Czynności życiowe sinic.
Aby opowiedzieć czym są te mikroorganizmy o których mowa w tytule pracy, należy przenieść się w czasie 2, 5 mld lat wstecz. W tym okresie nastąpiło całkowite zmienienie atmosfery ziemskiej. W znacznych ilościach w ziemskiej atmosferze zaczął się pojawiać gazowy tlen, jako wynik procesu metabolicznego mikroorganizmów zwanego fotosyntezą oksygenową. Fotosynteza oksygenowa to rodzaj fotosyntezy, w której donorem elektronów jest woda, a produktem jej rozszczepienia jest tlen. Ma dwa fotosystemy, jeden cykliczny- fotosystem I, który wytwarza NADPH i fotosystem niecykliczny- fotosystem II. Za nowy typ fotosyntezy, czyli rozkład wody z wydzieleniem tlenu, były odpowiedzialne właśnie sinice. Pierwsze pojawienie się tlenu pozostawiło pasma żelazowych formacji w skałach. W skorupie ziemskiej zachodziła reakcja żelaza z tlenem, dając w wyniku czarne tlenki żelaza tworzące ciemne pasma. Sinice pozostawiły ślad w skamielinach. Niektóre z nich narastały tworząc skupiska, nazwane stromatolitami.
Tak więc sinice doprowadziły zawartość tlenu w atmosferze ziemskiej do ilości równej około 10% dzisiejszego stężenia. Były to warunki na tyle wystarczające, że umożliwiły ewolucję organizmów zużywających tlen. Nieco później, sinice zostały włączone do komórek eukariotycznych, tworząc chloroplasty glonów i zielonych roślin.
Ustalono że chloroplasty, które obecnie występują jedynie w komórkach roślin i glonów, były kiedyś bakteriami. Dowodem jest fakt że sinice i rośliny przeprowadzają fotosyntezę w dokładnie taki sam sposób, przy użyciu tego samego chlorofilu a analiza sekwencji genu rRNA z chloroplastów wykazała scisłe podobieństwo do analogicznej sekwencji sinic.
Podsumowując, sinice to bakterie samożywne, mające zdolność wytwarzania związków organicznych, które pierwsze przeprowadziły fotosyntezę oksygenową, proces w którym rozszczepiana jest woda z uwolnieniem się O2, uchodzącym do atmosfery ziemskiej. W późniejszym czasie z sinic powstały chloroplasty roślin. Ze względu na zdolność asymilacji azotu atmosferycznego dzięki heterocystom, o których dalej będzie mowa, ich znaczenie dla środowiska jest ogromne.
Sinice są fototrofami, co oznacza że wykorzystują fotosyntezę do uzyskiwania energii.
Zielone szumowiny w stawie czy zielone wstęgi przyczepione do kamieni w potoku, to najprawdopodobniej kombinacja glonów i sinic. Sinice współtworzą z innymi mikroorganizmami maty mikroorganizmów, gdzie przeprowadzają one wraz z okrzemkami fotosyntezę oksygenową, w której woda jest rozszczepiana do wodoru i tlenu. Tlen jest uwalniany, natomiast wodór jest wykorzystywany jako źródło elektronów.
Należy także wspomnieć, w temacie mojej pracy o ich specyficznej właściwości która przyczyniła się u badaczy do możliwości ich odizolowania od środowiska w którym przebywają. Mowa tu o doświadczeniu Kurta Hanselmanna, w celu wywabienia sinic z mat mikroorganizmów lub z innych próbek.
Wielokomórkowe sinice są zdolne do ruchu ślizgowego, który pomaga im przemieszczać się po powierzchniach stałych np. po denku pustej płytki Pertiego*. Jeżeli przykryjemy próbkę zawierającą sinice folią to ją zaciemnimy i szybko stanie się ona beztlenowa. Sinice nie lubią ani ciemności, ani warunków beztlenowych, więc migrują w kierunku światła, gdzie można je wychwycić i poddać dalszym badaniom.
Wiemy już o fotosyntezie oksygenowej sinic, a także o ich ruchu slizgowym ale dlaczego piszę właśnie o nich? Otóż najistotniejszym procesem w których biorą one udział jest wiązanie azotu cząsteczkowego do związków azotowych. Przeprowadzają go liczne sinice, które wytwarzają biomasę ze światła słonecznego (źródło energii), wody (źródło elektronów), dwutlenku węgla i azotu cząsteczkowego.
Dlatego nie dziwmy się że są podstawą tak wielu łańcuchów pokarmowych. Fototrofy oksygenowe, w tym wypadku sinice mogą wiązać azot cząsteczkowy. Redukcja azotu cząsteczkowego do amoniaku, który może być wykorzystywany do syntezy aminokwasów i innych związków azotowych, jest katalizowana przez kompleks enzymatyczny zwany nitrogenazą (asymiluje azot). Wiązanie azotu jest procesem wymagającym wydatkowania wielu cząsteczek ATP i NADPH. Jedynie te mikroorganizmy, które w sposób wydajny produkują te dwa związki, mogą przeprowadzać oba procesy. Umiejętność ta pozwala rozwijać się w otwartych wodach oceanów, gdzie nie brakuje światła słonecznego i azotu cząsteczkowego, a także w innych miejscach, gdzie związki azotu występują w bardzo małych ilościach.
Jednak nitrogenaza jest wrażliwa na tlen. Enzym ten wymaga warunków beztlenowych do efektywnego działania.
Sinice wytwarzające tlen znalazły rozwiązanie tego problemu. Pierwszą strategią działania, przyjętą przez nitkowatą (wielokomórkową) cyjanobakterię Anabaenę, polega na wykorzystaniu do różnych funkcji wyspecjalizowanych komórek.
Anabaena wytwarza trzy typy komórek: komórki wegetatywne, które dzielą się w sposób regularny, heterocysty (komórki krańcowo zróżnicowane) i akinety (spory sinic). Komórki wegetatywne są aktywne fotosyntetycznie, ale nie wytwarzają nitrogenazy. Heterocysty, komórki sinic otoczone grubą ścianą komórkową i posiadające uwsteczniony aparat fotosyntetyczny, są przeznaczone do wiązania azotu, natomiast nie przeprowadzają fotosyntezy. Związki azotu powstające dzięki nitrogenazie w heterocystach są rozprowadzane do przyległych komórek wegetatywnych, które się aktywnie dzielą. Gdy liczba komórek wegetatywnych wzrośnie na tyle, iż ilość dopływającego do nich azotu robi się zbyt mała, jedna z wegetatywnych komórek w tym regionie łańcucha przekształca się w heterocystę. Stosunek liczby heterocyst do komórek wegetatywnych jest stały i są one w sposób równomierny namieszczone w łańcuchu komórek.
Sinice jednokomórkowe, które występują w otwartych wodach oceanu, nie wytwarza heterocyst. Mają one inny sposób działania rozdzielania fotosyntezy od procesu wiązania azotu.
Przykłądem sinicy który daje przykład takiego działania jest Synechococcus. W ciągu dnia uzyskuje ATP i NADPH w procesie fotosyntezy. W ciemności system fotosyntetyzujący przestaje działać, natomiast aktywna staje się nitrogeneza. Przyczyną jest rytm dobowy** który rozdziela fotosyntezę i wiązanie azotu w czasie.
Przedstawiłam sinice z jak najlepszych stron, zaznaczyłam iż jako pierwsze wprowadziły tlen do atmosfery Ziemi, co umożliwiło rozwój organizmów tlenowych, to z nich powstały chloroplasty, co umożliwiło powstanie eukariotów fotosyntetyzujących. Ponadto przyczyniają się do żywienia istot żyjących na Ziemi. Jednak te "kochane" mikroorganizmy, także mają dwie strony medalu.
Wiele z nich w pewnych warunkach wytwarza substancje które są toksyczne dla ludzi i zwierząt. Przyczyną są toksyny sinic np. saksytoksyna. Jest to neurotoksyna uszkadzająca funkcje neurologiczne, która w odpowiednio dużych dawkach prowadzi do śmierci. Inne cyjanotoksyny uszkadzają wątrobę.
Jednak ich pozytywne znaczenie, przewyższa tą wspomnianą wyżej wadę. Sinice to mikroorganizmy które wzbogacają wodę i atmosferę w tlen, są pokarmem dla roślinożerców, powodują samooczyszczanie wody. Jako martwe organizmy, wzbogacają wodę w związki organiczne i mineralne. Zapewniają ciągłość krążenia pierwiastków. Wykorzystywane w przemyśle spożywczym, są nawozem naturalnym, paszą dla zwierząt i pokarmem dla ludzi. Odgrywają dużą rolę w przemyśle farmaceutycznym i kosmetycznym. W mikrobiologii są stosowane przez badaczy jako podłoże do hodowli bakterii.
*płytka Pertiego- prosty sprzęt laboratoryjny wykonany z polistyrenu.
**rytm dobowy- cykl biologiczny z 24- godzinnym okresem, występuje u niektórych jednokomórkowych sinic i u eukariotów, umożliwia sinicom czasowe rozdzielenie procesów wiązania azotu i fotosyntezy.
Bibliografia:
strony internetowe:
www.bionovo.pl
www.biolog.pl
"Podstawy mikrobiologii w ochronie środowiska" Barbara Kołwzan, Waldemar Adamiak, Kazimierz Grabas, Adam Pawełczyk.
"Mikrobiologia" A. A. Salyers, D. D. Whitt, Wydawnictwo naukowe PWN Warszawa 2005
monika7393