Рис. 1.
Наш главный герой — жгутиконосец
Rodelphis
.
а–в
— живые клетки
R. limneticus
под световым микроскопом. Хорошо видны два жгутика, ядро (
n
) и сократительная вакуоль (
cv
).
г
— покоящаяся стадия (циста).
д
— срез клетки родельфиса под трансмиссионным электронным микроскопом. Тут можно видеть крупную пищеварительную вакуоль (
fv
), передний жгутик (
af
), основание заднего жгутика (
pf
) и скопление запасного вещества (
rs
).
e
— схема клетки родельфиса, на которую наложены некоторые физиологические функции. Передний жгутик (
flagella
) плавательный (
swimming
), задний — рулевой, на нем сидят волоски-мастигонемы (
mastigonemes
). В основаниях обоих жгутиков находятся центриоли (
basal bodies
). Это как раз те органеллы, которые у красных водорослей полностью исчезли. Ядро (
nucleus
) содержит генетический материал, богатый отсутствующими у красных водорослей генами и интронами (
gene-rich
,
intron-rich
). В митохондрии (
mitochondrion
) находится собственная ДНК (
mtDNA
) и трубчатые кристы (
tubular cristae
). Хлоропласт (
plastid
) не фотосинтезирует (
non-photosyntetic
), хотя кое-какие биохимические реакции в нем все же идут. В клетке есть приспособления для фагоцитоза (
phagocytosis
), позволяющие питаться другими эукариотами (
eukaryotic prey
); остальные указанные на рисунке детали в тексте обзора не обсуждаются.
ж
— положение двух видов родельфисов на эволюционном древе. Следует заметить, что группа глаукофитов, которая сейчас обычно считается самой древней ветвью архепластид, на данном древе оказалась ближе к зеленым растениям. Кроме того, интересно, что самым примитивным из всех эукариот вообще тут выглядит жгутиконосец
Malawimonas
(см. Выделена новая супергруппа эукариот, «Элементы», 18.04.2018). Иллюстрации из обсуждаемой статьи в
Nature
Не дело философа определять, как далеко простирается царство растений и где начинается класс животных или где начинается жизнь. Это проблемы, относящиеся к отдельным наукам. Скорее всего, до самого конца мира мы так и не узнаем, где в точности проходят эти границы.
Стефан Свежавски, «Святой Фома, прочитанный заново»
Описан новый род одноклеточных организмов, которые являются ближайшими родственниками красных водорослей, но совершенно не похожи на них по образу жизни: это хищные жгутиконосцы, успевшие вторично утратить способность к фотосинтезу. По всей вероятности, это означает, что общие предки красных водорослей и зеленых растений были одноклеточными хищниками, которые даже после приобретения хлоропластов долго сохраняли смешанный тип питания (хищничество + фотосинтез). Жгутиконосец Rhodelphis
— это дожившее до наших дней одноклеточное хищное растение.
30 мая 2020 года безвременно, в возрасте всего лишь 66 лет, умер известный российский биолог Александр Петрович Мыльников. Доктор наук, сотрудник Института биологии внутренних вод имени И. Д. Папанина (ИБВВ РАН), он был одним из крупнейших современных протистологов. Мыльников прославился как мастер электронной микроскопии и сделал много открытий, серьезно прояснивших наши представления об эволюции одноклеточных организмов. Установленные им факты уже давно вошли в университетские курсы. Мыльников был очень активным исследователем, признанным во всем мире (см. его страницу на Researchgate
). Последняя работа с его участием вышла в журнале
Nature
уже посмертно. В числе ее авторов есть и другие известные протистологи, например сотрудник ИБВВ Денис Викторович Тихоненков и канадский профессор Патрик Килинг (Patrick Jonhn Keeling). Эта работа посвящена описанию удивительного одноклеточного организма, устройство которого позволяет нам узнать кое-что новое об истоках эволюции растений (рис. 1).
Краткие сведения
Известно более 45000 видов водорослей, которые могут значительно отличаться друг от друга по цвету, форме, размерам и среде обитания. Они обеспечивают жизнь водной среды, так как являются основой рациона многих видов морских животных.
Первые знания о морских растениях нам даёт наука биология. Водоросли, их строение, возможно рассмотреть в микроскоп, чем и занимаются дети на практических занятиях в школе.
В зависимости от среды их обитания водоросли разделяют на глубинные, которые крепятся к морскому дну, и планктонные, плавающие в толще воды. На дне океанов водоросли могут образовывать настоящие подводные леса.
Интересным является вопрос, как размножаются водоросли. Для них может быть характерно как вегетативное, бесполое размножение, так и половое. Некоторые могут размножаться делением клеток, другие — отростками части стебля или спорами.
Практическая польза водорослей для человека
Невозможно переоценить роль водных растений для людей. В морских водорослях очень много йода, минералов и витаминов. Содержание намного выше, чем в остальных морских продуктах. Поэтому многие водоросли используют в пищевой промышленности как полезную витаминную добавку.
Водоросли широко применяются в косметологии. Кремы и эмульсии на их основе обладают омолаживающим, тонизирующим, подтягивающим эффектом для кожи. Во многих косметологических салонах популярной процедурой является обертывание всего тела с использованием натуральных диатомовых водорослей. При этом их собирают со дна моря, замораживают, измельчают и высушивают. Полученный порошок можно использовать для проведения подобных процедур.
Водоросли используются человеком в химической промышленности. Из них умеют производить уксусную кислоту, калийные соли, целлюлозу, спирт. Также ведутся работы по получению из морской биомассы топлива.
Человек научился использовать водоросли для биологической очистки сточных вод, как альтернативу химическим очистным средствам.
Комнатные растения растущие в воде
Если вы хотите создать у себя в квартире зеленый уголок, имеющий роскошный и немного загадочный вид, вам понадобятся комнатные растения растущие в воде, не боящиеся излишнего увлажнения, а предпочитающие его. Подбирая такие виды, обратите внимание на происхождение растения, если его естественным местом обитания являются заболоченные участки — такой цветок подойдет.
Польза влаголюбивых цветов для человека
Для наших органов дыхания вредна излишняя сухость воздуха. Каждый это чувствует по себе. Нормальным уровнем влажности воздуха в комнате будут значения от 40 до 70%. Зимой сухость становится критической. Стараясь исправить ситуацию, мы покупаем дорогостоящие увлажнители воздуха, которые совсем не украшают наш интерьер. Но есть замечательные способ добиться комфортной влажности естественным и красивым способом — выращиванием околоводных или водных растений.
Домашние растения, растущие в воде, отличаются романтично-фантастическим внешним видом и пышной зеленью. Такой участок с пышной зеленью, да еще в сочетании с удачно подобранными фотообоями создадут в квартире настоящее тропическое царство.Любые комнатные цветы очищают атмосферу квартиры и обогащают ее кислородом. Правда, кактусы и другие суккуленты делают это в меньшей степени. А вот тропические болотные растения, обладают мощной активностью фотосинтеза. Все физиологические процессы происходят в них энергично, поэтому они могут снабдить нас кислородом и влагой по максимуму.
В последнее время становится популярным украшение ванной комнаты живыми растениями. Влаголюбивые растения идеально подходят для такой цели. Здесь они будут расти прекрасно. А вы, принимая душ или ванну, будете чувствовать себя будто находящимися на океанском побережье тропиков.
Интересные факты о водорослях
Недаром водоросли – это самые первые растения на планете. Человечество не устаёт разгадывать их загадки. Учёные, изучая морские просторы, узнают всё новые интересные факты о водорослях:
- Водоросли по составу микро- и макроэлементов сходны по с человеческой кровью.
- Они не имеют корней. Все необходимые для роста вещества всасываются через листья из воды. Присоединяются они ко дну или кораллам ризоидами.
- Наука, изучающая водоросли, называется альгология.
- Водоросли намеренно размножают в отсеках космических кораблей для создания биологически активной среды.
- Даже если морская вода кажется на первый взгляд чистой и прозрачной, в ней тоже обитают микроскопические водные растения.
- Небольшая деревушка в Окинаве славится огромным количеством долгожителей. Причиной этому они сами называют большое содержание бурых водорослей в рационе.
- В Древнем Китае морские водоросли использовали для профилактики и лечения онкологических заболеваний.
- Водные растения в симбиозе с грибами образовывают новый организм – лишайник.
- Некоторые морские растения имеют люминесцентные свойства и могут светиться в темноте. Свечение моря — очень живописное явление.
- Самая крупная водоросль – ламинария. Её длина может достигать шестидесяти метров.
- В некоторых высокогорных районах известен феномен под названием «арбузный снег». Водоросли предают снегу розовый оттенок, запах и вкус арбуза.
- Есть виды морских растений, которые опасны для животных, они вырабатывают специальное вещество, спасающее их от поедания рыбами.
Причины появления
Сразу стоит отметить, что водоросли нельзя занести в аквариум, как какие-либо бактерии, живущие на рыбах, растениях, декоре и т.д. Они самостоятельно формируются уже непосредственно в самой емкости. Все, что им нужно для появления – это оптимальные условия содержания. Собственно, водоросли начинают активно размножаться по ряду причин:
- Загрязненная вода. В принципе биологический баланс – это залог чистоты домашнего подводного мира. Крайне важно, чтобы продукты жизнедеятельности рыб содержались в нужном объеме. Если живых растений мало (они не успевают усвоить такое количество нитратов и фосфатов) или фильтрационное оборудование недостаточно мощное, то тогда остается «пища» для водорослей. Они будут активно питаться ими и разрастаться на стенках, самих растениях и декоре;
- Слишком длинный световой день. Конечно, для любой флоры необходимо хорошее освещение, поскольку именно оно провоцирует фотосинтез и различные обменные процессы. Однако не только растения любят свет, но и водоросли. Поэтому, если освещение стоит мощное (к примеру, на светодиодах), и оно включается часов на 12 и больше, то это наверняка спровоцирует активный рост вьетнамки, черной бороды, нитчатки и т.д.;
- Сильное течение. Еще одной подходящей средой для размножения водорослей является сильное и постоянное течение. Его единственный источник – это фильтр, особенно, если это стандартная модель внутреннего типа. Они при работе создают мощный поток по всей емкости, из-за чего в некоторых местах могут появиться водоросли, активно поглощающие питательные элементы, проходящие через них с этим течением.
Ксенококус
Роль водорослей в биосистеме нашей планеты
Водоросли – это основные производители органических веществ на планете. Их доля в этом процессе составляет около 80%. Вот некоторые интересные факты о водорослях, подтверждающие их значение для человека и планеты в целом:
- Водоросли – это источник пищи для многих животных.
- Они также являются основой для образования некоторых горных пород: известняки, горючие сланцы.
- Водоросли принимают участие в образовании лечебных грязей.
- Они являются мощным преобразователем углекислого газа в кислород.
Разновидности
Для детей, изучающих биологию, особый интерес представляют эти древнейшие и важнейшие для Земли существа. В природе есть 40 тысяч видов этого растения, но в целом функции едины: вырабатывать кислород, поглощать углекислый газ и давать питательные вещества рыбам и животным.
Зеленые водоросли
Зеленые, красные, бурые. Эти три разновидности водорослей интересны ученым, поскольку представители этих классов относятся к съедобным, а значит – важны непосредственно для человека.
Красные водоросли
О зеленых водорослях стоит выделить факт большой выносливости: эти растения живут практически в любых условиях, появились миллионы лет назад и до сих пор почти не изменились, а это значит, что они устойчивы к вредным факторам экологии.
Бурые водоросли
Красные водоросли – частый компонент в косметических и фармакологических препаратах.
О бурых водорослях отмечают целебные свойства. Например, саргассум обладает целым спектром воздействия: противовирусным, жаропонижающим, противораковым и другими.
Почему водоросли могут спасти Землю?
Мало кто знает интересные факты о водорослях. А между тем, эта тема очень занимательна. Например, есть информация о том, что эти создания могут спасти мир. Учёными разработана новая технология, которая помогает уменьшить выбросы углекислого газа в атмосферу. При этом в качестве фильтров будут применяться ёмкости с водой, содержащей микроводоросли.
Как видите, морские растения, с виду неброские и примитивные – это кладезь полезных веществ, которые человек научился использовать для своего блага. Также это необходимая ячейка в биосистеме планеты, без которой большинство биологических процессов, где задействованы водоросли или продукты их жизнедеятельности, потерпели бы значительные изменения.
Родельфис и эволюция
О том, как появились самые первые хлоропласты, существуют разные мнения. Например, знаменитый биоинформатик Евгений Викторович Кунин с коллегами в свое время отважились допустить, что в эволюционной линии растений вообще никогда не существовало фагоцитоза, то есть свойственного хищным эукариотам механизма активного поглощения пищевых объектов (N. Yutin et al., 2009. The origins of phagocytosis and eukaryogenesis (PDF, 1 Мб)). Тогда способ приобретения первичных хлоропластов архепластид должен быть принципиально иным, чем способ приобретения всех вторичных хлоропластов (и первичных хлоропластов паулинеллы тоже), поскольку уж в этих-то случаях фагоцитоз определенно был задействован. Действительно, предполагать тут можно всякое: ранние этапы эволюции растений, прямо скажем, очень темны.
Новое исследование российских, канадских и немецких протистологов бросает луч света на эти таинственные события. Героем статьи стал хищный жгутиконосец Rhodelphis
, один вид которого открыли в небольшом пресном озере в бассейне реки Десна, а другой — в морском песке у берега Южно-Китайского моря. По внешнему облику родельфисы — довольно заурядные бесцветные жгутиконосцы с двумя жгутиками. Однако анализ транскриптомов показал, что на эволюционном древе эукариот родельфисы занимают довольно неожиданное положение, а именно — являются сестринской группой по отношению ко всем красным водорослям. Это означает, что они входят в супергруппу Archaeplastida, и не просто входят, а располагаются на древе этой группы довольно близко к ее общему предку, хотя и не у самого корня.
Между тем родельфис вовсе не похож ни на какое растение. Он — настоящий хищник. С помощью ложноножек, образующихся в задней части клетки, он запросто поглощает не только бактерий, но и других эукариот. Надо сказать, что для примитивных эукариот такое хищничество в целом довольно обычно — ни по общему облику, ни по образу жизни, ни по способу питания родельфис среди них особо не выделяется (см., например: Выделена новая супергруппа эукариот, «Элементы», 18.04.2018). Нет оснований сомневаться, что хищничество родельфиса — примитивная черта. А это, в свою очередь, означает, что предки растений все-таки были хищниками, владевшими фагоцитозом. И более того, даже внутри эволюционного ствола Archaeplastida хищничество продержалось еще довольно долго.
Интересной особенностью родельфисов, которую отметили исследователи, оказались трубчатые кристы митохондрий. Что это значит? Митохондрии образовались из альфа-протеобактерий, которые, как и цианобактерии, являются грамотрицательными. Поэтому митохондрия, точно так же как и первичный хлоропласт, имеет две мембраны — наружную и внутреннюю. Кристами называются складки внутренней мембраны, предназначенные для увеличения ее поверхности (этого требует физиологическая функция митохондрии). Самые распространенные варианты формы крист — пластинчатые и трубчатые, причем еще в 1970-х было замечено, что в крупных эволюционных ветвях этот признак очень стабилен. Предлагалось даже разделить большинство эукариот на группы Lamellicristata (с пластинчатыми кристами) и Tubulicristata (с трубчатыми кристами; см. Я. И. Старобогатов, 1986. К вопросу о числе царств эукариотных организмов (DjVu, 1 Мб)). И хотя эта идея столкновения с фактами не выдержала, форма крист митохондрий осталась признаком, важным для крупномасштабной системы. Интересно то, что — как опять же давно известно — у представителей супергруппы Archaeplastida, то есть у растений, кристы, как правило, пластинчатые. Трубчатые кристы родельфиса — редкий для этой супергруппы признак, который может оказаться очень древним.
Ну а как же с хлоропластами? Они есть у глаукофитовых водорослей, которые, по общепринятой версии, являются древнейшей эволюционной ветвью растений (более древней, чем ветвь красных водорослей и родельфиса). У красных водорослей они тоже есть. Все это означает, что хлоропласты наверняка уже были у ближайшего общего предка всех современных архепластид. Но тогда родельфис тоже должен был бы их получить в наследство. Ну, и где они у него?
Электронная микроскопия не обнаружила у родельфиса хлоропластов (во всяком случае, пока). Но вот молекулярная биология, как оказалось, может к этому кое-что добавить. Хорошо известно, что белки, необходимые для работы хлоропластов, но кодируемые ядерными генами, всегда синтезируются за пределами хлоропласта и только потом транспортируются в него. При этом они обязательно распознаются специальными белковыми комплексами, которые встроены во внешнюю и внутреннюю мембраны хлоропласта (см. TIC/TOC complex). Так вот у родельфиса удалось обнаружить не менее четырех белков, входящих в эти комплексы. Нашлись у него и некоторые другие белки, связанные с хлоропластами — в их числе ферредоксин, обычно участвующий в фотосинтезе. В то же время большинство других белков фотосинтеза у родельфиса не найдено, и клетки его, как уже говорилось бесцветные, а не окрашенные, как у фотосинтезирующих растений. Вывод: у родельфиса, вероятно, всё-таки есть первичный хлоропласт, но только маленький, рудиментарный и бесцветный. От фотосинтеза эта эволюционная линия успела отказаться.
Подводя итог, родельфис вполне можно описать как одноклеточное хищное растение
. Причем, что самое главное, его хищность — первичная, унаследованная прямо от общего предка всех современных эукариот, а не вторичная, как у растущей в наших болотах росянки или у триффидов из великого романа Уиндема.
Что касается общих предков родельфисов и красных водорослей, то они скорее всего были миксотрофами, то есть организмами со смешанным типом питания. Они совмещали фотосинтез и хищничество. Затем красные водоросли (как и зеленые растения) отказались от хищничества, а родельфис — от фотосинтеза. Ну а общий предок всех архепластид, вероятно, был обыкновенным хищным жгутиконосцем.
Таким образом, последовательность древнейшей эволюции хлоропластов теперь проясняется. Очевидно, все началось с хищного жгутиконосца, который просто захватывал цианобактерий как пищевые объекты. Потом цианобактерии были «приручены» и наступил этап миксотрофного питания, который, судя по положению родельфисов на эволюционном древе, был достаточно долгим: следуя этой логике, приходится сделать вывод, что даже общий предок красных и зеленых водорослей еще мог быть только миксотрофом. И наконец, в нескольких эволюционных ветвях миксотрофия исчезла. Так возникли растения в наиболее классическом смысле слова — организмы, относящиеся к эволюционной ветви Archaeplastida (= Plantae) и питающиеся только фотосинтезом.
