.
Возникает вопрос: можно ли рассматривать фотодыхание и темновое
дыхание планктонных водорослей как деструктивный процесс? Ответ очевиден: нет. В настоящее время на смену представлениям о конкурентном характере взаимодействия фотосинтеза и дыхания пришли представления о
взаимном дополнении при соучастии этих функций в общем метаболизме
зеленой клетки.
КПД использования световой энергии у водорослей не ниже, чем у
высших растений (по некоторым данным у листьев в среднем 5-10%, у водорослей - 12-15%) или даже выше (растения 0,2-0,3, водоросли 1-2%).
В целом в год на Земле связывается около 155·109 т углерода; из них
61% на суше и 39% - в водных экосистемах, так что и в целом вклад водорослей в первичную продукцию очень велик. По подсчетам некоторых авторов океан дает половину первичной продукции на Земле (на суше одну
треть общей продукции приносят леса, а все пашни - всего около 1/10), так
64
что роль водных экосистем в общем круговороте углерода на Земле бесспорна.
Первичная растительная продукция используется животными или
рыбами. Подсчитано, что это использование очень неполно - всего около
10%. На поддержание постоянной температуры тела у теплокровных (гомойотермных) животных затрачивается много энергии (что сопряжено с
более интенсивным дыханием), так что вторичная продукция в водных экосистемах, где много холоднокровных животных и рыб, значительно экономичнее в энергетическом отношении, чем в наземных. Поэтому в странах с
ограниченными пищевыми ресурсами выгоднее использовать растительную пищу, чем животную, а из последней — рыб и морских животных, добытых в естественных или разведенных в искусственных условиях (в Индии и странах Юго-Восточной Азии основным продуктом питания является
рис, в Японии и Китае в пищу употребляются водоросли, развито разведение растительноядных рыб).
Продуктивности различных районов суши и водных экосистем существенно отличаются между собой, но в целом между продуктивностью
водных и наземных экосистем большой разницы нет, хотя лимитирующие
факторы в каждом случае различны. Наименее продуктивны (менее 1 г/м2
сутки) пустыни (недостаток влаги) и глубоководные открытые пространства рек, озер и океана из-за недостатка биогенных элементов.
Самая высокая продуктивность отмечается для неглубоких хорошо
освещенных водоемов и на границе воды и суши - в эстуариях, коралловых
рифах, источниках. Она сравнима лишь с продуктивностью тропических
лесов, сообществ на аллювиальных почвах, самых интенсивных культур
высших растений (сахарного тростника) и водорослей (5-20 г/м2 сутки).
Максимальная продуктивность наблюдается в широтах 40 - 60°, (антарктические моря и север Тихого океана), повышенная - в умеренных широтах. В приполярных морях продуктивность ограничивается недостатком
света, в тропиках - биогенных элементов. При оптимальных световых условиях в природных популяциях морского фитопланктона продуктивность
составляет в среднем 0,5-15 мг углерода на мг хлорофилла в час, варьируя
от 0,1 до 35 мг С/мг хлорофилла в час.
Таким образом, значение фотосинтеза для экосистемы и в целом для
биосферы является неоценимым и от этого явления в сущности зависит
все гетеротрофное население планеты.
Лекция 11. Азотный метаболизм.
Фиксация молекулярного азота синезелеными водорослями
Круг соединений, которые водоросли могут использовать в качестве источника азота, чрезвычайно широк. Это минеральные источники - мо-
65
лекулярный азот (фиксируют только синезеленые водоросли или цианобактерии), нитрат, гидроксиламин, аммонийный азот. Из органических
веществ ими могут быть мочевина, некоторые аминокислоты (аланин, аспарагин, аспартат, глютамин, гистидин, серии, орнитин, цитруллин,
диаминопимелиновая кислота), гидролизат казеина, азотистые основания
(гипоксантин, ксантин) и продукты их распада (мочевая кислота, аллантоин). Многие аминокислоты могут ингибировать рост водорослей.
Почти все эукариотные водоросли предпочитают аммонийный азот
нитратному за исключением некоторых хламидомонад и Наетаtососсиs,
есть виды, одинаково хорошо растущие на обоих источниках. Использование нитратного азота сопровождается обильным ростом почти всех известных видов цианобактерий, а утилизация остальных источников азота
— более специфичный признак. Хотя ассимиляция аммонийного азота
выгодна энергетически, многие синезеленые водоросли растут на нем
слабо, быстро обесцвечиваются и лизируются. Возможно, это связано
с токсичностью быстро накапливающегося в клетках аммонийного иона
или с происходящим при его потреблении подкислением среды, неблагоприятном для цианобактерий, в то время как при использовании нитрата происходит способствующее их развитию подщелачивание. Хорошее
развитие хлореллы наблюдается при концентрации азота 160 — 1000
мг/л среды. Около 800 мг/л аммонийного азота еще не токсично. Лимитирующие концентрации азота для морского фитопланктона лежат в
пределах 30 -40 мкг/л. Фитопланктон может поглощать нитрат в низкой
концентрации (0,1 мкМ).
При недостатке азота в среде у цианобактерий, как и у растений,
возникает явление азотхлороза, характеризующееся резким снижением содержания основных фотосинтетических пигментов и особенно фикоцианина. При минимальных концентрациях азота (8 мг/л) он используется в
первую очередь на синтез хлорофилла (Гусев, Никитина, 1976). При
нормальном снабжении азотом происходит его накопление в клетках в
виде запасного белка в цианофициновых гранулах и фикоцианина, он может обратимо расходоваться при дефиците азота. В условиях азотного
голодания в клетках Chlorella увеличивается вдвое содержание триглице-ридов, линолевой и линоленовой кислот, а содержание свободных жирных кислот, фосфолипидов и эфиров стеринов уменьшается (Антонян и
др., 1979). Одновременно несколько падает потребление Мg.
Ферменты азотного обмена водорослей индуцибельны и легко поддаются регуляции. Вследствие этого известны случаи конкурентного ингибирования ассимиляции различных источников азота при их одновременном присутствии в среде, например азотфиксации или нитратредукции ионами аммония. Однако проявление этого эффекта зависит от многих других факторов.
66
Цианобактерий сближает с другими прокариотами способность к
фиксации азота. Имеются работы о включении азота и способности к
восстановлению ацетилена в микроаэрофильных условиях у эукариотных зеленых водорослей из горячих источников, однако таких данных
пока еще очень мало и они нуждаются в проверке.
Азотфиксирующие цианобактерий широко распространены в природе и встречаются в почвах (особенно обильно в тропических районах), горячих источниках, в пресных и соленых водоемах со щелочным рН, на рисовых полях, реже в морях. Они найдены также в северных областях, в
Арктике, в Антарктике, часто в симбиотическом состоянии в составе лишайников. В почвах СССР азотфиксирующие цианобактерий распространены повсеместно (более 100 видов). Преобладают Nostoc, АпаЬаепа, Cylindrospermum, То1уроtrix, Са1оthrix (Штнпа, 1969). Естественно, что они
имеют большое значение в обогащении этих мест азотом, а в экосистемах,
бедных органическими веществами, но хорошо освещаемых, где гетеротрофные азотфиксаторы не могут развиваться, играют в связывании азота
атмосферы основную роль.
Размеры азотфиксации, измеренной непосредственно в полевых
условиях, составляют за год в почвах 5 - 10 кг азота на 1 га, в озерах - 8
- 30, в океанах - до 40, а на пойменных участках, по данным Е. М.
Панкратовой (1973), в среднем достигают 26 кг/га. В почвах полярных и субполярных областей Nostoc commune в составе лишайников на 1
м2 за год фиксирует до 170 мг азота. Представители рода Oscillatoria, не
имеющие гетероцист, фиксируют в тропической Атлантике до 100-200
мг/м2 в день. Они встречаются на глубине 15-25 м.
Установлен перенос фиксируемого азота из скоплений синезеленых
водорослей в растения. Полагают, что он может поступать туда из внеклеточных выделений или разрушенных клеток. Положительное действие
синезеленых на корни риса может быть обусловлено не только выделяемыми ими в среду аминокислотами (цистином, тирозином, фенилаланином), но и образуемыми некоторыми видами витамином В12 и ауксиноподобными веществами. Синезеленые водоросли применяют в качестве
азотного удобрения на рисовых полях Индии и Японии. Обработка семян и
проростков риса биомассой и культуральной жидкостью цианобактерий
дает положительные результаты.
Азотфиксирующая активность выявлена более чем у 250 штаммов,
принадлежащих к разным группам фототрофных эубактерий. Примерно
половину из них составляют синезеленые водоросли. Более 60 видов
цианобактерий образуют гетероцисты, и многие данные свидетельствуют о том, что именно гетероцисты являются основным местом азотфиксации у этих видов, хотя данные по включению 15N указывают на
то, что вегетативные клетки тоже образуют нитрогеназу, вероятно,
67
преимущественно в анаэробных условиях. Показана возможность фиксации азота у ряда нитчатых водорослей, не имеющих гетероцист, и некоторых одноклеточных видов.
Способность последних к фиксации N2, определяемая по наличию
нитрогеназной активности, зависит от условий, и в первую очередь от содержания в среде связанного азота и молекулярного кислорода. Основное
место действия обоих факторов — нитрогеназа. В первом случае источники
связанного азота репрессируют синтез и ингибируют активность фермента,
во втором - O2 быстро инактивирует его.
Отрицательное действие O2 на азотфиксацию связано с восстановительной природой процесса. Возникшая первоначально у анаэробных прокариот, получающих энергию за счет брожения, способность к азотфиксации
проявилась и в группах эубактерий с бескислородным фотосинтезом. Благоприятные условия для нее обеспечивались анаэробным типом метаболизма
этих групп. И только цианобактерий столкнулись с проблемой функционирования в клетке двух процессов, один из которых имеет восстановительную
природу, а другой сопровождается выделением такого сильного окислителя,
как O2. Возникла необходимость защиты или изолирования процесса азотфиксации от молекулярного кислорода.
Вегетативные клетки многих изученных культур обнаруживают нитрогеназную активность в анаэробных и микроаэробных условиях. Только
для единичных культур, например представителей рода Gloeothece, показана
способность вегетативных клеток к азотфиксации в аэробных условиях, при
этом до 95% фиксированного азота приходится на темновой период, т. е.
процессы фотосинтеза и азотфиксации разделены во времени. В целом же
проблема фиксации N2 в аэробных условиях значительной частью цианобактерий решена путем формирования дифференцированных клеток определенного типа - гетероцист, в которых чувствительный к O2 аппарат фиксации молекулярного азота отделен от фотосинтетического аппарата с помощью определенных ультраструктурных и биохимических перестроек. Таким
образом, способность подавляющего большинства цианобактерий к азотфиксации в аэробных условиях связана с гетероцистами.
При отсутствии в среде связанного азота некоторые вегетативные
клетки (обычно 5–10%) нитчатых цианобактерий, принадлежащих к порядкам Nostocales и Stigonematales, превращаются в гетероцисты, образование
которых происходит в течение 24 ч параллельно с развитием нитрогеназной
активности и может быть разделено на два этапа. Прогетероцисты, формирующиеся на первом этапе, характеризуются неспособностью обеспечить
защиту нитрогеназы от инактивирующего действия O2, а также тем, что процесс дифференцировки на этой стадии обратим. На втором этапе процесс
дифференцировки становится необратимым. Сформированные гетероцисты
не способны к делению и не могут превращаться в вегетативные клетки.
68
Формирование гетероцист из вегетативных клеток сопровождается
глубокими ультраструктурными и функциональными перестройками. Зрелые гетероцисты окружены тремя дополнительными слоями, внешними по
отношению к клеточной стенке, что затрудняет проницаемость в них воды,
ионов, нейтральных веществ гидрофильной природы и растворенных газов.
Дополнительные слои, окружающие гетероцисту, в местах ее контакта с вегетативной клеткой прерываются. Перегородка, отделяющая гетероцисту от
вегетативной клетки, пронизана множеством мелких каналов (микроплазмодесм), соединяющих цитоплазмы обеих клеток и обеспечивающих обмен
клеточными метаболитами. В цитоплазме гетероцист в зонах контакта с вегетативными клетками располагаются светопреломляющие полярные гранулы цианофицина.
Значительную реорганизацию претерпевает в гетероцистах система
фотосинтетических мембран: они укорачиваются, теряют расположение, характерное для вегетативных клеток; как правило, отмечается скопление тилакоидов вблизи полюсов гетероцисты. Морфологические изменения тилакоидов сочетаются с важными перестройками фотосинтетического аппарата
на функциональном уровне. В гетероцистах не работает II фотосистема.
Следовательно, внутриклеточный O2 в них не образуется. Потеря активности
II фотосистемы коррелирует со следующими биохимическими особенностями гетероцист: отсутствием основных светособирающих пигментов II фотосистемы - фикобилипротеинов и содержащих их структур - фикобилисом;
резко пониженным содержанием ионов марганца - необходимого компонента системы разложения воды; потерей гетероцистами способности фиксировать CO2, связанной с отсутствием рибулозодифосфаткарбоксилазы в растворимой форме или в виде карбоксисом. Деградация II фотосистемы сопровождается сохранением активности I фотосистемы, что находит отражение в
поддержании значительного уровня хлорофилла a и увеличении числа реакционных центров этой фотосистемы.
В процессе формирования гетероцист наблюдается исчезновение различных цитоплазматических включений, характерных для вегетативных
клеток: гликогеновых, полифосфатных гранул. В то же время в гетероцистах
сохраняется в полном объеме генетическая информация, и в процессе их
жизнедеятельности отмечаются активные процессы синтеза РНК и белка. На
генетическую «полноценность» гетероцист указывают и неоднократно наблюдавшиеся факты их прорастания и деления.
Для фиксации N2 необходим восстановитель в виде молекул восстановленного ферредоксина (иногда НАДФ-H2) и химическая энергия в форме
АТФ. Из-за отсутствия в гетероцистах нециклического транспорта электронов они не могут обеспечивать процесс азотфиксации фотохимически образованным восстановителем и зависят в этом отношении от межклеточного
переноса метаболитов (Рис. 2.6.Б). Восстановитель может или непосредст-
69
венно транспортироваться из соседних вегетативных клеток в готовом виде,
или же генерироваться в гетероцистах в темновых ферментативных процессах из исходного транспортируемого субстрата. В последнем случае таким
субстратом служит дисахарид мальтоза — продукт восстановительного пентозофосфатного цикла. Ее катаболизирование, осуществляемое по активно
функционирующему в гетероцистах окислительному пентозофосфатному
пути, приводит к образованию молекул НАДФ-H2, с которых водород может
передаваться на ферредоксин в реакции, катализируемой ферредоксин:
НАДФ-оксидоредуктазой. Источником АТФ в гетероцистах на свету служит
зависимое от I фотосистемы циклическое фотофосфорилирование, в темноте
— окислительное фосфорилирование.
Нитрогеназная система катализирует восстановление N2 до аммония.
Последний включается в молекулу глутаминовой кислоты в реакции, катализируемой глутаминсинтетазой:
В таком виде фиксированный азот транспортируется из гетероцист в
вегетативные клетки, где с помощью глутаматсинтазы осуществляется перенос амидной группы на молекулу a-кетоглутарата:
Одна из молекул глутамата возвращается в гетероцисту для очередного акцептирования NH4+, другая поступает в метаболизм вегетативной клетки.
Таким образом, все структурные и функциональные перестройки, происходящие в процессе формирования гетероцист, направлены на поддержание высокой активности нитрогеназы, что достигается, с одной стороны, путем эффективного ее снабжения восстановителем и энергией, с другой - защитой от молекулярного кислорода за счет уменьшения проникновения O2
через утолщенные оболочки гетероцист, реорганизации их фотосинтетического аппарата и высокой активности дыхания.
Подавление нитрогеназы высокими концентрациями О2 - процесс обратимый. Возможно, что в интактных клетках нитрогеназная активность
каким-то образом защищена от действия низких концентраций О2. Предлагают два механизма защиты, действующих у аэробных азотфиксирующих
организмов: во-первых, высокая дыхательная активность клеток, предотвращающая доступ О2 к кислородчувствителыюму участку, и «конформационная» защита, связанная со структурой ферментного комплекса.
Оба они могут действовать и в клетках цианобактерий. У некоторых
видов нитрогеназа не зависит от О2 в целых клетках, но ингибируется в
бесклеточных экстрактах, что говорит о защитной роли структурной локализации нитрогеназы внутри клеток. Предполагается, что многие синезе-
70
леные водоросли должны иметь генетическую способность синтезировать нитрогеназу, но они не обладают достаточными механизмами для сохранения активности фермента в аэробных условиях
Цианобактерий фиксируют молекулярный азот на свету и в гораздо
меньшей степени в темноте. Способность к азотфиксации увеличивается
при увеличении интенсивности света вплоть до максимума, превышающего насыщающие, интенсивности для роста. Одноклеточные и колониальные виды, обитающие в металимнионе, используют NО3- или NH4+, в то время как нитчатые, сосредоточенные в поверхностных слоях и подвергающиеся действию высоких интенсивностей, фиксируют молекулярный
азот.
В природных условиях оптимальные условия для конкурирующих за
восстановитель процессов фиксации СО2 и N2 достигаются в разное время суток - для первого процесса утром, для второго - после полудня.
Изучение влияния длины светового дня и интенсивности света на
рост и накопление азота в лабораторных условиях культур двух видов
Nostoc показало, что наибольшие урожаи получаются при сочетании 24часового светового дня и интенсивности света 1200 люкс, а максимальная азотфиксация - при 8-часовом световом дне. Азотфиксация Anabaena
spiroides может идти при освещении длинноволновым ультрафиолетовым
светом (300-380 им) с меньшей (на 25%) эффективностью. Оптимальная
для азотфиксации температура часто превышает наиболее благоприятную для роста и близка к 40°С.
Лекция 12. Влияние факторов среды на рост и развитие водорослей
На рост и развитие водорослей влияет большой комплекс факторов,
которые подразделяют на абиотическиеи и биотические. К абиотическим
факторам относятся физические и химические особенности среды обитания.
При этом из физических характеристик первостепенное значение имеют непосредственно зависящие от климата световой режим, температура и для наземных формаций - влажность, а из химических особенно важны соленость
воды и содержание в ней питательных веществ. Не менее важное влияние на
развитие водорослей оказывают биотические факторы, т.е. факторы, обусловленные деятельностью живых организмов (взаимоотношения между самими водорослями, между водорослями и другими организмами). Многие
факторы являются лимитирующими, т.е. способны ограничивать развитие
водорослей. Уровень, при котором конкретный фактор может выступать как
лимитирующий, различен для разных таксономических групп и конкретных
таксонов водорослей.
71
Все абиотические факторы действуют на рост и развитие водорослей в
комплексе, компенсируя или дополняя друг друга. С некоторой долей условности совокупность абиотических факторов можно разделить на химические и физические.
К физическим факторам относятся: температура, свет, физические
свойства воды и субстрата, состояние и состав воздушных масс (что особенно важно для аэрофитных водорослей).
К химическим факторам относятся химический состав и свойства воды, а также состав и концентрации биогенных веществ.
Все известные на земле формы жизни не могут существовать без воды.
В клетках растений вода составляет 70-95% и выполняет важнейшую роль
во всех процессах жизнедеятельности. Для большинства водорослей, как говорит само их название, вода - постоянная среда обитания, однако многие
водоросли могут жить и вне воды. Тем не менее, водоросли вневодных местообитаний также нуждаются в воде, но обходятся сравнительно небольшими ее количествами в виде брызг, дождя, грунтовой воды или росы. По
устойчивости к высыханию, среди обитающих на суше растений выделяют
(по Вальтеру) пойкилогидрические- не способные поддерживать постоянное
содержание воды в тканях, и гомойогидрические- способные поддерживать
постоянную гидратацию тканей. У пойкилогидрических растений (синезеленые и некоторые зеленые водоросли) клетки при высыхании сжимаются без
необратимого изменения ультраструктуры и способны восстанавливать
нормальный метаболизм при увлажнении. Для гомойогидрических растений
обязательно наличие крупной центральной вакуоли, с помощью которой
стабилизируется водный запас клетки. Однако клетки с крупными вакуолями в значительной степени утрачивают способность к высыханию. К гомойогидрическим водорослям относятся, например, некоторые аэрофиты из зеленых и желтозеленых водорослей (Ulotrichales, Vaucheriales), обычно поселяющиеся в условиях постоянной избыточной увлажненности.
К важнейшим химическим факторам относятся соленость и минеральный состав воды. В целом, водорослям свойственна очень широкая амплитуда солеустойчивости. Однако лишь немногие виды водорослей способны
существовать в водоемах с разной соленостью, т.е. являются эвригалинными. Общие виды, которые одинаково хорошо развивались бы и в морской и в
пресных водах, крайне редки. Большинство видов водорослей - стеногалинные. В зависимости от солеустойчивости водорослей, среди них выделяют
олигогалинные, мезогалинные, эвгалинные, ультрагалинные, пресноводные
и другие виды. Практически в каждом из отделов можно найти виды, способные обитать в условиях крайнего засоления и виды, живущие в водоемах
с очень низкой минерализацией. В целом, можно назвать большие группы
водорослей, приуроченные преимущественно или к пресным или к морским
бассейнам. Эвгленовые, желтозеленые и золотистые водоросли- обитатели
72
преимущественно пресных вод. Синезеленые и зеленые водоросли также в
подавляющем большинстве пресноводные организмы, хотя среди них встречаются виды способные выдерживать значительное засоление. Диатомовые
и динофитовые водоросли в целом в равной степени распространены и в
морских и в континентальных водоемах. Красные и бурые водоросли обитают в основном в морях.
Большое значение для развития водорослей также имеет кислотность
воды. По отношению к кислотности среды выделяют виды-алкалифилы, живущие в щелочных водах (например, большая часть харовых водорослей), и
ацидофилы, живущие в кислых водах при низких значениях pH (к ним, например, относятся большинство Desmidiales) .
Наличие в среде макро- и микроэлементов, являющихся необходимыми компонентами тела водорослей, имеет решающее значение для интенсивности их развития.
Элементы и их соединения, относящиеся к макроэлементам, требуются организмам в сравнительно больших количествах. Важнейшие элементы
минерального питания водорослей, имеющие большое экологическое значение- азот и фосфор. Азот входит в состав всех белковых молекул, а фосфор обязательный компонент ядерного вещества, играющий значительную роль
и в окислительно-восстановительных реакциях. В морской среде азот, повидимому, является макроэлементом, чаще всего лимитирующим рост, тогда
как фосфору принадлежит та же роль в пресных водах. Открытая часть морских бассейнов особенно обеднена в отношении азота и фосфора. Обогащение таких вод в результате апвеллинга или за счет приноса питательных веществ речной водой ведет к резко выраженному увеличению продуктивности водорослей.
Калий, кальций. сера и магний почти столь же необходимы, как азот и
фосфор. Кальций в больших количествах используется водорослями, отлагающими вокруг слоевищ "чехлы" из солей кальция (некоторые красные и
харовые водоросли). В озерах и реках с мягкой водой соли кальция также
могут быть причислены к лимитирующим веществам. Магний входит в состав хлорофилла, который является основным фотосинтезирующим пигментом водорослей большинства отделов. Концентрация калия у многих водорослей выше, чем в окружающей среде. К его функциям относится осмотическая регуляция и поддержание электрохимических свойств клеток. Сера
входит в состав аминокислот метионина и цистеина, а также ряда других соединений. Сульфатированные полисахариды- важные компоненты стенок у
морских водорослей-макрофитов; серосодержащие соединения используются некоторыми из них для осморегулции.
Микроэлементы необходимы растениям в крайне малых количествах,
но имеют огромное значение для их жизни, поскольку входят в состав многих жизненно-важных ферментов. Микроэлементы нередко выступают как
73
лимитирующие факторы. К ним относятся 10 элементов: железо, марганец,
цинк, медь, бор, кремний, молибден, хлор, ванадий и кобальт. С физиологической точки зрения их можно разделить на три группы: 1) вещества, необходимые для фотосинтеза: марганец, железо, хлор, цинк, ванадий; 2) вещества, необходимые для азотного обмена: молибден, бор, кобальт, железо; 3)
вещества, необходимые для других метаболических функций: марганец, бор,
кобальт, медь и кремний.
Водоросли разных отделов имеют неодинаковые потребности в макрои микроэлементах. Так, для нормального развития диатомовых водорослей
необходимы довольно значительные количества кремния, который используется для постройки их панциря. При недостатке кремния панцирь диатомей становится заметно тоньше. Длительный дефицит кремния приводит к
накоплению дочерних клеток, которые остаются соединенными, поскольку
не могут образовать дочерних клеток. Отмечено, что весенняя и осенняя
вспышки развития диатомовых водорослей совпадают не только с температурным оптимумом и содержанием основных элементов питания, но и с
максимальным количеством кремния.
Помимо неорганических биогенов многим водорослям необходимо
поступление витаминов: цианкобаламина, тиамина и биотина. Ряд видов, не
нуждающихся в поступлении витаминов извне, могут синтезировать и высвобождать их в количествах,достаточных для поддержания роста тех видов,
которым они требуются. Однако некоторые виды образуют внеклеточные
продукты, которые хелатируют свободный B12, делая его недоступным для
других водорослей.
Водоросли питаются не только автотрофно, многие могут усваивать и
органические вещества, обнаруживая способность к миксотрофному питанию. Усвоение водорослями растворенных органических веществ доказано
для зеленых, синезеленых, диатомовых и других в опытах с чистыми культурами. Некоторые виды в присутствии органических веществ могут расти в
абсолютной темноте, выступая как типичные сапротрофы. У ряда бесцветных форм водорослей такое состояние наследственно закрепилось и они
встречаются в природных водах с большим содержанием органики как обязательные сапротрофы. Из источников углерода в условиях культуры наиболее доступны для водорослей простые сахара и некоторые органические кислоты.
На развитие водорослей оказывают влияние их физиологические показатели, связанные с тем, что:
- разные виды водорослей нуждаются для своего развития в различном
количестве биогенных соединений;
- скорость поглощения неодинакова у разных видов водорослей;
- высокие концентрации биогенов оказывают отрицательное влияние
на одни виды водорослей, тогда как другие- хорошо развиваются;
74
- водоросли обладают способностью запасать биогенные вещества и
микроэлементы;
- водоросли с разной скоростью расходуют запасные биогенные соединения;
- минимальные концентрации биогенов, при которой происходит прекращение роста, неодинакова для разных видов водорослей;
- имеется различие в способности потреблять биогены при наличии и
отсутствии света;
- биогенное голодание по разному влияет на физиологические показатели разных видов водорослей.
К биотическим факторам относят прямые и косвенные воздействия,
претерпеваемые водорослями в результате жизнедеятельности других организмов.
Как известно, водоросли в экосистеме являются продуцентами органического вещества. Поэтому к факторам, ограничивающим их развитие относят трофический фактор, т.е. наличие консументов, существующих за счет
потребления водорослей. Ведущую роль в водных экосистемах в этом плане
играет зоопланктон. В океанах это веслоногие ракообразные, простейшие
(преимущественно инфузории и тинтинниды), аппендикулярии, сальпы и
крылоногие моллюски, а в пресных водах - преимущественно ракообразные
и коловратки, хотя простейшие и хитридиомицеты могут существенно влиять на популяции диатомей.
К биотическим факторам относят также явление аллелопатии - взаимодействие растений посредством выделения биологически активных веществ (фитонцидов, антибиотиков и др.) во внешнюю среду. Аллелопатические взаимоотношения могут наблюдаться как между разными видами водорослей, так и между водорослями и высшими растениями. Вещества, выделяемые растениями, могут как тормозить или подавлять, так и стимулировать рост других видов.
На развитии отдельных видов водорослей могут сказываться также отношения конкуренции. На совместное произрастание водорослей влияет,
например, скорость роста отдельных видов. Быстро растущие организмы
вытесняют медленнорастущие. В то же время имеют место случаи симбиоза
водорослей с другими организмами. Чаще всего водоросли используют другие организмы как субстрат. Среди них выделяют эпифиты, поселяющиеся
на растениях, и эпизоиты, живущие на животных. В сообществах обрастаний
между растением-хозяином и растением - обрастателем устанавливаются
кратковременные и непрочные связи. Водоросли также могут жить в тканях
других организмов - как внеклеточно (в слизи, межклеточниках водорослей,
иногда в оболочках мертвых клеток), так и внутриклеточно. Такие водоросли называют эндофитами (эндосимбионтами), а образуемые ими симбиозы -
75
эндосимбиозами. Для них характерно наличие более или менее постоянных
связей между партнерами.
Человек как член биоценоза также является биотическим (антропогенным) фактором для остальных организмов экосистемы, в том числе водорослей. Основное влияние оказывает гидротехническое строительство (различного рода мелиорации, создание каналов и водохранилищ) и сбросы сточных
вод. Последнее может приводить как к гибели водорослей, так и к массовому развитию отдельных видов. На водоросли, особенно аэрофитные и почвенные, могут оказывать влияние и атмосферные выбросы промышленных
отходов.
Лекция 13.Факторы, влияющие на распространение.
Особенности распределения водорослей в разных типах водоемов
Чаще всего основными в распределении водорослей в толще водоема
являются факторы физической природы, определяющие жизнедеятельность
гидробионтов в океане и континентальных водах. К ним относятся свет,
температура, прозрачность, мутность, метеоусловия, динамический режим
вод.
Влияние света и температуры на фитопланктон. Достигающая поверхности солнечная радиация и температура воды - наиболее важные факторы,
определяющие энергетику водорослей и их способность к новообразованию
органического вещества. Солнечный свет, достигающий поверхности земли,
разделяют на три главных спектральных диапазона: ультрафиолетовые –
УФ-В (280-320 нм), УФ-А (320-400 нм), поглощаемые атмосферой земли, и
видимый в области фотосинтетически активной радиации (ФАР, 400-700
нм). Скорость поглощения солнечной радиации и степень проникновения
света в воду зависят от высоты солнца, меняющегося с географической широтой, сезоном года и временем суток, от количества растворенных в воде
органических веществ, цветности воды, облачности, состояния поверхности
водоема. В отсутствие ветра отражается 5% падающей радиации на поверхность воды, при легком и сильном ветре - 15% и 30% соответственно. Интенсивность света с глубиной убывает. В озерах и водохранилищах с прозрачностью 1-2 м на глубину 1 м проникает не более 5-10% энергии поступившей радиации. Потребности в освещенности у фитопланктона видоспецифичны. Отмечена корреляция биомассы цианобактерий со средней интенсивностью радиации в водоемах. Диатомовые водоросли избегают яркого
поверхностного слоя, обитают на глубине 2-3 м в малопрозрачных водоемах
и на 15-20 м в прозрачных водах морей. «Цветение» диатомовых в озерах
часто происходит, когда световые условия очень изменчивы, а уровень радиации низкий, например, в течение весеннего или осеннего цикла перемешивания, когда клетки циркулируют по всему водному столбу. У цианобак-
76
терий может отмечаться тесная зависимость фиксации азота от интенсивности солнечной радиации, но высокая интенсивность света в поверхностном
слое, как правило, снижает азотфиксацию. Связь азотфиксации с фотосинтезом обусловлена продуцированием АТФ на свету, а электроны для восстановления нитрогеназы поступают преимущественно из пула фотосинтетических продуктов. Негативное действие УФ-излучения на рост сине-зелёной
Microcystis aeruginosa, можно обнаружить в снижении плавучести, образовании перекиси водорода (Н2О2), контролирующей рост микроводорослей.
Продуктивность водорослей в значительной степени определяется величиной светового потока и находится в такой же зависимости, как и прирост биомассы. Продолжительность освещения, необходимого для нормального роста и развития данных видов цианобактерий находится в обратной
зависимости от его силы. При низкой освещенности (I) интенсивность фотосинтеза (Р) лимитирована световыми реакциями и линейно растет с увеличением освещенности (независимо от температуры), пока не достигнет плато
(Рmax) при уровне светового насыщения. Дальнейшее небольшое увеличение
освещенности не влияет на фотосинтез, хотя очень сильный свет его ингибирует. Максимальная интенсивность фотосинтеза при уровне светового насыщения определяется скоростью фиксации углерода, которая часто может
быть увеличена путем добавления в среду питательных веществ или повышения температуры.
При более высоком содержании азота и фосфора водоросли переносят
более интенсивный свет, чем при низких концентрациях. Интенсивность освещения влияет и на содержание пигментов. В клетках водорослей, выращенных при низкой освещенности, концентрация пигментов выше, чем в
тех, которые развивались при ярком свете. «Спектральная адаптация» обнаружена у цианобактерий, способных к синтезу с-фикоэритрина, причем отношение фикоцианин/фикоэритрин наибольшее при красном свете и наименьшее при зеленом. У сине-зеленых водорослей, например, Microcystis,
вызывающих поверхностное «цветение», увеличивается концентрация каротиноидов, способствующих улавливанию света и отфильтровыванию опасных уровней ультрафиолета. В природных водоемах, в отличие от культивирования в лабораторных условиях, световой режим подвержен сезонным,
или климатическим, и суточным периодическим колебаниям.
Водоросли по-разному приспосабливаются к вариациям света: меняя
содержание пигментов, размер фотосинтетического аппарата, уровень активности фотосинтетических ферментов. Размер фотосинтетического аппарата реагирует на более длительные интервалы переменного освещения.
Экологическое значение увеличения скорости фотосинтеза с увеличением
частоты флуктуаций света заключатся в компенсации гетерогенности освещения. В работе (Nicklisch, 1998) скорость роста зеленых, диатомовых водорослей и цианобактерий значительно снижалась под действием флуктуи-
77
рующего света, по сравнению с постоянным освещением, при одинаковой
длине фотопериода. Самыми чувствительными к световым колебаниям оказались цианобактерии, у которых были отмечены изменения в пигментной
системе, увеличилось поглощение света хлорофиллом «а», фикоэритрином
(Limnothrix redekei) и фикоцианином (Planktotrix agardii).
В экспериментах (Litchman, 1998) в сообществе природного пресноводного фитопланктона, диатомовые водоросли достигли максимума развития при флуктуирующем свете низкой интенсивности (5 Bт/м2). Цианобактерии и зеленые водоросли развивались лучше при флуктуирующем освещении более высокого уровня (25 Вт/м2). Чувствительность фитопланктона к
периодичности освещения может привести к изменению видового состава в
сообществе в связи с сезонными изменениями режима вертикального перемешивания.
Колебания световых условий в течение суток определяют суточную
ритмику фотосинтеза цианобактерий. У зеленых, диатомовых водорослей и
динофлагеллят обнаружена циркадная ритмика фотосинтеза эндогенного
происхождения (действие биологических часов), связанная с изменением активности фотосистемы 2.
Для существования в нестационарных световых условиях фитопланктонные организмы имеют ряд адаптаций. Подвижные жгутиковые водоросли (пиридиневые, эвгленовые), способные к активному передвижению,
могут совершать светозависимые миграции, или фототаксисы, регулируя
количество необходимого освещения. Диатомовые водоросли не способны к
активному передвижению, и не обладают нейтральной плавучестью, несмотря на специальные механизмы снижения общей плотности, такие как
накопление липидов, замещение тяжелых ионов (SO 24− , Ca2+ и Mg2+) более
легкими – K+ и Na+ , наличие морфологических приспособлений для парения.
Их поддержанию в водной толще способствуют гидродинамические процессы, протекающие в водоемах - турбулентные течения, циркуляция в водоеме. Обнаружены суточные вертикальные миграции фитопланктона у подвижных и неподвижных форм микроводорослей. В светлый период суток,
благодаря присущему клеткам фототаксису, происходит концентрирование
фитопланктона в эвфотическом слое водоема. При интенсивном ветровом
перемешивании, в условиях загрязнения (токсический фактор) нарушается
фототаксическая реакция движения клеток водорослей к свету, и фитопланктон в водной толще распределяется гомогенно, иногда скапливаясь в
придонном слое.
У определенных видов диатомовых водорослей вертикальное распределение клеток энергозависимо и определяется количеством поступающей в
водоем солнечной энергии и, следовательно, зависит от времени суток и погодных условий. Диатомовая водоросль Asterionella formosa способна совершать фотоиндуцированные суточные вертикальные миграции. В утрен-
78
ние часы начинается «загрузка» клетки «тяжелыми» метаболитами, и к полудню происходит уменьшение доли клеток у поверхности. Достигнув горизонта, на котором интенсивность дыхания выше интенсивности фотосинтеза,
начинается процесс «разгрузки». При этом возможно выделение экзометаболитов, синтез легких липидов, замещение тяжелых ионов на более легкие.
Направление установленных миграций в ясную погоду – всплытие на поверхность ночью и погружение в светлое время суток является типичным
для «теневых» форм фитопланктона, не обладающих специальными органеллами для передвижения. Миграции направлены на ослабление фотоингибирования и поддержание способности эффективно осуществлять фотосинтетическую функцию.
Цианобактерии способны активно регулировать плавучесть, совершая
светозависимые перемещения, используя для этого газовые вакуоли. Эти органоиды представляют собой цилиндрические, собранные в «пакеты» пузырьки или полые веретена, размещенные в интерламеллярной части клетки,
длиной до 1 мкм при диаметре 70 нм, окружены белковой мембраной. Газовые вакуоли могут выполнять светозащитную функцию, например, у Anabaena flos-aquae, при низкой интенсивности света они располагаются в толщи клетки, а при высокой – по ее периферии, образуя защитный слой. Отмечено, что клетки Anabaena flos-aquae при низком освещении образуют газовые вакуоли и становятся плавучими, но на ярком свету их вакуолизация
снижается и плавучесть теряется. Образование газовых вакуолей для цианобактерий имеет большое значение, поскольку позволяет занять горизонт, оптимальный для фотосинтеза. С помощью этой стратегии цианобактерии доминируют, достигая масштабов «цветения».
Тепловая энергия солнечной радиации может непосредственно влиять
на интенсивность ряда процессов, происходящих в клетке, и воздействовать
на жизнедеятельность фитопланктона косвенным путем, вызывая физикохимические изменения окружающей среды при термическом перемешивании водных масс в водоеме. Поэтому в природных условиях крайне сложно
уловить непосредственное физиологическое воздействие термического фактора. Повышение температуры весной обеспечивает перемешивание водной
толщи и изменение химизма воды, что обуславливает изменения в видовом
составе фитопланктона. Термический режим по его экологическому значению относят к так называемым неустранимым факторам. Температура воды
– важнейший фактор сезонных циклов фитопланктона, изменения которого
отражают динамику потока проникающей солнечной радиации и стабильности водных масс. Многие исследователи ставят на первое место температуру (или на второе после светового фактора) среди условий, определяющих
периодичность в развитии водорослей. Так, например, отмечается активная
вегетация холодноводных диатомовых водорослей после ледостава, когда
резко увеличивается приток солнечной радиации и скорость прогрева воды.
79
Температурный оптимум, в пределах которого наблюдается наибольшая продуктивность фитопланктона видоспецифичен, чем и определяется
сукцессия видового состава. Цианобактерии могут выдерживать температуру до 85°С, но температурный оптимум большинства видов лежит в пределах - 20-30°С. Однако при низкой освещенности температурный оптимум
снижается. Особенно большое значение для жизнедеятельности фитопланктона имеет тесная связь температуры и света. Эксперименты с диатомеей р.
Asterionella показали, что при низкой температуре повышение интенсивности света не оказывает влияния, и только с увеличением температуры возрастает интенсивность ассимиляции.
В Рыбинском водохранилище фотосинтез литорального фитопланктона положительно коррелирует с интенсивностью приходящей на поверхность водоема солнечной радиации и температурой воды. Отмечено «запаздывание» пиков фотосинтетической активности по отношению к периодам
высокой инсоляции, что связано с инерционностью гидробиологических
процессов. Динамика продуктивности фитопланктона контролируется факторами физической природы, в то время как гидрохимические условия определяют некоторый средний её уровень. При низкой температуре воды фотосинтез фитопланктона пропорционален энергии достигающей поверхности
водоема солнечной радиации. При температуре более 20 оС отмечено возрастание фотосинтеза при увеличении инсоляции до 20-25 МДж/(м2·сут), а
при более высоких ее значениях – понижение. Снижение фотосинтетической
активности обусловлено не фотоингибированием, а взаимодействием световых, температурных и погодных факторов, среди которых наиболее существенна температура воды.
В Шершневском водохранилище отмечена корреляция температуры
воды с биомассой водорослей, а также корреляция биомассы диатомовых с
продолжительностью светового дня. Повышение температуры от оптимальной до максимальной для роста вызывает тепловой стресс у водорослей, в
результате которого, популяция становится менее жизнеспособна и изменяет
энергетический и конструктивный обмен. У планктонных цианобактерий
Aphanizomenon flos-aquae, Anabaena spiroides, Anabaena flos-aquae азотфиксация практически прекращается с понижением температуры в водоеме до 87°С. Как правило, у азотфиксирующих водорослей зависимость азотфиксации от температуры носит экспоненциальный характер.
Температура влияет на соотношение фотосинтеза и дыхания. При
слабой освещенности фотосинтез, в отличие от дыхания, мало зависит от
температуры. При наличии сильного освещения наблюдается заметное
влияние температуры на интенсивность фотосинтеза. Скорость темновых
энзиматических реакций фотосинтеза определяется активностью ферментов,
зависящей от термических условий. Вид температурной кривой фотосинтеза
близок к параболе: ассимиляция углерода нарастает с повышением темпера-
80
туры воды, но до определенного предела, вслед за которым дальнейшее увеличение температуры тормозит скорость ферментативных реакций, отмечается ингибирование фотосинтеза водорослей.
Сезонная динамика содержания хлорофилла «а» в Куйбышевском водохранилище, связанная с сукцессией видов доминирующего комплекса водорослей, сменой биологических сезонов и их продолжительностью определяется главным образом изменениями температуры, а колебания его количества на протяжении отдельных сезонов – изменениями стабильности водных
масс, например, при ветровых перемешиваниях. Наибольшие абсолютные
значения хлорофилла «а» обычно связаны с биологическим летом – с температурой воды выше 20°С. Отмечено, что в жаркое лето роль внутренней
фосфорной нагрузки в водохранилище возрастает. При повышении температуры и стратификации водных масс возникают анаэробные условия в придонном слое, что способствует поступлению фосфора из донных отложений
и росту биомассы фитопланктона.
Обнаружена связь изменчивости продукционно-деструкционных процессов планктона с синоптическими (менее 20 сут) вариациями гидрометеорологических показателей. В интервале колебаний 3–5 сут превалирует
связь с солнечной радиацией, а в интервале 12–15 сут – с температурой воды, стратификацией и уровнем. Отмечено влияние флуктуаций климата на
развитие фитопланктона в континентальных водоемах. На основе многолетних наблюдений в небольшом эвтрофном озере было установлено, что повышение температуры зимой приводит к более интенсивному развитию фитопланктона в весенний и летний период и, как следствие, высокой биомассе
зоопланктона.
В Рыбинском водохранилище межгодовые вариации метеорологических и гидробиологических параметров обусловлены близким к 11-летнему
ритмом климатических процессов, связанных с соответствующими периодическими колебаниями солнечной активности. Гидрологические процессы
при этом откликаются без запаздывания, а в реакции биотических компонентов экосистемы - пиках биомассы зоо-, фито- и бактериопланктона, прослеживается тенденция запаздывания на 1-2 года. Обнаружены 11-летние
циклы развития диатомовых водорослей в оз. Байкал (Melosira baicalensis,
M. islandica, Stephanodiscus binderanus) (явление «мелозирных лет»), и цианобактерий в водохранилищах днепровского каскада. В годы высокой солнечной активности наблюдалось более раннее и продолжительное «цветение» цианобактерий, а в периоды пониженной солнечной активности происходил сдвиг в их развитии ближе к осени и период вегетации укорачивался.
Атмосферные осадки и фитопланктон. В атмосфере Земли в виде
мельчайших частиц, жидких аэрозолей или газообразной форме могут содержаться биогенные вещества, которые выпадают вместе с атмосферными
осадками на поверхность нашей планеты. «Кислотные дожди» являются ос-
81
новным поставщиком серы в озера многих стран, способствуя снижению рН
воды. Биогенные элементы также поступают с поверхностным стоком в водоемы, создавая благоприятные условия для развития фитопланктона.
При изучении 55 озер севера и центральной части Флориды было установлено, что выпадение осадков на акватории дает от 12 до 59% всего поступления фосфора. При прохождении осадков через кроны деревьев концентрация фосфора увеличивается в 3-10 раз. Наблюдается повышение концентрации фосфора в период вегетации, летом, так как кроме растительных
остатков, спор и пыльцы, растения могут поставлять фосфор в атмосферу в
виде летучих продуктов метаболизма и, образующихся на поверхности листьев и хвои, твердых минерально-органических выделений – нелетучих остаточных продуктов транспирации. Аномально высокие концентрации фосфора в атмосферных осадках в большинстве случаев сопровождаются такими же аномально высокими концентрациями азота. Дожди над океанами содержат фосфора примерно на порядок меньше, чем дожди над сушей. При
продолжительном воздействии дождь способен нарушать вертикальное распределение фитопланктона, способствуя его заглублению.
Влияние гидродинамических факторов на фитопланктон. Изменения
температуры в течение сезонов года определяет гидродинамику вод в континентальных водоемах. Общая схема сезонного развития фитопланктона в
водоемах умеренного климатического пояса нашей планеты, в зависимости
от условий перемешивания, хорошо известна: она связана с явлением стратификации. В период весенней гомотермии, когда водная масса интенсивно
перемешивается, развиваются преимущественно быстропогружающиеся водоросли, в частности диатомовые, обладающие тяжелой оболочкой.
С увеличением интенсивности солнечной радиации, сопровождающейся ростом температуры воды, поверхностные слои получают больше тепла и становятся менее плотными и менее стабильными, что способствует
возникновению стратификации, при этом увеличивается биомасса водорослей, но это уже преимущественно цианобактерии и зеленые микроводоросли. Развитию стратификации в весенне-летний период также способствуют
конвективное, турбулентное перемешивание и молекулярная теплопроводность, ветровое перемешивание.
Турбулентным (вихревым) называется перемешивание масс жидкости, происходящее в процессе турбулентного движения, при котором частицы жидкости движутся по разным извилистым траекториям. В мелких водоемах турбулентность может отмечаться на всех глубинах. В более глубоких
озерах турбулентные движения воды не достигают дна, исключая прибрежные районы. Переход от ламинарности потока к турбулентности описывается числом Рейнольдса
Re = ρvl/ μ ,
82
где ρ − плотность жидкости, v – скорость для данного случая, l – линейный
размер (или диаметр), μ − коэффициент вязкости.
Образованный поверхностный перемешиваемый слой называется эпилимнионом.
Летние формы диатомовых могут развиваться в зонах с хорошо развитым турбулентным перемешиванием. В Куйбышевском водохранилище в
летний период отмечены максимальные значения концентрации хлорофилла
«а» в безветренную и жаркую погоду, а пониженные значения - в холодную
и ветреную.
При последующем усилении стратификации и появлении устойчивого
термоклина - области резкого снижения температуры, практически прекращается обмен с гиполимнионом, включающим самые холодные воды, при
этом в эпилимнионе может исчерпаться запас биогенных веществ и биомасса водорослей не будет увеличиваться (росту биомассы препятствует также
эффект самозатенения). В гиполимнионе температурные изменения в течение года минимальны, течения отсутствуют. В осенний период, когда инсоляция и температура воздуха снижаются, плотность верхних слоев возрастает, и они перемещаются через эпилимнион до глубины равновесия, таким
образом, стратификация нарушается, перемешивание увеличивается, но
концентрация водорослей и первичная продукция при этом уменьшаются,
поскольку снижается и освещенность, и температура воды, а период пребывания клеток в эпилимнионе сокращается. Озера, где наблюдается весеннее
и осеннее перемешивание называются димиктическими.
В тропической и экваториальной областях, где поступление солнечной
радиации почти не изменяется в течение года, гиполимнион редко намного
холоднее эпилимниона, поэтому даже небольшое выхолаживание вызывает
конвективные движения воды из-за слабовыраженного термоклина. Такие
озера называют полимиктичными – перемешивание вод здесь наступает в
результате сильных ветров и небольших сезонных изменений температуры
воздуха, или олигомиктичными – перемешивание отсутствует, это обычно
эвтрофные водоемы с высокой температурой воды. Амиктичные озера,
имеют постоянный ледовый покров и, поэтому никогда не перемешиваются.
Преобладание диатомовых водорослей в период весенне-осеннего перемешивания детерминировано их потребностью в подвижности воды. В условиях интенсивного перемешивания менее требовательные к световым условиям диатомовые адаптируются к средней освещенности, так как сокращается время их пребывания в фотической зоне. Имея высокую скорость
оседания, диатомовые способны образовывать глубинные максимумы, пересекая температурный и плотностный градиенты.
Влияние скорости течения на биомассу и видовой состав фитопланктона наблюдается в водохранилищах. По мере снижения скорости течения
83
от верхней части к плотине происходит смена доминантов среди фитопланктона от диатомовых в речной части к протококковым в средней и синезеленым водорослям в приплотинной части. В Куйбышевском водохранилище снижение проточности определило смену видового состава от диатомовых к сине-зеленым водорослям, которые доминировали при скорости течения не более 0.04 м/с.
Интенсивная гидродинамика водных масс в незарегулированных реках
считается основным фактором, сдерживающий развитие сине-зеленых. Увеличение скорости течения приводит к росту первичной продукции у отдельных видов водорослей и к снижению численности сине-зеленых как в натурных, так и лабораторных условиях. Позднее было показано, что рост численности Microcystis aeruginosa коррелирует не со скоростью, а с гидромеханическим состоянием течения – турбулентностью. Диапазон значений
турбулентности (числа Рейнольдса) Re = 21-36 тыс. имеет стимулирующее, а
Re = 50-55 тыс. ингибирующее действие на развитие и размножение клеток
водоросли. При ламинарном течении скорость метаболизма в клетке лимитирована скоростью молекулярной диффузии биогенов к клетке, а при турбулентном течении увеличивается скорость обмена веществ вокруг клетки,
что создает оптимальные условия для ее питания. Непосредственное влияние турбулентности состоит в изменении коллоидного состояния протоплазмы клеток. Разрушение агрегатов мицелл способствует увеличению
скорости метаболизма в клетке и тем самым ее росту.
Существует ряд теорий стимулирующего влияния движения воды на
фитопланктон. Одним из первых создателей подобной теории был F. Gessner
(1955), в основу которой он положил гидромеханическое состояние воды –
турбулентность или ламинарность. Турбулентность содействует быстрой
смене слоя контакта водоросль – вода, улучшая условия ассимиляции биогенов клетками, при этом турбулентная скорость диффузии вещества в тысячи
раз превышает молекулярную скорость в стоячей воде. В подтверждение основных положений теории в некоторых случаях отмечено увеличение первичной продукции в озерах при ветреной погоде и уменьшение при штилевой. Механизм данного влияния раскрыл L. A. Whitford (1960) в гипотезе
«концентрационных сфер». Согласно гипотезе, течение разрушает концентрационные сферы вокруг клетки, в которых концентрация потребляемых
веществ возрастает от минимальной в близи клетки до максимальной во всей
питательной среде, и способствует поступлению новых порций питательных
веществ.
Как отмечает И.А. Киселев (1980), положительное влияние турбулентности водных масс на клетки фитопланктона в том, что с клеточных оболочек удаляются экскреты водорослей и облегчается процесс диффузии и доставки питательных веществ, в том числе и углекислого газа. Турбулентное
состояние воды снижает общую освещенность в ней. По сравнению со спек-
84
тральной освещенностью в стоячей воде, движение потока с турбулентностью Re =20 – 30 тыс. в 1.1 – 1.5 раза сильнее ослабляет сине-фиолетовый
участок спектра по сравнению с красным. Волны, возникшие на поверхности
воды при турбулентном движении, образуют «волновые линзы», собирающие и рассеивающие, при этом освещенность в воде имеет импульсный характер. Прерывистость поглощения света может определять интенсивность и
характер фотохимических реакций водорослей и их первичную продукцию.
Турбулентное перемешивание может оказывать следующее воздействие на
фотосинтез: усиление обмена веществом между зоной питания клетки и окружающей средой; выравнивание концентраций клеток в пространстве, ослабляющее конкуренцию и усиливающее фотосинтез; усиление фотосинтеза
фитопланктона за счет вертикальной миграции клеток; усиление биосинтеза
за счет смены световых и темновых реакций при переносе клеток в глубоких
водоемах попеременно из освещенной в затемненную зону.
Образующиеся под воздействием ветра турбулентные течения приводят к перемешиванию поверхностных слоев воды. Это наиболее значимо для
функционирования фитопланктона, поскольку вызывает рассевание клеток
водорослей в перемешиваемом слое, глубина которого зависит от силы ветра. При слабом ветре неглубокое перемешивание способствует удержанию
оседающих водорослей в освещенном поверхностном слое, при усилении
ветра клетки водорослей увлекаются в более глубокие слои, где могут испытывать световое голодание. В период «цветения» воды сине-зелеными водорослями ветровое перемешивание приводит к рассредоточению их поверхностных скоплений, образующихся при штилевой погоде, к повышению
прозрачности и увеличению толщины фотического слоя. В условиях штиля в
водоемах, подверженных «цветению» обнаруживается скопление цианобактерий в подповерхностном слое на глубине 0.25-3м, снижающих таким образом освещенность для других видов, обитающих в толще воды. В Рыбинском водохранилище ветровое перемешивание водных слоев считается основной причиной прекращения «цветения». В модельных и натурных исследованиях определена критическая скорость ветра, при которой происходит
перемешивание плавучих цианобактерий – 2-3 м/с. После шторма цианобактерии концентрируются в глубинных слоях. Эмпирически установлена связь
между биомассой цианобактерий у поверхности со скоростью ветра:
Bw = B0 (0.89-0.12W) ,
где Bw – биомасса водорослей (г/м3); W – скорость ветра на высоте 2 м, (м/с).
Особенно важно отслеживать распределение цианобактерий в период цветения, поскольку они влияют на качество вод и жизнедеятельность других организмов.
В сочетании с освещенностью и содержанием биогенных веществ
толщина перемешанного слоя определяет биомассу и первичную продукцию
фитопланктона. Толщина перемешиваемого слоя (эпилимниона) зависит от
85
степени стратификации и интенсивности ветрового воздействия. Но рост водорослей ограничен фотической зоной, глубина которой определяется мутностью воды и количеством проникающей солнечной радиации и, как правило, не совпадает с толщиной эпилимниона. В высокопродуктивных водоемах обычно большая биомасса поддерживается только в тонком слое и
ze<zm, где ze и zm - соответственно толщина фотического и перемешиваемого
слоев. Отношение ze/zm играет важную роль для водорослей, определяя величину отношения продукции (P) и деструкции (R). В результате сопоставления величин ze/zm и P/R установлено, что оптимальное отношение P/R достигается у диатомовых водорослей при отношении ze /zm, равном 0.15 – 0.20,
а у зеленых – от 0.5 до 1.0. С увеличением толщины перемешиваемого слоя
увеличивается продолжительность последовательных флуктуаций света, что
может влиять на фотосинтез фитопланктона. Если толщина эвфотической
зоны меньше глубины, до которой распространяется турбулентность или
вертикальная циркуляция, вынос клеток за пределы зоны фотосинтеза будет
вести к убыли фитопланктона.
Huisman с соавторами (1999а) представлена модель, описывающая
влияние перемешивания на динамику и видовой состав «цветения» фитопланктона. Скорость турбулентного перемешивания является главным детерминантом видового состава фитопланктона. Большая популяция может
развиться при низкой глубине или фоновой мутности, или если глубина
большая, но скорость перемешивания низкая, так, что фитопланктон агрегируется на вершине водного столба и избегает затенения фоновой мутностью.
Исход конкуренции за свет зависит от режима перемешивания. В условиях
хорошего перемешивания выигрывает вид с меньшей критической интенсивностью света. При низкой скорости перемешивания вид с меньшей критической интенсивностью света может быть вытеснен другим видом, если
последний способен занять более выгодное положение по отношению к световым условиям. Моделью предсказывается резкая смена доминантов вдоль
градиента скорости турбулентного перемешивания, когда система переходит
из состояния полного перемешивания в незначительное перемешивание.
Полное перемешивание приводит к конкурентному исключению, тогда как
неполное создаёт благоприятные условия для сосуществования. Все виды
стремятся агрегироваться у поверхности столба воды, а конкуренция за свет
должна привести к «цветению» фитопланктона, представленного одним видом.
Elliott с коллегами (2002) исследовано влияние глубины перемешивания на сообщество фитопланктона, в состав которого входили регулирующие плавучесть Anabaena, Planktothrix, Microcystis, «неплавучая» Asterionella, активно передвигающиеся Ceratium, Rhodomonas и близкие к нейтральной плавучести неподвижные Chlorella и Oocystis. Показано, что при небольшой глубине перемешивания гетерогенность условий среды позволяет
86
видам сосуществовать. Возможно одновременное развития двух «цветений»:
у поверхности - Rhodomonas, Chlorella, Ceratium, и на глубине 9 м - Asterionella. Исследование подтверждает гипотезу о том, что при низкой интенсивности света или/и глубоком перемешивании в сообществе будет доминировать фитопланктон с низкой критической интенсивностью света.
Возмущения в окружающей среде приводят к изменениям величины
устойчивости в столбе воды, которые накладываются на ход сукцессии, что
может привести к быстрой смене видов. Например, в результате достаточно
длительного ветрового воздействия толщина слоя полного перемешивания
увеличивается, что способствует развитию диатомовых водорослей. Однако
восстановление стратификации может вновь привести к частичному возвращению ранее доминировавших видов.
Связь работы ветра w и стабильность водоема - S , определяемая как
количество энергии, необходимой для перемешивания термически стратифицированного столба воды до гомотермии, описана уравнением:
g
S=
A0
H
∫ (ρ
z
− ρ ) Az ( z − z ρ )dz ,
0
где ρ - плотность воды при гомотермии; z ρ - глубина, на которой до перемешивания плотность воды была равна ρ ; A0 – площадь водной поверхности;
H – максимальная глубина. Отношение w /Smax позволяет оценить влияние
процессов обмена на развитие различных видов фитопланктона. Чем больше
величина этого показателя, тем меньше развитие в озерах цианобактерий.
Разницей в скорости изменения стабильности можно объяснить то, что в
глубоких олиготрофных озерах в нижней части фотической зоны обеспечиваются более благоприятные условия роста для адаптированных к низкой
освещенности видов фитопланктона, чем в мелких озерах с малой прозрачностью воды, т.к. в первом случае величина стабильности гораздо больше.
Вследствие этого в глубоких озерах фитопланктон имеет меньше шансов
подняться наверх, чем в мелких, что может объяснить наблюдаемый иногда
пик биомассы водорослей ниже 1%-го уровня освещенности. Большие значения первичной продукции совпадали с уменьшением устойчивости водного столба и zeu/zmix .
Исследования по влиянию режима перемешивания на фитопланктон
проводятся как в естественных условиях водоема, так и в экспериментальных: в лабораторных микроэкосистемах (МЭС) и в отгороженных участках
водоема (enclosure). В эвтрофном неглубоком стратифицированном озере в
экспериментах с отгороженным участком было отмечено, что при однократном перемешивании, способствующем поступлению биогенов со дна в фотический слой, и низком уровне выедания рачковым зоопланктоном происходит увеличение биомассы доминантного вида фитопланктона Criptomonas
ovata. При высокой биомассе зоопланктеров-фильтраторов, биомасса фито-
87
планктона снижается. Видовое разнообразие фитопланктона было ниже при
перемешивании, поскольку основное развитие получили несколько быстрорастущих видов. В эвтрофном оз. Nieuwe Meer обнаружен переход от доминирования цианобактерий к диатомовым и зеленым водорослям при искусственном перемешивании, проводимом в озере. В дальнейшем, эксперименты в планктонных башнях с глубиной перемешивания 10 м и 2 м показали,
что седиментационные потери Scenedesmus protuberans были выше при глубине перемешивания 2 м.
Распределение фитопланктона в водоемах неоднородно как в пространстве, так и во времени. Масштабы этих неоднородностей зависят от
воздействия внешних факторов (в частности, ветра) и вида водорослей. В
пространственной неоднородности планктона наиболее важную роль играют
процессы с временной изменчивостью, соизмеримой со скоростями роста
организмов. Для водорослей, период генерации которых составляет 0,5 - 5
сут, таким процессом является ветровое воздействие синоптического масштаба изменчивости (3–15 сут), нарушающее микрораспределение фитопланктона при скорости ветра > 3-5 м/с. Одним из факторов, способствующих образованию устойчивых скоплений планктона в центральной части
водоема, может служить крупномасштабная циркуляция вод, формирующаяся при различных гидрометеорологических условиях и характеризующаяся сложностью своей пространственно-временной структуры. Обнаружено, что максимальные скопления фитопланктона при различных ветровых
условиях формируются в районах Рыбинского водохранилища, характеризующихся наибольшей изменчивостью направления и наименьшей скоростью горизонтального переноса вод.
Как отмечают Л.А. Сиренко и М.Я. Гавриленко (1978), малые и средние озера в связи с небольшим объёмом воды и полной циркуляцией в период гомотермии сильнее подвержены влиянию эвтрофирования в результате
выхода фосфатов из донных отложений.
Для Канадских озер, показано, что толщина перемешиваемого слоя в
крупных озерах больше, чем в мелких озерах, что способствует увеличению
рециклинга биогенов, основного источника азота, кремния и фосфора для
фитопланктона, через термоклин, снижая их содержание в донных отложениях. Таким образом, скорость биогенного рециклинга зависит от морфометрии бассейна. Возрастание интенсивности турбулентности с размером
озера способствует повышению первичной продукции, поскольку именно
рециклинг биогенов обеспечивал развитие фитопланктона. В больших озерах (более 1000 га) внутренние волны являются источником гиполимнетической турбулентности, способствующей поступлению биогенов из седиментов. В небольших озерах свет может проникать ниже термоклина, позволяя
фитопланктону развиваться в глубинных слоях, при этом биогены, диффундирующие со дна не достигают термоклина.
88
При исследовании 12 эвтрофных озёр в районе Берлина и Бранденбурга (Германия) обнаружено, что общая биомасса фитопланктона в «очень
мелководных» озёрах (глубиной менее 5 м) была примерно в 2 раза больше,
чем в «средне мелководных» (5-15 м глубиной), хотя концентрация биогенов
была в одном диапазоне. Причины этого различия, по мнению Nixdorf с коллегами, нужно искать в постоянном и значительном количестве света из-за
благоприятного отношения zeu/zmix в «очень мелководных» (до 5 м) озёрах.
Режим регулярного перемешивания обеспечивает устойчивое и близкое к
оптимуму изменение ритма свет/темнота в этих озёрах. Цианобактерии
очень хорошо адаптированы к условиям дефицита биогенов и низкому подводному световому климату. Они более эффективно потребляют фосфор в
«очень мелководных» озёрах, продукция водорослей в «средне мелководных» и глубоких озёрах ограничена в силу неблагоприятных световых условий.
Искусственная аэрация водоемов, используемая для борьбы с «цветением», не всегда приводит к снижению биомассы водорослей. Неполное или
недостаточно интенсивное перемешивание стратифицированных водоемов
не снижает биомассу водорослей, а способствует микростратификации поверхностного слоя и стимулирует развитие цианобактерий. Режим слабого
турбулентного перешивания при значениях коэффициента турбулентной
диффузии порядка 1-5 см2/с, или при достаточно большом отношении площади поверхности к расходу воздуха при пневматической аэрации, и отсутствии биогенного лимитирования, не приводит к изменению естественного
хода развития водорослей.
Вопреки сложившемуся представлению о том, что стабильность столба воды способствует развитию цианобактерий, в эвтрофном южноафриканском озере Microcystis aeruginosa доминировал при среднегодовой
скорости ветра 6,4 м/с и постоянном перемешивание водой массы. Ветровое
перемешивание, оптимальные условия температуры и света поддерживали
высокую продуктивность фитопланктона, адаптировавшегося к высокой
частоте флуктуаций света. Отмечена обратная зависимость скорости всплывания клеток Microcystis и Anabaena от интенсивности турбулентного потока
в водоеме. Скорость поднятия сине-зелёных водорослей может достигать 10250 м/сутки, а опускания – 30 м/сут. При низких собственных скоростях
движение клеток представляется турбулентным.
В эксперименте Gervais с соавторами (1997) вращение мешалок в инкубационных склянках создавало турбулентные условия, что привело к увеличению продукции фитопланктона из неглубокого полимиктического эвтрофного озера в период доминирования плавучей водоросли Aphanizomenon
flos-aquae. При крупномасштабном перемешивании в планктонных башнях
получен прирост биомассы доминантного вида зеленой водоросли р.
89
Scenedesmus. Статичное инкубирование характеризовалось фотоингибированием фотосинтеза водорослей.
В экспериментах с отгороженным участком в заливе озера Biwa (Япония), глубиной до 2 м, Microcystis aerugenosa и Anabaena sp. получили максимальное развитие в условиях c постоянной и периодической (дневной)
стратификацией. Результаты подтверждают гипотезу Бормана о том, что
Microcystis, перемещенный в более глубокий слой воды ночным конвекционным перемешиванием, способен утилизировать биогены, аккумулированные ниже термоклина, и поэтому становиться доминантным. Anabaena sp.
развивалась в незначительных количествах и в перемешиваемых участках
водоема, поскольку глубина была небольшой и световые условия благоприятными. Авторы объясняют отрицательное влияние перемешивания на цианобактерии гипотезой Перла, который предположил, что безкислородные
зоны вокруг цианобактериальных клеток необходимы для фиксации азота,
из-за чувствительной к кислороду нитрогеназе, и перемешивание может
снижать активность фиксации азота через деструкцию микрозон.
Интенсивность и глубина перемешивания определяет частоту встречаемости зоопланктеров-фильтраторов и фитопланктона, способствует снижению биомассы фитопланктона через выедание зоопланктоном. Когда перемешивание обеспечивало высокую частоту встречаемости между «хищником» и «жертвой», видовое разнообразие фитопланктонного сообщества было самым низким, произошёл сдвиг в составе фитопланктона к малосъедобным формам.
Huisman с коллегами рассматривают (1999б) критическую глубину и
критическая турбуленцию в качестве основных механизмов развития «цветения» в водоемах. «Цветение» может развиваться, только если верхний перемешиваемый слой воды меньше некоторой критической глубины. Критическая глубина (Zcr) определяется уравнением:
*
ln( I in ) − ln( I out
)
Zcr =
,
K bg
*
- видоспецифичная критигде Iin – интенсивность падающей радиации, I out
ческая интенсивность света, Kbg – фоновая мутность. Критическая турбулентность обратно пропорциональна квадрату фоновой мутности, она видоспецифична. Низкая скорость вертикального перемешивания способствует
образованию температурного градиента. Поэтому развитие температурного
градиента и «цветение» фитопланктона могут совпадать без всякой взаимосвязи.
Исследования оз. Белое (Красноярский край), подверженного ветровому воздействию, показали, что ветер со скоростью 3-4 м/с обеспечивает вертикальное перемешивание водных масс до дна и взмучивает тонкодисперсные донные отложения. Увеличение в толще воды количества детритного
хлорофилла ведет к снижению суточного ассимиляционного числа фито-
90
планктона (САЧ), что является вероятной причиной отсутствия «гиперцветения» микроводорослей
Лекция 14. Водоросли водных местообитаний: фитопланктон, фитобентос (перифитон), водоросли горячих источников, водоросли льда и
снега, водоросли соленых водоемов
Водоросли настолько уникальная группа растений, что они освоили
практически все местообитания, где только может идти фотосинтез., от полярных районов до жарких пустынь, от вершин гор до подземных пещер.
Они вступают в различные симбиотические ассоциации с другими организмами.
Ведущими факторами среды, влияющими на их рост и развитие являются:
- свет,
- температура,
- наличие капельно-жидкой среды,
- источники углеводов,
- минеральные и органические вещества.
Наиболее часто в водных экосистемах лимитирующими факторами является наличие биологических веществ и температура, кроме этих 2 факторов к лимитирующим относят: прозрачность, наличие течения, концентрация О2 и СО2.
В наземных местообитаниях среди дополнительных лимитирующих
факторов, влияющих на рост и развитие водорослей выделяют влажность,
свет, а также субстрат и строение субстрата. В последнее время человек
очень сильно влияет на развитие водорослей, поэтому кроме биотических и
абиотических факторов выделяют антропогенный (промышленные выбросы,
сброс в водоемы токсических и бытовых веществ, вырубки, строительства
ГЭС и водохранилищ и др.)
Водорослевые сообщества в зависимости от занимаемых биотоков
подразделяются на:
- водоросли водных местообитаний,
- водоросли вневодных местообитаний.
Водоросли водных местообитаний. Среди этой большой группы водорослей выделяют следующие экологические группы
1. Планктонные водоросли.
2. Нейстонные водоросли
3. Бентосные водоросли (фитоперифитон).
4. Экологические группы водорослей при экстремальных температурах.
91
Планктон - совокупность особей взвешенных в водной толще. Выделяют зоопланктон, бактерио- и фитопланктон.
Совокупность свободно плавающих в толще воды мелких водорослей
называют фитопланктоном, а каждый отдельный организм из состава фитопланктона – фитопланктером. Макро – и микроскопические водоросли, растущие (хотя бы в начале жизни) на дне водоема или на погруженных в воду
предметах (камнях, других растениях или животных) называются фитобентос (фитоперифитон).
Фитопланктон – наиболее распространенная и хорошо изученная из
всех экологических групп водорослей. Он встречается практически во всех
водоемах, где плавает свободно и в значительной степени пассивно. Большинство планктонных видов не связано в своем существовании с берегом и
дном, однако жизненный цикл некоторых мелководных форм включает бентосные покоящиеся стадии.
Фитопланктонные водоросли преимущественно одноклеточные, хотя
среди них много колониальных и нитчатых форм, особенно в пресных водах.
Размеры составляют от менее 5 мкм у мелких жгутиковых и коккоидных видов до 500 мкм у колониальных, например Volvox.
Выделяются две группы: сетной планктон, улавливаемый сетями с
размером ячеи примерно 64 мкм, и более мелкий, или наннопланктон. Согласия относительно того, какой размер считать переходным от одной группы к другой, пока не достигнуто. Одни относят к наннопланктону формы
диаметром менее 20 мкм, другие – менее 10 мкм. В последнее время выделилась еще одна размерная группа пикофитопланктон, клетки которого менее 2 мкм.
Размер клетки и отношение площади ее поверхности к объему очень
важны с точки зрения плавучести, поглощения питательных веществ и устойчивости к выеданию. Чтобы выжить, фитопланктонная популяция должна удерживаться в той части водной толщи, где освещенность обеспечивает
уровень фотосинтеза, достаточный для роста и размножения. Однако не следует однозначно рассматривать тенденцию к опусканию ниже как отрицательную, поскольку вертикальное перемещение способствует поглощению
питательных веществ и может быть также механизмом избегания консументов и сильного ингибирующего излучения у поверхности воды.
Плотность всех водорослей, за исключением синезеленых, образующих газовые вакуоли, больше, чем у воды, т.е. они неизбежно будут погружаться в глубину. Для подвижных клеток это не проблема, поскольку они
могут активно плыть на свет, но многие другие организмы, например диатомовые или коккоидные формы из разных отделов, к этому не способны.
Плотность большинства компонентов цитоплазмы выше, чем у воды (1,0008
г/см3 у пресной и 1,027 г/см3 у морской). Кремнеземные панцири диатомей,
одной из наиболее процветающей групп фитопланктона, имеют плотность
92
2,6 г/см3. Только у липидов плотность меньше, чем у воды (0,86 г/см3), что
снижает общую плотность клетки, но не может обеспечить нейтральной
плавучести. Подсчитано, что увеличение содержаний липидов у морской
диатомеи с 9 до 40 % сократило бы общую плотность клетки на 3,5 %, т.е. до
1,15 г/см3, а значит, она все равно осталась бы значительно выше плотности
морской воды. хотя это и привело бы к снижению на 25% скорости погружения. Обычно липиды составляют 2-20% сухой массы водорослей, причем
накапливаются в сходных концентрациях и у бентосных видов, следовательно, если они и регулируют распределение клеток в толще воды, то лишь
в исключительных случаях.
Для морских водорослей обнаружен еще один механизм – ионная регуляция, при которой более тяжелые ионы замещаются более легкими. Например, плотность вакуолярного сока диатомеи Ditylum bughtwelli снижается
за счет селективного накопления ионов К+ и Na+, замещающих более тяжелые двухвалентные ионы. Динофлагеллята Pyrocystis nostiluca также способна снижать концентрацию тяжелых ионов SO4-2, Ca2+, Mg2+ до уровня,
обеспечивающего всплывание.
Планктонные синезеленые водоросли обладают специальными плавательными приспособлениями, так называемыми газовыми вакуолями, которые состоят из нескольких тесно упакованных цилиндров, или пузырьков,
длиной до одного микрометра при диаметре 70 нм, окруженных белковой
мембраной. При достаточном внешнем давлении, называемыv клеточным
тургором, пузырьки разрушаются и клетка теряет плавучесть.
Клетки Anabaena flos-aquae при низкой освещенности образуют газовые вакуоли и становятся плавучими, т.е. поднимаются вверх, но на ярком
свету вакуолизация снижается и плавучесть теряется. В ходе фотосинтеза
клеточное тургорное давление может увеличиться до нескольких атмосфер в
следствии накопления фотоассмилятов и поглощения ионов К+. Таким образом планктонные синезеленые водоросли, по-видимому, регулируют свое
положение в столбе воды, удерживаясь на глубинах, наиболее благоприятных для роста. Это дает им значительное преимущество перед другими
планктонными видами и возможность вызвать «цветение» в стабильном
водном слое.
Еще несколькими приспособлениями к обитанию во взвешенном состоянии обладают планктонные водоросли. У одних видов это разного рода
выросты и придатки тела - шипы, щетинки, роговидные отростки, перепонки, парашюты, другие образуют полые или плоские колонии и обильно выделяют слизь, но большей частью планктонные водоросли обладают мелкими размерами тела. Скорость погружения фитопланктонной клетки непосредственно зависит от ее размера; при прочих равных условиях крупная
клетка будет погружаться быстрее мелкой. Микроскопические размеры в сочетании с механизмами уменьшения плотности – важнейшая адаптация,
93
уменьшающая скорость опускания. При постоянном объеме и массе клетки
любые морфологические изменения, увеличивающие площадь ее поверхности, повысят трение и возможность увлечения турбулентным водным потоком .
Нейстонные водоросли. Нейстон представляет собой очень своеобразное водорослевое сообщество, т.е. это организмы, которые существуют на
границе раздела фаз вода-воздух:
- над пленкой воды – эпинейстон
- над пленкой воды – гипонейстон.
Обитают в лужах, прудах, в заливах, морях и т.д. Иногда они развиваются в таком количестве, что покрывают воду сплошной пленкой. В этой
группе встречаются и золотистые, зеленые, эвгленовые, желто-зеленые, диатомовые.
Чтобы удержаться в этой зоне, многие виды имеют специальные парашютики из слизи, которые и удерживают водоросли.
Бентосные водоросли (перифитон). К бентосным (донным) организмам относится совокупность организмов приспособленных к существованию в прикрепленном или неприкрепленном состоянии на дне водоемов и на
разнообразных предметах, живых и мертвых организмах, находящихся в воде.Для роста бентосных водорослей очень важен свет, температура, биогены
и другие вещества, но главное – это темп поступления этих веществ в слоевище водоросли. Поэтому места с интенсивным движением воды часто отличаются пышным развитием бентосных форм (т.к. вода доставляет биогенные пигменты, смывает частицы грунта со слоевища).Выделяют бентосные
реофильные водоросли, т.е. те которые предпочитают места с постоянным
течением . В озерах и морях, где нет сильных течений важную роль играет
волновое движение.
В полярных морях на развитие бентосных водорослей сильное влияние
оказывает лед. Из-за движения льда, водоросли могут быть просто стерты,
поэтому их легче найти у берега среди валунов и выступов скал.
Температура оказывает влияние на бентосные водоросли очень сильное, она часто определяет географическую зональность их распространения.
Некоторые таксономические группы водоросли особенно широко представлены в определенных географических областях. Ламинариевые водоросли
(бурые) встречаются в основном в Северной Пасифике (северная часть Тихого океана), фукусовые – в Австралазии.
Диктиотовые и сифональные зеленые водоросли обычно в тропических зонах, там же особо много известковых форм. Очень часто считают, что
в тропиках отсутствуют водоросли с крупными талломами из-за того, что их
съедают рыбы-фитофаги. С продвижением в более высокие широты исчезают рыбы-фитофаги и водоросли имеют крупные талоны (морская капуста).
94
Многие ученые очень тесно связывают географическое распределение
водорослей, в частности, макрофитов с температурой. В 1915 году Сетчелл
разграничивает 9 фитогеографических областей в соответствии с распространением водорослей. 1978 году Ван ден Хук выделил 4 зоны. Хатчинс в
1947 году предполагал наличие 4 критических температур, влияющих на
распространение морских водорослей макрофитов:
- минимальный для выживания;
- минимальный для размножения;
- максимальный для размножения;
- максимальный для выживания.
Ван ден Хук добавил еще две – верхняя и нижняя предельные для роста, кроме того, он добавил еще один фактор, который является регулирующим для жизненных циклов водорослей наряду с температурой. Это долгота
дня.
В зависимости от места произрастания среди бентосных водорослей
различают следующие экологические группы.
Эпилиты – водоросли, растущие на поверхности твердого грунта (скалы, камни), образуя корковидные покрытия или плоские подушечки, часто
обладают особыми органами прикрепления – ризоидами.
Эпипелиты – водоросли, населяющие поверхность рыхлых грунтов
(песок, ил), они часто не прикреплены и связывают и укрепляют субстрат.
Это могут быть свободно ползующие диатомовые золотистые, криптофитовые и т.д. Лишь харовые имеют хорошо развитые ризоиды и развиваются на
илистом дне.
Эндолиты – или сверлящие водоросли, внедряющиеся в известковый
субстрат(скалы, раковины моллюсков и т.д.)
Эндофиты – которые поселяются в слоевище других растений, но отличаются от паразитов нормальными хлоропластами, например в ряске в листьях сфагнума.
Эпифиты – живущие на поверхности других растений.
Паразиты – живущие в слоевищах других растений и не имеющих
хлоропластов.
Перифитон – т.е. водоросли, которые живут на предметах большей частью движущихся или обтекаемой водой. Могут поселиться на любых субстратах на мертвых и живых, например на планктонных организмах.
И третья группа водоросли экстремальных температур. Водоросли горячих источников – вегетируют при t=35-53оC могут до 84 оC и выше, нередко при этом бывает повышенное содержание минеральных солей или органических веществ. Очень часто там развиваются синезеленые, редко диатомовые и зеленые.
Водоросли снега и льда. Снежные водоросли встречаются повсюду,
где имеется постоянный или почти постоянный снежный покров. Среди
95
криофильных водорослей преобладают зеленые, синезеленые и диатомовые.
Но чаще всего это хламидомонады. Считают, что истинно снежные водоросли оптимально растут при температуре ниже 10 оC, в более теплых условиях
существуют в пальмеллоидном состоянии, подвижные стадии Сhroomonas
pichinchae – между 1-5 оC.
Зиготы могут прорастать в снегу, или под снегом. Но все-таки экстремальные условия сказываются и, чаще всего, вегетативная фаза снежных водорослей длиться примерно неделю в год. Развиваясь в массовом количестве, они могут вызывать «цветение». Например, Chlamydomonas nivalis вызывает красное «цветение» на открытых пространствах в горах выше лесного пояса. Считают, окраску обуславливает избыточный синтез каротиноидов, как следствие азотного голодания. Могут быть зеленые «цветения», которое обнаруживается под покровом снега в лесу. Оранжевое «цветение» –
окрашивают снег верхнего слоя близ деревьев.
Водоросли льда. Водоросли растут часто на нижней стороне льда в
рыхлом слое и в канальцах с морской или талой водой между кристаллами
льда на поверхности. Наиболее часто встречаются диатомовые, динофлагелляты, криптофиты и зеленые жгутиковые. Водоросли адаптированы к низким температурам (около 0 оC) и низкой освещенности (50-100 лк). Считают,
что у водорослей льда возможна факультативная гетеротрофность.
Водоросли соленых водоемов называются галобионты, которые растут
при повышенной концентрации в воде солей, достигающих 285 г/л в озерах с
преобладанием поваренной соли и 347 г/л - в глауберовых озерах. Очень
высокую соленость могут переносить лишь немного видов. В очень соленых
озерах преобладают гипергалобы – в основном вольвоксовые, клетки их лишены клеточной оболочки и окружены лишь плазмалеммой (Dunaliella, Asteromonas и др.). Клетки водорослей обладают высоким внутриклеточным
осмотическим давлением и повышенным содержанием хлористого натрия в
протоплазме.
Водоросли также накапливают каротиноиды и глицерин. Могут вызывать «цветение воды» - красное или зеленое.
Таким образом условия среды накладывают своеобразный отпечаток
на группы водорослей , адаптированных к этим условиям.
Лекция 15. Водоросли вневодных местообитаний: аэрофильные,
эдафофильные, литофильные
Кроме водной среды водоросли освоили вневодные местообитания.
Главное, чтобы было наличие хотя бы периодического увлажнения и тогда
водоросли можно встретить везде: на коре деревьев, на стенах, на заборах,
почве и т.д.
96
Согласно классификации М.М. Голербаха и Э.А. Штины, сообщества,
образуемые водорослями вневодных местообитаний подразделяют на:
- аэрофильные,
- эдафодальные,
- литофильные.
Аэрофильные водоросли. Основной жизненной средой этих водорослей является окружающий их воздух. Типичные местообитания – поверхность различных внепочвенных твердых субстратов ( скалы, камни, кора деревьев и т.д.). В зависимости от степени увлажнения их подразделяют на 2
группы:
- воздушные водоросли – обитающие в условиях только атмосферного увлажнения и испытывающие постоянную смену высыхания и влажности
- водно-воздушные водоросли, подвергающие действию постоянного орошения водой (под брызгами водопада, прибоя и т.д.)
Условия существования аэрофильных водорослей очень своеобразны и
характеризуются частой и резкой сменой двух факторов – влажности и температуры. Водоросли вынуждены часто переходить из состояния избыточного увлажнения (после ливня) в состоянии минимальной влажности в засушливые периоды.
Водоросли этой группы представлены отделами Cyanophyla, Chlorophyta, и очень немного Bacilartophyta.
На коре деревьев в основном встречаются зеленые Pleurococcus vulgaris, Trentepolia piceana, есть Chlorella, Chlorococcum, Trebouxia и другие.
Зато на скалах в основном преобладают диатомовые и синезеленые
водоросли. На скалах водоросли образуют «горный загар». Например, у нас
в заповеднике «Столбы» на скалах очень часто развиваются виды
p.Gloеоcapsa, образуя черные по цвету скалы
Эдафофильные водоросли (почвенные). Основной жизненной средой
этих водорослей является почва. А типичные местообитания – поверхность и
толщина почв. Находят водорослей даже там, куда не проникает свет до 2
метров глубины, в целинных и пахотных почвах до 2,7 м глубины. Предполагают, что на таких глубинах водоросли переходят к гетеротрофному типу
питания.
В связи с таким местонахождением почвенные водоросли должны
иметь способность к перенесению неустойчивой влажности, резких колебаний температур и сильной инсоляции (интенсивности света).
Для этого у них выработались морфологические и физиологические
адаптации.
- водоросли имеют мелкие размеры по сравнению с водными;
- обильное образование слизи - слизистых колоний, чехлов и оберток;
- «эфемерность» вегетации – т.е. быстро переходить из состояния покоя к
вегетации и наоборот;
97
- они способны переносить колебания температуры почвы (от -200 оC до
+84оC и выше).
Например, почвенные водоросли являются важной частью растительности Антарктиды, т.к. они окрашены в черный цвет, поэтому температура
их тела выше температуры окружающей среды.
Почвенные водоросли принадлежат в основании к синезеленым, зеленым, есть представители желто-зеленых и диатомовых водорослей.
Среди эдафофильных водорослей в зависимости от местонахождения
выделяют 3 группы сообществ:
- наземные водоросли – развивающиеся на поверхности почвы;
- водно-наземные водоросли – на поверхности почвы, постоянно пропитанной водой (например, пещерные);
- почвенные водоросли – населяющие толщу почвы.
Литофильные водоросли. Основной жизненной средой литофильных
водорослей служит окружающий их непрозрачный плотный известковый
субстрат. В зависимости от физиологических особенностей этой группы различают 2 сообщества:
- сверлящиеся водоросли, активно внедряющиеся в каменистый субстрат и
заселяющие мелкие ходы и поры, проделанные ими в каменистой породе;
- туфообразующие водоросли, отличающие вокруг своего тела известь и
обитающие в периферических слоях отлагаемой ими среды, в пределах, доступных для диффузии света и воды. По мере нарастания отложения эти ценозы отмирают.
Симбиотические водоросли. Водоросли очень часто вступают в симбиоз с другими организмами, кроме взаимовыгодных или паразитических
качеств они создают новые организмы.
Выделяют ассоциации водорослей:
- с беспозвоночными, например с моллюсками, с плоскими червями (Convoluta). Часто в такие симбиозы вступают зеленые водоросли – «зоохлореллы»,
динофиты – «зооксантеллы»;
- с простейшими и кишечнополостными, например симбиозы кораллов, фораминифер;
- с грибами, создают новый организм - всем известные лишайники (водоросли p.Trebouxia и Pseudotrebouxia);
- с мхами и сосудистыми высшими растениями. Ассоциации водорослей с
антоцеротовыми и печеночными мхами, водным папоротником Azolla, саговниками (внутри специализированных коралловидных корневых клубеньков) и у семенного растения Gunnera – в основании листьев нити проникают
в межклетники.
98
Лекция 16. Роль экологических факторов в возникновении
«цветения» воды. Методы борьбы с «цветением» воды
Важным фактором определяющим уровень развития водорослей является химический фактор. Основными элементами питания водорослей, регулирующими развитие фитопланктона в вегетационный период, по мнению
К.А. Гусевой (1952) являются азот, фосфор и железо. Считается, что для синезеленых порог лимитирования по фосфору составляет 0,01 мг/л (Zevenboom et al., 1982). Синезеленые способны аккумулировать фосфор в полифосфатных гранулах, что позволяет им поддерживать высокую биомассу
при низкой концентрации минерального фосфора в среде. Существовало
распространенное мнение, что возникновение «цветения» воды синезелеными водорослями связано с евтрофированием водоемов. Однако анализ данных по водоемам Ирландии позволил сделать вывод, что доминирование синезеленых водорослей не зависит от количества фосфора. То есть при доминировании синезеленых водорослей увеличение концентрации фосфора будет способствовать увеличению их биомассы. Однако будут ли они доминировать предсказать по содержанию в воде фосфора невозможно (исключая
случаи лимитирования фосфором роста водорослей).
Соотношение азота и фосфора часто используют в качестве критерия
для предсказания доминирования синезеленых водорослей. В. Смит (Smith,
1983) показал, что синезеленые водоросли имеют тенденцию к доминированию в водоемах, в которых соотношение среднегодовых концентраций общего азота к общему фосфору менее 29:1 по массе. Данная тенденция объясняется способностью синезеленых к азотфиксации, что позволяет им доминировать даже в водоемах, получающих относительно мало азота. К настоящему времени накоплено достаточно большое количество теоретических и
экспериментальных данных как подтверждающих N:P-гипотезу, так и опровергающих ее (Jensen, 1994; Reynolds, 1998; Smith, 1999).
Полагают, что соотношение форм минерального азота в водоеме может
быть важным критерием для предсказания доминирования синезеленых водорослей. Известно, что для большинства синезеленых концентрация аммиачного и аммонийного азота более 5 мг/л является токсичной, а многие виды
зеленых интенсивно вегетируют при концентрации на 2-3 порядка больше.
Такой эффект связан с наличием разных ферментных систем, осуществляющих гидролиз мочевины. Синезеленые содержат уреазу, вследствие высокой
активности которой в среде накапливаются большие концентрации аммонийного азота, ингибирующие их развитие. Хлорококковые водоросли, содержащие мочевинную амидазу, отличаются меньшей интенсивностью распада мочевины и отсутствием ингибирующего влияния ионов аммония на их
рост.
Считается, что синезеленые водоросли доминируют в водоемах с высо-
99
ким рН и низким содержанием СО2 благодаря способности использовать такие концентрации СО2, при которых у других водорослей прекращается фотосинтез. Например, для Anabaena оптимальная величина pH составляет 7 8, для Aphanizomenon - 8.1 - 8.45, для Microcystis - 9 - 10 (Приймаченко, 1968;
Jacoby, 2000). Однако в природных условиях эта точка зрения не всегда подтверждается. Исследования влияния двуокиси углерода на синезеленые в
масштабах водоема были проведены на озере Squaw Lake (Висконсин,
США). Северный бассейн этого озера, который был использован как контроль, отделен от южного центральным бассейном. В течение сезона в южный бассейн ввели 80 т газообразного СО2 при постоянном перемешивании.
Однако, «цветение» воды началось в обоих бассейнах в одно время. Следовательно, низкая концентрация СО2 не инициирует «цветение». Скорее наоборот, синезеленые водоросли, поглощая СО2, создают неблагоприятные
условия для других водорослей за счет подщелачивания среды. Дело в том,
что в щелочной среде повышается доля HCO3-, а для ряда синезеленых водорослей, в частности для микроцистиса и анабены, показана способность усваивать в качестве источника CO2 преимущественно ионы HCO3- в результате образования CO2 за счет дегидратационной активности карбоангидразы.
Тем не менее, в настоящее время известно, что в эукариотических клетках
микроводорослей активность карбоангидразы значительно выше, чем в
клетках синезеленых. Возможно также непрямое влияние CO2 на синезеленые через изменение pH, результатом которого может быть изменение растворимости металлов, форм фосфата в среде, скорости перемещения цианофагов и болезнетворных бактерий, активности ферментов синезеленых.
Считается, что при недостатке света синезеленые могут потреблять экзогенные органические вещества, поэтому высокие концентрации легкоокисляющихся органических веществ также относят к факторам, благоприятным для их развития. Существует мнение, что фитопланктон может даже
создавать конкуренцию бактериопланктону в потреблении легкоусвояемого
РОВ. Гидробиологические наблюдения подтверждают, что обильное развитие водорослей чаще всего происходит в водоемах, обогащенных органическими веществами. Многообразие проявления влияния органических веществ на различные стороны жизнедеятельности водорослей (рост, размножение, накопление биомассы, интенсивность фотосинтеза, синтез белка, образование и содержание пигментов) и их морфогенез указывает, что их
функции не исчерпываются лишь трофическим фактором /
Существует гипотеза, что диатомовые и зеленые водоросли, предшествующие в водоеме развитию синезеленых, продуцируют органические соединения, тем самым, улучшая трофические условия в водоеме для развития
синезеленых. Предполагают, что наличие гуминовых веществ в водоеме
тормозит развитие синезеленых водорослей.
Биотические факторы. В слизистых образованиях синезеленых водо-
100
рослей, а также на их гетероцистах поселяются бактерии-спутники, биомасса которых обычно составляет 10% от общей биомассы бактерий, но в некоторых случаях может достигать 50-60%. Фактически каждая колония синезеленых водорослей представляет собой альгобактериальное сообщество.
Сопутствующие бактерии поставляют синезеленым до 17% СО2 и с помощью каталазы разрушают перекись водорода, которая накапливается в процессе роста синезеленых. Они также синтезируют и выделяют в среду витамины группы В. Показано, что при наличии сопутствующих микроорганизмов в культурах синезеленых более интенсивно протекает гидролиз мочевины. Бактерии в процессе жизнедеятельности создают кислород-истощенные
микрозоны и этим способствуют фиксации азота водорослями. Усиление
фиксации объясняется тем, что ферментный комплекс, отвечающий за фиксацию азота, высоко чувствителен к кислороду. Микроорганизмы, обитающие в колониальной слизи бентосных колоний Microcystis в процессе метаболизма могут связывать фосфор донных отложений и экскретировать его,
делая доступным для водорослей. Кроме того, они могут изменять физические и химические условия внутри седиментов, также стимулируя освобождение фосфора. Известно, что бактерии-спутники обладают более высокой
интенсивностью метаболизма, чем свободно живущие бактерии.
Тем не менее, ряд авторов считают, что во взаимоотношениях бактериои фитопланктона преобладает не мутуализм, а конкуренция за биогенные
элементы, в первую очередь - за фосфор. Не исключено, что наиболее жесткие конкурентные взаимоотношения у гетеротрофных бактерий существуют
именно с синезелеными водорослями. Кроме того, с развитием методов молекулярно-генетического определения видового состава некультивируемого
бактериопланктона появляются новые данные о бактериях, лизирующих
клетки синезеленых.
Многие авторы считают, что ассоциации колоний синезеленых с простейшими, коловратками и мелкими рачками способствуют росту водорослей. Как известно, на границе раздела фаз обитают организмы, называемые
контуробионтами. Вероятно, они обитают на колониях синезеленых также,
как и на любой другой границе раздела фаз, питаясь бактериями-спутниками
водорослей (Paerl, 1988). При этом они перемешивают слои воды вокруг колоний, улучшая круговорот биогенных веществ, а их экскременты служат
для водорослей источником минеральных веществ.
Существует гипотеза трофического каскада, согласно которой снижение численности планктоядных рыб за счет интродукции хищников, позволяет увеличить биомассу крупных зоопланктеров, питающихся синезелеными водорослями, что приводит к снижению биомассы последних (Shapiro et
al., 1984). Таким образом, по мнению некоторых авторов, присутствие крупного зоопланктона препятствует «цветению» воды. Считают, что поступление в водоем пестицидов может быть причиной гибели или прекращения
101
размножения ряда беспозвоночных, питающихся водорослями (дафнии,
босмины, личинки хирономид). Сокращение потребителей водорослей приводит к возникновению «цветения».
Считается, что потреблять синезеленые способны некоторые простейшие, например инфузории, амебы/ Однако у синезеленых обнаружен ряд
защитных приспособлений. Nostoc sp., CALU 893 образует ингибитор трипсина LU-3, который, как предполагают авторы, может участвовать в процессах защиты клетки от пищеварительных ферментов при потреблении их
простейшими. Некоторые виды синезеленых способны инактивировать лизоцим, в результате чего они медленнее выедаются простейшими. При увеличении плотности инфузории Pseudomicrothorax dubius синезеленая водоросль Phormidium в течении 24 часов образует полый на концах слизистый
чехол, окружающий нить. Когда инфузория захватывает конец нити, та выскальзывает из чехла. При попытке инфузории прикрепиться к нити, последняя делится в месте прикрепления и новообразованные нити начинают
двигаться в противоположных направлениях, что вынуждает животное бросить нить/
С питанием простейших связана следующая гипотеза. Предполагается,
что биомасса фитопланктона зависит от скорости возрастания численности
организма-потребителя при ее увеличении. Пикофитопланктон потребляется
простейшими, популяция которых относительно быстро откликается на возрастание концентрации пищи, поэтому биомасса водорослей контролируется
потребителем. Нанофитопланктон используется в пищу зоопланктерами с
большим временем отклика. Поэтому зоопланктон не всегда успевает отреагировать на увеличение концентрации пищи, в результате чего и возникает
«цветение.
Предполагают, что вселение в водоемы Dreissena polymorpha может
стимулировать развитие «цветения» Microcystis aeruginosa. Моллюск усваивает мелкие водоросли, а более крупные колонии Microcystis не заглатывает
и отбрасывает их с псевдофекалиями.
Токсины синезеленых водорослей. Синезеленые способны продуцировать нейротоксины (анатоксины, сакситоксин), гепатотоксины (микроцистин
и нодулярин) и цилиндроспермопсин. Токсичен 41 вид синезеленых водорослей. Токсины обнаружены в 70 % «цветущих» водоемов по всему миру.
Данные о токсичности тех или иных видов бывают противоречивы, что,
возможно, связано с влиянием на продукцию токсинов физиологического
состояния клеток, фазы роста, штамма и различных внешних условий. Предполагается, что синезеленые выделяют токсины для защиты от поедания их
зоопланктоном. Однако в эксперименте Daphnia с одинаковой скоростью
поглощала колонии дикого (токсичного) штамма Microcystis и мутантного
штамма, не производящего микроцистин. Другая возможная роль токсинов подавление роста водорослей-конкурентов.
102
Известно, что в водоемах, заросших высшей водной растительностью,
«цветения» синезеленых водорослей, как правило, не происходит. Это может
объясняться конкуренцией за биогенные элементы и микроэлементы, которые макрофиты поглощают в большом количестве. Кроме того, макрофиты в
процессе фотосинтеза насыщают воду кислородом, а также затеняют нижележащие слои воды, что создает неблагоприятные условия для жизнедеятельности синезеленых. Немаловажную роль играют метаболиты высших
водных растений, проявляющие фитонцидные свойства и угнетающие развитие водорослей. Предполагается, что токсины синезеленых не подавляют
рост высшей водной растительности и угнетающее их влияние на погруженную растительность скорее всего связано с затенением.
В роли фактора, влияющего на численность синезеленых в естественной среде могут выступать вирусы и внутриклеточные паразиты водорослей.
Считается, что вирусы синезеленых водорослей относительно широко распространены в природе и оказывают безусловное влияние на рост водорослей. Первый вирус синезеленых (LPP-1) был выделен в США в 1963 г. и вызывал лизис 13 штаммов, относящихся к родам Lyngbya, Phormidium и Plectonema. К настоящему времени выделен ряд вирусов и бактерий, лизирующих клетки синезеленых.
Предполагается возможность регулирования численности возбудителей
«цветения» с помощью плотных посадок растительноядных рыб. Однако
сведения относительно роли фитофагов в потреблении синезеленых противоречивы. Например, в Каховском водохранилище синезеленые заглатывались рыбами и использовались в качестве пищи вынуждено, при отсутствии
других, более подходящих пищевых объектов. В то же время известны случаи успешного потребления синезеленых водорослей белым толстолобиком.
Для личинок плотвы синезеленые имеют значение не только как пища, но и
способствуют правильному функционированию и развитию пищеварительной системы. Известно, что усваиваются синезеленые значительно хуже, чем
зеленые и протококковые. Под влиянием синезеленых уменьшается прирост
массы рыб, отложение сухого вещества и золы, увеличиваются затраты азота
на энергетические процессы и наблюдается отрицательный баланс азота. В
пике «цветения» воды продукция растительноядных рыб не достаточна для
ощутимого потребления кормовой базы. Наличие больших масс фитофагов
способствует переводу органического вещества фитопланктона в легкоразлагаемые формы, что поддерживает высокую концентрацию биогенных веществ в водоеме. Кроме того, обнаружено, что через кишечник растительноядных рыб клетки Microcystis aeruginosa могут проходить без повреждений
и способны в дальнейшем прорастать.
Роль покоящихся стадий в развитии «цветения». Одним из факторов,
позволяющих синезеленым быстро достигать уровня «цветения», считают их
способность переживать неблагоприятные условия в состоянии покоя.
103
Планктонные виды анабены и Aphanizomenon flos-aquae зимуют на дне водоемов в виде акинет (спор) и фрагментов трихомов (гормогониев), иногда
окруженных слизистыми обвертками. Многие авторы полагают, что массовая миграция синезеленых из донных отложений в толщу воды при наступлении благоприятных условий может быть ключевым фактором для развития «цветения».
Предполагается, что при развитии акинет стенка материнской клетки, в
частности ее пептидогликановый слой, утолщается, уплотняются наружные
покровы, образуются дополнительные отложения электронно-плотного фибриллярного материала, а при созревании (или подготовке к прорастанию)
акинеты возникает, кроме того, прозрачный для электронов слой, который,
как полагают, может оказаться артефактом. В молодых акинетах содержание
хлорофилла и фикобилипротеинов такое же, как в вегетативных клетках.
Иногда содержание хлорофилла даже несколько выше. По мере созревания в
акинетах снижается содержание хлорофилла, сильно деградируют фикобилипротеины и накапливаются каротиноиды. Снижается функциональная активность фотосинтетического аппарата, при этом почти на два порядка
уменьшается скорость выделения кислорода. В случае зрелых акинет такой
эффект связывают с деструкцией фикобилисом, а у молодых акинет он
предположительно указывает на изменение структуры фотосистемы II. В
акинетах происходит накопление запасных веществ (гликогена, цианофицина).
Акинеты встречаются в разное время года, но процесс массового спорообразования в средних широтах приурочен к концу лета-осени, а иногда наблюдается и ранней зимой. В зимнее время нити анабен в толще воды обычно не встречаются. Акинеты Anabaena в течение определенной части вегетационного сезона способны к немедленному прорастанию. Предполагается,
что в этом случае они не формируют всего комплекса признаков, свойственного акинетам в покоящемся состоянии. Существует мнение, что если в нити
образуется более одной акинеты, то остальные служат для вегетативного
размножения и поддержания высокой биомассы в неблагоприятных условиях поверхностной пленки «цветения» и формирования второго пика в течение сезона. Комплексы условий, стимулирующих спорообразование или вызывающих активацию акинет, неизвестны. Предполагают, что формированию акинет способствуют уменьшение интенсивности освещения и температуры воды, исчезновение стратификации водного столба, истощение питательных веществ, заражение сапрофитными бактериями и грибами, сильное
давление консументов. Прорастание акинет начинается весной и, повидимому, в толще воды. В лабораторных условиях установлено, что прорастание акинет может происходить примерно за 24 часа. Фактором, инициирующим выход водорослей из акинет, считается свет, однако проникновение его до поверхности донных отложений не обязательно, если акинеты
104
выносятся в освещенные слои воды перемешиванием. Скорость прорастания
акинет зависит от интенсивности их дыхания, которая определяется температурой, но определенную роль может играть выход из донных отложений
азота и фосфора, а также истощение кислорода в придонных слоях воды, вызванное возникновением стратификации. Однако прорастание акинет Anabaena cylindrica в аэрируемой среде происходило в 5 раз интенсивнее, чем в
анаэробных условиях. Некоторые авторы считают, что присутствие соединений фосфора в среде не является необходимым условием для прорастания
акинет, но необходимо для нормального развития проростков.
Считается, что акинеты могут выдерживать высыхание и другие неблагоприятные условия, но у Anabaena circinalis, например, они также чувствительны к высыханию и ультрафиолетовому облучению, как и вегетативные
клетки, а у A. cylindrica и A. variabilis не проявляли высокой термоустойчивости. Для сохранения спор Gloeotrichia natans необходимы анаэробные условия и темнота. Акинеты долго сохраняют жизнеспособность, например,
акинеты Anabaena flos-aquae и Aphanizomenon flos-aquae, выделенные из
донных осадков, возраст которых от 18 до 64 лет, хорошо прорастали на минеральной среде в лабораторных условиях.
Зимующая стадия Microcystis («спорообразующая» колония) состоит из
единичных живых клеток, которые окружены массой мертвых, заключенных
в толстостенную оболочку-капсулу. Их количество увеличивается к осени. В
основном они концентрируются на поверхности раздела вода-иловые отложения, а активная вегетация Microcystis начинается при весеннем прогреве
воды до 10-15 0С. Живая клетка начинает делиться, используя в качестве органического вещества продукты разложения мертвых клеток. Когда этот ресурс полностью утилизирован, клетка оказывается свободно лежащей на поверхности грунта и осмотически поглощает из окружающей среды питательные вещества, а затем всплывает в толщу воды.
Другие авторы считают, что микроцистис зимует на дне в виде вегетативных колоний. Существуют данные о зимовке и других видов синезеленых на дне в виде вегетативных клеток, что было обнаружено у Microcystis
aeruginosa, Aphanizomenon flos-aquae и разных видов рода Anabaena. Однако
по данным Л.А. Сиренко (1978) в процессе зимовки колонии Aphanizomenon
разрушаются очень быстро. Считают, что периодическое опускание на дно
(период «покоя») – закономерное, физиологически обусловленное явление .
Зимой, даже при идентичных благоприятных условиях, культуры либо резко
замедляют рост, либо вообще не растут, концентрируясь на дне сосудов, и
не фотосинтезируют. Это дает основание предполагать, что размножение
Microcystis контролируется не только факторами среды, но и определенной
генетической программой. Опускание синезеленых происходит в конце вегетации, они концентрируются в придонном слое и на дне, а зимой основная
их масса находится на дне. Максимальный процент выживших колоний на-
105
блюдается в илах. В заиленных песках и песках число выживших колоний
значительно меньше. В мае водоросли поднимаются со дна и их численность
в придонном слое возрастает. Подъем водорослей начинается еще подо
льдом и в местах массового скопления идет не одновременно, а отдельными
партиями, что, вероятно, связано с различной подготовленностью отдельных
колоний к зимнему покою. По акватории водохранилища всплытие происходит одновременно. На мелководьях подъем идет быстрее, а у плотин процесс растянут во времени, но уровень «цветения» там такой же из-за большой массы водорослей. Клетки сохраняют способность к делению и фотосинтетический аппарат с минимальными изменениями, перестройка процессов метаболизма при переходе в планктон осуществляется довольно быстро.
Активное деление колоний синезеленых происходит в толще воды, что, видимо, объясняет некоторый разрыв во времени всплывания колоний и начала «цветения». Поэтому даже при небольшом количестве водорослей, сохранившихся к моменту всплытия, их численность быстро возрастает, что и является предпосылкой их массового развития в верхних горизонтах воды.
В связи с периодическим изменением уровня воды в водохранилищах
Днепра значительное количество синезеленых остается на берегу, высыхая
без воды с образованием плотных корок. Весной пленки синезеленых, увлажненные талыми водами, покрываются молодыми колониями микроцистиса и служат одной из причин ранневесеннего «цветения» мелководных заливов и замкнутых водоемов. Кроме того, сухие колонии и споры могут переноситься на большие расстояния и возобновлять жизнедеятельность при
попадании в воду других водоемов.
Существует гипотеза, что пополнение планктонной популяции водорослей клетками или колониями с высоким содержанием фосфора в виде
полифосфатных гранул, выходящими из донных отложений – один из механизмов, позволяющих синезеленым доминировать при низком содержании
фосфора в толще воды.
Методы борьбы с «цветением» воды. По мнению Л.А. Сиренко и
М.Я. Гавриленко «стремление к борьбе с точки зрения законов экологии неправильно в такой же мере, как и нереально осуществление намерений, направленных на устранение самого явления «цветения» при сохранении причин, его порождающих, и условий, оптимизирующих развитие водорослей
до крайне высоких уровней» (цит. по: Сиренко, Гавриленко, 1978). В связи с
этим следует говорить не о борьбе, а о методах устранения отрицательных
последствий «цветения» воды. Эти методы можно разделить на две группы:
профилактические мероприятия и регулирующие мероприятия.
К профилактическим мероприятиям относят осуществление водоохранного комплекса по защите водных объектов от загрязнения, истощения и
чрезмерного евтрофирования. Это может быть реализовано путем полного
прекращения сброса в водоем неочищенных и условно очищенных сточных
106
вод промышленных предприятий и бытовых стоков, за счет повышения эффективности очистки, использования «буферной защиты», введения оборотного водоснабжения и замкнутых циклов, разработки и внедрения маловодных и безотходных технологий, предотвращения и сокращения попадания
поверхностного и сельскохозяйственного стока.
Регулирующие мероприятия можно разделить на три группы.
К первой группе относят мероприятия, направленные на изменение
гидрологических параметров водоема. Эти мероприятия применимы для водохранилищ и проточных озер. К ним относят усиление проточности и увеличение водообмена, а также усиление разбавления за счет притока обедненных биогенами вод. Однако, в связи с дефицитом воды применение данного метода для подавляющего большинства водных объектов представляется нереальным.
Вторая группа объединяет химические и физико-химические методы
регулирования уровня «цветения». К ним относится применение различных
альгицидных препаратов. Однако, поскольку избирательно действующих на
синезеленые водоросли химических соединений пока не найдено, их нельзя
рассматривать как эффективное средство регулирования «цветения» в водоемах комплексного использования в связи с их потенциальной опасностью
для других гидробионтов. Кроме того, эффект применения альгицидов краткосрочен ввиду быстрого падения его концентрации и выработки устойчивости у водорослей.
К числу химических методов также относят применение коагулянтов
(например глинозема Al2(SO4)3·18H2O). Однако, хлопья коагулянта образуются и оседают в донные отложения медленно, поэтому могут применяться
только в штилевую погоду, а водоросли остаются живыми и способны вновь
подниматься в толщу воды при аккумуляции коагулянта донными отложениями.
К числу эффективных методов регуляции «цветения» относят аэрацию
водной толщи, а также удаление иловых отложений, аккумулирующих запас
биогенов и органических веществ. Однако эти методы являются весьма дорогостоящими, особенно в случае применения их в масштабах крупных водохранилищ (Сиренко, Гавриленко, 1978).
Одним из самых эффективных методов в последние годы считается
внесение в водоем ячменной соломы. В частности, показано ингибирование
роста микроцистиса разлагающейся соломой. Данный эффект достигается за
счет выделения фенольных веществ и окислительного распада лигнина. С
той же целью применяется внесение опавших листьев.
Известны также такие физико-химические методы, как применение в
качестве депрессоров испарения с поверхности водоема вторичных неомыляемых и гидрированных спиртов; затенение поверхности водоема сплошным покровом или плавающими шарами; использование ультразвука и ульт-
107
рафиолетовой радиации. Однако эти методы не нашли широкого распространения и данных об их эффективности крайне мало .
К биологическим методам регулирования уровня «цветения» относят:
внесение в среду вирусов и внутриклеточных паразитов водорослей. Однако
широкое применение этого метода невозможно из-за потенциальной опасности их для других гидробионтов и человека. Наряду с этим в настоящее время считается перспективным использование экзометаболитов бактерий и актиномицетов, оказывающих ингибиторное действие на синезеленые водоросли.
Вселение в водоемы растительноядных рыб (белого амура (Ctenorharyngodon idella (Val.), белого (Hypophthalmichtys molitrix (Val.) и пестрого толстолобика (Aristichthys nobilis (Rich.)). Однако, сведения о целесообразности
и эффективности их широкого применения весьма разнородны и зачастую
противоречивы. Известны как случаи снижения уровня «цветения» в результате вселения рыб, так и случаи отрицательного эффекта, т.е. отсутствия
влияния проведенных мероприятий на биомассу синезеленых водорослей и
даже увеличение интенсивности «цветения».
В снижении численности синезеленых водорослей определенную роль
могут играть макрофиты. Влияние высшей водной растительности на рост и
развитие синезеленых водорослей рассматривалось выше. Следует, однако,
отметить, что влияние макрофитов на развитие «цветения» неоднозначно. В
конце вегетационного периода при разложении их биомассы в водоеме усиливаются анаэробные процессы и происходит обогащение воды органическими и биогенными веществами, что оказывает стимулирующее действие
на развитие «цветения».
К числу биологических методов относят и так называемое биоманипулирование «top-down». Как считается, интродукция в водоем хищных рыб
приводит к снижению численности рыб-планктофагов, что в свою очередь
приводит к увеличению численности крупных дафний-альгофагов, снижающих биомассу фитопланктона в водоеме. Однако известно достаточно много
случаев, когда биоманипуляция, основанная на гипотезе трофического каскада, не приводила к ожидаемому результату. Обнаружено ослабление регулирующего влияния пресса хищников по мере продвижения к основанию
пищевой цепи. Это связывают с возможными разобщениями в каскадной
трофической цепочке. Основной причиной отсутствия влияния зоопланктона
на фитопланктон считают его неспособность потреблять виды синезеленых,
вызывающих «цветение» воды. Полагают, что поедаются только мелкие,
«съедобные» водоросли, что приводит к увеличению биомассы лучше адаптированных к прессу хищника видов (в том числе колониальных и нитчатых
синезеленых, вызывающих «цветение»). Однако, часть исследователей, поддерживающих эту точку зрения, полагает, что крупный зоопланктон может
препятствовать возникновению «цветения», потребляя нитчатые синезеле-
108
ные пока они еще мелкие, сразу после выхода из спор. Существует гипотеза,
что когда синезеленые долгое время сосуществуют с зоопланктоном и являются для него типичной пищей, трудностей с их потреблением не возникает.
В том случае, когда синезеленые появляются внезапно и не являются типичной пищей, они не потребляются зоопланктоном . Кроме того, дафнии могут
переключаться на питание бактериями и потреблять микрозоопланктон, что
также может снижать эффективность биоманипуляций.
Причиной нарушения трофического каскада также может быть выедание дафний сеголетками хищных рыб, поскольку данный эффект действует в
обход прямой цепи. Наличие в водоеме бентоядных рыб может оказывать
стимулирующее влияние на фитопланктон. Механизм такого влияния, по
мнению большинства авторов, заключается во взмучивании донных отложений и увеличении тем самым потока фосфора из седиментов в толщу воды.
Стимулировать рост фитопланктона рыбы, как бентоядные, так и планктоядные, могут также путем прямой экскреции фосфора. Кроме того, развитие
«цветения» стимулирует низкое N:P-соотношение в выделениях рыб. Зоопланктон также может оказывать влияние на фитопланктон через рециркуляцию биогенов. Считается, что экскреция фосфора зоопланктоном - один из
главных механизмов регенерации этого элемента. Наличие в метаболитах
животных фосфора активизирует развитие водорослей. Однако в организме
представителей р. Daphnia низкое соотношение N:P, поэтому, согласно стехиометрической гипотезе, во внешнюю среду она выделяет относительно
мало P и много N, создавая неблагоприятные условия для доминирования
синезеленых водорослей. Таким образом, даже если дафнии не способны поедать синезеленых, высокая биомасса этих рачков в водоеме может препятствовать развитию «цветения».
В любом случае методов разработано много, но однозначно эффективных нет. Необходимо глубокое познание механизмов «цветения» воды синезелеными водорослями, особенно на ранних стадиях этого процесса.
Лекция 17. Значение водорослей для решения природоохранных
вопросов. Использование водорослей в доочистке сточных вод.
Водоросли в системе мониторинга окружающей среды.
Хозяйственное значение водорослей
Океаны и моря покрывают 2/3 Земли. Они заселены фотосинтезирующими растениями, которые мы называем водорослями. Водоросли встречаются на морском побережье, они прикрепляются к дну - это бентосные водоросли или живут в толще воды - планктонные водоросли. Пресные водоемы также заселены многочисленными водорослями. Существуют также
почвенные водоросли, живущие на земле, среди мхов, на коре деревьев.
109
Вместе взятые они создают более половины всей первичной продукции на
Земле. Все водные животные зависят от этой первичной продукции.
Повсеместно распространены в природе водоросли входят в состав
разнообразных гидро- и геобиоценозов, они вступают в различного рода
симбиотические связи с другими организмами. В водных экосистемах водоросли являются первичным звеном в трофической цепи питания. Используя
солнечную энергию СО2 и Н2О водоросли создают новое органическое вещество – первичную продукцию, благодаря которой существуют остальные
члены гидроценозов. Они являются продуцентами. Основной продуцент в
водных экосистемах это фитопланктон. Средняя первичная продукция олеинов составляет 550 кг С/га в год. Она в 2,5 раза меньше по сравнению с продуктивностью суши, но так как вода занимает свыше 70% поверхности Земли, то суммарная величина первичной продукции Мирового океана превышает суммарную биомассу водорослей (1,7 млрд.т) в 306 раз.
Водоросли - древнейшие фотосинтезирующие организмы на Земле.
Они являются создателями кислородной атмосферы. Водоросли участвуют в
круговороте веществ. Макрофиты являются средообразующим компонентом
экосистем и служат местом обитания, нереста, нагула и убежища для многих
гидробионтов, включая промысловые виды.
Значение водорослей велико не только с экологической точки зрения,
но и с точки зрения филогении. Считается, что жизнь зародилась в море и
это подтверждается тем, что и в наше время в море можно найти представителей многих древних эволюционных линий. Водоросли явились предками
растений, заселивших сушу. Для того, чтобы понять разнообразие и филогению мира растений изучение водорослей представляется просто необходимым.
Водоросли находят все более широкое применение в различных отраслях хозяйства — как пищевые продукты, как кормовые концентраты, для
получения химических соединений, в том числе биологически активных веществ и медицинских препаратов.
Важная роль, которую играют водоросли в жизни морских и пресных
водоемов, а в конечном итоге и в жизни человека, красота форм и разнообразие проявлений жизненных функций, всегда будут привлекать к ним внимание исследователей.
Водоросли могут использоваться в качестве индикаторов состояния
водоема. Они являются биоиндикаторами. Они являются начальным звеном
в трофической цепи экосистемы водоема. Водоросли можно считать первичным источником пищи для всех водных животных. Благодаря присутствию
хлорофилла они синтезируют из неорганических веществ органические. Рыбы и другие водные животные потребляют эту органику непосредственно
(поедая водоросли) или косвенно (поедая других животных), поэтому водоросли можно считать первым звеном почти всех пищевых цепей в водоемах.
110
Водоросли служат кормом для водоплавающих птиц. Муку из водорослей
используют на корм сельскохозяйственным животным. Для этой цели строятся в некоторых странах заводы. Опыты, проведенные в Мурманской области, показали, что водорослями можно заменить примерно 50% сочных и
30% грубых кормов в суточном рационе животного. При этом удои молока и
яйценоскость у птиц повышались на 10 % и выше.
Пища для человека. Хозяйственное значение водорослей заключается
в непосредственном использовании их в качестве пищевых продуктов или
как сырья для получения различных веществ, ценных для человека. Во многих странах, особенно на Востоке, люди используют в пищу несколько видов крупных водорослей. Питательная ценность их невелика, однако содержание витаминов и минеральных веществ в такой «зелени» может быть довольно высоким. Из многочисленных видов водорослей съедобными в настоящее время считаются 80. Среди красных - порфира, считающаяся деликатесом во многих приморских странах. В Японии насчитывается более 300
наименований блюд из морской капусты. По статистическим данным, только сырых водорослей японцы съедают в год лишь в 35 раз меньше по весу,
чем риса, который, как известно, в этой стране считается блюдом номер
один.
Бурые и красные водоросли – источник получения агар-агара – желеобразное вещество, употребляемого в кондитерской, бумажной, фармацевтической промышленности и в микробиологии. Из некоторых морских водорослей получают агар-агар - студенистое вещество, используемое для
приготовления желе, мороженого, крема для бритья, салатов, эмульсий, слабительных средств, а также для выращивания микроорганизмов в лабораториях. Получают агар-агар длительным кипячением водорослей, а после остывания образуется плотное желеобразное вещество. Кожа, бумага или
ткань, обработанные агар-агаром, делаются более прочными и приобретают
приятный блеск.
Водоросли - ценное удобрение, и морские макрофиты с давних времен
используются для подкормки растений. Водорослевые удобрения получили
широкое распространение в Ирландии, Шотландии, Норвегии, Франции.
Применение водорослевого перегноя и запахивание штормовых выбросов
повышает урожайность не только злаковых культур (пшеницы, ячменя), но и
овощей от 140 до 300%.
Почвенные водоросли могут во многом определять плодородие участка, а развитие на голых камнях лишайников считается первой стадией почвообразовательного процесса.
Водорослевые культуры. Биологи уже давно выращивают водоросли в
лабораториях. Сначала их выращивали в маленьких прозрачных чашках с
прудовой водой на солнечном свету, а в последнее время применяют для
этого особые культуральные среды с определенным количеством минераль-
111
ных солей и специальных ростовых веществ, а также регулируемые источники искусственного света. Обнаружено, что для оптимального развития некоторых водорослей необходимы весьма специфические условия. Изучение
таких лабораторных культур необыкновенно расширило наши знания о росте, питании и размножении этих организмов, а также об их химическом составе. Сейчас в разных странах уже построены опытные установки, представляющие собой своего рода огромные аквариумы. На них в строго контролируемых условиях с использованием сложной аппаратуры проводятся
эксперименты для выяснения перспектив использования водорослевых
культур. В результате доказано, что продукция сухого вещества водорослей
на единицу площади может быть гораздо выше, чем у нынешних сельскохозяйственных растений. Некоторые из использованных видов, например одноклеточная зеленая водоросль хлорелла (Chlorella), дают «урожай», содержащий до 50% пригодного в пищу белка. Не исключено, что будущие поколения людей, особенно в густонаселенных странах, станут использовать искусственно выращенные водоросли.
Зола водорослей – сырье для получения брома и йода. Со времен открытия йода (середина XIX века) Норвегия и Шотландия извлекали его почти исключительно из донных растений. Во время первой мировой войны, когда потребность в препаратах йода резко возросла, японские заводы, переработав миллионы тонн сырых водорослей, получили около 600 тонн йода.
Диатомит. Диатомит применяется в составе абразивных порошков и
фильтров, а также служит теплоизоляционным материалом, заменяющим
асбест.
Для человека водоросли могут быть очень полезными и очень вредными, хотя они и вызывают ряд болезней, но они могут создавать серьезные
проблемы, связанные с отравлением водоемов, нарушением работы гидротехнических сооружений, обрастаниями на судах и т.д.
Некоторые водоросли наносят экономический ущерб или, по крайней
мере, доставляют большие неприятности. Они загрязняют источники воды,
часто придавая им неприятный вкус и запах. Некоторые массово размножившиеся виды вполне можно идентифицировать по специфическому для
них «аромату». Для борьбы с водорослями в рыбоводных прудах используют и такие меры, как повышение «проточности» системы, ее затенение и
взмучивание. Раки, например, поддерживают мутность воды, достаточную
для того, чтобы сильно замедлить рост водорослей. Некоторые водоросли,
особенно в периоды своего «цветения», портят места, отведенные для купания. Многие морские макрофиты во время штормов отрываются от субстрата и выбрасываются волнами и ветром на пляж, буквально заваливая его
своей гниющей массой. В их плотных скоплениях могут запутываться мальки рыб. Несколько видов водорослей, попадая в организм животных, вызы-
112
вают отравления, иногда смертельные. Другие оказываются сущим бедствием в теплицах или повреждают листья растений.
Несомненно, для человека важно здоровье. И среди водорослей встречаются возбудители болезней, о которых человек должен знать, чаще всего
это водоросли безхлорофильные, например водоросль Prototheca. Болезнь
называется прототекозом и проявляется в поражении кожи, подкожных инфильтратах; иногда поражаются суставы. Встречается у собак, у крупного
рогатого скота. Борьба с прототекозом сложная т.к. водоросль устойчива к
антибиотикам. Но все же ее лечат (амфотерицин В + тетрациклин).
Могут быть силикозы из-за вдыхания диатомовой земли. Кроме непосредственного действия самой водоросли, действуют и ее токсины, попадая
в организм, они вызывают отравление и даже смерть. Мы уже отмечали токсичность сине-зеленых водорослей, особенно вызываемое синезелеными водорослями «цветение воды». Особо опасно для животных и человека «цветение» воды с участием Anabaena flos-aquae, дающее тяжелые последствия
(токсины могут вызывать некрозы печени, гастероэнтерит, дерматит).
Также есть токсичные водоросли среди Dinophyta, вызывающие
«красные» приливы, (гимнодинизм у берегов Флориды).
Мы все знаем ядовитые высшие растения, надо сказать, что такие
встречаются и среди растений – макрофитов, которые вырабатывают токсические вещества для защиты от рыб-фитофагов и других организмов.
Водоросли часто используют как тест-объект в токсикологических исследованиях. Чаще всего берутся чистые культуры Chlorella vulgaris или
Scenedesmus quadricuda и эти водоросли выращивают в той воде, токсичность которой требуется определить. И по отклику и в сравнении с контролем оценивается токсичность испытуемой воды. В природных условиях водоросли используются для биологического анализа воды как индикаторные
организмы. Индикатор (вид-индикатор) – вид, указывающий на особенности
условий среды данной местности или экосистемы.
Наука биоиндикация и занимается тем, что выявляет такие организмы,
чаще всего о присутствии и концентрации загрязнителей.
Качество или степень загрязнения воды по составу водорослей оценивается двумя способами:
- по индикаторным организмам
- по результатам сравнения структуры сообщества на участках с различной
степенью загрязнения и контрольным.
В первом случае по присутствию или отсутствию индикаторных видов
или групп и их относительному количеству, пользуясь заранее разработанными системами индикаторных организмов, относят водоем или его участок
к определенному классу вод. Во втором случае заключение делают по результатам сопоставления состава водорослей на разных станциях или участках водоема, в разной мере подверженных загрязнению. Некоторые водо-
113
росли применяются в качестве индикаторных организмов для определения
степени загрязнения водоемов. Используют их и для очистки сточных вод.
В альгологии для биологической индикации загрязненных вод наиболее часто применяют систему сапробности вод, оцениваемую степенью их
загрязнения органическими веществами и продуктами их распада. Сапробность – физиолого-биологические свойства организма (сапробионта), позволяющие ему жить в воде, обычно значительно повышенным содержанием
органических веществ, поступающих с хозяйственно-бытовыми или промышленными сточными водами. Наибольшее значение получила система
определения сапробности, предложенная в 1908г. Р. Кольквитцем и М. Марсоном. Авторы полагали, что распад органических веществ, входящих в состав сточных вод, носит ступенчатый характер. В связи с этим водоемы или
их зоны подразделяют на поли-, мезо-, и олигосапробные.
В настоящее время существуют множество других методов оценки состояния водных экосистем по различным параметрам. В то же время большинство из них применимо не ко всем категориям водных объектов и факторов воздействия. Известно лишь несколько разработанных методов интегральных оценок, позволяющих применять их на любых водных объектах и
для оценки большинства факторов воздействия. Так, например, количество
растворенной в воде органики является интегральным показателем состояния вод и водных экосистем в целом, так как складывается из органических
веществ, возникших в процессе жизнедеятельности организмов на всех трофических уровнях, а также внесенных с бассейна водосбора в результате
природных и антропогенных процессов.
Биотические компоненты водных экосистем отражают трофический
статус водного объекта, который, в свою очередь, зависит от количества органических веществ, растворенных в воде. В соответствии с этим популяции,
виды и сообщества организмов имеют определенный уровень толерантности
в сложившихся условиях. Исследование изменений, происходящих в структуре популяций и сообществ, позволяют оценить состояние всей экосистемы.
Наиболее перспективным объектом для оценки состояния водных экосистем по нашему мнению являются водоросли - первичное и очень информативное звено трофических цепей. При изменении содержания органических веществ в воде изменяется видовой состав водорослей и, как правило,
их обилие. Те виды, которые определенно реагируют на изменения условий
среды, являются видами-индикаторами. У водорослей выделяются индикаторные организмы на рН среды, соленость, органическое загрязнение и др. В
континентальных водоемах России обитают около 10 тысяч видов микроскопических водорослей. Индикаторными является сравнительно небольшое
число видов, около 1000, но они самые распространенные и массовые. Практически нет биотопов, где бы не встречались водоросли. Поэтому оценка со-
114
стояния водных экосистем, основанная на биоиндикации с помощью водорослей, позволяет сравнивать водные объекты разного типа и расположенные в различных регионах.
Методы биоиндикации разрабатываются уже давно, примерно с начала
нашего века. В настоящее время сложилось три системы оценки качества
вод, построенных на индикаторном значении таксонов. Наиболее оперативной и позволяющей охватить большую территорию сетью постоянно дающих информацию станций, является система, применяемая французскими
коллегами (Лафон, 1988; Лафон и др., 1988), основанная на определении водорослей до крупных таксонов. Однако при этом оценки степени загрязнения слишком приблизительны. Система Кольквица-Марсона, получившая
позднее имя Пантле-Бука и модифицированная В. Сладечеком, применяется
широко в странах восточной и центральной Европы, а в России метод Сладечека вошел составной частью в систему сбора данных мониторинга Госкомгидромета. Метод основан на понятии сапробности - способности организмов выживать в загрязненной органикой среде. Виды-индикаторы сапробности имеют в этой системе свой вес, выраженный в виде индекса S
числом от 0 до 4 (рис. 3.4). Степень же загрязнения в месте отбора пробы
водорослей определяется по набору видов-индикаторов, обитающих в исследуемом месте и обилию их в пробе. Третий метод разработан в последние
годы японскими коллегами под руководством Т. Ватанабе (Watanabe et al.,
1986a,b,1988a,b). В основе его также анализ сообщества видов-индикаторов
сапробности, имеющих свой индикаторный вес.
Однако, метод разработан только для диатомовых водорослей, хотя и
являющихся наиболее распространенной группой, но не охватывающей всего разнообразия водных экосистем, что является существенным недостатком
метода. Индекс органического загрязнения по сообществу диатомовых DAIpo - изменяется от 0 до 100 и обнаруживает высокую степень корреляции со многими физико-химическими показателями вод. Особенно четко
прослеживается связь DAIpo с электропроводностью.
В настоящее время систем биоиндикации разработано множество. С
помощью этого метода оцениваются различные характеристики водных экосистем. Наиболее широка применимость его для оценки качества вод, но индицируются также тяжелые металлы по тератологии, мутагенность, токсичность, типологические уровни систем, местообитание и специфическое загрязнение. Используется индикация к виду пользования, интенсивности самоочищения от пестицидов и от меди, проводится палеоиндикация температурных условий и химизма вод. Определяется по индикаторам санитарнобиологическое состояние водоема, и даже оценка водных экосистем, которая
при разборе оказывается оценкой качества воды. Индикация рекомендуется
как основа для контроля качества среды и системы принятия решений
115
Наиболее близко к проблеме оценке состояния водных экосистем подошел В.А. Абакумов и коллектив его единомышленников (Абакумов,
1978). Его представления о водной экосистеме включают показатели среды,
показатели биоты и данные биоиндикации. Состояние водной экосистемы
определяется по соотношению экологического и метаболического прогресса
и/или регресса. Видно, что применяемые для оценок четыре комбинации
этих показателей охватывают экосистемы в максимальных пределах показателей. Эта система дает только оценки в качественных классах "хорошо" "плохо", но не дает возможности установить какие либо пределы или конкретные пороговые величины показателей водной экосистемы, которые
можно было бы использовать для разработки новой системы оценки состояния.
Из всего сказанного можно заключить, что пока не выработано достаточно четкого и схематичного представления о едином механизме функционирования водной экосистемы, а для оценки ее состояния необходимо понимание функционирования экосистемы в целом как взаимозависимого
единства среды и обитающей в ней биоты и , в частности водорослей, и выявление тех показателей, которые изменяются не монотонно и позволяют
определить емкость экосистемы и пределы ее восстановительных способностей.
Таким образом, по состоянию первого трофического звена возможна
оценка состояния всей биотической составляющей водной экосистемы. Способность поверхностных вод к самоочищению также определяется эффективностью функционирования биотической составляющей экосистемы.