Подцарство оксифотобактерии

Определения и обозначения

Оксифотобактерии — фотосинтезирующие бактерии, которые выделяют кислород и не имеют оформленного ядра. Их название указывает на кислородный фотосинтез, а не на сходство с растениями. Благодаря этим организмам в природе образуются органические вещества и поддерживается круговорот кислорода.

Цианобактерии — основная группа оксифотобактерий, способная к фотосинтезу благодаря хлорофиллу и дополнительным пигментам. Они могут быть похожи на водоросли цветом или формой колоний, но по строению клетки являются бактериями. Это различие помогает не путать внешний вид организма с его систематическим положением.

Гетероциста — специализированная клетка нитчатых цианобактерий, участвующая в фиксации атмосферного азота. Фиксация — превращение азота из воздуха в соединения, которые организм может использовать. Такие клетки помогают нитям получать азот даже там, где доступных азотных веществ мало.

Акинета — покоящаяся клетка цианобактерии, устойчивая к неблагоприятным условиям. Она может переждать период холода, высыхания или нехватки пищи, а при улучшении условий снова дать начало активному росту. Поэтому акинеты помогают некоторым видам сохраняться в меняющейся среде.

Как это устроено

Оксифотобактерии относят к бактериям, потому что их клетка устроена по прокариотическому типу: у неё нет ядра, отделённого оболочкой от цитоплазмы, и нет мембранных органоидов вроде хлоропластов. Фотосинтез сам по себе не делает организм растением или водорослью: способность получать энергию от света встречается у разных групп живых организмов. Поэтому классификацию определяют по совокупности признаков, прежде всего по строению клетки.

Клетку цианобактерии снаружи ограничивает клеточная стенка, которая поддерживает форму и защищает её. Внутри находятся цитоплазма, рибосомы для создания белков и нуклеоид — участок с наследственным материалом, не окружённый ядерной оболочкой. Внутренние фотосинтетические мембраны содержат пигменты и ферменты, необходимые для использования света. Такое устройство позволяет выполнять фотосинтез, не имея ни оформленного ядра, ни хлоропластов.

Хлорофилл поглощает свет, а дополнительные пигменты, в том числе фикобилины, улавливают свет других участков спектра. Благодаря этому цианобактерии могут использовать свет, который проникает в разные слои воды или затенённые места. Поглощённая энергия запускает реакции, в которых из воды и углекислого газа образуются органические вещества. Они служат клетке источником вещества и энергии для роста.

При кислородном фотосинтезе цианобактерии используют воду как источник водорода и электронов, необходимых для образования органических веществ. В ходе превращений часть атомов кислорода из воды образует молекулярный кислород, который выделяется в окружающую среду. Поэтому фотосинтез этих бактерий отличается от некоторых других видов бактериального фотосинтеза, при которых кислород не выделяется. Это свойство повлияло на состав атмосферы Земли и условия жизни организмов.

Обычно цианобактерии размножаются делением клетки, а нитчатые формы могут также распространяться при распаде нити на части. Дочерние клетки иногда остаются вместе, образуя колонии, или располагаются цепочкой и создают нить. У некоторых нитей есть гетероцисты, которые фиксируют атмосферный азот, и акинеты, переживающие неблагоприятный период. Такие специализированные клетки помогают цианобактериям использовать разные ресурсы и сохраняться при изменении условий.

Основные признаки оксифотобактерий

Сравнивая группы, сначала смотрите на тип клетки: наличие ядра отличает эукариотические водоросли от цианобактерий. Затем сравните, где расположены фотосинтетические структуры и какие пигменты участвуют в поглощении света. Таблица показывает общие особенности групп; у отдельных видов могут быть свои отличия.

Разбор задач

Задача 1. Клетка не имеет ядра и хлоропластов, содержит хлорофилл, выделяет кислород и образует слизистые колонии. Определите, к какой группе относится организм. Сначала важно отделить признаки строения от признаков питания. Затем можно проверить, сочетаются ли они с особенностями цианобактерий.

1. Отсутствие оформленного ядра указывает на прокариотическую организацию, характерную для бактерий.
2. Хлорофилл и выделение кислорода показывают, что организм осуществляет кислородный фотосинтез.
3. Способность собираться в слизистые колонии также встречается у цианобактерий и не превращает их в водоросли.

Ответ: это оксифотобактерия, вероятнее всего цианобактерия. Вывод основан сразу на строении клетки и типе фотосинтеза, а не только на её внешнем виде.

Задача 2. Объясните, почему цианобактерии фотосинтезируют, хотя у них нет хлоропластов. Нужно выяснить, что именно необходимо для фотосинтеза, и проверить, присутствуют ли эти условия у бактерии. Сам хлоропласт — не единственное место, где в природе могут находиться фотосинтетические пигменты.

1. Для улавливания света нужны пигменты, прежде всего хлорофилл.
2. У цианобактерий хлорофилл и дополнительные пигменты размещены на внутренних фотосинтетических мембранах.
3. На этих мембранах идут реакции, использующие световую энергию для образования органических веществ.

Ответ: хлоропласт не обязателен, если у клетки есть пигменты и мембраны, на которых протекает фотосинтез. У цианобактерий такие структуры находятся внутри клетки.

Задача 3. В водоёме появились нитчатые цианобактерии с гетероцистами. Как они влияют на экосистему и почему их массовое развитие бывает опасным? Здесь нужно учесть как полезные процессы, так и последствия чрезмерного размножения. Гетероцисты позволяют связать присутствие этих клеток с круговоротом азота.

1. Гетероцисты фиксируют атмосферный азот, делая его доступнее для организмов и круговорота веществ.
2. Фотосинтезирующие цианобактерии образуют органические вещества и выделяют кислород; эти продукты важны для экосистемы.
3. При массовом размножении вода может «зацвести», а отмирание большого количества клеток приводит к расходу кислорода при их разложении.

Ответ: цианобактерии могут обогащать экосистему органическими веществами и участвовать в круговороте азота, но их чрезмерное развитие ухудшает качество воды. Нехватка кислорода и возможные вредные вещества способны угрожать водным организмам.

Типичные ошибки

Называть цианобактерии водорослями в систематическом смысле — ошибка: так поступают из-за их окраски и способности к фотосинтезу. Но эти признаки не отменяют прокариотическое строение клетки. Проверьте себя: если у организма нет оформленного ядра, перед вами не эукариотическая водоросль.

Считать, что без хлоропластов фотосинтез невозможен, — значит принимать особенность растений за общее правило. У цианобактерий пигменты находятся на внутренних мембранах, и этого достаточно для фотосинтеза. Чтобы проверить объяснение, спросите не только о наличии хлоропластов, но и о том, где расположены фотосинтетические пигменты.

Путать гетероцисту с обычной клеткой нити — значит упускать её особую функцию. Гетероциста участвует в фиксации атмосферного азота, тогда как обычные клетки выполняют другие задачи, включая фотосинтез. Проверьте себя: связывайте этот термин именно с азотом и специализированной клеткой.

Утверждать, что любое массовое размножение цианобактерий полезно, неверно: оно может вызвать цветение воды. Избыток клеток и их последующее разложение ухудшают условия жизни водных организмов. Оценивая последствия, учитывайте не только образование кислорода, но и масштаб размножения, качество воды и содержание кислорода после отмирания клеток.

Связь с другими темами

Для понимания темы понадобятся знания о различиях прокариотических и эукариотических клеток: так можно объяснить, почему цианобактерии — бактерии, а не водоросли. Полезно также знать, что при фотосинтезе световая энергия помогает образовывать органические вещества, и помнить о роли бактерий в природе. Тогда легче связать строение клетки с её образом жизни.

Дальше эти знания пригодятся при изучении круговоротов кислорода и азота: цианобактерии выделяют кислород, а некоторые фиксируют атмосферный азот. В экосистемах они могут быть источником органического вещества для пищевых цепей. Их фотосинтез также помогает понять, как распространение фотосинтеза повлияло на эволюцию жизни и состав атмосферы.

Что запомнить

• Оксифотобактерии — прокариоты, осуществляющие кислородный фотосинтез.
• У цианобактерий нет оформленного ядра и хлоропластов.
• Фотосинтез происходит на внутренних мембранах клетки.
• Основные пигменты цианобактерий — хлорофилл и фикобилины.
• Цианобактерии размножаются преимущественно делением клеток и распадом нитей.
• Гетероцисты участвуют в фиксации атмосферного азота.
• Цианобактерии играют важную роль в образовании кислорода и круговороте веществ.