Bakterien- die ersten Organismen, die unseren Planeten bewohnten. Dies sind die kleinsten prokaryotischen Organismen mit zellulärer Struktur. Die Größe der Bakterien liegt zwischen einigen Zehntel Mikrometern und 10-13 Mikrometern. Man findet sie in der Luft (in Höhen bis 40.000 m), im Boden, im Wasser, im Schnee in Polarregionen und in heißen Quellen mit Temperaturen von etwa 90 °C. Besonders viele davon gibt es im Boden – je nach Bodenart zwischen 200 und 500 Millionen bis zu 2 Milliarden oder mehr Individuen pro 1 g.
Basierend auf der Form und den Eigenschaften des Zellverbandes werden mehrere morphologische Gruppen von Bakterien unterschieden: kugelförmig, Kokken genannt, gerade stäbchenförmig – Bazillen, gebogen – Vibrios, spiralförmig gebogen – Spirillen. Paarweise verbundene Kokken heißen - Diplokokken, in Form einer Kette verbunden - Streptokokken, in Form von Clustern - Staphylokokken usw. Filamentöse Formen sind seltener.
Einige Bakterien haben Bewegungsorganellen – Flagellen (von 1 bis 50), die aus einem speziellen Protein – Flagellin – bestehen. Bei einigen Bakterien befinden sie sich an einem Ende der Zelle, bei anderen an zwei oder auf der gesamten Oberfläche. Die Anordnung der Geißeln ist eines der Merkmale bei der Klassifizierung beweglicher Bakterien.
Die dünne und elastische Zellmembran, zu der auch Murein gehört, verleiht der Bakterienzelle eine bestimmte Form, schützt ihren Inhalt vor den Auswirkungen widriger Umwelteinflüsse und erfüllt eine Reihe weiterer Funktionen. Viele Bakterienarten sind von einer Schleimkapsel umgeben.
Die Plasmamembran ist in der Lage, Vorsprünge in das Zytoplasma zu bilden, sogenannte Vorsprünge Mesosomen. Redoxenzyme befinden sich auf den Membranen von Mesosomen und in photosynthetischen Bakterien befinden sich die entsprechenden Pigmente, dank derer Mesosomen die Funktionen von Mitochondrien, Chloroplasten und anderen Organellen erfüllen können.
Im zentralen Teil der Zelle befindet sich ein zirkuläres DNA-Molekül – ein Genom, das aus etwa 5 Millionen Nukleotidpaaren besteht. Viele Bakterien haben kleine zirkuläre DNA-Moleküle, sogenannte Plasmide. Mitochondrien, Chloroplasten, endoplasmatisches Retikulum, Golgi-Apparat und andere Membranstrukturen, die für alle eukaryotischen Zellen charakteristisch sind, fehlen in Bakterien. Allerdings gibt es im Zytoplasma bis zu 20.000 kleine Ribosomen.
Einige Wasser- und Bodenbakterien, denen Flagellen fehlen, haben in ihrem Zytoplasma Gasvakuolen. Durch die Regulierung der Gasmenge in den Vakuolen können Wasserbakterien in die Wassersäule absinken oder an deren Oberfläche aufsteigen, und Bodenbakterien können sich in den Bodenkapillaren bewegen. Ersatzstoffe Bakterienzelle - Polysaccharide (Stärke, Glykogen), Fette, Polyphosphate, Schwefel.
Bakterien sind farblos (es gibt keine). Pigmente), mit Ausnahme von grünem und violettem Schwefel.
Reproduktion Bakterien entstehen durch einfache binäre Zellteilung. Dem geht eine Selbstverdopplung (Replikation) des DNA-Moleküls voraus. Ausnahmsweise kommt es zum Austrieb.
Einige Bakterien haben vereinfachte Formen des Sexualprozesses (z. B. E. coli). Der sexuelle Prozess ähnelt einer Konjugation, bei der genetisches Material durch direkten Kontakt von einer Zelle auf eine andere übertragen wird. Danach werden die Zellen getrennt. Die Anzahl der Individuen infolge des Sexualprozesses bleibt gleich, es findet jedoch ein Austausch von Erbmaterial statt, d. h. es kommt zu einer genetischen Rekombination.
Sporulation charakteristisch nur für eine kleine Gruppe von Bakterien, die Bazillen, Clostridien. In Form von Sporen tolerieren Bakterien ungünstige Bedingungen. Sie halten längerem Trocknen, Erhitzen über 100 °C und Abkühlen auf nahezu den absoluten Nullpunkt stand. Im Normalzustand sind Bakterien instabil, wenn sie ausgetrocknet, direktem Sonnenlicht ausgesetzt sind, die Temperatur auf 65–80 °C erhöht wird usw. Unter günstigen Bedingungen schwellen die Sporen an und keimen.
Zu den Saprotrophen zählen Fäulnis- und Fermentationsbakterien. Erstere bauen stickstoffhaltige Verbindungen ab, letztere kohlenstoffhaltige Verbindungen. In beiden Fällen wird die für ihr Leben notwendige Energie freigesetzt.
Die Rolle von Bakterien in der Biosphäre ist ziemlich groß. Dank ihrer lebenswichtigen Aktivität kommt es zur Zersetzung und Mineralisierung organischer Substanzen, abgestorbener Pflanzen und Tiere. Die dabei entstehenden einfachen anorganischen Verbindungen (Ammoniak, Schwefelwasserstoff, Kohlendioxid etc.) sind am allgemeinen Stoffkreislauf beteiligt. Bakterien sind zusammen mit Pilzen und Flechten an den Anfangsstadien der Bodenbildungsprozesse beteiligt.
Eine besondere Rolle spielen in der Natur stickstofffixierende Bakterien. Solche im Boden lebenden Bakterien reichern ihn mit Stickstoff an; dazu gehören frei lebende Azotobacter- und Knöllchenbakterien, die sich auf den Wurzeln von Hülsenfrüchten und Mimosen ansiedeln.
Bakterien spielen eine positive Rolle in der menschlichen Wirtschaftstätigkeit. Milchsäurebakterien werden bei der Zubereitung verschiedener Lebensmittel aus Milch verwendet: Sauerrahm, Joghurt, Kefir, Butter, Käse.
Pathogenen Bakterien- Erreger gefährlicher Krankheiten bei Mensch und Tier: Pest, Tularämie, Milzbrand, Lungenentzündung, Ruhr, Tuberkulose usw.
Bakterien und Pflanzen werden befallen, es kommt zu sogenannten Bakteriosen (Fleckenbildung, Welkebildung, Verbrennungen, Nassfäule, Tumoren etc.).
Saprotrophe Bakterien Sie spielen nicht nur eine positive Rolle, indem sie die Zirkulation von Stoffen in der Natur sicherstellen, sondern auch eine negative, indem sie zur Verrottung von Lebensmitteln führen.
Weit verbreitet Methoden des Kampfes mit Fäulnisbakterien sind: trocknende Früchte, Pilze, Fleisch, Fisch, Getreide; ihr Abkühlen und Einfrieren in Kühlschränken und Gletschern; Marinieren von Lebensmitteln in Essigsäure; hohe Zuckerkonzentration, beispielsweise bei der Herstellung von Marmelade, die eine Plasmolyse in Bakterienzellen verursacht und deren lebenswichtige Funktionen stört; Beizen.
Die Methode dient der Abtötung vegetativer Bakterienformen und der Konservierung von Milch, Wein, Fruchtsäften und anderen Produkten. Pasteurisierung- Erhitzen auf 65 °C für 10–20 Minuten. Um die Umgebung von sporenbildenden Bakterien zu befreien, erzielt die Methode die größte Wirkung Sterilisation- Kochen bei hohem Druck in Autoklaven. In der Medizin, der Lebensmittelindustrie und der Landwirtschaft kommt eine Desinfektionsmethode zum Einsatz (Behandlung mit Jod, Wasserstoffperoxid, Borsäure etc.).
Cyanobakterien(blau-grüne Alge). Sie stellen die älteste und einzigartige Gruppe von Organismen dar. Viele Eigenschaften von Cyanobakterien (Stickstofffixierung, intravitale Freisetzung organischer Substanzen usw.) bestimmen ihre äußerst wichtige Rolle in der Biosphäre. Die Abteilung umfasst einzellige, koloniale und mehrzellige (filamentöse) Organismen mit verschiedenen morphologischen Strukturen: von mikroskopisch über sichtbar bis hin zum bloßen Auge. Photosynthetische Lamellenstrukturen und Pigmente befinden sich im Zytoplasma: Chlorophyll α, Carotinoden, Phycobiline, Pigmente, die in anderen Photosynthesen fehlen. Aufgrund der Vielfalt der Pigmente sind Cyanobakterien in der Lage, Licht unterschiedlicher Wellenlänge zu absorbieren.
Cyanobakterien vermehren sich ungeschlechtlich (einzellig – durch Zellteilung, kolonial und filamentös – durch Aufteilung in separate Abschnitte, aus denen neue Organismen keimen können). Der sexuelle Prozess und die Formen und Stadien der beweglichen Flagellen wurden nicht identifiziert.
Cyanobakterien kommen häufig in Süß- und Salzwasser, auf der Bodenoberfläche, auf Felsen, in heißen Quellen vor und sind Teil von Flechten. Sie reichern den Boden mit organischer Substanz und Stickstoff an, bieten Nahrung für Zooplankton und Fische und können zur Gewinnung einer Reihe wertvoller Stoffe genutzt werden, die sie im Laufe ihres Lebens produzieren (Aminosäuren, Vitamin B 12, Pigmente usw.). Einige – Nostok, Spirulina – können in Lebensmitteln verwendet werden. Während der Zeit der Massenvermehrung von Cyanobakterien in Gewässern (der sogenannten „Wasserblüte“) kommt es zu ihrem Zerfallsprozess: Das Wasser nimmt einen unangenehmen Geruch an und wird zum Trinken ungeeignet; es gibt ein massives Fischsterben; Auf der Oberfläche des Reservoirs bildet sich ein öliger, schmutziggrüner Film aus toten Cyanobakterien.
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Cyanobakterien nehmen unter den Bakterien eine Sonderstellung ein. Sie werden durch einzellige, koloniale und filamentöse Formen dargestellt, die Chlorophyll enthalten und zur Photosynthese fähig sind. Cyanobakterien bilden einen Vorrat an organischer Substanz im Boden und im Wasser, der als Nahrungsquelle für Fische und andere Kleintiere dient. Bei der Massenvermehrung verursachen Cyanobakterien Wasserblüten.
Cyanobakterien bewohnen hauptsächlich Süßwassergewässer, einige leben in feuchten Böden, am Fuß von Baumstämmen. In den Meeren leben nur wenige Arten. Einige haben sich an das Leben unter sehr ungünstigen Bedingungen angepasst: in heißen Quellen, zugefrorenen Seen der Antarktis.
Cyanobakterien enthalten das grüne Pigment Chlorophyll sowie blaue, rote und gelbe Pigmente, die an der Lichtabsorption beteiligt sind. Die Kombination der Pigmente ergibt in den meisten Fällen eine blaugrüne Farbe (daher der Name). Aber einige von ihnen sind gelb, schwarz oder rot. Dank der Färbung verleihen Cyanobakterien der Umgebung, in der sie leben, eine bestimmte Farbe, insbesondere bei der Massenvermehrung. Das Rote Meer hat seinen Namen von roten Cyanobakterien.
Cyanobakterien spielen in der Natur eine wichtige Rolle. Zusammen mit anderen Bakterien reichern sie den Boden mit organischer Substanz und Stickstoff sowie Gewässer und Luft mit Sauerstoff an. Material von der Website
Viele Vertreter der Cyanobakterien sind in der Lage, Luftstickstoff zu binden. In Asien wird Reis aufgrund stickstofffixierender Cyanobakterien lange Zeit auf derselben Fläche ohne den Einsatz von Düngemitteln angebaut.
Aufgrund ihrer Fähigkeit, Luftstickstoff zu binden, können Cyanobakterien kahle Felsoberflächen und karge Böden besiedeln. Meeresspezies von Cyanobakterien binden etwa ein Viertel des gesamten Stickstoffs, den das Meer aus der Luft aufnimmt.
Aquatische Bakterienformen dienen Kleintieren und Fischen als Nahrung. Einige Cyanobakterien dienen als „Lieferanten“ für den Menschen wertvoller Stoffe – Proteine, Kohlenhydrate, Fette, Vitamine, Pigmente. Bestimmte Arten von Cyanobakterien werden als Nahrungsmittel verwendet. Beispielsweise wird Nostoc-Pflaume (Abb. 25) in China und Japan konsumiert, und Spirulina (Abb. 26) wird in der Tschadseeregion in Afrika konsumiert. Aus Spirulina wird Nahrungsprotein gewonnen, das als Nahrungsergänzungsmittel verwendet wird.
Cyanobakterien
(lateinisch Cyanobakterien oder Blaualgen oder Cyanoprokaryoten, vom griechischen κυανός – blaugrün) ist eine bedeutende Gruppe großer gramnegativer Bakterien, die zur Photosynthese unter Freisetzung von Sauerstoff fähig sind.
Evolutionäre und systematische Position
Cyanobakterien stehen den ältesten Mikroorganismen am nächsten, deren Überreste (Stromatolithen, mehr als 3,5 Milliarden Jahre alt) auf der Erde gefunden wurden. Dies sind die einzigen Bakterien, die zur sauerstoffhaltigen Photosynthese fähig sind. Cyanoprokaryoten gehören zu den am komplexesten organisierten und morphologisch differenziertesten prokaryotischen Mikroorganismen. Die Vorfahren der Cyanobakterien gelten in der Theorie der Endosymbiogenese als die wahrscheinlichsten Vorfahren der Chromatophoren der Rotalgen. Nach dieser Theorie hat eine extrasystematische Gruppe, die üblicherweise als „Prochlorophyten“ bezeichnet wird, gemeinsame Vorfahren mit den Chloroplasten anderer Algen und höherer Pflanzen.
Cyanobakterien sind Gegenstand der Forschung sowohl von Bakteriologen (als Prokaryoten) als auch von Algologen (als Organismen, die eukaryontischen Algen physiologisch ähnlich sind). Die relativ große Größe der Zellen und die Ähnlichkeit mit Algen waren der Grund für ihre frühere Betrachtung als Bestandteil von Pflanzen („Blaualgen“). In dieser Zeit wurden mehr als 1000 Arten in fast 175 Gattungen algologisch beschrieben. Bakteriologische Methoden haben derzeit die Existenz von nicht mehr als 400 Stämmen bestätigt. Die biochemische, molekulargenetische und phylogenetische Ähnlichkeit von Cyanobakterien mit anderen Bakterien wurde inzwischen durch eine Reihe solider Beweise bestätigt.
Lebensformen und Ökologie
Morphologisch gesehen sind Cyanoprokaryoten eine vielfältige und polymorphe Gruppe. Gemeinsame Merkmale ihrer Morphologie sind lediglich das Fehlen von Flagellen und das Vorhandensein einer Schleimhaut (Glykokalyx bestehend aus Peptidoglycan). Auf einer 2–200 nm dicken Peptidoglycanschicht befindet sich eine äußere Membran. Die Breite bzw. der Durchmesser der Zellen variiert zwischen 0,5 µm und 100 µm. Cyanobakterien sind einzellige, fadenförmige und koloniale Mikroorganismen. Sie zeichnen sich durch ihre hervorragende Fähigkeit aus, die Zusammensetzung photosynthetischer Pigmente an die spektrale Zusammensetzung des Lichts anzupassen, sodass die Farbe von hellgrün bis dunkelblau variiert. Einige stickstofffixierende Cyanobakterien sind zur Differenzierung fähig – der Bildung spezialisierter Zellen: Heterozysten und Hormonogonien. Heterozysten übernehmen die Funktion der Stickstofffixierung, während andere Zellen die Photosynthese durchführen.
Meer- und Süßwasser, Bodenarten, Teilnehmer an Symbiosen (z. B. bei Flechten). Sie machen einen erheblichen Anteil des ozeanischen Phytoplanktons aus. Kann dicke Bakterienmatten bilden. Einige Arten sind giftig (die am meisten untersuchte ist das von Microcystis produzierte Microcystin-Toxin) und opportunistisch (z. B. Anabaena). Die Hauptakteure sind Wasserblüten, die zu Massensterben von Fischen und Vergiftungen von Tieren und Menschen führen. Die einzigartige ökologische Situation ist darauf zurückzuführen auf das Vorhandensein zweier schwer kombinierbarer Fähigkeiten: zur photosynthetischen Produktion von Sauerstoff und zur Fixierung von Luftstickstoff (bei 2/3 der untersuchten Arten).
Binäre Division in einer oder mehreren Ebenen, Mehrfachdivision. Der Lebenszyklus einzelliger Formen beträgt unter optimalen Wachstumsbedingungen 6-12 Stunden.
Bedeutung
Cyanobakterien waren nach allgemeiner Auffassung die „Schöpfer“ der modernen sauerstoffhaltigen Atmosphäre auf der Erde, die zur ersten globalen Umweltkatastrophe der Naturgeschichte und zu einer dramatischen Veränderung der Biosphäre führte. Als bedeutender Bestandteil des Meeresplanktons stehen Cyanobakterien heute am Anfang der meisten Nahrungsketten und produzieren einen erheblichen Anteil an Sauerstoff (der Beitrag ist nicht genau bestimmt: Die wahrscheinlichsten Schätzungen liegen zwischen 20 und 40 %).
Das Cyanobakterium Synechocystis war der erste photosynthetische Organismus, dessen Genom vollständig sequenziert wurde.
Cyanobakterien gelten derzeit als wichtigste Modellobjekte der biologischen Forschung. In Südamerika und China werden Bakterien der Gattungen Spirulina und Nostoc aufgrund des Mangels an anderen Nahrungsmitteln als Nahrungsmittel verwendet: Sie werden getrocknet und anschließend zu Mehl verarbeitet. Ihnen werden heilende und heilende Eigenschaften zugeschrieben, die allerdings noch nicht bestätigt sind. Der mögliche Einsatz von Cyanobakterien zur Schaffung geschlossener Lebenserhaltungskreisläufe sowie als Massenfuttermittel oder Lebensmittelzusatzstoff wird erwogen.
Cyanobakterien bieten den Pflanzen ein Sprungbrett, um die karge Erdoberfläche zu besiedeln.
Lebensformen
Cyanobakterien umfassen einzellige, koloniale und filamentöse Formen. Einige filamentöse Cyanophyten bilden differenzierte Zellen, sogenannte Heterozysten, die auf die Stickstofffixierung spezialisiert sind, und ruhende Zellen oder Sporen, sogenannte Akineten. Jede Zelle hat typischerweise dicke, gelatineartige Zellwände, die sich für Gram negativ färben. Die durchschnittliche Zellgröße beträgt 2 µm. Sie zeichnen sich durch ihre Fähigkeit aus, die Zusammensetzung photosynthetischer Pigmente an die spektrale Zusammensetzung des Lichts anzupassen, sodass ihre Farbe von hellgrün bis dunkelblau variiert.
Bewegung
Cyanobakterien haben keine Flagellen, aber einige von ihnen sind in der Lage, sich durch bakterielles Gleiten entlang von Oberflächen zu bewegen. Viele andere haben auch die Fähigkeit, sich zu bewegen, aber der Mechanismus für dieses Phänomen ist noch ungeklärt.
Umwelt und Ökologie
Die meisten Arten kommen im Süßwasser vor, andere leben in Meeren, in feuchten Böden oder sogar auf vorübergehend feuchten Felsen in Trockengebieten. Manche gehen symbiotische Beziehungen mit Flechten, Pflanzen, Kugeln oder Schwämmen ein und versorgen ihren Symbionten mit Produkten der Photosynthese. Einige leben in Faultierfellen, die für Tarnfarbe sorgen. Cyanobakterien machen einen erheblichen Anteil des ozeanischen Phytoplanktons aus. Kann dicke Bakterienmatten bilden. Einige Arten sind giftig (das am häufigsten untersuchte Toxin ist Microcystin, das beispielsweise von der Art produziert wird). Microcystis aeruginosa) oder opportunistisch (Anabaena sp.) Die Hauptbeteiligten an Wasserfluten verursachen massive Fischsterben und Vergiftungen von Tieren und Menschen, beispielsweise während Wasserblüten in Stauseen der Ukraine. Cyanobakterien sind eine einzigartige ökologische Gruppe, die die Fähigkeit zur photosynthetischen Sauerstoffproduktion und zur Fixierung von Luftstickstoff vereint (bei 2/3 der untersuchten Arten).
Physiologie
Die Photosynthese in Cyanobakterien nutzt typischerweise Wasser als Elektronendonor und erzeugt Sauerstoff als Nebenprodukt. Einige verwenden jedoch möglicherweise auch Schwefelwasserstoff, wie es bei anderen photosynthetischen Bakterien vorkommt. Durch den Calvin-Zyklus wird Kohlendioxid reduziert, um Kohlenhydrate zu erzeugen. Bei den meisten Formen befinden sich die photosynthetischen Organe in Falten der Zellmembran, den sogenannten Thylakoiden. Eine große Menge Sauerstoff in der Atmosphäre wurde durch die Wirkung alter Cyanobakterien erzeugt. Aufgrund ihrer Fähigkeit, sich unter aeroben Bedingungen zu assoziieren, werden sie häufig als Symbionten mit einer Reihe anderer Organismengruppen gefunden, wie z. B. Pilzen (Flechten), Korallen, Farnen (Azolla), Blütenpflanzen (Gunnera) usw. Cyanobakterien sind die einzige Organismengruppe, die unter aeroben Bedingungen Stickstoff und Kohlenstoff binden kann, eine Tatsache, die möglicherweise für ihren evolutionären und ökologischen Erfolg verantwortlich ist.
Cyanobakterien verfügen über einen vollwertigen Photosyntheseapparat, der für die saure Photosynthese charakteristisch ist. Die photosynthetische Elektronentransportkette umfasst den Photosystem (PS)-II-b6f-Cytochrom-Komplex und PS-I. Der letzte Elektronenakzeptor ist Ferredoxin, der Elektronendonor ist Wasser, das in einem Wasseroxidationssystem ähnlich dem höherer Pflanzen abgebaut wird. Sweetlazbirayuchy-Komplexe werden durch spezielle Pigmente dargestellt - Phycobiline, die (wie bei Rotalgen) zu Phycobilisomen zusammengesetzt sind. Im ausgeschalteten Zustand ist PS-II in der Lage, andere exogene Elektronendonatoren als Wasser zu nutzen: reduzierte Schwefelverbindungen, organische Substanzen im Rahmen des zyklischen Elektronentransfers unter Beteiligung von PS-I. Allerdings ist die Effizienz dieses Photosynthesewegs gering und er wird hauptsächlich zum Überleben unter ungünstigen Bedingungen genutzt.
Cyanobakterien zeichnen sich durch ein extrem entwickeltes System intrazellulärer Falten der Zytoplasmamembran (CPM) aus – Tyldakoide; Es wurden Vermutungen über die mögliche Existenz eines Thylakoidsystems geäußert, das nicht mit einer Membran verbunden ist, was bis vor Kurzem bei Prokaryoten für unmöglich gehalten wurde. Die bei der Photosynthese gespeicherte Energie wird in den Dunkelprozessen der Photosynthese genutzt, um organisches Material aus atmosphärischem CO2 herzustellen.
Die meisten Cyanobakterien sind obligate Phototrophen, die jedoch aufgrund des Abbaus von im Licht angesammeltem Glykogen im oxidativen Pentosephosphatzyklus und im Prozess der Glykolyse kurzfristig überlebensfähig sind (ob die Glykolyse allein zur Aufrechterhaltung des Lebens ausreicht, ist fraglich). ). Der Tricarbonsäurezyklus (TCA-Zyklus) kann ohne β-Ketoglutarat-Dehydrogenase nicht zur Energiegewinnung genutzt werden. Insbesondere der „unterbrochene“ TCA-Zyklus führt dazu, dass Cyanobakterien vermehrt Metaboliten in die Umwelt exportieren.
Die Stickstofffixierung erfolgt durch das Enzym Nitrogenase, das sehr empfindlich auf molekularen Sauerstoff reagiert. Da bei der Photosynthese Sauerstoff freigesetzt wird, kommen bei der Evolution von Cyanobakterien zwei Strategien zum Einsatz: die räumliche und die zeitliche Trennung dieser Prozesse. Bei einzelligen Cyanobakterien wird der Höhepunkt der Photosyntheseaktivität im Licht und der Höhepunkt der Nitrogenaseaktivität im Dunkeln beobachtet. Der Prozess wird genetisch auf der Transkriptionsebene reguliert; Cyanobakterien sind die einzigen Prokaryoten, bei denen die Existenz zirkadianer Rhythmen nachgewiesen wurde (und die Dauer des Tageszyklus kann die Dauer des Lebenszyklus überschreiten!) Bei filamentösen Cyanobakterien ist der Prozess der Stickstofffixierung in spezialisierten terminal differenzierten Zellen lokalisiert – Heterozysten zeichnen sich durch dicke Zellstrukturen aus, die das Eindringen von Sauerstoff verhindern. Da es in der Umgebung an festem Stickstoff mangelt, enthält die Kolonie 5–15 % Heterozysten. PS-II ist in Heterozysten reduziert. Heterozysten erhalten organisches Material von photosynthetischen Mitgliedern der Kolonie. Der angesammelte fixierte Stickstoff wird in Cyanophycin-Granulat gespeichert oder als Glutaminsäure exportiert.
Beziehungen in Chloroplasten
Chloroplasten kommen in Eukaryoten (Algen und höheren Pflanzen) vor und stellen höchstwahrscheinlich reduzierte endosymbiotische Cyanobakterien dar. Diese endosymbiotische Theorie wird durch strukturelle und genetische Ähnlichkeiten gestützt. Primäre Chloroplasten kommen bei Grünpflanzen vor, wo sie Chlorophyll B enthalten, sowie bei Rotalgen und Glaukophyten, wo die Ionen Phycobiline enthalten. Man geht heute davon aus, dass diese Chloroplasten wahrscheinlich einen einzigen Ursprung hatten. Andere Algen haben ihre Chloroplasten wahrscheinlich durch sekundäre Endosymbiose oder Nahrungsaufnahme von diesen Formen übernommen.
Bedeutung
Cyanobakterien waren nach allgemein akzeptierter Version die „Schöpfer“ der modernen sauerstoffhaltigen Atmosphäre auf der Erde (nach einer anderen Theorie ist Luftsauerstoff geologischen Ursprungs), was zur ersten globalen Umweltkatastrophe der Naturgeschichte führte und a dramatische Veränderung in der Biosphäre. Als bedeutender Bestandteil des Meeresplanktons stehen Cyanobakterien heute am Anfang der meisten Nahrungsketten und produzieren den größten Teil des Sauerstoffs (mehr als 90 %, diese Zahl wird jedoch nicht von allen Forschern erkannt). Das Cyanobakterium Synechocystis war der erste photosynthetische Organismus, dessen Genom vollständig sequenziert wurde (1996 vom Kazusa Research Institute, Japan). Cyanobakterien gelten derzeit als wichtigste Modellobjekte der biologischen Forschung. In Südamerika und China werden Bakterien der Gattungen Spirulina und Nostoc aufgrund des Mangels an anderen Nahrungsmitteln für Nahrungsmittel, Trocknung und Mehlzubereitung verwendet. Ihnen werden heilende und heilende Eigenschaften zugeschrieben, die allerdings noch nicht bestätigt sind. Der mögliche Einsatz von Cyanobakterien zur Schaffung geschlossener Lebenserhaltungskreisläufe oder als Massenfuttermittel/Lebensmittelzusatzstoff wird in Betracht gezogen.
Bestimmte Cyanobakterien produzieren Cyanotoxine wie Anatoxin-a, Anatoxin-as, Aplysiatoxin, Domoinsäure, Microcystin LR, Noduralin R (aus Nodularia) oder Saxitoxin. Mindestens ein sekundärer Metabolit, Cyanovirin, wirkt gegen HIV. Ein Beispiel für Cyanobakterien, die unter extremen Bedingungen leben, finden Sie in den Hypolithen.
Unter den derzeit existierenden Organismen gibt es solche, über deren Zugehörigkeit ständig diskutiert wird. Dies geschieht bei Lebewesen namens Cyanobakterien. Obwohl sie nicht einmal einen genauen Namen haben. Zu viele Synonyme:
- blau-grüne Alge;
- Cyanobioten;
- Phycochrom-Brecher;
- Cyanea;
- Schleimalgen und andere.
Es stellt sich also heraus, dass Cyanobakterien ein völlig kleiner, aber gleichzeitig so komplexer und widersprüchlicher Organismus sind, der eine sorgfältige Untersuchung und Betrachtung seiner Struktur erfordert, um seine genaue taxonomische Zugehörigkeit zu bestimmen.
Geschichte der Existenz und Entdeckung
Den fossilen Überresten nach zu urteilen, reicht die Geschichte der Existenz von Blaualgen weit in die Vergangenheit zurück, vor mehreren Millionen Jahren. Solche Schlussfolgerungen wurden durch Studien von Paläontologen ermöglicht, die Gesteine (Teile davon) dieser fernen Zeiten analysierten.
Auf der Oberfläche der Proben wurden Cyanobakterien gefunden, deren Struktur sich nicht von der moderner Formen unterschied. Dies weist auf ein hohes Maß an Anpassungsfähigkeit dieser Kreaturen an verschiedene Lebensbedingungen, ihre extreme Ausdauer und ihr Überleben hin. Es ist offensichtlich, dass es im Laufe der Millionen von Jahren viele Veränderungen in der Temperatur und der Gaszusammensetzung des Planeten gegeben hat. Die Lebensfähigkeit des Cyan wurde jedoch nicht beeinträchtigt.
In der heutigen Zeit ist ein Cyanobakterium ein einzelliger Organismus, der gleichzeitig mit anderen Formen bakterieller Zellen entdeckt wurde. Das heißt, Antonio Van Leeuwenhoek, Louis Pasteur und andere Forscher im 18.-19. Jahrhundert.
Später wurden sie mit der Entwicklung der Elektronenmikroskopie und modernisierten Forschungsmethoden und -methoden einer gründlicheren Untersuchung unterzogen. Die Eigenschaften von Cyanobakterien wurden identifiziert. Die Struktur der Zelle umfasst eine Reihe neuer Strukturen, die bei anderen Lebewesen nicht vorkommen.
Einstufung
Die Frage der Bestimmung ihrer taxonomischen Zugehörigkeit bleibt offen. Bisher ist nur eines bekannt: Cyanobakterien sind Prokaryoten. Dies wird durch Merkmale bestätigt wie:
- Fehlen von Kern, Mitochondrien, Chloroplasten;
- Vorhandensein von Murein in der Zellwand;
- Moleküle von S-Ribosomen in der Zelle.
Cyanobakterien sind jedoch Prokaryoten und es gibt etwa 1.500.000 Arten. Alle wurden klassifiziert und in 5 große morphologische Gruppen zusammengefasst.
- Chrokokken. Eine ziemlich große Gruppe, die Einzel- oder Kolonialformen vereint. Hohe Konzentrationen von Organismen werden durch einen gemeinsamen Schleim zusammengehalten, der von der Zellwand jedes Individuums abgesondert wird. Von der Form her umfasst diese Gruppe stabförmige und kugelförmige Gebilde.
- Pleurocapsaceae. Sehr ähnlich zu den vorherigen Formen zeigt sich jedoch ein Merkmal in Form der Bildung von Beozyten (mehr zu diesem Phänomen später). Die hier erfassten Cyanobakterien gehören zu drei Hauptklassen: Pleurocaps, Dermocaps, Myxosarcina.
- Oxillatoria. Das Hauptmerkmal dieser Gruppe besteht darin, dass alle Zellen zu einer gemeinsamen Schleimstruktur namens Trichom vereint sind. Die Spaltung erfolgt, ohne über diesen Thread im Inneren hinauszugehen. Zu den Oscillatoria zählen ausschließlich vegetative Zellen, die sich ungeschlechtlich teilen.
- Nostocaceae. Interessant wegen ihrer Kryophilie. Sie können in offenen Eiswüsten leben und dort farbige Schichten bilden. Das sogenannte „Blüten der Eiswüsten“-Phänomen. Die Formen dieser Organismen sind ebenfalls filamentös in Form von Trichomen, die Fortpflanzung erfolgt jedoch sexuell mit Hilfe spezialisierter Zellen – Heterozysten. Folgende Vertreter können hier einbezogen werden: Anabens, Nostoks, Calothrix.
- Stigonematoden. Sehr ähnlich zur vorherigen Gruppe. Der Hauptunterschied besteht in der Fortpflanzungsmethode: Sie können sich innerhalb einer Zelle mehrmals teilen. Der beliebteste Vertreter dieser Vereinigung ist Fisherella.
Daher werden Cyanide nach morphologischen Kriterien klassifiziert, da viele Fragen hinsichtlich der Rest- und Verwechslungsergebnisse auftauchen. Botaniker und Mikrobiologen konnten sich bei der Taxonomie der Cyanobakterien bislang nicht auf einen gemeinsamen Nenner einigen.
Lebensräume
Aufgrund des Vorhandenseins besonderer Anpassungen (Heterozysten, Beozyten, ungewöhnliche Thylakoide, Gasvakuolen, die Fähigkeit, molekularen Stickstoff zu binden und andere) siedelten sich diese Organismen überall an. Sie sind in der Lage, selbst unter extremsten Bedingungen zu überleben, unter denen kein lebender Organismus existieren kann. Zum Beispiel heiße thermophile Quellen, anaerobe Bedingungen mit einer Schwefelwasserstoffatmosphäre und einem pH-Wert unter 4.
Cyanobakterien sind Organismen, die ruhig auf Meeressand und Felsvorsprüngen, Eisblöcken und heißen Wüsten überleben. Sie können das Vorhandensein von Cyaniden an der charakteristischen farbigen Beschichtung, die ihre Kolonien bilden, erkennen und feststellen. Die Farbe kann von blauschwarz bis rosa und violett variieren.
Sie werden blaugrün genannt, weil sie oft einen blaugrünen Schleimfilm auf der Oberfläche von gewöhnlichem Süß- oder Salzwasser bilden. Dieses Phänomen wird „Wasserblüte“ genannt. Es kann an fast jedem See gesehen werden, der anfängt, überwuchert und sumpfig zu werden.
Merkmale der Zellstruktur
Cyanobakterien haben die für prokaryotische Organismen übliche Struktur, es gibt jedoch einige Besonderheiten.
Der allgemeine Plan der Zellstruktur ist wie folgt:
- Zellwand aus Polysacchariden und Murein;
- Bilipidstruktur;
- Zytoplasma mit frei verteiltem genetischem Material in Form eines DNA-Moleküls;
- Thillacoide, die die Funktion der Photosynthese erfüllen und Pigmente (Chlorophylle, Xanthophylle, Carotinoide) enthalten.
Arten von Spezialstrukturen
Dies sind zunächst einmal Heterozysten. Diese Strukturen sind keine Teile, sondern die Zellen selbst als Teil eines Trichoms (ein gemeinsamer Kolonialfaden, der durch Schleim verbunden ist). Unter dem Mikroskop unterscheiden sie sich in ihrer Zusammensetzung, da ihre Hauptfunktion die Produktion eines Enzyms ist, das die Fixierung von molekularem Stickstoff aus der Luft ermöglicht. Daher gibt es in Heterozysten praktisch keine Pigmente, dafür aber recht viel Stickstoff.
Zweitens handelt es sich um Hormonogonien – aus dem Trichom herausgerissene Bereiche. Dienen als Brutstätten.
Beozyten sind einzigartige Tochterzellen, die massenhaft von einer Mutterzelle abgeleitet sind. Manchmal erreicht ihre Zahl in einer Divisionsperiode tausend. Dermocaps und andere Pleurocapsodiums verfügen über diese Funktion.
Akineten sind spezielle, ruhende Zellen, die in den Trichomen enthalten sind. Sie zeichnen sich durch eine massivere Zellwand aus, die reich an Polysacchariden ist. Ihre Rolle ähnelt der von Heterozysten.
Gasvakuolen – alle Cyanobakterien haben sie. Die Struktur der Zelle deutet zunächst auf ihre Anwesenheit hin. Ihre Aufgabe besteht darin, an den Prozessen der Wasserblüte teilzunehmen. Ein anderer Name für solche Strukturen ist Carboxysomen.
Sie kommen sicherlich in Pflanzen-, Tier- und Bakterienzellen vor. Bei Blaualgen sind diese Einschlüsse jedoch etwas anders. Diese beinhalten:
- Glykogen;
- Polyphosphat-Granulat;
- Cyanophycin ist eine spezielle Substanz bestehend aus Aspartat und Arginin. Dient der Anreicherung von Stickstoff, da sich diese Einschlüsse in Heterozysten befinden.
Das haben Cyanobakterien. Die Hauptbestandteile und spezialisierten Zellen und Organellen ermöglichen es Cyaniden, Photosynthese durchzuführen, werden aber gleichzeitig als Bakterien klassifiziert.
Reproduktion
Dieser Prozess ist nicht besonders schwierig, da er mit dem bei gewöhnlichen Bakterien identisch ist. Cyanobakterien können sich vegetativ teilen, Teile von Trichomen, eine gewöhnliche Zelle in zwei Teile teilen oder den sexuellen Prozess durchführen.
An diesen Prozessen sind häufig spezialisierte Zellen, Heterozysten, Akineten und Beozyten, beteiligt.
Transportmittel
Die Cyanobakterienzelle ist außen und manchmal auch mit einer Schicht aus einem speziellen Polysaccharid bedeckt, das um sie herum eine Schleimkapsel bilden kann. Dank dieser Funktion wird die Bewegung von Cyan durchgeführt.
Es gibt keine Geißeln oder besondere Auswüchse. Auf hartem Untergrund kann die Bewegung nur mit Hilfe von Schleim, in kurzen Kontraktionen, ausgeführt werden. Einige Oscillatoria haben eine sehr ungewöhnliche Art der Bewegung – sie drehen sich um ihre Achse und bewirken gleichzeitig eine Rotation des gesamten Trichoms. So entsteht Bewegung an der Oberfläche.
Fähigkeit zur Stickstofffixierung
Fast jedes Cyanobakterium verfügt über diese Eigenschaft. Möglich ist dies durch das Vorhandensein des Enzyms Nitrogenase, das molekularen Stickstoff binden und in eine verdauliche Form von Verbindungen umwandeln kann. Dies geschieht in Heterozystenstrukturen. Folglich sind die Arten, die sie nicht haben, nicht in der Lage, aus dem Nichts aufzutauchen.
Im Allgemeinen macht dieser Prozess Cyanobakterien zu sehr wichtigen Lebewesen für das Pflanzenleben. Durch die Ansiedlung im Boden helfen Cyanide den Vertretern der Flora, gebundenen Stickstoff aufzunehmen und ein normales Leben zu führen.
Anaerobe Arten
Einige Formen von Blaualgen (z. B. Oscillatoria) können unter vollständig anaeroben Bedingungen und einer Schwefelwasserstoffatmosphäre leben. Dabei wird die Verbindung im Körper verarbeitet und dadurch molekularer Schwefel gebildet und an die Umwelt abgegeben.
