Водоросли

Водоросли — внетаксономическая группа, включающая несколько отделов и насчитывающая более 100 тыс. видов. Водоросли называют также низшими растениями, так как им не свойственно разделение тела на ткани и органы.

Водоросли являются самой древней группой растений. Они прошли длительный эволюционный путь, приспосабливаясь к различным сменявшимся условиям на Земле.

Раздел биологии, изучающий водоросли, называется альгологией.

Строение водорослей

По строению тела водоросли делятся на одноклеточные, колониальные и многоклеточные. Тело водорослей называется талломом, или слоевищем. У многоклеточных форм оно не разделяется на ткани и органы, но у некоторых водорослей можно обнаружить на талломе особые нитевидные выросты — ризоиды. Они служат в основном для прикрепления, но могут также выполнять функцию всасывания воды и минеральных веществ.

Строение таллома многоклеточных водорослей

Разнообразие талломов водорослей: а — одноклеточный (эвглена); б — колония одноклеточных (вольвокс); в — многоклеточный нитчатый (спирогира); г — многоклеточный членисто-мутовчатый (нителла); д — многоклеточный пластинчатый (хондрус)

Клетки водорослей, как и клетки других растений, окружены мембраной, а поверх неё — клеточной стенкой; имеют ядро, вакуоли с клеточным соком, другие органоиды, в том числе хлоропласты, которые у водорослей называются хроматофорами. Хроматофоры могут иметь различную форму: дисковидную, спиралевидную, чашевидную, звёздчатую и т. д. В хроматофорах обязательно содержится пигмент зелёного цвета — хлорофилл, обеспечивающий фотосинтез, а также могут содержаться пигменты других цветов: жёлтого, оранжевого, красного, бурого. От их содержания зависит окраска тела водорослей: она может быть ярко- или тёмно-зелёной, бурой, красной, розовой, золотистой.

Некоторые одноклеточные водоросли имеют жгутики и способны к активному движению.

Строение хламидомонады

Экологические особенности и питание водорослей

Основной способ питания водорослей — автотрофный.

Но некоторые водоросли способны к гетеротрофному способу питания:

• впитывая растворённые органические вещества всей поверхностью клетки (хламидомонада, хлорелла),
• заглатывая пищевые частицы через клеточный рот (эвглена).

Несмотря на название, водоросли обитают не только в водной среде, но и на поверхности почвы, в её толще, на коре деревьев, прибрежных камнях, скалах. Существование наземных водорослей тоже тесно связано с водой, однако они довольствуются атмосферной или грунтовой влагой, росой, брызгами волн или водопадов.

Планктонные водоросли вызывают цветение водоёмов (рис. а). Одноклеточные водоросли рода Плеврококк часто образуют зелёный налёт на коре деревьев (рис. б).

Водоросли синтезируют органические вещества в процессе фотосинтеза, всасывая воду и минеральные соли всей поверхностью тела. Но толща воды рассеивает и поглощает солнечный свет: по мере погружения световой поток уменьшается и меняется его спектр. Лучи красной части спектра практически не проникают глубже 12 м. А именно эти лучи заставляют «работать» хлорофилл. Поэтому для лучшего обеспечения фотосинтеза у многих групп глубоководных водорослей появились дополнительные пигменты, поглощающие лучи доступной синей области спектра.

Так, на глубине 20–30 м можно встретить заросли морских бурых водорослей рода Макроцистис (рис. в), а  красные водоросли рода Аспарагопсис способны поселяться на глубине до 60 м (рис. г).

 Места обитания водорослей (а—д)

Размножение водорослей

У водорослей встречается бесполое и половое размножение.

Бесполое вегетативное размножение может осуществляться простым разделением многоклеточного организма на части (фрагментацией) или с помощью выводковых веточек или клубеньков. Бесполое размножение водорослей осуществляется также при помощи спор.

При половом размножении в клетках образуются специализированные половые клетки — гаметы, которые выходят наружу, где попарно сливаются, образуя зиготу. У некоторых водорослей специализированных половых клеток нет: образование зиготы происходит путём слияния содержимого двух вегетативных клеток. Такой половой процесс называют конъюгацией.

Споры водорослей образуются внутри особых клеток. При этом клетка-спорангий многократно делится на части внутри оболочки, которая затем разрывается, и продукты деления выходят наружу. Особь, на которой формируются спорангии, называют спорофитом. Споры водорослей могут быть подвижными (зооспоры) и неподвижными (апланоспоры).

Клетки, в которых образуются гаметы, называются гаметангиями, а растения, несущие гаметангии, — гаметофитами.

У водорослей встречается несколько вариантов полового процесса:

• изогамия — слияние двух одинаковых по форме и размеру подвижных гамет;
• гетерогамия — слияние двух одинаковых по форме, но разных по размеру подвижных гамет;
• оогамия (овогамия) — слияние крупной неподвижной яйцеклетки с мелким подвижным сперматозоидом;
• конъюгация — слияние содержимого двух вегетативных клеток.

Образовавшаяся зигота часто покрывается плотной оболочкой и превращается в зигоспору (зигоцисту). В таком виде она пережидает неблагоприятные условия, например засушливый или зимний период. При наступлении благоприятных условий зигоспора либо сразу прорастает, либо сначала в ней происходит мейоз. При мейозе из неё выходят четыре или одна спора, в этом случае ещё три клетки, образовавшиеся при делении, гибнут. У разных видов споры могут быть со жгутиками (подвижными) или безжгутиковыми (неподвижными). Споры дают начало новым организмам.

У бурых водорослей, например у ламинарии, в жизненном цикле чередуются два поколения — бесполое (спорофит) и половое (гаметофит). Спорофит развивается из зиготы, без её деления, он диплоидный. В особых органах спорофита — спорангиях — происходит мейоз и образуются гаплоидные споры. Из этих спор вырастают гаметофиты, гаплоидное половое поколение. На гаметофитах развиваются гаметангии, в которых образуются гаметы. Во внешней среде (в воде) или прямо на женском гаметофите происходит копуляция — встреча гамет — и образуется зигота.

Гаметофиты и спорофиты водорослей могут внешне сильно различаться или не иметь выраженных морфологических отличий. Также гаметофиты могут быть однодомными (обоеполыми), когда на одной особи развиваются и мужские, и женские гаметы, или двудомными (раздельнополыми), когда мужские гаметы образуются на одних особях, а женские — на других.

Классификация водорослей

Отдел Зелёные водоросли

Зелёные водоросли — самый обширный отдел, насчитывающий около 20 тыс. видов.

У представителей этого отдела преобладает пигмент хлорофилл, именно он определяет их окраску.

Поскольку зелёные водоросли содержат хлорофилл, в качестве запасного вещества накапливают крахмал, а также многие имеют клеточные стенки из целлюлозы, учёные полагают, что эта группа организмов дала начало всем высшим растениям.

Зелёные водоросли широко распространены в пресных и морских водах, встречаются также на суше в увлажнённых местообитаниях: в почве, на коре деревьев, на камнях. Они представлены различными жизненными формами: одноклеточными, колониальными, нитчатыми и многоклеточными, а размеры их талломов варьируются от нескольких микрометров до нескольких метров.

Представителями одноклеточных зелёных водорослей являются хламидомонада и хлорелла.

Хламидомонада имеет чашевидный хроматофор, красный глазок (стигму) и пульсирующие вакуоли, удаляющие из клетки воду и ненужные вещества. На переднем конце тела имеются два жгутика, с помощью которых она активно передвигается в воде. Разные виды этого рода обитают в мелких водоёмах, лужах, канавах, на почве и даже на снегу.

Хлорелла похожа на мелкие зелёные шарики, которые можно обнаружить под микроскопом в воде из пресных и солоноватых водоёмов. Обитает также в сырой почве и на коре деревьев.

Способна очень быстро размножаться: за сутки её масса увеличивается в 10 раз. При этом в клетках накапливаются ценные белки, жиры и витамины. Высушенную биомассу хлореллы и выделенный из неё белок используют для производства биологически активных добавок для человека, а также как корм для животных. Хлорелла может также использоваться для биологической очистки сточных вод.

Представителями нитчатых зелёных водорослей являются улотрикс и спирогира.

Нитчатые зелёные водоросли обитают в стоячих и медленно текущих водах, где нередко образуют скопления тины. Характерным признаком спирогиры является лентовидный, спирально закрученный хроматофор, а у улотрикса хроматофор имеет вид широкого незамкнутого пояска, изнутри опоясывающего клетку.

Тина из нитчатых зелёных водорослей (а) и фрагмент нитчатого таллома спирогиры под микроскопом (б)

Талломы некоторых зелёных водорослей имеют пластинчатую структуру. На ранних стадиях развития талломы состоят из прикреплённой к субстрату нити, затем кроме поперечных делений у клеток, образующих нить, наступают продольные, которые ведут к формированию двухслойной пластинки. Пластинчатый таллом имеет, например, ульва, обитающая главным образом в морях субтропического и умеренного поясов, в России — в Азовском и Чёрном морях. Многие виды этого рода съедобны и известны под названием «морской салат».

Одной из самых древних групп зелёных водорослей являются сифоновые водоросли. У них таллом образован, как правило, одной гигантской клеткой. В цитоплазме кроме одного или нескольких ядер содержится также один или несколько хлоропластов. Многочисленные хлоропласты обладают дисковидной или веретеновидной формой; когда хлоропласт один, он имеет сетчатое строение. Примерами таких водорослей являются каулерпа и ацетабулярия.

Ацетабулярия — гигантская одноклеточная водоросль, также известная как «бокал русалки». Стебелёк взрослого растения имеет длину до 10 см, а зонтик — до 1,5 см в диаметре.

Нижняя часть одноклеточного слоевища (ризоид) находится в грунте. В ризоиде расположено ядро. Вверх растёт ножка (стебелёк), на её конце формируется шляпка (зонтик). Для размножения по периферии шляпки образуются споры, из которых вырастают новые растения.

Длина таллома каулерпы может превышать 2 метра, что позволяет считать её крупнейшим одноклеточным организмом на Земле. Внутри таллома нет межклеточных перегородок (септ), поэтому каулерпа представляет собой единственную клетку с многочисленными ядрами.

Ацетабулярия

Отдел Бурые водоросли

Бурые водоросли — это многоклеточные, почти исключительно морские растения. Всего известно около 1,5 тыс. видов из 250 родов, и только 3 рода обитают в пресных водоёмах.

Бурые водоросли в хроматофорах содержат бурый пигмент, который маскирует остальные пигменты. Заросли бурых водорослей встречаются до 30–40-метровой глубины, с помощью дополнительных пигментов они могут осуществлять фотосинтез на такой глубине в условиях дефицита света.

Бурые водоросли имеют крупные пластинчатые талломы до 30 метров в длину. Талломы имеют ризоиды для прикрепления к субстрату.

Многие из видов бурых водорослей растут в приливно-отливной зоне (на литорали) и во время отлива оказываются на суше. Для защиты от высыхания они образуют много слизистых веществ. Представителями бурых водорослей являются съедобные фукус и ламинария, а также макроцистис — самая крупная водоросль, таллом которой достигает 200 м в длину, и саргассы, затрудняющие движение кораблей.

Отдел Красные водоросли, или Багрянки

На глубине более 40 метров света не хватает и для бурых водорослей. Там обитают красные водоросли, пигменты которых способны использовать синюю часть спектра солнечного света. Основные пигменты этой группы водорослей: хлорофилл, каротиноиды (жёлто-оранжевые), фикобилины (красно-синие).

Встречаются красные водоросли и на более мелких участках дна, вплоть до границы воды и суши. В основном это морские растения с пластинчатыми или кустистыми талломами средних размеров, но есть и обитатели пресных вод, и одноклеточные представители. Всего известно около 4 тыс. видов багрянок.  

Представители морских красных водорослей: порфира, хондрус, филлофора. Многие виды морских багрянок употребляются в пищу, используются для получения агар-агара и медицинских препаратов.

В пресных водоёмах (ручьях и болотах) распространён батрахоспермум ( «жабья икра») в виде разветвлённых сине-зелёных кустиков, окутанных бесцветной студенистой слизью, придающей ему отдалённое сходство с икрой лягушек или жаб.

Роль водорослей в природе

Выделение кислорода

Водоросли поглощают из воды углекислый газ и насыщают её кислородом. Кроме того, значительная часть кислорода, выделяемого водорослями Мирового океана, попадает в атмосферу. Водоросли — древнейшие фотосинтезирующие организмы на нашей планете. Они были создателями кислородной атмосферы древней Земли. В настоящее время водоросли Мирового океана — один из основных поставщиков кислорода в атмосферу наряду с таёжными и тропическими лесами.

Производство органических веществ, начальное звено пищевых цепей

В морях и океанах водоросли являются основными производителями органического вещества. Все водные животные так или иначе зависят от продуктивности водорослей, так как именно водоросли являются начальным звеном пищевых цепей большинства водных экосистем и служат кормом для растительноядных организмов.

Средообразующий компонент: места обитания водных организмов

Водоросли — средообразующий компонент многих водных экосистем. Заросли водорослей являются местом постоянного обитания или временного убежища, а также нагула и нереста многих водных организмов.

Симбионты

Некоторые виды одноклеточных водорослей являются одним из симбиотических компонентов в формировании лишайников.  

Многочисленную группу составляют симбиозы одноклеточных водорослей с одноклеточными и многоклеточными животными (инфузориями, губками, кишечнополостными, моллюсками).

Плодородие почвы

Водоросли, обитающие в почве, участвуют в формировании её структуры и плодородия

Образование осадочных пород

Ряд горных пород — диатомиты, некоторые сланцы и известняки — образованы панцирем диатомовых водорослей, обитавших в морях в прошлые геологические эпохи.

Роль водорослей в жизни человека

В жизни человека велика положительная роль водорослей как продукта питания, промышленного сырья, компонента биоочистки воды и т. д. Однако массовое размножение некоторых видов водорослей может наносить ущерб хозяйственной деятельности человека.

Ценный пищевой продукт

Съедобные водоросли — ламинария, фукус, порфира, ульва — богаты минеральными веществами, особенно иодом. Они традиционно используются в дальневосточной и восточноазиатской кухнях.

Сырьё для пищевой и химической промышленностей

Из некоторых морских водорослей — анфельции, хондруса, филлофоры — получают желатинообразные вещества и соединения иода, используемые в пищевой, целлюлозно-бумажной, парфюмерной промышленностях, а также при производстве лекарственных препаратов.

Корм для скота

В некоторых странах водоросли культивируют для получения биомассы, идущей на корм скоту.

Удобрение

В приморских регионах выброшенные на берег водоросли используют как органическое удобрение для сельскохозяйственных угодий. Зола от сжигаемых водорослей используется как калийное удобрение.

Очистка сточных вод

Многие водоросли — хламидомонада, хлорелла — являются важными компонентами процесса биологической очистки сточных вод.

Биотехнологии

Одноклеточную зелёную водоросль хлореллу используют для производства кислорода в замкнутых экосистемах, например на космических станциях и подводных лодках. Макроцистис грушевидный выращивают на подводных плантациях как энергетическое сырьё — для получения биогаза.

Наука и биоиндикация

Такие водоросли, как хламидомонада и хлорелла, широко применяются для биологического тестирования токсичности химических веществ и качества очистки загрязнённых вод.

Гигантская одноклеточная водоросль ацетабулярия используется учёными-генетиками как лабораторный объект для исследования роли ядра и цитоплазмы в жизни клетки.

Агар-агар, получаемый из красных водорослей, используется для приготовления питательных сред, на которых выращиваются лабораторные микроорганизмы.

«Цветение» водоёмов  

«Цветением» водоёмов называют избыточное размножение в них одноклеточных планктонных водорослей. Они вызывают гибель рыбы в рыбных хозяйствах (заморы) и могут придавать неприятный вкус и запах питьевой воде. Некоторые виды таких водорослей известны своей токсичностью. Появление в воде ядовитых веществ, выделяемых клетками водорослей, является причиной отравления и даже гибели приходящего на водопой скота.  

Водоросли-обрастатели и «луга океана»

Бурное развитие одноклеточных и нитчатых водорослей способствует загрязнению очистных сооружений и систем водоснабжения. Вместе с другими организмами водоросли могут участвовать в обрастании морских судов и ухудшать их ходовые качества: замедлять скорость движения и увеличивать расход топлива. Водоросли-макрофиты — саргассы, макроцистис —  ризоидами прикрепляются ко дну. Когда они отрываются, то образуют плавающие на поверхности океана скопления слоевищ. Они формируют так называемые луга океана, которые затрудняют движение кораблей.