3500 milionów lat
lub 854 metry przed dniem dzisiejszym
Epoka: archaik
Prekursory cyjanobakterii (dawniej zwanych sinicami) to pierwsze komórki, których ślady można wykryć w starych skałach. Dzięki błonie komórkowej były one już w stanie regulować wymianę substancji i energii z otoczeniem.
Od tego czasu można również wykryć osady wapienne (stromatolity) innych mikroorganizmów.
Dwutlenek węgla pierwotnie obecny w atmosferze rozpuszcza się w oceanach i jest tam wykorzystywany do budowy biomasy. Oznacza to, że atmosfera składa się prawie w całości z azotu. Tlen nie jest jeszcze dostępny, a zatem nie ma warstwy ozonowej chroniącej przed promieniami UV. W tym okresie mógł powstać pierwszy superkontynent Ur.
Tę informację w prostym języku znajdziesz na stronie evokids.de.
Poprzednicy dzisiejszych cyjanobakterii byli prawdopodobnie pierwszymi żywymi organizmami zdolnymi do fotosyntezy z produkcją tlenu. Fotosynteza to najważniejszy proces pozyskiwania energii z substancji niskoenergetycznych. Przy tym energia światła jest absorbowana przez barwniki i chemicznie przenoszona na inne substancje. Jest to wyjaśnione bardziej szczegółowo na naszej stronie informacyjnej dotyczącej fotosyntezy. Znamy fotosyntezę jako proces, który prowadzi do produkcji tlenu. Historycznie starsze (ze względu na prostszą budowę) są jednak systemy fotosyntezy, w których energia światła nie prowadzi do rozszczepienia wody, a tym samym do uwolnienia gazowego tlenu, ale do powstania siarki lub azotanów.
Rozwój fotosyntezy
Cyjanobakterie były wcześniej określane jako sinice ze względu na ich zdolność fotosyntezy i często niebiesko-zielony kolor. Ale są to prawdziwe bakterie o prokariotycznej strukturze komórkowej, tj. bez jądra komórkowego. Jednak, podobnie jak chloroplasty roślin eukariotycznych (zawierających jądro komórkowe), mogą one przeprowadzać fotosyntezę, która wytwarza tlen. Były pierwszymi stworzeniami w historii Ziemi, które były w stanie przeprowadzić fotosyntezę z cząsteczkami wody jako źródłem wodoru, a tym samym wytwarzyć tlen. Najprawdopodobniej były one odpowiedzialne za wytrącanie się żelaza i innych jonów metali rozpuszczonych w wodzie morskiej, a następnie za stopniowe wzbogacanie atmosfery ziemskiej w tlen. Szczegółowe informacje na ten temat możesz również znaleźć na stronie informacyjnej dotyczącejfotosyntezy.
Najstarsze skamieniałości przypominające cyjanobakterie znaleziono w stromatolitach, których wiek można określić na ponad trzy miliardy lat. Stromatolity to uwarstwione skały zbudowane ze skamieniałych jednokomórkowców i produktów ich metabolizmu. Jaki rodzaj fotosyntezy (wytwarzenie się siarki, azotanów czy tlenu) był wówczas prowadzony, nie można określić na podstawie skamieniałości. Dlatego nie wiadomo, kiedy dokładnie nastąpiła fotosynteza tlenowa (tj. wytwarzająca tlen). .Formacje rud pasmowych, których powstawanie rozpoczęło się około 2500 milionów lat temu i które można przypisać utlenianiu i wytrącaniu się soli metali rozpuszczonych w oceanach, dostarczają dowodów na początek fotosyntezy tlenowej.
Stromatolity. Po lewej: kolonia stromatolitu, która nadal aktywnie rośnie, znajduje się w Zatoce Rekinów w Australii Zachodniej. Po prawej: cienkowarstwowa struktura tego skamieniałego stromatolitu z okresu kredy ma około 70 milionów lat. (Źródła: zdjęcie po lewej: Paul Harrison [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) lub CC-BY-SA — 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/ ) 3.0 /); prawe zdjęcie: Didier Descouens [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)])
Gatunki i ich środowisko
Istnieje około 2000 różnych rodzajów cyjanobakterii. Wiele z nich jest od 5 do 10 razy większych niż zwykłe bakterie. Zwykle mają kształt od kulistego do podłużnego a nawet mają postać włókna. Nazwa cyjanobakterii pochodzi od pigmentów znajdujących się w ich komórkach, które mogą mieć barwę od niebiesko-zielonej do zielonkawej, czerwonej lub ciemnobrązowej. Typowy niebiesko-zielony kolor pochodzi od fikocyjaniny (niebieskawe pigmenty), a czerwone cyjanobakterie zawierają fikoerytrynę.
Cyjanobakterie występują na całym świecie w słodkiej, słonawej i słonej wodzie oraz wszędzie w glebie. Często żyją jako pojedyncze komórki, ale wiele gatunków jest również zorganizowanych w strukturach włóknistych. Można je również zobaczyć gołym okiem jako czarno-niebieskie powłoki na wilgotnej skale lub długie na metr skupiska czerwonych, niebieskich lub wykwitów wodnych. Na lądzie kolonizują one powierzchnie skał lub wyrastają z wapiennych i kredowych klifów.
W stawie kamieniołomu wykwitają cyjanobakterie. Cyjanobakterie zostały skoncentrowane przy brzegu w wyniku znoszenia przez wiatr. (Źródło: Christian Fischer [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)])
Ze względu na wysoką odporność na ciepło, zimno i sól wiele gatunków cyjanobakterii mogą one żyć w ekstremalnych lokalizacjach. Można je spotkać w gorących źródłach (do ok. 75 °C), w słonych jeziorach, a nawet pod lodem Antarktydy. Jeszcze dzisiaj stanowią dużą część całkowitej biomasy na naszej planecie.
Heterocysty i akinety
Inną osobliwością cyjanobakterii są heterocysty i akinety. Heterocysty to nieco większe komórki w strukturze komórkowej cyjanobakterii. Powstają one z normalnych komórek wegetatywnych, w których rozpływają się ziarna spichrzowe i organelle fotosyntezy (tak zwane tylakoidy), a zamiast tego rozwijają się nowe struktury błonowe.
Akinety to trwałe zarodniki, które dobrze znoszą niekorzystne warunki środowiskowe. Powstają z normalnych komórek przy znacznym wzroście ich objętości. Znikają wakuole gazowe, a gęstość cytoplazmy wzrasta, podobnie jak liczba rybosomów i granulek cyjanofycyny, które służą do wiązania azotu (patrz poniżej). Akinety zwykle zawierają duże ilości zmagazynowanych składników odżywczych i są otoczone grubą, trójwarstwową skorupą na zewnątrz ściany komórkowej.
Wiązanie azotu
Chociaż azot w postaci molekularnej jest gazem względnie obojętnym ze względu na swoje wewnątrzcząsteczkowe wiązanie potrójne, jest on jednym z najważniejszych elementów budulcowych życia. Jego przekształcenie w biodostępną formę zwane asymilacją lub wiązaniem azotu może przebiegać na trzy różne sposoby.
Trzy rodzaje wiązania azotu
Wiązanie abiotyczne:
Błyskawice podczas burz, duże pożary i erupcja wulkanów zamieniają azot i tlen atmosferyczny w tlenki azotu, które reagują z kropelkami wody w atmosferze, tworząc kwas azotawy lub azotowy i dostają się do ziemi w postaci kwaśnego deszczu.
N2 + O2 → 2 NO
4 NO + 3 O2 + 2 H2O → 4 HNO3
Wiązanie biotyczne:
Biologiczne wiązanie azotu, podobnie jak pozostałe dwa typy, jest niezwykle energochłonne, do biodostępności azotu cząsteczkowego potrzeba 946 kilodżuli na mol. Jest to metoda, dzięki której cyjanobakterie mogą wiązać azot z powietrza i udostępniać go roślinom.
Wiązanie techniczne:
Na początku XX wieku niemieccy chemicy Fritz Haber i Carl Bosch opracowali proces, w którym azot cząsteczkowy można przekształcić w amoniak (NH3) pod wysokim ciśnieniem i w wysokiej temperaturze za pomocą wodoru i katalizatora. Można go łatwo wykorzystać do produkcji nawozów, takich jak mocznik lub sole amonowe. Haber i Bosch otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 1919 i 1931 roku za to osiągnięcie, które zrewolucjonizowało rolnictwo na całym świecie.
Za dopływ azotu do pól ryżowych są głównie odpowiedzialne bakterie Aulosira fertilissima. Te cyjanobakterie wiążą azot wyłącznie w swoich heterocystach. Jednak bakteria ta znana jest również z symbiotycznych połączeń z mchami rogowymi, którym dostarcza biodostępny azot, umożliwiający tym mchom wzrost na glebach prawie pozbawionych azotu.
Gatunki cyjanobakterii Synechococcus i Synechocystis wiążą dużą część azotu w oceanach świata, którego potrzebuje plankton roślinny. Tym samym przyczyniają się w znacznym stopniu do produkcji biomasy.
Gatunki cyjanobakterii Synechococcus i Synechocystis wiążą dużą część azotu w oceanach świata, którego potrzebuje plankton roślinny. Tym samym przyczyniają się w znacznym stopniu do produkcji biomasy. [KHB]