Диатомовые водоросли
-
Диатомовые водоросли: общая информация
- Диатомовые водоросли — это микроводоросли, обитающие в океанах, водных путях и почвах.
- Они составляют значительную часть биомассы Земли и вырабатывают до 50% кислорода.
- Раковины мертвых диатомовых водорослей могут залегать на глубине до полумили.
-
Морфология и физиология
- Диатомовые водоросли одноклеточные, встречаются в виде одиночных клеток или колоний.
- Размеры клеток варьируются от 2 до 2000 микрометров.
- Диатомовые водоросли имеют клеточную стенку из кремнезема, называемую фрустулой.
- Движение диатомовых водорослей происходит пассивно, но мужские гаметы имеют жгутики.
-
Фотосинтез и метаболизм
- Диатомовые водоросли преобразуют световую энергию в химическую путем фотосинтеза.
- Они обладают циклом образования мочевины, как и животные.
- Некоторые диатомовые водоросли имеют цианобактериальный эндосимбионт, который фиксирует азот.
-
Эволюция и классификация
- Диатомовые водоросли возникли около 150-200 миллионов лет назад.
- Они классифицируются как эукариоты и фитопланктон.
- Существуют различные системы классификации видов диатомовых водорослей.
-
Использование и значение
- Диатомовые водоросли используются для мониторинга окружающей среды и качества воды.
- Диатомовая земля используется в различных целях, включая фильтрацию воды и стабилизацию динамита.
-
Жизненная стратегия и генетическая диверсификация
- Диатомовые водоросли ежегодно цветут весной и осенью, что способствует повышению трофических уровней.
- Они имеют сложную жизненную стратегию и генетическую диверсификацию, насчитывающую около 200 000 видов.
-
Морфология и структура
- Диатомовые водоросли имеют различные формы ячеек, включая круглые, треугольные, квадратные и эллиптические.
- Их клеточные стенки состоят из кремнезема и могут быть сильно структурированы.
- Центральные диатомовые водоросли радиально симметричны, пеннатные — двусторонне симметричны.
-
Силицирование и размножение
- Клетки диатомовых водорослей заключены в кремнеземную клеточную стенку.
- Кремнезем синтезируется внутриклеточно и экструдируется на внешнюю поверхность клетки.
- Диатомовые водоросли делятся, образуя ауксоспоры, которые затем возвращаются к делению.
-
Секвенирование генов диатомовых водорослей
- Поиск механизма поглощения и отложения кремнезема
- Успехи Thalassiosira pseudonana и Cylindrotheca fusiformis
- Обнаружение силаффинов и их роль в осаждении кремнезема
-
Филогенетические исследования
- Связь переноса кремнезема с видами
- Структурные различия между пеннатными и центрическими диатомовыми водорослями
- Сохранение областей внутри вида
-
Структура и функции белков-переносчиков кремнезема
- Уникальность белков-переносчиков для диатомовых водорослей
- Дупликация или димеризация генов переноса кремнезема
- Роль силаффинов и длинноцепочечных полиаминов в осаждении кремнезема
-
История и исследования клеточных стенок
- Наблюдения за диатомовыми водорослями в 1703 году
- Идентификация кремнезема как основного компонента клеточной стенки
- Исследования процессов формирования клеточной стенки
-
Поведение и жизненный цикл диатомовых водорослей
- Неподвижность большинства видов
- Планктонные формы и их приспособления для удержания в воде
- Способность к передвижению и колониальному росту
-
Размножение и размер клеток
- Бесполое размножение путем бинарного деления
- Уменьшение размера клеток при вегетативном делении
- Половое размножение и образование ауксоспор
-
Половое размножение и мейоз
- Обязательная фаза в жизненном цикле диатомовых водорослей
- Образование гамет и слияние гамет с образованием зиготы
- Идентификация генов, участвующих в мейозе у диатомовых водорослей
-
Подвижность сперматозоидов
- Диатомовые водоросли в основном неподвижны
- Жгутиковые сперматозоиды у некоторых видов
- Центрические диатомовые водоросли: маленькие мужские гаметы с одним жгутиком, большие женские гаметы неподвижны
-
Разложение под воздействием микробов
- Бактерии ускоряют растворение кремнезема в диатомовых водорослях.
- Используют гидролитические ферменты для расщепления органического материала.
-
Экология диатомовых водорослей
- Широко распространены в океанах, пресной воде, почве и на влажных поверхностях.
- Доминируют в фитопланктоне в богатых питательными веществами водах.
- Ведут пелагический образ жизни, но некоторые обитают в поверхностных пленках или во влажных атмосферных условиях.
-
Рост и влияние
- Быстро растут при благоприятных условиях, доминируют в сообществах фитопланктона.
- Пресноводная диатомовая водоросль Didymosphenia geminata вызывает ухудшение состояния водоемов.
- При неблагоприятных условиях клетки диатомовых водорослей погружаются и выходят из верхнего смешанного слоя.
-
Цикл цветения и спада
- В открытом океане цветение диатомовых водорослей длится весной и в начале лета.
- Осеннее цветение вызвано нарушением летней стратификации и усвоением питательных веществ.
- Весеннее цветение прекращается из-за нехватки кремния.
-
Причина успеха
- Использование кремния для синтеза клеточных стенок.
- Кремний действует как буферный агент, способствуя превращению бикарбоната в растворенный CO2.
- Диатомовые водоросли имеют более высокие темпы роста, чем другие водоросли.
-
Источники для сбора данных
- Морские диатомовые водоросли можно собирать из воды и донных форм.
- Живые диатомовые водоросли часто встречаются на подводных растениях.
- Диатомовые водоросли можно вызвать в банке с водой и илом.
-
Биогеохимия
- Диатомовые водоросли извлекают кремниевую кислоту из поверхностных вод и возвращают ее после отмирания.
- Круговорот кремния в океане регулируется диатомовыми водорослями.
- Диатомовые водоросли доминировали в кремниевом цикле за последние 100 млн лет.
-
Круговорот углерода
- Диатомовые водоросли участвуют в биологическом перекачивании углерода.
- Диатомовый диоксид углерода влияет на круговорот углерода в океане.
-
Антропогенный выброс CO2 и его поглощение океаном
- Антропогенный выброс CO2 составляет почти 11 гигатонн в год.
- Поверхностный слой океана поглощает почти 2,5 гигатонн CO2.
- В морской воде бикарбонат и карбонат составляют почти 90% и <10% растворенного углерода соответственно.
-
Роль диатомовых водорослей в углеродном цикле
- Диатомовые водоросли выделяют 10-20 гигатонн CO2 в год.
- 0,1-1% органического материала оседает в виде частиц, перенося углерод в глубины океана.
- Оставшееся органическое вещество реминерализуется при дыхании.
-
Цикл образования мочевины у диатомовых водорослей
- Диатомовые водоросли имеют цикл образования мочевины, эволюционно связанный с животными.
- Цикл мочевины важен для обмена питательными веществами между митохондриями и цитоплазмой.
- Диатомовые водоросли могут переключаться на анаэробное дыхание в отсутствие кислорода и света.
-
Таксономия диатомовых водорослей
- Диатомовые водоросли классифицируются как класс или тип.
- Существует около 20 000 видов диатомовых водорослей.
- Классификация диатомовых водорослей пересматривается из-за новых молекулярных разработок.
-
Современные классификации диатомовых водорослей
- В 2019 году Adl и соавт. представили новую классификацию диатомовых водорослей.
- Диатомовые водоросли рассматриваются как тип, вводится класс Mediophyceae.
- Введены новые подвиды и классы для ряда изолированных родов.
-
Изображения под сканирующим электронным микроскопом
- Спиральная диатомовая водоросль Сурирелла
- Диатомовые водоросли Thalassiosira sp. на мембранном фильтре с размером пор 0,4 мкм
- Диатомовая водоросль Paralia sulcata
- Диатомовые водоросли Achanthes trinodis
- Отдельная клетка Bacillaria paxillifer
- Колониальная группа Bacillaria paxillifer
-
Эволюция и летопись окаменелостей
- Происхождение гетероконтных хлоропластов от хлоропластов красных водорослей
- Самые ранние известные ископаемые диатомовые водоросли датируются ранним юрским периодом
- Происхождение диатомовых водорослей связано с массовым вымиранием в конце пермского периода
- Диатомовые водоросли оказали значительное влияние на летопись окаменелостей с момента появления силицирования
-
Отношение к пастбищам
- Расширение лугопастбищных биомов увеличило приток растворимого кремния в океаны
- Успех диатомовых водорослей не связан с эволюцией из трав
- Разнообразие диатомовых водорослей в кайнозое было чувствительно к глобальной температуре
-
Связь с климатом
- Разнообразие диатомовых водорослей в кайнозое зависело от глобальной температуры
- Потепление океанов может привести к потере разнообразия диатомовых водорослей
-
Метод исследования
- Ископаемые остатки диатомовых водорослей обнаружены благодаря кремнистым усечениям
- Биостратиграфия диатомовых водорослей хорошо разработана в морских системах
- Диатомовые водоросли используются для палеоэкологических реконструкций климата четвертичного периода
-
Изотопные записи
- Диатомовые водоросли отмирают, их раковины превращаются в микрофоссилии
- Изотопные записи используются для изучения климата прошлого
- Суонн и Снеллинг использовали изотопные записи для документирования изменений в условиях фотической зоны Тихого океана
-
Диверсификация и эволюция
- Данные о меловом периоде ограничены, но наблюдается постепенная диверсификация видов
- Мелово-палеогеновое вымирание не оказало значительного влияния на эволюцию диатомовых водорослей
- В кайнозое не наблюдалось массового вымирания, но были периоды быстрого эволюционного изменения сообществ
-
Генетика
- В 2002 году получены первые сведения о генном репертуаре Phaeodactylum tricornutum
- В 2004 году секвенирован геном Thalassiosira pseudonana, в 2008 году — Phaeodactylum tricornutum
- Сравнение геномов показывает недавнюю эволюционную дивергенцию и быстрые темпы эволюции
- Эндосимбиотический перенос генов важен для понимания эволюции диатомовых водорослей
-
Эволюция диатомовых водорослей
- Диатомовые водоросли имеют последовательный переход от пластид красных водорослей к ядру красных водорослей и гетероконта-хозяина.
- Хромальвеоляты являются продуктом вторичного эндосимбиоза с зеленой и красной водорослями.
- Горизонтальный перенос генов также возможен независимо от эндосимбиотического события.
-
Генетическая инженерия диатомовых водорослей
- Используются модельные организмы Phaeodactylum tricornutum и Thalassiosira spp.
- Применяются различные методы молекулярной биологии для получения мутантов и трансгенных линий.
- Ген устойчивости к флеомицину/зеоцину используется как маркер селекции.
-
Использование диатомовых водорослей
- Диатомовая земля используется в палеонтологии для анализа морской среды.
- Диатомовые водоросли и их оболочки применяются в промышленности для тонкой полировки и фильтрации.
- Диатомит используется в нанотехнологиях и для производства различных материалов.
-
Нанотехнологии и диатомовые водоросли
- Диатомовые водоросли могут создавать микро- и наноразмерные структуры для различных устройств.
- Диатомовые водоросли могут быть использованы в солнечных элементах и для производства биотоплива.
-
Судебная медицина и диатомовые водоросли
- Анализ диатомовых водорослей используется для различения смерти от утопления.
- Диатомовые водоросли могут быть обнаружены даже в сильно разложившихся телах.
-
История открытия диатомовых водорослей
- Первые иллюстрации диатомовых водорослей появились в 1703 году.
- Первая официально идентифицированная диатомея была описана в 1783 году.
- Чарльз Дарвин пытался понять функциональную основу красоты диатомовых водорослей.