Тема: Водоросли, общая характеристика
Цель: Изучить общую характеристику водорослей, включая размножение, жизненные циклы и основные типы морфологической структуры тела водорослей.
План лекции:
1. Понятие «водоросли»
2. Классификация водорослей
3. Пигменты водорослей
4. Размножение водорослей
5. Жизненные циклы
6. Основные типы морфологической структуры тела водорослей.
Водоросли – низшие фотоавтотрофные растения, живущие преимущественно в воде. В систематическом отношении представляют собой совокупность многих отделов, различающихся по набору пигментов и деталям тонкой структуры фотосинтетического аппарата, продуктам фотосинтеза и построению жгутикового аппарата.
Систематика
Надцарство Прокариоты, или Доядерные (лат. Procaryota)
Царство Бактерии (Bacteria)
Подцарство Цианеи (Cyanobionta)
Отдел Сине-зелёные водоросли (Cyanophycota)
Надцарство Эукариоты, или Ядерные (Eucaryota)
Царство Растения (Plantae)
Подцарство Водоросли (Phycobionta)
Отдел Эвгленовые водоросли (Euglenophyta)
Отдел Золотистые водоросли (Chrysophyta)
Отдел Динофитовые водоросли (Dinophyta)
Отдел Криптофитовые водоросли (Cryptophyta)
Отдел Диатомовые водоросли (Bacillariophyta)
Отдел Жёлто-зелёные водоросли (Xanthophyta)
Отдел Зелёные водоросли (Chlorophyta)
Отдел Харовые водоросли (Charophyta)
Отдел Бурые водоросли (Phaeophyta)
Подцарство Багрянки (Rhodobionta)
Отдел Красные водоросли (Rhodophyta)
Сине-зеленые водоросли не имеют типичных, ограниченных мембранами клеточных ядер, хроматофоров, митохондрий, элементов цитоплазматической сети. К собственно водорослям относятся все остальные отряды.
У большинства водорослей, как и у высших растений, имеется клеточная стенка. Она состоит из аморфного матрикса, образованного гемицеллюлозами и пектиновыми веществами, в который погружены целлюлозные микрофибриллы. В клеточной стенке присутствуют добавочные компоненты – кремний, альгиновая кислота, хитин, кремнезем (диатомовые водоросли). Клеточная стенка может быть цельной и состоять из нескольких частей, нести различные выросты, быть пронизанной порами.
Цитоплазма расположена тонким слоем, окружает большую центральную вакуоль с клеточным соком. Вакуоль отсутствует у сине-зеленых водорослей и у многих монадных форм. В цитоплазме находятся рибосомы, митохондрии, аппарат Гольджи, клеточные ядра, эндоплазматическая сеть, хроматофоры (хлоропласты). К клеточной стенке прилегает цитоплазматическая мембрана.
Ядро клетки — одна из основных составных частей всех растительных и животных клеток, неразрывно связанная с обменом, размножением, передачей наследственной информации и др.
Митохо́ндрии представляют собойорганеллы, состоящие из двух мембран (гладкой наружной и складчатой внутренней).Энергетическая станция клетки; основная функция — окисление органических соединений и использование освобождающейся при их распаде энергии в синтезе молекул АТФ.
Рибосо́ма — органелла сферической или слегка эллипсоидной формы, служат для биосинтеза белка из аминокислот по заданной матрице на основе генетической информации, предоставляемой матричной РНК (мРНК). Этот процесс называется трансляцией. В эукариотических клетках рибосомы располагаются на мембранах эндоплазматической сети, хотя могут быть локализованы и в неприкрепленной форме в цитоплазме.
Эндоплазматическая сеть представляет собой разветвлённую систему из окружённых мембраной уплощённых полостей, пузырьков и канальцев. На ней расположены рибосомы, в которых происходит синтез белка.
Аппара́т Го́льджи — мембранная структура, предназначенная для выведения веществ, синтезированных на эндоплазматической сети.
Хроматофоры (хлоропласты) – носители окраски, разнообразны по форме (в виде кольца, чашевидные, лентовидные, пластины, зерна). Хлоропласты расположены в цитоплазме у клеточной стенки, реже занимают центральное положение.
Размножение. Бесполое размножение осуществляется с помощью особых спор. Виды спор:
• Зооспоры
• Гемизооспоры
• Апланоспоры
• Автоспоры
• Гипноспоры
• Моноспоры и т. д.
Зооспоры – голые монадные клетки. У многих водорослей клетки, из которых формируются зооспоры, не дифференцированы. Однако у бурых водорослей и зеленой водоросли трентеполии есть специальные спорангии.
Апланоспоры – неподвижные, лишенные жгутиков споры (красные и бурые водоросли). Если апланоспоры, будучи заключены в оболочку материнской клетки, принимают все отличительные черты последней, их называют автоспоры.
У ряда водорослей бесполое размножение отсутствует (харовые водоросли, фукусовые водоросли (из бурых водорослей), у многих зеленых водорослей).
Вегетативное размножение:
• Простое деление
• Множественное деление
• Фрагменты таллома
• Клубеньки на ризоидах и т.д.
К вегетативному размножению относят процессы размножения, при которых части таллома отделяются без каких-либо серьезных изменений.
• Половое размножение:
• Гологамия (конъюгация)
• Гаметиогамия (изогамимя, гетерогамия, оогамия)
• Автогамия
При конъюгации сливается содержимое двух вегетативных недифференцированных клеток. При гаметиогамии сливаются две половые клетки – гаметы. При изогамии сливаются подвижные гаметы, морфологически не различающиеся. При гетерогамии сливающиеся подвижные гаметы различаются размерами. Оогамия заключается в слиянии крупной неподвижной, лишенной жгутиков яйцеклетки с мелким, снабженным жгутиком сперматозоидом. Оогамия широко распространена у водорослей с нитчатой и тканевой структурой таллома. У них сперматозоиды и яйцеклетки формируются в специальных органах – антеридиях и оогониях.
Автогамия - самооплодотворение (слияние двух ядер), наблюдается у диатомовых водорослей), при этом ядро клетки делится на два, дочерние клетки расходятся, а после созревания вновь сливаются.
Мито́з — непрямое деление клетки, наиболее распространенный способ репродукции эукариотических клеток. Биологическое значение митоза состоит в строго одинаковом распределении хромосом между дочерними ядрами, что обеспечивает образование генетически идентичных дочерних клеток и сохраняет преемственность в ряду клеточных поколений. Митоз является основой бесполого размножения соматических клеток, причем это единственный способ их самовосстановления.
Мейоз - особый способ деления клеток, в результате которого происходит редукция (уменьшение) числа хромосом и переход клеток из диплоидного состояния в гаплоидное; основное звено гаметогенеза. Мейоз происходит в созревающих половых клетках и является основой полового размножения.
В результате полового процесса образуется зигота, содержащая диплоидное ядро – продукт слияния ядер двух гамет. Часто она окружена толстой оболочкой, прорастает сразу или после периода покоя.
Соотношение диплоидной и гаплоидной фаз в жизненном цикле водорослей неодинаково. В одних случаях прорастание зиготы сопровождается редукционным делением диплоидного ядра (зиготическая редукция), при этом развивающееся растение оказывается гаплоидным. У многих зеленых водорослей зигота – единственная диплоидная стадия, вся вегетативная стадия проходит у них в гаплоидном состоянии – они являются гаплонтами.
У других водорослей, наоборот, вся вегетативная фаза диплоидна, гаплоидная стадия представлена лишь гаметами, перед образованием которых и происходит редукционное деление ядра (гаметическая редукция).Зигота без редукционного деления ядра прорастает в диплоидный таллом. Эти водоросли называются диплонтами. Это многие зеленые водоросли, имеющие сифоновое строение, все диатомовые, фукусовые.
У третьих редукционное деление ядра предшествует образованию зооспор или апланоспор, развивающихся на диплоидных талломах (спорическая редукция), при этом вырастают гаплоидные растения, размножающиеся только половым путем. После слияния гамет зигота развивается в диплоидное растение, несущее только органы бесполого размножения. У этих водорослей имеет место чередование поколений (генераций) – гаплоидного полового гаметофита и диплоидного бесполого спорофита. Оба поколения могут быть одинаковы морфологически – изоморфная смена поколений, или резко различаться по внешнему виду – гетероморфная смена поколений. Изоморфная смена генераций характерна для ульвы, кладофоры (зеленые водоросли), для некоторых бурых и большинства красных водорослей. Гетероморфная смена генераций распространена среди бурых водорослей, встречается у зеленых и красных водорослей.
Редко у водорослей отмечено развитие со сменой генераций, редукционным делением (мейозом), происходящим в соматических клетках диплоидного таллома (соматическая редукция). Примерами водорослей с соматическим мейозом могут быть представители родов Prasiola, Lemanea, Batrachospermum.
Типы организации водорослей (структуры таллома).
Амебоидная (ризоподиальная) организация наблюдается у некоторых лишенных твердой оболочки форм, которые развивают цитоплазматические отростки – ризоподии. Отмечена у золотистых водорослей.
Монадная организация характеризуется активной подвижностью с помощью жгутиков. Она присуща одноклеточным жгутиконосцам, наблюдается у ряда зеленых водорослей (хламидомонада). У высокоорганизованных водорослей монадной структурой обладают зооспоры и гаметы.
Коккоидная организация характеризуется неподвижными, одетыми оболочками клетками, одиночными или соединенными в колонии.
Пальмелоидный (капсальный) тип организации представлен неподвижными клетками, погруженными в общую слизь.
Нитчатая организация представлена клетками, соединенными в нити, простые и разветвленные. Клетки нити непрерывно делятся поперечными перегородками, обусловливая нарастание ее в длину.
Гетеротрихиальная или разнонитчатая организация представляет собой усложненный вариант нитчатого строения, для которого характерны две системы нитей: стелющиеся по субстрату и отходящие от них вертикальные нити.
Пластинчатая (тканевая) организация также легко выводится из нитчатой: в результате деления клеток нити не только в поперечном, но и в продольном направлении возникают талломы в виде паренхиматозных пластинок.
Сифональная организация отличается отсутствием клеточных перегородок, так что талломы, часто крупных размеров, имеющие значительную внешнюю расчлененность, формально представляют собой одну клетку с большим количеством ядер. В этом случае говорят о неклеточном строению
Сифоноклодальная организация представлена многоядерными клетками, соединенными в нитчатые или иной формы многоклеточные талломы.
Харовая структура свойственна только харовым водорослям. Нитчатые вертикально стоящие талломы имеют сходство с хвощами благодаря мутовчатому ветвлению. Неограниченно нарастающие оси («стебли») и боковые ветви ограниченного роста («листья») дифференцированы на узлы и междоузлия. Узлы представляют собой клеточные пластинки. Они возникают из одной клетки. Междоузлия представлены одной вытянутой клеткой, у хары клетка междоузлия одета снаружи специальной корой.
Сине-зеленая микро водоросль Спирулина (Spirulina Platensis), являющаяся представителем самых древних на Земле растений (ей более 3млрд лет!), и лишь в ХХ веке явилась ценным открытием для ученых. Спирулина пользуется популярностью более чем в 60 странах мира. У людей, живущих в развитых государствах, это растение составляет около 25% их ежедневного рациона. В новом XXI веке Всемирная Организация Здравоохранения (ВОЗ) планирует расширить ее использование в питании в лечебно-профилактических целях. Чем же уникальна спирулина-водоросль, выращивание, применение, противопоказания ее использования, полезные свойства, - давайте же рассмотрим на www.rasteniya-lecarstvennie.ru сегодня.
Откуда она пришла?
Известно, что еще инки и ацтеки, отличающиеся завидным здоровьем и долголетием, питались лепешками из спирулины (назывались «текуитлатл»). Ее употребляли также африканские народы, проживающие возле озера Чад и населяющие районы котловин в Великой рифтовой долине. В 16 веке на базарных площадях Мехико и в его окрестностях продавались галеты из высушенной Spirulina maxima, растущей в естественном озере со щелочной водой Текскоко.
В 60-е годы 19 века бельгийская экспедиция на местных базарах в районе озера Чад обнаружила продаваемые сине-зеленые галеты, которые состояли из высушенной биомассы водорослей Spirulina platensis. Широкие исследования этой микроводоросли проводились в 1960–1970-е гг. Французском институтом нефти в содружестве с компанией «Соса Текскоко». Определив огромнейшую пищевую и кормовую ценность спирулины, они создали первую опытную фабрику (1973г). Длительные исследования спирулины на ее токсичность, учитывая все международные стандарты качества и безопасности пищи, показали, что водоросль Спирулина не токсична и абсолютно безопасна. На сегодняшний день главными импортерами спирулины (в виде муки и таблеток) стали Япония, Соединенные Штаты и европейские страны.
Выращивание
В естественных условиях спирулина растет в щелочных озерах (рН достигает уровня10.5–11.0). Ветер выбрасывает на берег всплывающие на поверхность водоросли. Биомасса спирулины практически удваивается через каждые 3-4 дня, и поэтому сбор урожая идет круглосуточно.
Для промышленного выращивания сине-зеленой водоросли используются открытые и закрытые культиваторы с растворами питательных сред. Это позволяет получать экологически чистый натуральный продукт с наиболее высокими биохимическими показателями. В современных лабораториях используются технологии выращивания биомассы спирулины с заданным наперёд содержанием необходимых микроэлементов: цинка, селена, йода и пр. Проектируются в будущем и гигантские фермы по выращиванию спирулины на побережье морей и океанов. Со скоростью роста и урожайностью спирулины не сравнится ни одна традиционная сельскохозяйственная культура: если сравнивать среди водорослей, то у спирулины она выше в 5–10 раз.
Применение
Широкий спектр применимости спирулины складывается из двух основных направлений: использование самой биомассы и использование биомассы спирулины как сырья для получения каких-либо ценных веществ. Первое направление включает в себя разнообразные способы использования биомассы спирулины как пищевой добавки в рационе человека и животных, использование биомассы спирулины в медико-биологических процедурах лечебного и профилактического характера. Особое место занимает использование биомассы спирулины в качестве источника микроэлементов (йод, селен и пр.) крайне необходимых для полноценной жизнедеятельности человека. Биомасса спирулины, как готовый продукт к употреблению, используется в различных сферах человеческой деятельности: медицине, косметике, спорте, животноводстве, пчеловодстве, рыбоводстве, птицеводстве, ветеринарии и пр.