Cianobacteriile (Cyanobacteria) sunt un grup de bacterii fotosintetice răspândite pe larg în diferite habitate acvatice (oceane, mări, râuri, lacuri etc.) și habitate terestre (cum sunt solurile umede). Ele pot trăi solitare sau în colonii (cu aspect de filamente sau de sfere). Cianobacteriile sunt producători de oxigen importanți pentru planetă.
Cianobacteriile se numără printre cele mai vechi forme de viață de pe Pământ, împreună cu alte procariote arhaice. Ele existau cu câteva miliarde de ani în urmă în mediile extreme de pe planetă, înainte ca plantele și animalele să apară.
Cele mai vechi fosile cunoscute sunt stromatolitele, care aparent s-au forma sub forma unor movile de lamine de microorganisme, așa cum sunt cianobacteriile și alte alge. Aceste fosile au fost descoperite în rocile din Arhaic din vestul Australiei, iar vârsta lor a fost estimată la 3,5 miliarde de ani.
Primele cianobacterii au jucat un rol în Marele Eveniment de Oxidare, prin eliberarea de oxigen ca produs secundar al fotosintezei. Mai mult, potrivit teoriei endosimbiozei, ele au format asocieri simbiotice cu alte organisme, în care au jucat rolul de endosimbionți pentru celule primitive mai mari. În cele din urmă, cianobacteriile endosimbionte au devenit plastidele din celulele eucariote fotosintetice de astăzi.
În prezent, unele specii de cianobacterii încă trăiesc ca endosimbionți ai anumitor eucariote, așa cum este cazul cianobacteriilor fixatoare de azot. Însă majoritatea cianobacteriilor trăiesc în mod independent în natură.
Termenul de „cianobacterie” provine de la cuvintele „kyanos” („albastru”, în limba greacă) și „bacterie”.
Caracteristicile generale ale cianobacteriilor
Cianobacteriile sunt un grup polifiletic, adică prezintă linii ancestrale diferite. Totuși, ele au trăsături comune între ele. Iată câteva caracteristici comune ale multor specii de cianobacterii:
- Au celule procariote. Această caracteristică este comună tuturor cianobacteriilor. Ele nu au un nucleu delimitat de o membrană – o trăsătură fundamentală a procariotelor.
- Sunt fotoautotrofe. Cianobacteriile sunt primele celule capabile să utilizeze energia solară pentru sinteza propriei hrane.
- Au perete celular. Cianobacteriile prezintă un perete celular compus predominant din peptidoglicani, la interior, și lipopolizaharide, la exterior. La suprafața peretelui exterior există un strat de material fibros.
- Au culoare albastru-verzuie. Cianobacteriile sunt caracterizatee prin prezența unor pigmenți care le conferă culoarea specifică (cian sau albastru-verzui).
- Au pigmenți. Ficobilizomii sunt pigmenții de culoarea alabstru-verzuie a majorității cianobacteriilor. Alți pigmenți sunt clorofilele, care le permit să-și sintetizeze propriile zaharuri prin fotosinteză. Unele specii de cianobacterii, cum sunt Prochlorothrix, Prochlorococcus sau Prochloron, nu prezintă ficobilizomi, dar au clorofilă b.
- Sunt capabile de fotosinteză. Ficobilizomii sunt se află în membranele intracitoplasmatice (tilacoide). Ficobiliproteinele sunt componente ale ficobilizomilor (antene captatoare de lumină ale fotosintemului cianobacterian).
- Au tilacoide. Tilacoidele cianobacteriilor sunt compartimente separate (spre deosebire de cele ale altor bacterii fotosintetice, care se află în continuarea membranei plasmatice). În afară de fotosinteză, tilacoidele sunt implicate și în respirația celulară. Sistemul de transport de electroni al tilacoidelor este utilizat pentru fotosinteză în timpul zilei (la lumină), dar este utilizat pentru respirație în timpul nopții (la întuneric).
- Au carboxizomi. Un carboxizom este o structură compartimentată delimitată de un înveliș proteic. El este utilizat pentru concentrarea dioxidului de carbon și creșterea eficienței enzimei RuBisCo (enzima fixatoare de dioxid de carbon).
- Prezintă organizare celulară. Cianobacteriile pot trăi solitare (ca organismele unicelulare) sau în colonii (formând filamente). Genurile Anabaena, Oscillatoria și Spirulina sunt filamentoase.
- Pot avea celule specializate. Celulele cianobacteriilor filamentoase se pot diferenția în akinete (spori rezistenți la condiții de mediu aspre) sau heterocite (celule capabile de fixarea azotului prin producerea enzimei nitrogenază). Heterocitele se formează atunci când mediul este anoxic și fixarea azotului este insuficientă.
- Sunt fixatori de azot. În afară de fotosinteză, unele cianobacterii sunt capabile de fixarea azotului prin intermediul heterocitelor.
- Prezintă motilitate. Unele specii de cianobacterii sunt imobile, în timp ce altele se pot deplasa prin alunecare. Filamentele mobile ale celulelor cianobacteriene se numesc hormogonii. Unele celule solitare se pot desprinde de aceste filamente pentru a forma o colonie în altă parte.
- Formează vezicule cu gaz. Pentru a pluti, cianobacteriile formează vezicule sau vacuole cu gaz (vezicule delimitate de un înveliș proteic, nu lipidic). Multe cianobacterii planctonice folosesc aceste vezicule pentru a pluti spre suprafață sau pentru a se scufunda.
- Se reproduc asexuat. Cianobacteriile se reproduc prin fisiune binară. Unele specii sunt capabile de fisiune multiplă pentru a forma endospori cianobacterieni (baeocite). Un exemplu în acest sens este Pleurocapsa sp.
Diagramă a unei celule cianobacteriene tipice.
Clasificarea cianobacteriilor
Cianobacteriile fac parte din încrengătura Cyanophyta din regnul Protista, împreună cu alte încrengături: Euglenophyta, Chrysophyta, Pyrrophyta, Chlorophyta, Phaeophyta, și Rhodophyta (Pascher, A., 1914).
Dintre protiste, cianofitele se aseamănă cel mai mult cu plantele în privința capacității de fotosinteză, trăsătură asociată, de obicei, cu plantele. Totuși, spre deosebire de plante (embriofite), cianofitele nu au rădăcini, tulpini și frunze adevărate.
Descoperirile recente au dus la modificări în poziția taxonomică a cianobacteriilor și la un nou sistem de clasificare. În prezent, cianofitele (sau algele albastre-verzi) sunt numite mai frecvent Cyanobacteria, o încrengătură a bacteriilor.
În ficologie, cianofitele sunt privite în continuare ca un grup de alge, iar încrengătura Cyanophyta este încrengătura de care aparțin toate algele albastre-verzi. Cianofitele sunt singurele alge procariote. Toate celelalte grupuri de alge sunt eucariote.
| Ordine de cianobacterii | Trăsături generale | Exemple de genuri |
|---|---|---|
|
Chroococcales |
Cianobacterii de formă sferică, cilindrică sau de bastonaș, care pot forma colonii sub forma unor mase dense pe roci sau suprafețe umede |
Microcystis, Pleurocapsa, Gloeocapsa, Aphanocapsa |
|
Pleurocapsales |
Cianobacterii de formă sferică și formatoare de spori, care se divid prin fisiune multiplă și produc endospori (baeocite) |
Pleurocapsa, Odorella, Dermocarpella |
|
Oscillatoriales |
Cianobacterii filamentoase uniseriate, dar care nu formează achinetospori, heterocite sau ramuri adevărate |
Oscillatoria, Phormidium, Lyngbya |
|
Nostocales |
Cianobacterii care pot forma heterocite, achinetospori și ramuri false |
Anabaena, Nostoc, Richelia, Calothrix |
|
Stigonematales |
Cianobacterii care pot forma heterocite, achinetospori și ramuri adevărate |
Stigonema, Mastigocladus |
Evoluția cianobacteriilor
Potrivit teoriei endosimbiozei, eucariotele fotosintetice au evoluat din eucariote primitive care au ingerat procariote fotosintetice primitive, așa cum sunt cianobacteriile. Un eveniment endosimbiotic primar a dus la evoluția a trei grupuri de eucariote endosimbiotice principale: plantele verzi, algele roșii și glaucofitele. Aceste grupuri formează grupul monofiletic Archaeplastida.
Se crede că celula cianobacteriană primitivă din interiorul celulei eucariote ar fi devenit plastida (cloroplastul) de astăzi. Cloroplastul și celula cianobacteriană par să aibă în comun anumite trăsături morfologice, filogenetice, genetice și biochimice.
După evenimentul endosimbiotic primar au urmat un eveniment endosimbiotic secundar și un altul terțiar, care au dus la ultimele descendențe de eucariote fotosintetice, așa cum sunt algele eucariote.
Diagrama de mai jos ilustrează evoluția eucariotelor. Mitocondria din celula eucariotă a evoluat din bacteriile aerobe, în timp ce cloroplastul a evoluat dintr-un organism fotosintetic asemănător cianobacteriilor.
Teoria endosimbiozei – plastidele își au originea în cianobacterii
Rolul și importanța cianobacteriilor
Cianobacteriile îndeplinesc mai multe roluri ecologice importante.
Cianobacteriile planctonice
Cianobacteriile fac parte din fitoplancton, împreună cu microalgele, cum sunt dinoflagelatele, diatomeele și algele verzi. Fitoplanctonul este vital pentru orice ecosistem acvatic datorită activității sale fotosintetice și faptului că este un producător primar. Fitoplanctnul este o sursă de hrană esențială pentru animale, de la cele mai mici (zooplancton), până la cele mai mari (balenele albastre).
Înfloririle cianobacteriene
Cianobacteriile se întâlnesc în ecosistemele acvatice, cum sunt mediile marine și solul umed. Atunci când condițiile sunt favorabile, ele se dezvoltă exponențial. Acest fenomen poartă denumirea de înflorire.
Înfloririle cianobacteriene apar predominant în mediile acvatice calde, stagnante sau cu curgere lină, deoarece aceste medii tind să acumuleze cantități mari de nutrienți, cum sunt fosforul și azotul. Acest fenomen poate apărea nu doar în apele dulci, ci și în cele marine.
Cele mai des întâlnite bacterii din înfloriri sunt cele din genurile Microcystis, Planktothrix și Anabaena (Dolichospermum).
Cianobacteriile produc metaboliți secundari toxici (cianotoxine), pe care îi eliberează în mediu, mai ales în cazul morții celulei cianobacteriene. Aceste toxine pot otrăvi peștii și alte animale acvatice. Cianotoxinele includ neurotoxine, hepatotoxine și dermatoxine, care perturbă sistemul nervos, ficatul și, respectiv, pielea oamenilor sau animalelor cale le ingerează. Exemple de cianotoxine sunt microsistinele, anatoxinele, cilindrospermopsinele și saxitoxinele.
Pe de altă parte, cianobacteria filamentoasă Spirulina sp. este cultivată din considerente terapeutice asupra sănătății omului și datorită conținutului său bogat în nutrimente, cum sunt calciul, fierul, magneziul, potasiul, sodiul și aminoacizii esențiali.
Cianobacteriile sunt cultivate în masă și pentru activitățile de bioremediere și producția biocombustibililor.
Înfloririle cianobacteriene sunt amplificate de eutrofizarea antropică a habitatelor acvatice. Creșterea temperaturilor, stratificarea pe verticală, creșterea cantității de dioxid de carbon din atmosferă și concentrațiile ridicate de fosfor din lacuri și oceane pot duce la dezvoltarea exponențială a populațiilor de cianobacterii.
Fixarea azotului
Unele cianobacterii fixează azotul prin intermediul unor celule specializate numite heterocite. Cianobacteriile fixatoare de azot pot fixa azotul din atmosferă sub o altă formă (amoniac, nitriți sau nitrați) care poate fi apoi utilizată de alte organisme (plante sau animale) la sinteza proteinelor și a acizilor nucleici. Așadar, aceste cianobacterii pot forma o simbioză cu alte organisme.
Anabaena sp. este un exemplu de cianobacterie fixatoare de azot. Într-o colonie de Anabaena, unele celule se transformă în heterocite. Celulele de Anabaena pot forma o simbioză cu feriga acvatică Azolla. În interiorul celulei-gazdă de Azolla, ele formează o colonie și își dezvoltă heterocite care fixează azotul atmosferic pentru gazdă.
Cianobacteriile fixatoare de azot sunt crescute în orezării ca alternativă la îngrășămintele chimice cu azot.
Stabilizarea solului
În cadrul habitatelor terestre cu soluri umede, cianobacteriile ajută la stabilizarea solului. Dezvoltarea lor previne eroziunea și reține apa. De exemplu, Microcoleus vaginatus este o cianobacterie care produce o teacă polizaharidică ce leagă particulele de sol și ajută la reținerea apei.
Ciclul oxigenului
Cianobacteriile sunt jucători importanți în ciclul oxigenului. Prochlorococcus sp. produce o cantitate însemnată de oxigen prin fotosinteza desfășurată la nivelul întregului ocean.
Heterotrofia
Unele cianobacterii pot deveni heterotrofe. Unele cianobacterii parazite heterotrofe pot cauza boli la nevertebrate, ca de exemplu la corali.
Sursa: Biology Online