§ 7. Цианобактерии

Определения и обозначения

Цианобактерии — прокариотические организмы, способные к фотосинтезу. Их также называют сине-зелёными бактериями: окраска многих видов связана с сочетанием синего и зелёного пигментов. Такое название описывает внешний вид, но не превращает их в водоросли. По устройству клетки это бактерии.

Прокариоты — организмы, клетки которых не имеют оформленного ядра и мембранных органоидов. Их наследственный материал не окружён ядерной оболочкой и находится в цитоплазме клетки. Это помогает отличить цианобактерий от организмов с ядром, например растений. При этом отсутствие ядра не означает, что клетка лишена наследственной информации.

Слизистая оболочка — наружный слой, который у многих цианобактерий покрывает клетку или всю колонию. Он помогает удерживать влагу и защищает от высыхания и неблагоприятных воздействий среды. Если клетки соединены в колонию, оболочка может окружать их вместе. Поэтому она служит защитой не только отдельной клетке, но и группе клеток.

Гетероциста — специализированная клетка некоторых нитчатых цианобактерий. Она участвует в связывании атмосферного азота, то есть помогает сделать азот доступным для использования организмом. Это важно, потому что азот из воздуха не всегда можно напрямую использовать в обычных клетках. Гетероцисты встречаются не у всех цианобактерий.

Как это устроено

Клетка цианобактерии устроена проще, чем клетка растения: у неё нет оформленного ядра и хлоропластов. Наследственный материал находится в цитоплазме, а рибосомы — небольшие клеточные структуры — участвуют в образовании белков. Фотосинтетические мембраны расположены внутри клетки, а не собраны в отдельный хлоропласт. Такое устройство позволяет клетке выполнять необходимые процессы без мембранных органоидов.

Цианобактерии способны к фотосинтезу, потому что содержат хлорофилл и дополнительные пигменты, улавливающие свет. Полученная энергия используется для образования органических веществ из неорганических. В процессе фотосинтеза выделяется кислород, который поступает в окружающую среду. Пигменты также объясняют характерную окраску многих цианобактерий.

По форме цианобактерии бывают одиночными, колониальными и нитчатыми. Одиночная клетка существует отдельно, а в колонии несколько клеток объединены общей слизистой оболочкой и могут выглядеть как скопление точек или шарик. Нитчатая форма напоминает цепочку клеток, соединённых друг с другом. Такое разнообразие внешнего вида не меняет главного: каждая клетка остаётся бактериальной.

Цианобактерии размножаются бесполым путём: клетка делится, и из одной возникают две дочерние клетки. У нитчатых форм нить может распадаться на участки, которые продолжают жить и расти. При благоприятных условиях увеличение числа клеток позволяет быстро нарастить численность. Полового размножения у цианобактерий нет.

Цианобактерии обитают в пресных и солёных водоёмах, а также на влажной почве и поверхностях. В разных местах они создают органические вещества при фотосинтезе, поэтому становятся частью пищевых цепей и влияют на круговорот веществ. Некоторые виды связывают атмосферный азот, участвуя в его поступлении в экосистему. Если в водоём попадает избыток питательных веществ, отдельные цианобактерии могут быстро размножиться и изменить условия жизни других организмов.

Организация и особенности цианобактерий

Сравнивайте формы по тому, как расположены клетки: отдельно, группой или цепочкой. Затем обратите внимание на особые признаки — слизистую оболочку и гетероцисты. Они помогают понять, как строение связано с защитой и ролью цианобактерий.

Разбор задач

Задача 1. На рисунке изображена клетка сине-зелёного цвета без оформленного ядра. Определите, к какой группе организмов она относится, и назовите признак, подтверждающий ответ.

1. Сначала учитываем, что сине-зелёная окраска может быть характерна для цианобактерий, но сама по себе не доказывает принадлежность к группе.
2. Затем обращаем внимание на отсутствие оформленного ядра. У цианобактерий наследственный материал не окружён ядерной оболочкой, потому что они являются прокариотами.
3. Следовательно, по прокариотическому строению клетку можно отнести к цианобактериям.

Ответ: это цианобактерия; подтверждающий признак — отсутствие оформленного ядра.

Задача 2. Ученик назвал цианобактерии водорослями, потому что они живут в воде и фотосинтезируют. Объясните, почему это название неточно с точки зрения строения клетки.

1. Сначала отделяем сходство по образу жизни от сходства по устройству: водная среда и фотосинтез не определяют, есть ли у организма ядро.
2. У цианобактерий нет оформленного ядра, а наследственный материал расположен в цитоплазме. Также у них отсутствуют хлоропласты, хотя фотосинтез происходит на мембранных структурах клетки.
3. Поэтому их относят к бактериям-прокариотам, а не к настоящим водорослям.

Ответ: название «водоросли» неточно, потому что цианобактерии имеют прокариотическое строение клетки.

Задача 3. В водоёме при избытке питательных веществ быстро увеличилось количество цианобактерий. Объясните, почему это может изменить условия жизни других организмов, и назовите роль цианобактерий в экосистеме.

1. Избыток питательных веществ может создать условия для быстрого размножения цианобактерий. Их становится больше, а значит, возрастает влияние на водную среду.
2. Массовое развитие цианобактерий может менять условия жизни других обитателей водоёма, например затруднять доступ света в воду. Поэтому другим организмам может стать сложнее существовать.
3. При этом цианобактерии выполняют и важную природную роль: фотосинтезируют, создают органические вещества и выделяют кислород.

Ответ: быстрое увеличение численности может изменить условия водной среды и повлиять на другие организмы. Цианобактерии участвуют в образовании органических веществ и выделении кислорода.

Типичные ошибки

• Считать цианобактерии настоящими водорослями только потому, что они фотосинтезируют. Так ошибаются, когда судят лишь по образу жизни и не учитывают строение клетки. Проверьте себя: у цианобактерий нет оформленного ядра, значит, это прокариоты.

• Изображать у цианобактерии ядро или хлоропласт. Такая ошибка возникает из-за сходства фотосинтеза с растениями. Чтобы проверить схему, вспомните: наследственный материал находится в цитоплазме, а фотосинтез идёт на мембранных структурах.

• Считать, что все цианобактерии существуют поодиночке. Возможно, ученик запоминает только отдельную клетку и упускает другие формы. Сверьте ответ с тремя вариантами организации: одиночные клетки, колонии и нити.

• Называть деление клеток половым размножением. Причина ошибки — путаница между любым увеличением числа организмов и половым процессом. Проверьте себя: при делении одна клетка образует дочерние клетки, а полового размножения у цианобактерий нет.

Связь с другими темами

Для понимания темы понадобятся знания об основных частях клетки и различиях между прокариотами и эукариотами. Цианобактерии связывают строение клетки с фотосинтезом: они создают органические вещества и выделяют кислород. Их роль важна при изучении бактерий, круговорота веществ и пищевых цепей водных экосистем. Так можно проследить, как микроскопические организмы влияют на жизнь водоёма.

Что запомнить

• Цианобактерии — бактерии, а не настоящие водоросли.
• У цианобактерий нет оформленного ядра и хлоропластов.
• Они способны к фотосинтезу и выделяют кислород.
• Цианобактерии бывают одиночными, колониальными и нитчатыми.
• Размножаются они бесполым путём — делением клеток или распадом нитей.
• У некоторых нитчатых цианобактерий есть гетероцисты, участвующие в связывании атмосферного азота.