Диатомовые водоросли
-
Диатомовые водоросли: общая информация
- Диатомовые водоросли — это группа микроводорослей, обитающих 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 организмы, встречающиеся в виде одиночных клеток или колоний.
- Размеры клеток варьируются от 2 до 2000 микрометров.
- Диатомовые водоросли имеют клеточную стенку из кремнезема, называемую фрустулой.
- Они преобразуют световую энергию в химическую путем фотосинтеза.
-
Эволюция и симбиоз
- Диатомовые водоросли возникли около 150-200 миллионов лет назад.
- Некоторые виды диатомовых водорослей имеют цианобактериальный эндосимбионт.
- Динотомы — это диатомовые водоросли, ставшие эндосимбионтами внутри динофлагеллят.
-
Классификация и использование
- Диатомовые водоросли классифицируются как эукариоты и фитопланктон.
- Они используются для мониторинга окружающей среды и изучения 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 обладают сложной жизненной стратегией и генетической диверсификацией.
-
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.
- Диатомовые водоросли делятся на центрические и пеннатные группы.
-
Силицирование и размножение
- Клетки диатомовых водорослей заключены в кремнеземную клеточную стенку.
- После каждого цикла деления клетки уменьшаются в размерах, но затем образуют ауксоспоры, которые увеличиваются в размерах.
-
Механизм переноса кремнезема
- Точный механизм переноса кремнезема на клеточную стенку неизвестен.
- Наибольшего успеха добились Thalassiosira pseudonana и Cylindrotheca fusiformis.
- Силаффины, поликатионные пептиды, образуют кремнеземные структуры.
-
Генетические исследования
- Thalassiosira pseudonana кодирует цикл образования мочевины и три гена переноса кремнезема.
- Филогенетическое исследование выявило структурные различия между переносчиками кремнезема у пеннатных и центрических диатомовых водорослей.
- Последовательности сопоставлены для выявления остатков, выполняющих различные функции.
-
Структура и функции белков
- Силаффины и длинноцепочечные полиамины создают слои структурированного кремнезема.
- Остатки сохраняются внутри пузырьков отложения кремнезема (SDV).
- Гены Thalassiosira pseudonana рассматриваются как мишени для генетического контроля осаждения кремнезема.
-
История и исследования
- Диатомовые водоросли известны с 1703 года.
- Клеточные стенки состоят из кремнезема, идентифицированного в 1939 году.
- Исследования проводились с использованием различных подходов, включая микроскопию и молекулярную биологию.
-
Поведение и жизненный цикл
- Большинство диатомовых водорослей неподвижны, но некоторые способны к передвижению.
- Размножение происходит бесполым путем, с уменьшением размера клеток.
- Половое размножение включает мейоз и образование ауксоспор.
-
Подвижность сперматозоидов
- Диатомовые водоросли в основном неподвижны, но сперматозоиды могут быть жгутиконосцами.
- У центрических диатомовых водорослей мужские гаметы имеют один жгутик, 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, некоторые обитают в бентосе 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.
- Доминирование диатомовых водорослей связано с доступностью кремниевой кислоты.
- Биогенный диоксид кремния действует как буферный агент.
-
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 её после отмирания.
- Круговорот кремния в океане регулируется диатомовыми водорослями.
- Время «захвата власти» диатомовыми водорослями остается неясным.
-
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 и метаболизма аммония.
-
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.
-
Классификация диатомовых водорослей по Adl и соавт. (2019)
- Диатомовые водоросли рассматриваются как тип Diatomeae/Bacillariophyta.
- Введены новые подвиды и классы для ряда изолированных родов.
- Подклассы Chaetocerotophycidae, Lithodesmiophycidae, Thalassiosirophycidae, Cymatosirophycidae, Odontellophycidae, Chrysanthemodiscophycidae, Biddulphiophycidae, Urneidophycidae, Fragilariophycidae, Bacillariophycidae.
-
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 ископаемая летопись
- Происхождение гетероконтных хлоропластов от хлоропластов красных водорослей
- Самые ранние ископаемые диатомовые водоросли датируются ранним юрским периодом
- Происхождение диатомовых водорослей связано с массовым вымиранием в конце пермского периода
- Диатомовые водоросли оказали значительное влияние на палеонтологическую летопись
-
Отношение к пастбищам
- Расширение лугопастбищных биомов увеличило приток кремния в океаны
- Успех диатомовых водорослей не связан с эволюцией из трав
- Разнообразие диатомовых водорослей в кайнозое чувствительно к глобальной температуре
-
Связь с климатом
- Разнообразие диатомовых водорослей в кайнозое связано с температурным градиентом между экватором и полюсами
- Потепление океанов может привести к потере разнообразия диатомовых водорослей
-
Метод исследования
- Ископаемые остатки диатомовых водорослей обнаружены в морских и неморских отложениях
- Биостратиграфия диатомовых водорослей хорошо разработана в морских системах
- Диатомовые водоросли используются для палеоэкологических реконструкций климата четвертичного периода
-
Изотопные записи
- Диатомовые водоросли оставляют микрофоссилии, которые превращаются в опал
- Изотопные записи используются для изучения климата прошлого
- Пики продуктивности опала связаны с нарушением стратификации галоклина
-
Диверсификация
- Данные о меловом периоде ограничены, но наблюдается постепенная диверсификация видов
- Мелово-палеогеновое вымирание не оказало значительного влияния на эволюцию диатомовых водорослей
-
Оборот
- В кайнозое не наблюдалось массового вымирания морских диатомовых водорослей
- Периоды быстрого эволюционного изменения сообществ происходили вблизи границ палеоцена и эоцена, эоцена и олигоцена
- С олигоцена и до четвертичного периода наблюдалась тенденция к появлению более тонких фрустраций
-
Генетика
- В 2002 году описан генный репертуар Phaeodactylum tricornutum
- В 2004 году секвенирован геном Thalassiosira pseudonana
- В 2008 году секвенирован геном Phaeodactylum tricornutum
- Сравнение геномов показывает недавнюю эволюционную дивергенцию и быстрые темпы эволюции
-
Эндосимбиотический перенос генов
- Геномика диатомовых водорослей выявила масштабы и динамику процесса эндосимбиотического переноса генов
- Сравнение белков Thalassiosira pseudonana показало их гомологию с генами других организмов
-
Эволюция диатомовых водорослей
- Диатомовые водоросли произошли от зеленых водорослей через эндосимбиоз с красными водорослями.
- Хромальвеоляты являются продуктом вторичного эндосимбиоза с зеленой и красной водорослями.
-
Горизонтальный перенос генов
- Горизонтальный перенос генов может происходить независимо от эндосимбиоза.
- В геноме диатомовых водорослей обнаружены бактериальные гены.
-
Генная инженерия
- Диатомовые водоросли используются для генной инженерии с 90-х годов.
- Используются различные методы трансфекции и CRISPR-Cas для получения мутантов.
-
Использование человеком
- Диатомовые водоросли используются в палеонтологии и промышленности.
- Диатомит применяется в различных отраслях, включая керамику и нанотехнологии.
-
Нанотехнологии
- Диатомовые водоросли могут создавать микро- и наноструктуры для нанотехнологий.
- Диатомовые водоросли могут быть использованы в солнечных батареях и для производства биотоплива.
-
Судебный анализ
- Диатомовые водоросли используются для определения причины смерти.
- Лабораторные анализы могут выявить наличие диатомовых водорослей в трупе.
-
История открытия
- 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.