Бурые водоросли

Содержание

• 1 Место в системе живого мира 1.1 Филогенез

Место в системе живого мира

По системе живого мира, которая была предложена S. Adl и коллегами в 2005 году[1], бурые водоросли относятся к царству Chromalveolata Adl et al. отдела Heterokontophyta Hoek класса Phaeophyceae Kjellman.

По системе Adl и коллег, царство Chromalveolata отображает отдельную ветвь развития эукариотических организмов, отделившуюся на древе жизни вследствие исключительного эндосимбиотического события между предковой фотосинтезирующей красной водорослью и фаготрофным эукариотом. С последующей эволюцией некоторые линии живых организмов в царстве Chromalveolata потеряли пластиды, тогда как другие — вторично получили.

Группа Страменопилов объединяет как организмы, способные к фотосинтезу (например диатомей), так и тех, которые потеряли пластиды и питаются гетеротрофно (в частности, это разные группы грибовидных организмов). Всех их объединяет наличие в монадных клетках двух морфологически различных жгутиков. Жгутик, направленный вперёд, — перистый, покрытый двумя рядами специфических трёхчленных волосков — ретронем (мастигонем). Направленный назад жгутик имеет гладкую поверхность. Также общим признаком для всех страменопилов является наличие трубчатых гребней в митохондриях. Кроме класса Phaeophyceae, к группе водорослей-гетероконтов относятся следующие классы водорослей: Chrysophyceae (золотистые), Eustigmatophyceae (эвстигматофициевые), Dictyochophyceae (силикофлагеллаты), Bacillariophyceae (диатомеи), Raphidophyceae (хлоромонады), Xanthophyceae (жёлто-зелёные) и некоторые другие.

Филогенез

Несмотря на то что с начала XX века существовало понимание бурых водорослей как целостной, монофилетической группы по однородному пигментному составу, одинаковым продуктам ассимиляции и схожему строению подвижных стадий, вопрос их филогенеза оставался нерешённым. Сравнивая жгутиковый аппарат и пигментный состав бурых водорослей с золотистыми, Шерффель, а также много других альгологов, высказывались за филогенетическое родство этих двух таксонов[2].

Но уже в конце XX века, благодаря молекулярно-биологическим методам анализа ДНК было установлено, что бурые водоросли в наибольше степени родственны с группой жёлто-зелёных водорослей (класс Xanthophyceae)[3]. В 1998 году Bailey с коллегами, также основываясь на молекулярных исследованиях ДНК, описал новый небольшой класс водорослей-страменопилов — Phaeothamniophyceae — представители которого, вероятно, и являются прямыми предками бурых водорослей[4].

Бурые водоросли являются сравнительно молодой группой организмов. По разным данным, время их возникновения — от 150[5] до 200[6] миллионов лет назад. С точки зрения эволюции, бурые водоросли являются уникальной группой живых организмов, поскольку они принадлежат к тому небольшому количеству линий развития эукариотов, которым, независимо от других, удалось развить настоящий многоклеточный план строения тела.

Чем полезны разные виды водорослей

Во многом польза разных видов водорослей сходна, но все же каждая разновидность уникальна, а в некоторых случаях не имеет себе равных среди «сестер».

Ламинария

Морская капуста – одна из наиболее распространенных и доступных разновидностей бурых морских водорослей, «населяющих» воды Тихого и Северно-Ледовитого океанов. Ламинарии, как правило, живут на глубине 4-10 метров. Длина некоторых составляет почти 20 м.

Этот продукт полезен в качестве источника йода, который, как известно, чрезвычайно полезен для эндокринной системы. По этой причине ламинария считается одним из полезнейших продуктов для людей с дисфункцией щитовидной железы, а также для профилактики эндемического зоба. Кроме того, морская капуста стимулирует метаболизм, предотвращает отложение солей и развитие склероза, помогает при ожирении и после радиооблучения. А еще ламинария является превосходным источником витамина С, которого в морских «растениях» содержится почти столько, сколько и в цитрусовых. Богатая витамином К ламинария полезна для предотвращения повышенной свертываемости крови и чрезмерного образования тромбоцитов. Помимо этого, ламинарии полезны для снижения холестерина, чем заслужили славу полезного продукта для сердечников. А еще, пока что только в лабораторных условиях, доказана эффективность морской капусты в замедлении распространения саркомы.

Фукус

• железа – как в 1 кг шпината;
• йода – как в 11 кг трески;
• витамина D – как в 10 кг абрикосов;
• витамина А – как в 100 г моркови.

Эта разновидность морской «травы» известна своей способностью выводить токсины, стимулировать кровообращение, улучшать метаболизм минералов. Также фукус можно употреблять в качестве натурального мочегонного средства. Когда исследователи говорят, что морские водоросли по своему химическому составу напоминают человеческую кровь, то в первую очередь имеют в виду фукус пузырчатый. В составе этого продукта ученые нашли уникальное вещество, которое назвали фукоидин. Как оказалось в ходе исследований, это вещество обладает иммуномодулирующими, противоопухолевыми и антивирусными свойствами. Но самое удивительное в том, что фукоидин помогает человеческому организму противостоять ВИЧ-инфекции. Помимо этого, фукус полезен для лечения некоторых болезней опорно-двигательного аппарата и для минерализации костной ткани.

Спирулина

Особенность этой разновидности зеленых водорослей – богатое содержание белков. В 100 г сухого продукта содержится почти 70 г легкоусвояемого белка, который своей биологической ценностью почти в 3 раза превышает соевые протеины. Кроме того, в спирулине есть 18 аминокислот, в том числе 8 незаменимых для человека.

Спирулина – одна из самых популярных водорослей в мире. Но к большинству потребителей она попадает в форме БАДов или полуфабрикатов. Все дело в том, что естественная среда распространения этих «растений» ограничивается озерами Африки и Мексики со щелочной водой. Кстати, еще древние ацтеки регулярно питались этой зеленью. Учитывая невероятно высокий спрос на спирулину, человечество научилось выращивать ее в искусственных условиях, и сегодня успешно делают это в Мексике и Франции.

Ульва

Другое название этих зеленых водорослей – морской салат. Первыми употреблять ульву в пищу начали жители Японии, Китая, Скандинавии, Ирландии и Франции. Этот продукт является исключительным источником железа, белка и клетчатки.

Порфира (нори)

Литотамния

Чрезвычайно богатый минерально-витаминный состав – это первое, что приходит в голову, когда речь идет о красной коралловой водоросли литотамнии. Исследователи насчитали в составе этого продукта больше 30 минералов, в том числе невероятно высокие порции магния и железа. Благодаря этому, литотамния считается одним из самых полезных продуктов для профилактики и лечения анемии.

Анфельция

Эта красная обитательница Черного моря, а также внешних морей Дальнего Востока и Севера напоминает небольшие шаровидные кустики. Обычно растет недалеко от берегов на глубине не превышающей 5 м. Именно анфельция является основой для производства натурального загустителя, известного как агар-агар. Это вещество используют в мармеладе, пастиле и некоторых других продуктах.

В медицине анфельция известна, как натуральное лекарство против рака молочной железы. Но злоупотребление продуктом может вызвать сильную диарею.

Филлофора ребристая

Это красная водоросль из Черного моря, распространенная в местах впадения рек в море. В течение многих лет служила источником йода. Активно используется в индустрии красоты как средство, эффективно замедляющее старение.

Классификация

По современной системе, основываясь на молекулярных, морфологических, онтогенетических критериях, а также на основе различий в ультраструктурном строении клеток, в классе Phaeophyceae выделяют 18 отрядов[7]:

Типы морфологических структур тела и строение талломов

В пределах класса представлены нитчатый, разнонитчатый и настоящий тканевый типы структур тела водорослей. Все бурые водоросли, за исключением некоторых видов рода Sargassum, ведут прикреплённый образ жизни. Органами прикрепления служат ризоиды или специализированные базальные диски.

У представителей с нитчатой структурой тела талломы созданы системой однорядных разветвлённых нитей. Разнонитчатые водоросли имеют вид довольно толстых шнуров. Такие шнуры имеют одно- или многоосевое строение. Среди бурых водорослей есть представители с эфемерными, однолетними и многолетними талломами. Значительное влияние на продолжительность существования таллома имеют экологические факторы.

Desmarestia ligulata
— бурая водоросль с трихоталлическим типом роста талломов.

Разнообразная форма талломов характерна для представителей с тканевым типом строения тела. Форма талломов таких водорослей может быть в виде кожуры, шарообразной, мешкоподобной, пластинчатой, в виде куста с ребристыми листообразными пластинками. Талломы некоторых представителей могут иметь специальные воздушные пузырьки — пневматофоры, которые удерживают «ветви» в вертикальном положении. В простейших случаях таллом сформирован двумя тканями: корой, которая образована мелкими клетками с окрашенными хлоропластами, и сердцевиной, которая состоит из больших бесцветных клеток, которые выполняют проводящую и запасающую функции.

У более высокоорганизованных представителей таллом образован четырьмя типами тканей: корой, меристодермой, промежуточной тканью и сердечником. Меристодерма — это поверхностная ткань, которая выполняет защитную и репродуктивную функции. Её клетки обычно мелкие и способны к активному делению. В клетках промежуточной ткани накапливаются продукты ассимиляции.

Типы роста

Для талломов бурых водорослей характерно 6 типов роста:

1. Диффузный — большинство клеток растительного организма способны к делению (напр., Ectocarpus, Petalonia).
2. Верхушечный — к делению клетки способны только на верхушках талломов (напр., Sphacelaria, Dictyota).
3. Трихоталлический — клетки делятся, формируя волоски над и под поверхностью талломов (напр., Cutleria, Desmarestia).
4. Промеристематический — апикальная клетка не способна к делению, но контролирует разделение меристематических клеток, расположенных под ней (напр., Fucus).
5. Интеркалярный — в талломе имеется меристематическая зона, клетки которой, делясь, нарастают вверх и вниз от неё (напр., Laminaria).
6. Меристодерматический — рост обеспечивается специализированной поверхностной тканью, клетки которой делятся параллельно и перпендикулярно поверхности таллома (напр., Sargassum).

Польза для похудения

В некоторых видах водорослей исследователи нашли фермент, содержащийся также в ананасах – тот самый, который вызывает расщепление жиров. С другой стороны, морские «растения» полезны и тем, что употребляя их с большим количеством воды, можно надолго избавиться от чувства голода. Это происходит потому, что водоросли, впитывая в себя жидкость, разбухают и в желудке создают ощущение наполненности. И все это на фоне небольшой калорийности, но богатого минерально-витаминного состава.

Цитологические и биохимические особенности строения клеток

Клеточные покровы бурых водорослей образованы оболочками, которые состоят из внутреннего каркасного слоя, образованного микрофибрилами целлюлозы, и внешнего аморфного, который содержит в основном соли альгиновой кислоты, пектиновые вещества и белки. Соли альгиновой кислоты — альгинаты — в водных растворах способны к образованию гелей.

Ещё одним компонентом клеточных оболочек бурых водорослей являются фукоиданы. По своей химической природе они являются сульфатированными полисахаридами сложного строения. Основной мономер фукоиданов — этерифицированные серной кислотой остатки α-L-фукозы. Кроме неё, в состав фукоиданов могут также входить и другие моносахариды. Подобные полисахариды не встречаются ни в одной другой группе водорослей, однако похожие на них соединения были обнаружены у морских беспозвоночных (морские ежи и голотурии)[8].

Благодаря большому количеству альгинатов и пектиновых веществ, клеточные оболочки бурых водорослей способны сильно слизьневеть и находиться в коллоидном (гелеобразном) состоянии.

Клетки бурых водорослей одноядерные. Ядро имеет типичное эукариотическое строение, внутри него имеется большое, хорошо заметное ядрышко. Как и у многих других классов водорослей-страменопилов, которым родственны бурые водоросли, внешняя оболочка ядра переходит в хлоропластный эндоплазматический ретикулум (ЭПР).

Хлоропласты мелкие, многочисленные. Имеют дискообразный вид. У большинства бурых водорослей пиреноиды в хлоропластах очень мелкие, почти незаметные в световой микроскоп. Пластиды бурых водорослей вторично-симбиотические, родофитного типа, окружённые четырьмя мембранами. Две внешние образуют хлоропластный ЭПР, две внутренние являются собственно мембранами пластиды. Между внешними и внутренними мембранами сохраняется перипластидное пространство. Тилакоиды в пластиде преимущественно располагаются лентами по три, на периферии расположена опоясывающая ламелла.

Пигменты пластид являются хлорофилами а и c, β— и ε-каротинами, а также специфическими ксантофиллами — фукоксантином и виолаксантином. Именно последние и обуславливают характерный буро-желтый цвет талломов водорослей из класса Phaeophyceae. Кроме вышеуказанных соединений, в хлоропластах бурых водорослей также присутствуют другие ксантофиллы: диатоксантин, диадиноксантин, зеаксантин, антераксантин и неоксантин.

За пределами хлоропласта, в виде цитоплазматических пластинок, окружённых собственными мембранами, откладывается основной запасной продукт бурых водорослей — специфический полисахарид ламинарин. Кроме ламинарина, запасным продуктом у бурых водорослей может служить шестиатомный спирт D-маннитол. Так, у некоторых видов ламинарий его концентрация осенью может достигать до 25 % сухой массы.

Ещё одной особенностью бурых водорослей является наличие в их клетках особых вакуолей — физод. В световой микроскоп физоды выглядят как небольшие светопреломляющие включения, в молодых клетках — бесцветные, у стареющих — жёлтого или бурого цвета. Диаметр физод может составлять от 0,1 до 10 мкм, в среднем — 1–4 мкм. На сегодня достоверно установлено, что содержимое физод является совокупностью полифенольных соединений отдельного класса танинов, производных флороглюцина — флоротанинов.

Жгутиковые стадии у бурых водорослей являются исключительно гаметами и зооспорами (у бурых водорослей отсутствуют движущиеся вегетативные клетки). Такие клетки имеют два жгутика, как и остальные страменопилы. Длинный жгутик — порчатый, покрытый трёхчленными мастигонемами, а короткий — гладкий. Также у монадных клеток, в хлоропласте имеется глазок (стигма), состоящий из 40-80 липидных глобул. Глазок функционирует как вогнутое зеркало, фокусируя свет на основе жгутика, где содержится фоторецептор, который отвечает за фототаксисы гамет или зооспор бурых водорослей.

Размножение и жизненный цикл

У бурых водорослей наблюдаются все типы размножения: вегетативное, бесполое, а также половое. Вегетативное размножение происходит при случайной фрагментации талломов, и только род Sphacelaria формирует особые выводковые почки.

Местом образования зооспор служат одно- или многогнёздные зооспорангии. Это значительно увеличенные в размерах клетки, содержимое которых, после серии разделов ядра, распадается на большое количество зооспор. Обычно первое деление ядра является редукционным, поэтому новообразованные зооспоры имеют гаплоидный набор хромосом. Попав в окружающую среду, зооспоры переходят к активному движению, но уже через несколько минут они оседают на субстрат и сбрасывают жгутики. Часть зооспор прорастает в мужской гаметофит, часть — в женский.

Половой процесс у бурых водорослей представлен изо- и оогамией, изредка случается гетерогамия.

Водоросли из отряда Fucales имеют диплофазный жизненный цикл, без смены поколений. У них отсутствуют зооспоры, мейоз происходит при образовании гамет, а половой процесс представлен преимущественно оогамией. Мужские и женские гаметангии образуются на специализированных плодовитых окончаниях талломов — рецептакулах. Внутри рецептакулов содержатся большие полузакрытые полости, где развиваются мужские антеридии и женские оогонии. Созревшие оогонии и антеридии высвобождают яйцеклетки и сперматозоиды в окружающую среду, где и происходит процесс оплодотворения. Зигота, которая образовалась, сразу же начинает делиться и прорастать в новый диплоидный таллом.

Важную роль в половом размножении бурых водорослей играют феромоны. У бурых водорослей они выполняют две важные функции. Во-первых — это стимуляция высвобождения мужских гамет, а во-вторых, они ответственны за привлечение сперматозоидов к женским гаметам или яйцеклеткам. По химической природе — это летучие, гидрофобные, линейные или циклические непредельные углеводороды. На сегодня выявлено около десятка феромонов в разных родов и видов бурых водорослей.

Полезные свойства

История массового использования водорослей, как полезного продукта питания, началась сравнительно недавно. Примерно полвека назад человечество узнало, что морские «растения» обладают высокой биологической ценностью и являются источником чрезвычайно важных веществ. Сегодня исследователи уже с уверенностью говорят, что люди, регулярно употребляющие этот продукт, почти не болеют, процессы старения в их организмах замедляются, а уровень интеллекта у них выше среднестатистического.

Богатый химический состав водорослей наделает их огромным списком преимуществ. Для человеческого организма они могут играть роль вещества широкого спектра действия. В том числе:

• противовоспалительного;
• иммуномодулирующего;
• противовирусного (доказана польза водорослей для людей с вирусом иммунодефицита);
• антибактериального.

Экстракт бурых водорослей часто включат в препараты против диабета, мигрени, ревматизма, для укрепления иммунитета и улучшения работы эндокринной системы. БАДы с морскими «растениями» полезны для очищения организма от токсических веществ и для улучшения кровообращения. Будучи богатым источником фтора, водоросли из морей полезны для укрепления костей и зубной эмали. Пользу от употребления продукта, бесспорно, ощутит нервная система, головной мозг, сердце, поджелудочная железа, мочеполовая система, мышцы. Также считается, что эти удивительные организмы облегчают похмельный синдром, а беременных спасают от токсикоза.

Охрана бурых водорослей

По состоянию на 2013 год в Красном списке Международного союза охраны природы (МСОП) есть 15 видов бурых водорослей. Все водоросли, занесённые в список МСОП, растут у побережья Галапагосских островов. Четыре из них получили наивысшую категорию уязвимости «В критической опасности». По одному виду имеют категории «В опасности» и «В уязвимом положении», 9 видов получили категорию «Виды с неясным статусом», что свидетельствует о недостаточной исследованности динамики популяций этих видов. МСОП определяет климатические изменения (в частности, температурный феномен Эль-Ниньо) и связанное с ними чрезмерное размножение организмов-фитофагов как основные негативные факторы, влияющие на численность популяций бурых водорослей[9].

Что такое съедобные водоросли и какие бывают

Водоросли являются живыми организмами, населяющими морскую и пресную воду. Некоторые из них являются одноклеточными, в то время как другие очень напоминают наземные растения, хотя с точки зрения биологии, таковыми не являются. Водоросли представляют род Algae. Ученые говорят о существовании более 30 тысяч разновидностей этих организмов. Но съедобными считаются далеко не все из них.

Те, что попадают на наши столы, можно разбить на 3 группы: бурые, красные, зеленые.

Самые известные представители бурых водорослей – это ламинария, хидзики, фукус, лиму, вакаме (или чука). Ламинария – это всем известная морская капуста. Эта водоросль – абсолютный чемпион в мире по содержанию йода.

Красные водоросли – это порфиру, далс, родимения, карраген. Порфиру одна из самых популярных разновидностей съедобных водорослей. Ну кто не слыхал о нори – водорослях, традиционно используемых для приготовления суши? А нори – это и есть водоросли порфиру.

Зеленые морские растения, используемые в качестве пищевого продукта, это всем известная спирулина, уми будо (она же морской виноград), ульва (известна также как морской салат), монострома (аонори). Кстати, уникальность спирулины в том, что она содержит невероятное количество белка – как минимум в 3 раза больше, чем мясо.

Значение для человека

Издавна жители побережий, особенно в Восточной Азии, употребляли их в пищу, часто как основу рациона; сегодня бурые водоросли являются, прежде всего, сырьем для получения альгинатов, используемых в пищевой, текстильной, фармацевтической и биотехнологической отраслях промышленности. В перспективе бурые водоросли и их компоненты также рассматриваются как источник новых лекарств[10].

Пищевая ценность

Как пищевые продукты наибольшей популярностью в некоторых странах (Китай, Япония и Южная Корея) пользуются водоросли комбу (Saccharina japonica) и вакамэ (Undaria pinnatifida). Эти два вида бурых водорослей издавна являются объектами массовой аквакультуры в Китае и Южной Корее. Кроме вышеуказанных видов в Восточной Азии употребляются также водоросли хиджики (Sargassum fusiforme) и араме (Eisenia bicyclis)[11].

С точки зрения диетологии, бурые водоросли — низкокалорийная еда с низким содержанием жиров, обогащённая углеводами, белками и, особенно, минералами. По сравнению с обычными овощами и фруктами, бурые водоросли имеют значительно большее содержание макро- и микроэлементов, таких как натрий, калий, кальций, магний, железо, селен, кобальт, марганец[12]. Также бурые водоросли являются одним из главных источников йода, недостаток которого в организме человека приводит к серьёзным нарушениям развития, снижению трудоспособности, кретинизму. В последнее время доказано, что употребление бурых водорослей и их производных является одним из лучших методов групповой и индивидуальной профилактики йододефицита и йододефицитных заболеваний[13]. Как пищевой продукт, бурые водоросли богаты клетчаткой, в роли которой выступают коллоидные компоненты их клеточных оболочек — альгинаты. Соли альгиновой кислоты также имеют значительные радиационнозащитные свойства[14].

Значение для науки

В 1907 году японский биохимик Кикунэ Икэда, исследуя вкусовые свойства традиционных блюд японской кухни, приготовленных из бурых водорослей комбу, описал новый тип вкусовых ощущений — умами. Из 40 кг Saccharina japonica ученый выделил 30 г глутаминовой кислоты, которая оказалась ответственной за характерный вкус. В 1908 году компания Икэды начала промышленный выпуск новой приправы — глутамата натрия[15].

В 2010 году международной командой учёных был секвенирован геном бурой водоросли Ectocarpus siliculosus. Благодаря этому стало возможным использовать этот организм как модельный объект для изучения вопросов, связанных с биологией бурых водорослей, в частности возникновения многоклеточности[16].

Химический состав

Химический состав съедобных водорослей разных типов немного отличается. Но в общих чертах набор полезных элементов в красных, бурых и зеленых разновидностях похож.

Кроме того, эти организмы богаты полиненасыщенными жирными кислотами, хлорофиллом, фенольными соединениями, фитостеринами, растительными ферментами, а также лигнинами, пектином и другими биологически ценными компонентами.

А вот калорийность у разных видов водорослей может существенно отличаться. Рекордсмен по показателям питательной ценности – нори, в 100 г которых есть почти 350 кКал. Самая низкая энергетическая ценность (примерно 25 кКал/100 г) у водорослей видов лиму, ульва и далс. Порфира и фукус содержат по 35 кКал, ламинария и вакаме – в пределах 45 кКал, комбу и спирулина – это примерно 77-79 кКал, а в 100 г водорослей чука есть около 90 калорий.