Роль водорослей в природе, жизни человека и в биогеоценозах

Значение водорослей в природе

 Историческое значение. Первыми фотосинтезирующими организмами на нашей планете были сине-зеленые водоросли. Именно эти организмы создали кислородную атмосферу и озоновый экран, благодаря этому стало возможным дальнейшее развитие всего живого на Земле. Ископаемые остатки водорослей обнаружены в архейских породах Южной Африки и имеют возраст 3,2 млрд. лет.

 Общий круговорот веществ в природе. В Мировом океане масса фитопланктона составляет около 1,5 млрд. тонн, а за год морские водоросли создают около 550 млрд. тонн биомассы, что составляет примерно 1/4 всех органических веществ планеты.

 Поддержание кислородного баланса атмосферы. В настоящее время водоросли, выделяя в процессе фотосинтеза огромное количество кислорода, обогащают им атмосферу Земли. Достаточно напомнить, что вода покрывает 2/3 поверхности планеты и в верхнем слое содержит растительный планктон. Эти планктонные водоросли выделяют в атмосферу основное количество кислорода, и поэтому их называют «легкими планеты». Содержание О₂ в самом верхнем слое воды может быть в 2-3 раза выше, чем в воздухе.

 Геохимическая роль водорослей связана, прежде всего, с круговоротом кальция и кремния. Рифы – громадные геологические образования, созданные живыми организмами, зачастую острова и даже целые архипелаги, на которых живут люди. Постоянными строителями рифов являются не только кораллы, но и различные группы водорослей, способные концентрировать в своем теле карбонат кальция. Это преимущественно красные, зеленые и сине-зеленые водоросли.

 Мощный геологический фактор. Водоросли принимают участие в образовании известняковых пород (древние сине-зеленые водоросли), коралловых рифов (красные водоросли), меловых пород (золотистые водоросли).

 Водоросли являются первым звеном в цепи питания мелких водных животных (циклопов, дафний и др. беспозвоночных), а также рыб (толстолобик, амур). Водоросли – главные производители органических веществ в водной среде. Около 80% всех органических веществ, ежегодно создающихся на земле, приходится на долю водорослей и других водных растений.

 Водорослевые заросли играют важную роль в создании особых водных биоценозов.

 Почвенные водоросли повышают плодородие почв, благодаря своей способности к азотфиксации. Водоросли способны обеспечить до 15% потребности высших растений в азоте.

Значение водорослей в промышленности и хозяйственной деятельности человека

 Чрезмерное развитие нитчатых и планктонных водорослей, так называемое «цветение» воды, вызывает нежелательные последствия и наносит ущерб. Развиваясь в огромной массе, водоросли засоряют и приводят в негодность различные подводные сооружения. «Цветение» воды придает ей неприятный вкус и запах, делает ее непригодной для использования в питьевых и хозяйственных целях. Продукты жизнедеятельности водорослей, накапливаясь в больших количествах, приводят к гибели водных беспозвоночных и рыб.

 Водоочистка и биологическая фильтрация. Многие водоросли – важный компонент процесса биологической очистки сточных вод.

В морской аквариумистике водоросли используют в системах биологической фильтрации. Применяются водорослевые танки («водорослевики») и скрубберы. Выращиваются либо специально посаженные макроводоросли (обычно из родов хетоморфа и каулерпа), либо используется естественное водорослевое обрастание. Интенсивное освещение обеспечивает быстрый рост водорослей и активное поглощение ими загрязнителей. Периодически масса разросшихся водорослей удаляется из фильтра.

 Биотестирование. Водоросли являются одним из наиболее широко применяемых биообъектов при биотестировании химических веществ и образцов природных и загрязнённых вод.

 В химической промышленности из морских водорослей получают иод, альгиновую кислоту, агар-агар, калийные соли, целлюлозу, спирт, уксусную кислоту.

 В фармацевтической промышленности водоросли служат источником йода и β-каротина. Из морских водорослей добывают студенистые вещества: агар-агар (из красных водорослей) и альгинат (из бурых водорослей).

Эти вещества не имеют цвета, вкуса, запаха и используются в микробиологической промышленности для выращивания микроорганизмов, при консервировании продуктов и производстве нежирных кремов (пищевых и косметических), а также в качестве наполнителей при изготовлении красок, пива, мороженого, таблеток, капсул, фотоэмульсий и искусственного волокна (рис. 22).

Рис. 22. Использование водорослей в фармацевтической промышленности.

Рис. 23. Использование водорослей в пищу.

 Ископаемые диатомовые водоросли служат абразивным материалом и используются при изготовлении зубных паст, при шлифовке линз.

 Морские водоросли служат удобрением, идут на корм скоту.

 Некоторые водоросли используются в пищу человеком (рис. 23) – хлорелла, спирулина, носток, ламинария.

Например, одноклеточная водоросль хлорелла отличается высокой скоростью роста и размножения. По питательности и содержанию белка она превосходит пшеницу и может быть использована в пищу, для получения витаминов и биологически активных веществ.

 В физиолечении: водоросли участвуют в образовании некоторых типов лечебных грязей – сапропель.

 Биотопливо. Из-за высокой скорости размножения водоросли применяются для получения биомассы на топливо.

 В научно-исследовательских работах. Водоросли широко применяют в экспериментальных исследованиях для решения проблем фотосинтеза и выяснения роли ядра и других компонентов клетки.

 Экодом. Предпринимаются попытки использовать некоторые быстро размножающиеся и неприхотливые водоросли (например, хлореллу) для создания круговорота веществ в обитаемых отсеках космического корабля. Хлорелла быстро и в большом количестве синтезирует белки, жиры, углеводы, витамины и способна усваивать примерно 10–12% солнечной энергии, синтезируя органическое вещество (для сравнения – высшие растения способны усваивать только 1–2% солнечной радиации).

☼ Отдел СИНЕ-ЗЕЛЕНЫЕ ВОДОРОСЛИ, или ЦИАНЕИ

CYANOPHYTA (CYANOBACTERIA)

Сине-зеленые водоросли, или цианеи – это древнейшие типичные прокариотические организмы.

Численность: около 2 тысяч видов.

Среда обитания: сине-зеленые водоросли распространены в водоемах (как в пресных, так и в морских), также могут обитать в горячих источниках, на поверхности почвы.

Уровень организация: отдел включает колониальные и многоклеточные, реже одноклеточные организмы.

По структуре таллома (рис. 24) – это коккоидные, трихальные водоросли.

Строение клетки. Сине-зеленые водоросли характеризуются особым строением клетки (рис. 25), не имеющей оформленного ядра, хроматофоров, митохондрий, элементов ЭПС и вакуолей с клеточным соком. Поэтому их относят не к растениям, а к царству Монера или Дробянки. Сходство же их с эукариотическими водорослями выражается в особенностях биохимии пигментов и фотосинтеза. При этом наиболее сходным с сине-зелеными набором пигментов и запасных питательных веществ обладают красные водоросли. Для обеих этих групп также характерно отсутствие подвижных жгутиковых стадий, которые присутствуют у бактерий.

Рис. 24. Различные структуры сине-зеленых водорослей.

Клеточная оболочка цианей в основном пектиновая и легко ослизняется, причем единая слизистая оболочка часто покрывает несколько клеток.

В протоплазме различают перифирическую окрашенную часть – хроматоплазму и центральную бесцветную часть – центроплазму, содержащую ДНК (нуклеоид). В хроматоплазме содержатся такие пигменты как хлорофилл а (зеленый), каротин (желтый), ксантофилл (оранжево-красный), фикоцианин (синий) и фикоэритрин (красный). Различное соотношение этих пигментов обусловливает различную окраску водорослей от типичной для этого отдела сине-зеленой до оливковой, желтой и даже красноватой.

В качестве запасных веществ образуются гликопротеид (похожий на гликоген), волютин (белок), специфический для сине-зеленых водорослей цианофицин (липопротеид).

У многих, преимущественно планктонных, в протоплазме в виде черных точек или кружков присутствуют полости, наполненные газом – газовые вакуоли. Предположительно, они содержат N и способствуют парению в толще воды.

Рис. 25. Строение цианобактерии.

При неблагоприятных условиях из клеток формируются толстостенные споры. Содержимое их богато запасными продуктами. В данном случае споры правильнее именовать покоящимися клетками, поскольку они значительно устойчивее вегетативных.

Размножение осуществляется:

1) делением клеток;

2) распадом нитчатых форм на отдельные участки;

3) половой процесс отсутствует, как и у большинства прокариотических организмов.

Роль в природе, жизни человека и в биогеоценозах. Сине-зеленые водоросли очень пластичны и легко приспосабливаются к неблагоприятным условиям. Они живут в пресных и морских водах, на почве и в почве, на голых скалах, в снегу и в горячих источниках.

Некоторые планктонные виды вызывают «цветение» воды в загрязненных водоемах (род анабена – Anabaena), другие очищают воду, минерализуя продукты гниения.

Почвенные виды сине-зеленых водорослей из родов формидиум (Phormidium) и плектонема (Plectonema) способны усваивать атмосферный азот (рис. 26).

Рис. 26. Цианобактерии, способный усваивать атмосферный азот.

В слизи, окружающей колонии видов рода носток (Nostoc), могут поселяться азотфиксирующие бактерии. Многие виды вступают в симбиоз с грибами, образуя лишайники.

В биотехнологии и фармакологии цианеи используются для получения витаминов (В12), аминокислот и других ценных веществ.

Историческое значение. Сине-зеленые водоросли – первые автотрофные фотосинтезирующие организмы, появившиеся на Земле. По своему строению на них очень похожи и наиболее древние из известных до сих пор живых организмов – шаровидные микроскопические тельца диаметром от 5 до 30 мкм, обнаруженные в Южной Африке и имеющие возраст более 3 млрд. лет.

Развившиеся в докембрийских морях в огромном количестве цианобактерии изменили атмосферу древней Земли, обогатив ее свободным кислородом, а также явились первыми создателями органического вещества, ставшего пищей для гетеротрофных бактерий и животных.

Систематика. Цианеи по особенностям строения тела и размножения подразделяют на 3 класса (рис. 27).:

Рис. 27. Систематика цианобактерий по классификации А.А. Еленкина.

Класс ХРООКОККОВЫЕ

CHROOCOCCOPHYCEAE

Класс объединяет колониальные, реже одноклеточные формы. Клетки обычно шаровидные, имеющие коккоидную структуру. Размножение происходит путем деления клеток пополам. Иногда после деления клетки не расходятся, и возникают слизистые колонии.

Представитель – Microcystis sp. (микроцистис). Это микроскопический организм (рис. 28), живущий в пресных водоемах и образующий колонии, часто вызывая «цветение» воды. Многие виды служат кормом для различных обитателей водоемов.

Рис. 28. Микроцистис.

Класс ХАМЕСИФОНОВЫЕ

CHAMAESIPHONOPHYCEAE

Сюда относятся одноклеточные и многоклеточные трихальные водоросли (рис. 29).

Рис. 29. Хамесифоновые водоросли.

Эпифитные одноклеточные водоросли дифференцированы на вершину и основание, которым они прикрепляются к субстрату. Многоклеточные нитчатые водоросли сложены из изолированных толстостенных клеток. Встречаются как в пресной, так и в морской воде. Способны вести прикрепленный образ жизни, прикрепляясь ко дну водоемов основанием клеток. Размножение посредством эндоспор и экзоспор.

Класс ГОРМОГОНИЕВЫЕ

HORMOGONIOPHYCEAE

К этому классу относится большинство нитчатых сине-зеленых водорослей. Нить размножается путем распада на отдельные участки – гормогонии, тоже подвижные, которые затем вырастают в новые нити. Класс содержит несколько порядков.

● Порядок Oscillatoriales – Осцилляториевые

Рис. 30. Асциллятория.

Представитель – Oscillatoria sp. (осциллятория). Имеет трихальное строение. Многочисленные виды этого рода часто образуют сине-зеленые пленки, покрывающие влажную землю после дождя, подводные предметы. Представляет собой длинные гомоцитные (состоящие из одинаковых клеток) нити, большей частью сине-зеленого цвета. Снаружи клетки покрыты слизистым чехлом, который выполняет защитную функцию (рис. 30).

● Порядок Nostocales – Ностоковые. Нити гетероцитные (разноклеточные). У представителей этого порядка в нитях наряду с вегетативными клетками, темными от газовых вакуолей, встречаются особые толстостенные клетки – гетероцисты, отличающиеся от вегетативных клеток по цвету, форме и размерам. По гетероцистам обычно происходит распад нитей на отдельные участки – гормогонии.

Представитель – Anabaena sp. (анабэна).

Вызывает обильное цветение воды в стоячих водоемах. Нити свободноплавающие, бывают одиночные или соединенные между собой в своеобразный клубок (рис. 31).

Рис. 31. Анабэна.

Род Nostoc (носток) представлен сложными слизистыми колониями сферической или неправильной формы, размеры которых варьируют от микроскопических до крупных (рис. 32).

Рис. 32. Носток сливовидный (Nostoc pruniformes): слева – внешний вид, справа – часть таллома.

☼ Отдел ЗЕЛЕНЫЕ ВОДОРОСЛИ

CHLOROPHYTA

Зеленые водоросли – наиболее разнообразная группа из всех водорослей как по строению, так и по жизненному циклу.

Численность: около 20 тысяч видов.

Среда обитания: большинство из них обитает преимущественно в пресных, реже соленых водоемах, но некоторые и в других местообитаниях: в почве, в симбиозе с грибами, на стволах деревьев, на снегу и т.д.

Уровень организации: одноклеточные, многоклеточные и неклеточные организмы.

Строение клетки: клетки большинства зеленых водорослей имеют целлюлозную или пектиновую оболочку, иногда с включением спорополленина, у некоторых снаружи – только плазматическая мембрана. Клетки бывают как одно-, так и многоядерные. Хроматофоры разнообразны по форме, зеленого цвета (в них содержатся хлорофиллы а и b, каротиноиды). У многих форм имеется пиреноид. Запасное вещество – крахмал и липиды.

Структура таллома. В данном отделе встречаются все основные типы морфологической организации таллома, кроме амебоидной.

Размножение зеленых водорослей осуществляется с помощью всех трех типов:

1) вегетативным;

2) бесполым (зооспорами, апланоспорами);

3) половым (хологамия, конъюгация, изогамия, гетерогамия, оогамия).

Цикл развития. Для большинства зеленых водорослей характерно преобладание в жизненном цикле гаплоидной фазы – двойным набором хромосом у них обладает только зигота, которая мейотически делится с образованием спор. Однако среди представителей отдела имеются и формы с преобладанием в жизненном цикле диплоидной фазы, и виды с изоморфной сменой поколений.

Роль в природе, жизни человека и в биогеоценозах. Зеленые водоросли не только обогащают воду кислородом, но и служат кормом для рыб и водоплавающих птиц. Пресноводный фитопланктон состоит из таких зеленых водорослей, как Chlamydomonas, Chlorella, Volvox, Pandorina, Eudorina, Gonium, а в заболоченных водоемах – Cosmarium, Closterium, Desmidium и др.

Некоторые зеленые водоросли сохраняют жизнеспособность при очень низких температурах. Так, в полярной и высокогорной зонах они живут на снегу, нередко окрашивая его в красный, зеленый, бурый, желтый цвета (снежная хламидомонада).

Рис. 33. Фармакологический препарат на основе Chlorella.

Зеленые водоросли живут на почве, в почве и даже в атмосферном воздухе (некоторые виды хлореллы). Отдельные виды, попадая вместе с бактериями на бесплодные субстраты, становятся пионерами их заселения. Многие из них активно участвуют в процессе почвообразования. Некоторые виды зеленых водорослей входят в состав комплексных организмов – лишайников.

Муку из водорослей используют на корм сельскохозяйственным животным. Водоросли могут служить удобрением.

В фармакологии их используют для получения антибиотических веществ, изготовления биологическиактивных пищевых добавок (рис. 33).

Историческое значение. Некоторые исследователи рассматривают зеленые водоросли как линию развития, которая привела к появлению высших растений.

Систематика: в отделе выделяют 2 класса (рис. 34).

Рис. 34. Систематика зеленых водорослей.