Cianobakterije: modro-zelene bakterije, pionirji fotosinteze

Cianobakterije so takson bakterij, ki izvajajo fotosintezo. Niso alge, čeprav so jih nekoč imenovali modrozelene alge. To je filum bakterij s približno 1500 vrstami. Po endosimbiontski teoriji so kloroplasti (plastidi) potomci cianobakterij. To dokazuje njihov profil DNK.

Fosilni zapis o cianobakterijah je izjemno dolg, saj se je začel vsaj pred 3.500 milijoni let. Bile so glavni organizmi v stromatolitih v arheju in proterozoiku.

Sposobnost cianobakterij, da izvajajo kisikovo fotosintezo, je zelo pomembna. Zgodnje ozračje na Zemlji je bilo večinoma redukcijsko, torej brez kisika. Cianobakterije v stromatolitih so bili prvi znani organizmi, ki so fotosintetizirali in proizvajali prosti kisik. Po približno milijardi let se je zaradi učinka te fotosinteze začela velika sprememba v ozračju. Proces, imenovan Veliki dogodek oksigenacije, je trajal zelo dolgo. Sčasoma je uničil večino organizmov, ki niso mogli živeti v kisiku, in pripeljal do takšnega okolja, kot ga poznamo danes, kjer večina organizmov uporablja in potrebuje kisik.

Morfologija in celična zgradba

Cianobakterije so prokariotske — nimajo jedra. Njihove fotosintetske membrane so razporejene v notranjih ploskih slojih, ki jim pravimo thylakoidi, vendar niso organeli, kot so kloroplasti v rastlinskih celicah. V svetlobi uporabljajo predvsem klorofil a in dodatne pigmentne beljakovine (fikobilioproteine), kot sta fikocianin in fikoeritrin, kar jim daje značilne modro-zeleno, rdečkasto ali rumenkasto barvo.

Oblike so zelo različne: enocelične, kolonialne, nitaste (filamentne) in razvejane strukture. Nekatere nitaste vrste razvijejo posebne celice, kot so heterocisti (za fiksacijo dušika) in akineti (počivajoče, odporne spore). Veliko vrst ima tudi plavajoče mehurčke (gas vesicles), ki jim pomagajo regulirati plavanje v vodnem stolpcu.

Funkcije in presnova

Cianobakterije izvajajo kisikovo fotosintezo: kot elektronski donor uporabljajo vodo in kot produkt sproščajo prosti kisik. Poleg tega imajo nekatere vrste sposobnost fiksacije atmosferskega dušika z encimom nitrogenazo. Ker je nitrogenaza občutljiva na kisik, imajo nitaste vrste heterociste ali časovno/strukturno ločijo procese fotosinteze in fiksacije dušika.

Življenjski prostor in ekološka vloga

Cianobakterije naseljujejo skoraj vsa okolja: morske in sladkovodne ekosisteme, tla, mokrišča, vroče vrelce, polarne pegice in kamnine. V oceanih so nekatere vrste iz rodu Prochlorococcus in Synechococcus med najpogostejšimi fotosintetskimi organizmi in prispevajo velik delež primarne proizvodnje v svetovnih morjih.

Ekološko so pomembni kot primarni proizvajalci — pretvarjajo sončno energijo v organsko snov — in kot kolonizatorji sterilnih ali ekstremnih habitatsov. V preteklosti so bili gradniki stromatolitov, velikih kamnitih struktur, in so soustvarjali prehod Zemljine atmosfere v kisikovo bogato stanje. Dandanes tudi vplivajo na biogeokemične cikle ogljika, dušika in fosforja.

Fosili in zgodovina Zemlje

Fosilni dokazi kažejo prisotnost cianobakterij vsaj pred približno 3,5 milijarde let, kar jih uvršča med najstarejše znane fotosintetske organizme. Njihovo dolgotrajno delovanje je pomembno prispevalo k Velikemu dogodku oksigenacije, ki je naučilo ozračje v kisik bogato stanje — sodoben geokemični konsenz ocenjuje, da je do pomembnega povečevanja kisika prišlo približno pred 2,4 milijarde let.

Cianobakterijske cvetele in toksini

V pogojih presežka hranil (eutrofikacija), stabilnega vremena in tople vode lahko cianobakterije hitro razmnožijo in tvorijo t. i. cvetove (blooms). Ti cvetovi so lahko estetsko neugledni in nevarni, saj nekatere vrste proizvajajo toksične spojine — npr. mikrocistine, anatoksine ali cilindrospermopsine —, ki so škodljive za ribe, živino in ljudi. Ob stiku z onesnaženo vodo se zato priporoča previdnost: ne pitje, ne plavanje in varovanje živali pred pitjem takšne vode.

Simbiotske povezave in pomen za evolucijo

Cianobakterije tvorijo simbioze z raznimi organizmi: v lišajih sodelujejo s plesnijo oziroma glivo, nekateri brezvretenčarji (spužve, protisti) in rastline (npr. cikade) gostijo cianobakterije, ki lahko fiksirajo dušik. Po endosimbiontski teoriji so kloroplasti rastlin in alg nastali iz prastarega vstopa cianobakterijske celice v nekatere eukariotske prednike; DNK in strukture kloroplastov podpirajo to idejo.

Uporaba in pomen za človeka

• Prehrana in dodatki: Nekatere vrste (npr. komercialno znani Arthrospira ali "spirulina") se uporabljajo kot prehranski dodatek zaradi visoke vsebnosti beljakovin in mikrohranil. Pri nakupu je pomembno zagotoviti, da izdelek ni onesnažen s cianotoksini.
• Biotehnologija: Cianobakterije so predmet raziskav za proizvodnjo biogoriv, bioplastike, barvil in kot vir bioaktivnih spojin.
• Ekološke aplikacije: Uporabljajo se za izboljšanje rodovitnosti tal (biofertilizer) in v sistemih za čiščenje odpadnih voda (bioremediacija), vendar nadzor nad cvetenjem in toksini ostaja izziv.

Zaključek

Cianobakterije so ključni in starodavni organizmi z veliko biološko, ekološko in evolucijsko vlogo. Njihova sposobnost fotosinteze in — pri nekaterih vrstah — fiksacije dušika je vplivala na sestavo Zemljine atmosfere in omogočila razvoj oksigenskih ekosistemov. Hkrati pa predstavljajo sodobne izzive (toksični cvetovi) in priložnosti za trajnostne tehnologije, zato ostajajo predmet intenzivnih znanstvenih raziskav.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj so cianobakterije?

V: Kako dolgo obstajajo fosilni zapisi o cianobakterijah?

V: Kakšno je bilo zgodnje ozračje na Zemlji?

V: Kako je prisotnost cianobakterij vplivala na ozračje?

V: Kateri dokazi podpirajo teorijo o endosimbiontih?

V: Kaj omogoča fotosinteza cianobakterijam?

Išči po črki