Pierwsze cyjanobakterie

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
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]

Komentowanie jest wyłączone.