Недавно группа французских биологов сделала сенсационное открытие. Ученые выяснили, что некоторые животные (а если конкретно, то тли) могут заниматься фотосинтезом — то есть синтезировать органические вещества, используя энергию солнечного света. Прежде считалось, что такие "технологии" доступны только растениям. Но оказалось, что это не так.
Следует заметить, что тли (Aphidoidea ), несмотря на свою вредительскую деятельность по отношению к культурным (да и некультурным) растениям, являются одними из самых интересных и загадочных насекомых. Все у этих мельчайших (их размер тела в среднем составляет два миллиметра) существ не так, как у нормальных шестиногих: и жизненный цикл чрезвычайно сложный, с чередованием крылатых и бескрылых форм, и каратиноидные пигменты они могут сами синтезировать (единственный случай в мире животных), и жизнь у них чересчур уж сладкая — еще бы, практически одними сахарами питаются! Словом, не насекомые, а инопланетяне какие-то.
Недавно же тлям вновь удалось удивить научное сообщество — биологи из Технопарка Софии Антиполис (Франция) обнаружили, что эти вредные, но очень интересные букашки способны к фотосинтезу. То есть они могут, используя солнечную энергию, производить углеводы из воды и углекислого газа. Случай, согласитесь, нетривиальный — прежде считалось, что такие "технологии" доступны только растениям.
Кстати, фотосинтез действительно долгое время считался одним из важных критериев, при помощи которого можно было отличить растения от животных и прочих существ. Ученые полагали, что из многоклеточных только растения способны усваивать солнечную энергию и создавать тем самым то, что называется первичной продукцией экосистемы. Конечно же, некоторые животные, например, кораллы или морские моллюски, тоже могут фотосинтезировать, однако они делают это не при помощи собственных клеток, а благодаря живущим в их телах симбиотическим водорослям (которые, строго говоря, и занимаются фотосинтезом, отдавая хозяину часть произведенных углеводов).
Тем не менее, согласно работе французских исследователей, с тлями дело обстоит совсем по-другому. Они превращают углекислоту и воду в сахара без помощи каких-либо симбионтов. Но, что самое удивительное, в их клетках в то же время отсутствуют хлоропласты — структуры, в которых и происходит большая часть фотосинтеза. Каким же образом эти малыши осуществляют столь сложный и многоступенчатый процесс?
Как уже было сказано выше, тли могут сами синтезировать каратиноидные пигменты. Эти вещества участвуют во многих процессах — от регулирования иммунной системы до производства некоторых витаминов, однако улавливать солнечный свет при начальной фазе фотосинтеза они тоже способны. Собственно говоря, именно они занимаются фотосинтезом осенью, когда хлорофилл разрушается и листья многих растений начинают краснеть.
Ученые выяснили, что от количества и качества этих самых каратиноидов зависит цвет насекомого. Однако разноокрашенные тли предпочитают разные условия для комфортного проживания. Так, зеленым комфортно при более прохладной температуре (примерно при 8-10 градусах по Цельсию), а оранжевые, наоборот, теплолюбивы (их оптимум — около 22 градусов по Цельсию).
В то же время, если концентрация насекомых на листе растения становится очень большой, в популяции начинают преобладать белые особи, вообще лишенные каратиноидов. Не исключено, что это происходит от того, что стресс мешает тлям производить эти пигменты. Такой же эффект наблюдается и при сильном давлении хищников на сообщество этих насекомых — от постоянного страха тли массово начинают "бледнеть".
Наблюдая за популяцией тлей в лабораторных условиях, биологи выяснили одну интересную вещь. Оказывается, в клетках зеленых тлей, которые содержат максимум каротиноидов, было больше всего АТФ (молекул, запасающих энергию). А вот у белых тлей их было меньше всего. Оранжевые же оказались аккуратно посередине. Это очень удивило ученых — ведь за время наблюдений насекомые всех цветов съедали одно и то же количество пищи. Откуда же тогда зеленые тли взяли "лишние" АТФ?
Более того, после проведения ряда опытов, во время которых "нормальных", оранжевых, особей помещали на свет, уровень АТФ в их клетках резко возрастал. А когда насекомых помещали обратно в тень, он так же резко падал. Все это навело ученых на мысль о том, что, видимо, тли могут заниматься фотосинтезом.
Когда биохимики выделили из тлей эти пигменты и посмотрели, можно ли использовать их в таких целях, то оказалось, что да — смесь каротиноидов, которая содержалась как в оранжевых, так и в зеленых тлях, успешно поглощала свет и использовала его энергию в реакциях фотосинтетической цепи. Более того, было установлено, что у живого насекомого эти пигменты образуют слой на глубине 0-40 мкм ниже панциря, что является оптимальным для улавливания световых волн. Также ученые установили, что каратиноиды хранятся в клетках самого насекомого, а не каких-нибудь его симбионтов.
Получается, что тли действительно могут осуществлять фотосинтез — даже несмотря на то, что являются настоящими представителями царства животных. Исследователи предположили, что, видимо, эта способность появилась у них в процессе эволюции как приспособление к неблагоприятным условиям. Об этом говорит интересная корреляция между окраской различных форм тлей и их температурными предпочтениями.
В самом деле, больше всего каратиноидов наблюдается у зеленых форм, которые также являются самыми холодоустойчивыми. И это неспроста — дело в том, что данная форма в живой природе наиболее распространена ранней весной, когда еще прохладно. Но и есть в это время пока особенно нечего — ведь активность растения еще достаточно низкая, питательных соков по сосудам "ходит" мало. Поэтому приходится готовить пищу самостоятельно — то есть фотосинтезировать.
Летом же, когда тепло и растения активны, доминирующей становится оранжевая форма, которая больше сосет соки растений, чем сама производит питательные вещества. Ну, а если популяция перенаселена или ей кто-то угрожает, то тут с фотосинтезом приходится временно "завязать", поскольку этот процесс требует от насекомого некоторой медлительности и неторопливости.
Фотосинтез - это процесс поглощения организмами световой солнечной энергии и преобразования ее в химическую энергию. Кроме зеленыл растений, водорослей к фотосинтезу способны и другие организмы - некоторые простейшие, бактерии (цианобактерии, пурпурные, зеленые, галобактерии). Процесс фотосинтеза у этих групп организмов имеет свои особенности.
При фотосинтезе под действием света с обязательным участием пигментов (хлорофилла - у высших растений и бактериохлорофилла - у фотосинтезирующих бактерий) из углекислого газа и воды образуется органическое вещество. У зеленых растений выделяется при этом кислород.
Все фотосинтезирующие организмы называются фототрофами, поскольку для получения энергии они используют солнечный свет. За счет энергии этого уникального процесса существуют все остальные, гетеротрофные организмы на нашей планете (см. Автотрофы, Гетеротрофы).
Процесс фотосинтеза идет в пластидах клетки - хлоропластах. Компоненты фотосинтеза - пигменты (зеленые - хлорофиллы и желтые - каротиноиды), ферменты и другие соединения - упорядоченно располагаются в мембране тилакоидов или строме хлоропласта.
Молекула хлорофилла имеет систему сопряженных двойных связей, благодаря чему при поглощении кванта света она способна перейти в возбужденное состояние, т. е. один из ее электронов изменяет свое положение, поднимаясь на более высокий энергетический уровень. Это возбуждение передается так называемой основной молекуле хлорофилла, которая способна к разделению заряда: отдает электрон акцептору, который отправляет его по системе переносчиков в электронно-транспортную цепь, где электрон отдает энергию в окислительно-восстановительных реакциях. За счет этой энергии протоны водорода «перекачиваются» с внешней стороны мембраны тилакоидов на внутреннюю. Образуется разность потенциалов водородных ионов, энергия которой идет на синтез АТФ (см. Аденозинтрифос-форная кислота (АТФ). Образование АТФ в процессе фотосинтеза называется фотофосфо-рилированием в отличие от окислительного фосфорилирования, т. е. образования АТФ за счет процесса дыхания.
Молекула хлорофилла, отдавая электрон, окисляется. Возникает так называемая электронная недостаточность. Чтобы процесс фотосинтеза не прерывался, она должна быть возмещена другим электроном. Откуда же он берется? Оказывается, источник электронов, а также протонов (помните, они создают разность потенциалов по обе стороны мембраны) - вода. Под действием солнечного света, а также с участием особого фермента зеленое растение способно фотоокислять воду:
2Н 2 O →свет,фермент→ 2Н + + 2ẽ + 1/2O 2 + Н 2 O
Полученные таким образом электроны заполняют электронную недостаточность в молекуле хлорофилла, протоны же идут на восстановление НАДФ (активной группы ферментов, транспортирующих водород), образуя еще один энергетический эквивалент НАДФ Н в дополнение к АТФ. Помимо электронов и протонов при фотоокислении воды образуется кислород, благодаря которому атмосфера Земли пригодна для дыхания.
Энергетические эквиваленты АТФ и НАДФ Н расходуют свою энергию макро-эргических связей на нужды клетки - на движение цитоплазмы, транспорт ионов через мембраны, синтез веществ и т. д., а также обеспечивают энергией темновые биохимические реакции фотосинтеза, в результате которых синтезируются простые углеводы и крахмал. Эти органические вещества служат субстратом для дыхания или расходуются на рост и накопление биомассы растения.
Продуктивность сельскохозяйственных растений тесно связана с интенсивностью фотосинтеза.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ: Фотосинтез – это процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды, на свету, с выделением кислорода.
Краткое объяснение фотосинтезаВ процессе фотосинтеза участвуют:
1) хлоропласты,
3) углекислый газ,
5) температура.
У высших растений фотосинтез происходит в хлоропластах – пластидах (полуавтономные органеллы) овальной формы, содержащих пигмент хлорофилл, благодаря зеленому цвету которого части растения также имеют зеленый цвет.
У водорослей хлорофилл содержится в хроматофорах (пигментсодержащие и светоотражающие клетки). У бурых и красных водорослей, обитающих на значительной глубине, куда плохо доходит солнечный свет, имеются другие пигменты.
Если посмотреть на пищевую пирамиду всех живых существ, фотосинтезирующие организмы находятся в самом ее низу, в составе автотроф (организмов, синтезирующих органические вещества из неорганических). Поэтому они являются источником пищи для всего живого на планете.
При фотосинтезе кислород выделяется в атмосферу. В верхних слоях атмосферы из него образуется озон. Озоновый экран защищает поверхность Земли от жесткого ультрафиолетового излучения, благодаря чему жизнь смогла выйти из моря на сушу.
Кислород необходим для дыхания растений и животных. При окислении глюкозы с участием кислорода в митохондриях запасается почти в 20 раз больше энергии, чем без него. Это делает использование пищи гораздо более эффективным, что привело к высокому уровню обмена веществ у птиц и млекопитающих.
Более подробное описание процесса фотосинтеза растений
Ход фотосинтеза:
Процесс фотосинтеза начинается с попадания света на хлоропласты – внутриклеточные полуавтономные органеллы, содержащие зеленый пигмент. Под действием света хлоропласты начинают потреблять воду из почвы, расщепляя ее на водород и кислород.
Часть кислорода выделяется в атмосферу, другая часть идет на окислительные процессы в растении.
Сахар соединяется с поступающими из почвы азотом, серой и фосфором, таким путем зеленые растения производят крахмал, жиры, белки, витамины и другие сложные соединения, необходимые для их жизни.
Лучше всего фотосинтез идет под воздействием солнечного света, однако некоторые растения могут довольствоваться и искусственным освещением.
Сложное описание механизмов фотосинтеза для продвинутого читателя
До 60-ых годов 20 века ученым был известен только один механизм фиксации углекислого газа - по С3-пентозофосфатному пути. Однако недавно группа австралийских ученых смогла доказать, что у некоторых растений восстановление углекислого газа происходит по циклу C4-дикарбоновых кислот.
У растений с реакцией С3 фотосинтез наиболее активно происходит в условиях умеренной температуры и освещенности, в основном, в лесах и в темных местах. К таким растениям относятся почти все культурные растения и большая часть овощей. Они составляют основу рациона человека.
У растений с реакцией С4 фотосинтез наиболее активно происходит в условиях высоких температура и освещенности. К таким растениям относятся, например, кукуруза, сорго и сахарный тростник, которые произрастают в теплом и тропическом климате.
Сам метаболизм растений был обнаружен совсем недавно, когда удалось выяснить, что у некоторых растений, имеющих специальные ткани для запаса воды, углекислый газ накапливается в форме органических кислот и фиксируется в углеводах лишь спустя сутки. Такой механизм помогает растениям экономить запасы воды.
Как происходит процесс фотосинтеза
Растение поглощает свет при помощи зеленого вещества, которое называется хлорофилл. Хлорофилл содержится в хлоропластах, которые находятся в стеблях или плодах. Особенно большое их количество в листьях, потому что из-за своей очень плоской структуры листок может притянуть много света, соответственно, получить намного больше энергии для процесса фотосинтеза.
После поглощения хлорофилл находится в возбужденном состоянии и передает энергию другим молекулам организма растения, особенно, тем, которые непосредственно участвуют в фотосинтезе. Второй этап процесса фотосинтеза проходит уже без обязательного участия света и состоит в получении химической связи с участием углекислого газа, получаемого из воздуха и воды. На данной стадии синтезируются разные очень полезные для жизнедеятельности вещества, такие как крахмал и глюкоза.
Эти органические вещества используют сами растения для питания разных его частей, а также для поддержания нормальной жизнедеятельности. Кроме того, эти вещества также получают и животные, питаясь растениями. Люди тоже получают эти вещества, употребляя в пищу продукты животного и растительного происхождения.
Условия для фотосинтеза
Фотосинтез может происходить как под действием искусственного света, так и солнечного. Как правило, на природе растения интенсивно «работают» в весенне-летний период, когда необходимого солнечного света много. Осенью света меньше, день укорачивается, листья сначала желтеют, а потом опадают. Но стоит появиться весеннему теплому солнцу, как зеленая листва вновь появляется и зеленые «фабрики» снова возобновят свою работу, чтобы давать кислород, такой необходимый для жизни, а также множество других питательных веществ.
Альтернативное определение фотосинтеза
Фотоси́нтез (от др.-греч. фот- свет и синтез - соединение, складывание, связывание, синтез) - процесс преобразования энергии света в энергию химических связей органических веществ на свету фотоавтотрофами при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий). В современной физиологии растений под фотосинтезом чаще понимается фотоавтотрофная функция - совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии квантов света в различных эндэргонических реакциях, в том числе превращения углекислого газа в органические вещества.
Фазы фотосинтеза
Фотосинтез – процесс довольно сложный и включает две фазы: световую, которая всегда происходит исключительно на свету, и темновую. Все процессы происходят внури хлоропластов на особых маленьких органах - тилакодиах. В ходе световой фазы хлорофиллом поглощается квант света, в результате чего образуются молекулы АТФ и НАДФН. Вода при этом распадается, образуя ионы водорода и выделяя молекулу кислорода. Возникает вопрос, что это за непонятные загадочные вещества: АТФ и НАДН?
АТФ – это особые органические молекулы, которые имеются у всех живых организмов, их часто называют «энергетической» валютой. Именно эти молекулы содержат высокоэнергетические связи и являются источником энергии при любых органических синтезах и химических процессах в организме. Ну, а НАДФН – это собственно источник водорода, используется непосредственно при синтезе высокомолекулярных органических веществ - углеводов, который происходит во второй, темновой фазе фотосинтеза с использованием углекислого газа.
Cветовая фаза фотосинтеза
В хлоропластах содержится очень много молекул хлорофилла, и все они поглощают солнечный свет. Одновременно свет поглощается и другими пигментами, но они не умеют осуществлять фотосинтез. Сам процесс происходит лишь только в некоторых молекулах хлорофилла, которых совсем немного. Другие же молекулы хлорофилла, каротиноидов и других веществ образуют особые антенные, а также светособирающие комплексы (ССК). Они, как антенны, поглощают кванты света и передают возбуждение в особые реакционные центры или ловушки. Эти центры находятся в фотосистемах, которых у растений две: фотосистема II и фотосистема I. В них имеются особые молекулы хлорофилла: соответственно в фотосистеме II - P680, а в фотосистеме I - P700. Они поглощают свет именно такой длины волны(680 и 700 нм).
По схеме более понятно, как все выглядит и происходит во время световой фазы фотосинтеза.
На рисунке мы видим две фотосистемы с хлорофиллами Р680 и Р700. Также на рисунке показаны переносчики, по которым происходит транспорт электронов.
Итак: обе молекулы хлорофилла двух фотосистем поглощают квант света и возбуждаются. Электрон е- (на рисунке красный) у них переходит на более высокий энергетический уровень.
Возбужденные электроны обладает очень высокой энергией, они отрываются и поступают в особую цепь переносчиков, которая находится в мембранах тилакоидов – внутренних структур хлоропластов. По рисунку видно, что из фотосистемы II от хлорофилла Р680 электрон переходит к пластохинону, а из фотосистемы I от хлорофилла Р700 – к ферредоксину. В самих молекулах хлорофилла на месте электронов после их отрыва образуются синие дырки с положительным зарядом. Что делать?
Чтобы восполнить недостачу электрона молекула хлорофилла Р680 фотосистемы II принимает электроны от воды, при этом образуются ионы водорода. Кроме того, именно за счет распада воды образуется выделяющийся в атмосферу кислород. А молекула хлорофилла Р700, как видно из рисунка, восполняет недостачу электронов через систему переносчиков от фотосистемы II.
В общем, как бы ни было сложно, именно так протекает световая фаза фотосинтеза, ее главная суть заключается в переносе электронов. Также по рисунку можно заметить, что параллельно транспорту электронов происходит перемещение ионов водорода Н+ через мембрану, и они накапливаются внутри тилакоида. Так как их там становится очень много, они перемещаются наружу с помощью особого сопрягающего фактора, который на рисунке оранжевого цвета, изображен справа и похож на гриб.
В завершении мы видим конечный этап транспорта электрона, результатом которого является образование вышеупомянутого соединения НАДН. А за счет переноса ионов Н+ синтезируется энергетическая валюта – АТФ (на рисунке видно справа).
Итак, световая фаза фотосинтеза завершена, в атмосферу выделился кислород, образовались АТФ и НАДН. А что же дальше? Где обещанная органика? А дальше наступает темновая стадия, которая заключается, главным образом, в химических процессах.
Темновая фаза фотосинтеза
Для темновой фазы фотосинтеза обязательным компонентом является углекислый газ – СО2. Поэтому растение должно постоянно его поглощать из атмосферы. Для этой цели на поверхности листа имеются специальные структуры – устьица. Когда они открываются, СО2 поступает именно внутрь листа, растворяется в воде и вступает в реакцию световой фазы фотосинтеза.
В ходе световой фазы у большинства растений СО2 связывается с пятиуглеродным органическим соединением (которое представляет собой цепочку из пяти молекул углерода), в результате чего образуются две молекулы трехуглеродного соединения (3-фосфоглицериновая кислота). Т.к. первичным результатом являются именно эти трехуглеродные соединения, растения с таким типом фотосинтеза получили название С3-растений.
Дальнейший синтез в хлоропластах происходит довольно сложно. В его конечном итоге образуется шестиуглеродное соединение, из которого в дальнейшем могут синтезироваться глюкоза, сахароза или крахмал. В виде этих органических веществ растение накапливает энергию. При этом в листе остается только небольшая их часть, которая используется для его нужд, в то время как остальные углеводы путешествуют по всему растению, поступая туда, где больше всего нужна энергия - например, в точки роста.
ТЕМА 2 ОДНОКЛЕТОЧНЫЕ ОРГАНИЗМЫ. ПЕРЕХОД К БАГАТОКЛІТИННОСТІ
§15. ОДНОКЛЕТОЧНЫЕ ОРГАНИЗМЫ, СПОСОБНЫЕ К ФОТОСИНТЕЗУ: ЕВГЛЕНА ЗЕЛЕНА, ХЛАМІДОМОНАДА И ХЛОРЕЛЛА
Вспомните строение и функции хлоропластов. Из чего состоит клеточная оболочка растительных клеток?
Какие особенности строения и процессов жизнедеятельности евглены зеленой? Живет евглена зеленая в неглубоких пресных водоемах, обычно с высоким содержанием органических веществ. Форма клетки веретенообразная (рис. 59, А). Под клеточной мембраной в уплотненном слое цитоплазмы являются структуры, которые поддерживают форму клетки. Вместе они составляют пелікулу.
Одноклеточные организмы, как и многоклеточные, способные воспринимать различные раздражители окружающей среды и реагировать на них. Евглена зеленая реагирует на изменение освещенности благодаря утолщению вблизи основания жгутика. Найдите на рисунке 59, Б глазок красного цвета. Оно регулирует количество света, попадающего на это утолщение. Евглена зеленая будет плыть в ту сторону водоема, который лучше освещен. Это является примером раздражимости. Движение евглены зеленой обеспечивает длинный жгутик.
Ученые окончательно не определились, относить евглену зеленую до одноклеточных твариноподібних организмов или растений. И вот почему. Питается евглена зеленая на свету, как растение осуществляет фотосинтез. Организмы, осуществляющие процесс фотосинтеза, способны обеспечивать себя органическими веществами, которые сами образуют из неорганических. Такой тип питания называют автотрофним (от греч. авто - сам и " трофос - питание). Способность к фотосинтезу обусловлена наличием хлоропластов с хлорофиллом. В цитоплазме евглены зеленой откладывается углевод, который напоминает крахмал, запасается в растительных клетках.
В темноте евглена зеленая начинает питаться, как животное: впитывает сквозь поверхность клетки растворы органических веществ. Как вы помните, такой тип питания называют гетеротрофним. Итак, евглені зеленой свойственно смешанное питание.
Избыток воды из организма выводит сократительная вакуоля, расположенная у основания жгутика. Так регулируется давление внутри клетки.
Рис. 59. А. Фото евглены зеленой.
Бы. Схема строения клетки евглены зеленой: 1 - клеточная мембрана;
2 - цитоплазма; 3 - ядро; 4 - жгутик; 5 - сократительная вакуоля;
6 - хлоропласт; 7 - глазок
Рис. 60. Размножение евглены зеленой делением клетки пополам
Посудите: 1. Почему в пресной водоеме вода поступает внутрь клетки, а не наоборот? 2. Почему давление внутри клетки не может постоянно расти?
Газообмен в евглены зеленой происходит через поверхность клетки.
В задней части клетки расположено ядро. Размножается евглена зеленая делением клетки пополам (рис. 60) (вспомните этапы деления клетки).
Два представители одноклеточных растений - хламідомонада и хлорелла - относятся к зеленых водорослей. Многоклеточных представителей этой группы рассмотрим впоследствии.
Зеленые водоросли распространены во всех типах водоемов, преимущественно пресноводных. Случаются они и на увлажненных участках суши, на снегу и во льду.
Какие особенности строения и процессов жизнедеятельности хламідомонади? Хламідомонада - микроскопическая одноклеточная водоросль (рис. 61), что обитает в основном в пресных водоемах (некоторые виды встречаются в морях и в лесных почвах). Форма клетки - грушевидная. На переднем крае расположены два жгутики одинаковой длины. С их помощью хламідомонада плавает в толще воды. Как и у других растений, клетка хламідомонади окружена плотной клеточной оболочкой. Под ней есть клеточная мембрана. В цитоплазме, кроме большой вакуоли с клеточным соком, хламідомонада имеет две маленькие сократительные вакуоли (найдите на рисунке 61 сократительные вакуоли и вспомните их функции). В центре клетки расположено ядро.
Хлоропласт в хламідомонади один - крупный, чашевидной формы. В его состав входит пятно красного пигмента - глазок. Оно участвует в восприятии света. С помощью жгутиков хламідомонада движется в сторону лучшего освещения, так же как и евглена зеленая.
Хламідомонаді, как и евглені зеленой, присущ смешанный тип питания. На свету она питается с помощью фотосинтеза, в условиях недостаточного освещения поверхностью клетки впитывает растворенные в воде органические вещества.
Газообмен, как и в других одноклеточных организмов, происходит через поверхность клетки.
Хламідомонада способна размножаться как нестатево, так и половым путем. Неполовое размножение - это форма размножения с помощью неполовых клеток, например спор.
Спора - это клетка, покрытая плотной оболочкой, которая обеспечивает неполовое размножение. Половое размножение происходит в результате слияния двух половых клеток. Неполовое размножения в хламідомонади происходит так (рис. 62, А). Под клеточной оболочкой цитоплазма и ядро несколько раз делятся. Возникают небольшие споры с двумя жгутиками. Они оставляют оболочку материнской клетки и выходят в воду. Там они быстро вырастают до определенных размеров, после чего их клеточная оболочка становится твердой и нерозтяжною.
Рис. 61. Одноклеточная зеленая водоросль хламідомонада: 1 - ядро;
2 - хлоропласт; 3 - цитоплазма; 4 - два жгутики;
5 - красный глазок; 6 - две сократительные вакуоли; 7 - клеточная оболочка. Задачи. Рассмотрите рисунок и найдите составляющие строения хламідомонади
Рис. 62. Неполовое (А) и половое (Б) размножения хламідомонади
Когда наступают неблагоприятные условия (понижение температуры воды, пересыхание водоемов и т. п), материнская клетка делится на несколько десятков половых клеток (рис. 62, Б). Они внешне подобны спор, однако значительно меньше по размерам. Выходя в воду, половые клетки попарно сливаются. Процесс слияния половых клеток называется оплодотворение. Образована оплодотворенная клетка покрывается толстой оболочкой. В таком состоянии она хорошо выдерживает замерзания и высыхания. При наступлении благоприятных условий цитоплазма и ядро оплодотворенной клетки делятся. Так образуются 4 споры, которые выходят в воду и превращаются в зрелых хламідомонад.
Из-За массового размножения хламідомонада может вызывать явление, известное под названием «цветение» воды. В это время вода становится мутной и зеленкуватою.
Чем характеризуется водоросль хлорелла? Клетка хлореллы шаровидной формы (рис. 63, А). Различные виды хлореллы распространены в пресных и соленых водоемах, на увлажненных участках суши (влажная почва, кора деревьев).
В отличие от хламідомонади, клетка хлореллы не имеет жгутиков и поэтому неподвижна. У нее также нет глазка. Клетку окружает плотная клеточная оболочка. Хлорелла имеет одно ядро. Ее хлоропласт обычно чашеобразной формы. Питается хлорелла лишь благодаря фотосинтезу. Газообмен происходит через поверхность клетки.
Размножается водоросль нестатевим способом неподвижными спорами (рис. 63, Б). Их вследствие разделения содержимого материнской клетки образуется до 8. Споры освобождаются через разрывы оболочки материнской клетки.
При неблагоприятных условиях оболочка клетки хлореллы может потовщуватись, в цитоплазме накапливается много масла и запасного крахмала. В таком неактивном состоянии хлорелла может находиться длительное время.
Рис. 63. А. Строение клетки хлореллы: 1 - клеточная оболочка; 2 - ядро;
3 - чашоподібний хлоропласт. Бы. Размножение хлореллы спорами
С середины XX столетия хлорелу используют для очистки воды и восстановления состава воздуха на космических станциях и подводных лодках. Оказалось, что эта водоросль богата на различные витамины и необходимые для организма человека химические элементы (Фосфор, Кальций, Калий, Магний, Феррум, Купрум Сульфур, Йод и др). По содержанию этих элементов она превышает все известные культурные растения.
Клетки хлореллы содержат хлорофилла больше, чем клетки любых других растений. Хлорофилл хорошо известен своими антибактериальными свойствами, стимулирует процессы кроветворения, работу сердечно-сосудистой, пищеварительной систем. Вещества, которые входят в состав клеточной стенки хлореллы, способствуют выведению из нашего организма ядовитых веществ: ядохимикатов, тяжелых металлов. Они защищают от опасного воздействия радиации. Хлорелла стимулирует иммунную систему человека и рост организма. Поэтому из клеток хлореллы изготавливают различные препараты, которые употребляет человек, например витамины.
Науку, которая разрабатывает методы использования организмов и биологических процессов в промышленности, называют биотехнологией.
Интересно знать, что хлорелла - прекрасное зеленое удобрение. Если в ведро с водой для полива растений добавить несколько гранул нитратно-фосфатного удобрения (2-3 г на 10 л воды), то уже через сутки там массово хлорелла размножится. Применяя такую «зеленую» воду для полива растений, можно уменьшить расходы минеральных и органических удобрений.
ОБОБЩИМ ЗНАНИЯ
Евглена зеленая - одноклеточный организм, которому присущи признаки как животных, так и растительных клеток.
Хламідомонада и хлорелла - одноклеточные зеленые водоросли. Окраска их клеткам придает зеленый пигмент хлорофилл, содержащийся в хлоропластах.
Хламідомонада имеет два жгутики, с помощью которых плавает в толще воды. Она способна размножаться как нестатево, с помощью подвижных спор, так и половым путем.
Хлорелла жгутиков не имеет, поэтому ее клетка неподвижна. Она размножается только нестатево, с помощью неподвижных спор.
Хлорелу широко используют как витаминные и стимулирующие препараты, употребляют в пищу и тому подобное.
Пополните свой биологический словарь: евглена зеленая, хламідомонада, хлорелла, биотехнология, автотрофне питание, смешанное питание, споры, половые клетки, неполовое размножение половое размножение, оплодотворение.
ПРОВЕРЬТЕ ПОЛУЧЕННЫЕ ЗНАНИЯ
Выберите один правильный ответ
1. Хламідомонада и хлорелла на свете питаются: а) готовыми органическими веществами, которые они впитывают из воды; б) с помощью фотосинтеза.
2. Неподвижный образ жизни ведет: а) хламідомонада; б) хлорелла; в) евглена зеленая; г) амеба протей.
3. Хлорелла размножается с помощью спор: а) продвижения; б) неподвижных.
Дайте ответ на вопрос
1. Какие особенности строения клетки евглены зеленой? Как она питается?
2. Какие отличия в размножении хламідомонади и хлореллы?
3. Какое значение хламідомонади и хлореллы в природе?
4. С какой целью человек применяет хлорелу в своем хозяйстве?
Подумайте. Чем можно объяснить отсутствие глазка у хлореллы? Может ли это быть связанным с отсутствием у нее жгутиков?
Задачи на сравнение. Внимательно рассмотрите рисунок 64, на котором изображен клетки евглены зеленой и хламідомонади. Отметьте черты сходства и отличия этих одноклеточных организмов, сравнив такие признаки: клеточная оболочка, клеточная мембрана, органеллы движения, ядро, хлоропласты, глазок, сократительные вакуоли, вакуоли с клеточным соком, способ питания, способы размножения.
Рис. 64. 1. Евглена зеленая. 2. Хламідомонада
СТРАНИЦА БУДУЩЕГО БИОЛОГА
«Цветение» воды может быть вызвано массовым размножением водорослей и цианобактерий. Часто это явление наблюдают и в аквариумах, находящихся длительное время при ярком освещении. При этом страдают другие водные растения: одноклеточные водоросли их затеняют и интенсивно впитывают из воды питательные вещества. Для борьбы с «цветением» воды в акваріумах можно применить биологический способ борьбы. Туда запускают рачков дафний, которые питаются водорослями. Через 3-4 суток вода в аквариуме снова становится чистой.
Подведены итоги конкурса научных и педагогических работ сотрудников, внёсших значительный вклад в реализацию Программы развития университета. Конкурс проводился в трёх номинациях: «Достижения в научно-исследовательской деятельности», «Достижения в преподавании и методической работе», «Достижения лекторов межфакультетских учебных курсов, курсов междисциплинарной тематики, онлайн-курсов, реализуемых на платформе МГУ «Университет без границ ». Первой премии в номинации «Достижения в научно-исследовательской деятельности» удостоена Мария Логачёва , старший научный сотрудник НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского МГУ . Она рассказала газете «Московский университет» о своих научных интересах:
Мария Логачёва: «Полногеномный анализ стал одним из неотъемлемых методов современных биологических и медицинских исследований»
Я изучаю произошедшие в связи с потерей способности к фотосинтезу изменения генома таких растений.
Оказывается, что даже в не связанных близким родством группах бесхлорофилльных растений происходят похожие изменения, причём они состоят не только в потере генов, связанных с фотосинтезом (что было бы ожидаемо). Так, например, у всех этих растений увеличена скорость накопления замен. Интересно, что некоторые из генов, связанных с фотосинтезом, сохраняются, несмотря на кажущееся отсутствие необходимости в них. Возможно, в ходе эволюции они приобрели новые функции.
Я работаю в отделе эволюционной биохимии НИИ ФХБ, руководителем которого является А.В. Троицкий , и в лаборатории эволюционной геномики. Эта лаборатория была организована в 2010 г. А.С. Кондрашовым в рамках выделенного Министерством образования и науки « ». Я принимаю участие в работах по проекту создания банка-депозитария живых систем (он известен под неформальным названием ). Это междисциплинарный проект, объединивший биологов различных специальностей, медиков, математиков. Группа, в составе которой я работаю, занимается геномным анализом биоразнообразия эукариот.
Помимо непосредственных научных интересов, я организую работу по получению геномных данных в МГУ. Полногеномный анализ стал одним из неотъемлемых методов современных биологических и медицинских исследований. Центры геномного анализа стали столь же непременной частью научной инфраструктуры, как вычислительные комплексы и виварии. В МГУ роль такого центра играет Лаборатория эволюционной геномики.
