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
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]

Komentowanie jest wyłączone.