Красные водоросли: интересные данные и факты. Красные водоросли: полезные и опасные
Имеющих преимущественно красную окраску. В настоящее время известно более 600 родов и около 5 тысяч видов этих растений . Представители данной группы – порфира, грациллярия, анфельция. Ископаемые красные водоросли известны с мелового периода. В процессе эволюции их считают наиболее примитивными растениями – предшественниками более организованных форм.
Практически все виды красных водорослей – обитатели соленых водоемов (морей, океанов), только около 200 видов – пресноводные формы. Обитают багрянки и в прибрежной полосе, и на большой глубине (до 200 м), где часто являются преобладающими формами в морской флоре. В морях России встречается более 400 видов.
Обычно красные водоросли – это достаточно крупные растения, реже встречаются микроскопические виды. В этой группе есть нитчатые и псевдопаренхимные формы, редкие одноклеточные виды (бапгиевые). Характерно отсутствие истинно паренхимных форм.
Таллом . Слоевище типичного представителя группы имеет сложное анатомическое строение. Окраска различна – от ярко-красной, малиновой до оттенков желтого и голубовато-зеленого цвета, что обусловлено сочетанием различных пигментов в хлоропластах клеток.
Строение клетки . Все эти водоросли эукариоты. Клеточная стенка представлена основной тканью из фибрилл целлюлозы либо ксилана и аморфной материей, состоящей из агара, агароидов, каррагинана, имеющих желирующие свойства. У некоторых видов клеточная стенка пропитана карбонатом кальция или магния, что придает ей повышенную прочность. Так, кораллиновые водоросли внешне выглядят как кораллы, так как их оболочки сильно кальцинированы.
В хлоропластах клеток содержатся, кроме хлорофилла и каротиноидов, ряд синих и красных пигментов, определяющих окраску водорослей. В качестве запасного питательного вещества в клетках красных водорослей накапливается багрянковый крахмал (близкий по строению к гликогену и амилопектину), который краснеет от йода, содержащегося в морской воде. Также в цитоплазме запасаются многоатомные спирты и флоридозид – низкомолекулярный углеводород.
Размножение красных водорослей . Размножение происходит посредством полового процесса, вегетативное или бесполое. Бесполое размножение осуществляется неподвижными спорами. При половом происходит слияние мужских половых клеток (спермаций) с женскими (карпогонами). Появляются нитевидные выросты, несущие карпоспоры, - диплоидное поколение.
Багрянки играют важную роль в природе и жизни морских обитателей. Эти растения служат кормом морским животным, участвуют в естественном самоочищении водоемов, иногда определяют характер флоры в определенных областях.
Значение . Огромное практическое значение имеют такие водоросли из данного отдела, как анфельция, филлофлора, гелидиум, фурцелярия, из которых получают желеобразующие вещества – агар-агар, карраген, агароид. Некоторые виды багрянок употребляют в пищу (порфира, грацилярия).
Красные водоросли , как и бурые, почти все обитают в морях. Это многоклеточные растения, достигающие значительной величины (до 2 м), их слоевище обычно так расчленено, что напоминает стебель и листья. Красные водоросли в своих мелких хроматофорах, кроме хлорофилла, содержат пигмент красного цвета - фикоэритрин и другие пигменты. Окраска этих пигментов обусловливает окраску водорослей в розовый, красный, синеватый и другие цвета. Известно около 4 000 видов. Размножаются вегетативно, спорами и половым путем. Наиболее известными являются порфира, радимения.
Тело багрянок очень нежное, хрупкое. Великолепная их окраска, переливающаяся множеством тонов, от ярко-красной до почти черной. В сочетании с причудливыми очертаниями багрянок она обусловливает несравненную красоту подводного царства.
Практическое значение багрянок для человека велико. Одну из живущих в Северном море водоросль — хондрус - употребляют как лекарство при заболевании дыхательных путей. Красные водоросли используются для добывания растительного студия агар-агара, применяемого в кондитерском производстве и в микробиологии - для получения чистых культур микробов. Природные запасы багрянок в нашей стране незначительны, поэтому ученые занимаются разработкой научных основ выращивания красных водорослей в Черном море.
Значение водорослей в природе и в жизни человека огромно, так как они создают биомассы больше, чем наземные растения.
В соленых и пресных водных бассейнах (моря, озера и т. д.) водоросли образуют огромные скопления: плавающие в поверхностных (до глубины 100 м) слоях водоема - планктон, или живущие на дне - бентос. Вся масса разнообразных видов водорослей, живущих в воде, в 10 раз превосходит массу разнообразных наземных видов растений. Роль водорослей в природе огромна. Водоросли синтезируют органические вещества. Некоторые исследователи утверждают, что одни диатомовые водоросли синтезируют 50% органических веществ, создаваемых вообще на Земле. Водоросли поедаются мелкими водными животными, которых, в свою очередь поедают рыбы. Таким образом, планктон и бентос являются своего рода пастбищами для мелких морских животных, рыб и крупных морских животных вплоть до кита.
В процессе фотосинтеза водорослями выделяется кислород, растворяющийся в воде и так необходимый для дыхания рыб и других водных животных.
Водоросли имеют большое экономическое значение для человека. Как уже упоминалось выше, многие виды водорослей используются в пищу в Японии, Китае, Индии, Англии, Ирландии, Норвегии, России и других странах. Так, некоторые виды багряных водорослей употребляются в пищу под собирательным названием морского салата. Широко известна морская капуста из ламинарии.
Переработка водорослей как пищевого продукта производится на заводах в широких масштабах.
Из багрянок добывается агар-агар, из бурых и красных водорослей получают йод и бром, а также калийные соли. Водоросли богаты витаминами. Из ламинарий и других водорослей получают клей, используемый в бумажной и текстильной промышленности. Сухая перегонка водорослей дает уголь, смолу, метиловый спирт, ацетон и др.
В приморских районах водоросли используются на корм скоту и для удобрения полей как органическое удобрение. Водоросли планктона и бентоса, оседая на дно водоема, образуют отложения органического ила, называемого сапропелем.
Сапропель используется в химической промышленности, в сельском хозяйстве (корм и удобрения) и в медицине - грязелечение.
– это одно из самых крупных подцарств водорослей, которое насчитывает более 5000 различных видов. Они практически исключительно являются многоклеточными морскими водорослями, и именно к ним принадлежат многие распространенные разновидности водорослей, которые употребляются человеком. Их можно противопоставить, прежде всего, бурым и зеленым водорослям, но не следует путать с подцарством Dinoflagellata, в которое входят водоросли, вызывающие так называемый «красный прилив».
Во многих странах по всему миру, в частности в Азии, многие виды красных водорослей употребляются в пищу. Как правило, красные водоросли имеют высокую пищевую ценность, и их, как и другие водоросли, чрезвычайно просто выращивать, в связи с чем они являются идеальным пищевым источником, поскольку позволяют при минимальных затратах производить огромное количество продукции.
Одной из очень известных разновидностей красных водорослей, которую культивируют по всему миру, в особенности в Японии, является нори . Нори играет важную роль в приготовлении пищи, в частности – суши и роллов.
Еще один вид пищевых красных водорослей – это произрастающий в Атлантическом океане ирландский мох , или Chondrus crispus. Это один из основных источников каррагинана, который используется во многих продуктах и напитках, как в качестве стабилизатора, так и в качестве загустителя. Можно обнаружить это вещество в такой продукции как мороженое и немолочные замороженные десерты. В странах Карибского бассейна эти красные водоросли используются непосредственно для получения напитка из сладкого и сгущенного молока или ароматизации льда.
Также красные водоросли могут упоминаться, когда имеются в виду красные слизистые водоросли. Это, по существу, даже не водоросли, а цианобактерии. Нередко красные слизистые водоросли, которые существуют в течение более трех миллиардов лет, рассматриваются как связующее звено между бактериями и настоящими водорослями. Хотя красные слизистые водоросли не особенно привлекательны физически, они являются одними из самых важных существ на планете. Эти водоросли отвечают за выработку колоссального количества кислорода, поэтому считается, что если бы красных слизистых водорослей не существовало, небо Земли не было бы голубым.
Настоящие красные водоросли имеют красный цвет, поскольку все они содержат определенный пигмент, фикоэритрин. Этот пигмент поглощает голубой свет и отражает красный. Такой эволюционный механизм позволяет красным водорослям существовать на немного большей глубине по сравнению с другими видами водорослей, поскольку голубой свет проникает в воду глубже, чем длинноволновой свет. Хотя некоторые разновидности красных водорослей имеют глубокий красный цвет, что делает очевидной их принадлежность к данному подцарству, другие содержат относительно немного фикоэритрина и большое количество хлорофилла, из-за чего могут казаться в большей степени голубыми или зелеными.
Существуют определенные виды водорослей, которые играют решающую роль в формировании рифов. В Тихом океане есть атоллы, которые обязаны своим развитием скорее красным водорослям, чем кораллам. Такие виды водорослей, известные как кораллиновые водоросли, создают вокруг себя слой карбоната, подобно кораллам. Это способствует формированию вокруг них рифов, которые могут достигать огромных размеров.
Название отдела происходит от греческого слова rhodon ("родон") –розовый. Окраска красных водорослей обусловлена различным сочетанием пигментов. Она бывает от серого и фиолетового до почти черного цвета, а также включает все оттенки красного и розового. Красные водоросли, обитающие в сильно освещенных местах, окрашены в желтый, коричневый или черный цвет из-за присутствия в клетках большого количества фотозащищающих каротиноидов. Объединяет одноклеточные, колониальные и многоклеточные организмы с коккоидным, нитчатым, псевдопаренхиматозным и паренхиматозным типами структуры тела. Для всех представителей характерно полное отсутствие жгутиковых стадий в жизненном цикле. Форма таллома разнообразная: нитчатая, кустистая, корковидная, пластинчатая, пузыревидная, мешковидная и др. Обитают главным образом в морях и океанах (обычно прикрепленные формы), реже встречаются в пресных водах. Известно около 4 тысяч видов.
Строение клетки . Клетка у красных водорослей эукариотная: имеет оформленные органеллы с собственными мембранами: ядро, митохондрии, пластиды, аппарат Гольджи и другие.В клетках красных водорослей встречается от одной до многих пластид. Между клетками имеются поровые соединения. Помимо наружной клеточной мембраны, клетки родофит имеют особое образование – клеточную стенку.
Ядро чаще всего одно, но имеются и многоядерные представители. Ядра красных водорослей мелкие. Для некоторых видов известна эндоредупликация, или репликация ядерного генома без митоза. Она приводит к полиплоидии, или кратному увеличению набора хромосом в клетках. Митохондрии с уплощенными кристами.
Хлоропласты красных водорослей различной формы, они обычно расположены вдоль клеточных стенок, или париетально. Эти пластиды в основном дисковидные и лентовидные. Форма хлоропластов может меняться в зависимости от возраста водоросли. Каждый хлоропласт окружен своей собственной двухмембранной оболочкой, хлоропластная эндоплазматическая сеть отсутствует. Тилакоиды в хлоропластах одиночные, не собраны в группы и лежат на одинаковом расстоянии друг от друга. Один или два тилакоида расположены обычно по периферии хлоропласта параллельно его оболочке. Хлоропластная ДНК имеется в виде маленьких нуклеоидов, разбросанных по всей строме хлоропласта. Каждый нуклеоид содержит несколько кольцевых молекул хлоропластной ДНК.
Из хлорофиллов в пластидах красных водорослей присутствует только хлорофилл а , который маскируется дополнительными пигментами – фикобилинами: красным фикоэритрином, синими фикоцианином и аллофикоцианином. Эти фикобилины локализованы на поверхности тилакоидов в особых образованиях – фикобилисомах полусферической и полудисковидной формы.
Клеточная стенка состоит из структурной фибриллярной фракции и аморфного матрикса. Прочность клеточной стенке придают фибриллы из целлюлозы, которые у красных водорослей образуют неправильную сеть. Наиболее важными веществами полисахаридного аморфного матрикса являются агар, агароиды, каррагинан. Эти вещества синтезируются в цистернах аппарата Гольджи, затем транспортируются к клеточной поверхности и встраиваются в стенку. На их долю приходится до 70 % сухого веса клеточной стенки. У ряда красных водорослей поверх клеточной стенки может располагаться кутикула, состоящая главным образом из белка. Среди багрянок имеются виды с обызвествленными оболочками: в них откладывается кальцит или арагонит. Инкрустироваться может часть таллома или весь таллом.
Общая характеристика.
Почти все красные водоросли являются фототрофами и строят свое тело с помощью фотосинтеза. Продукты фотосинтеза – особый багрянковый крахмал, который откладывается в цитоплазме, а не в хлоропласте, как у зеленых водорослей. Багрянковый крахмал дает с йодом ярко-красное окрашивание. Важный запасной продукт – низкомолекулярный углеводород флоридозид. Его содержание в талломах некоторых представителей может превышать 10 % от величины сухого веса. Он выполняет осморегуляторную функцию. Помимо красных водорослей, флоридозид встречается у цианобактерий и криптомонад. Его концентрация в клетках увеличивается с увеличением солёности среды. Некоторые багрянки могут также запасать многоатомные спирты.
Большинство видов красных водорослей – многоклеточные сложноустроенные организмы, размеры которых могут достигать 1–2 метров и только примитивные представители имеют одноклеточное или колониальное строение (рис. 17). Встречаются как однолетние, так и многолетние виды, возраст которых обычно составляет 3–6 лет. Форма тела багрянок весьма
Рис. 17 Внешний вид красных водорослей: А – одноклеточная водоросль Порфиридиум; Б – многоклеточная водоросль Делессерия
разнообразна. Она бывает: нитевидная (волосовидная или грубая), пластинчатая цельная или сложно рассеченная с выростами по краю, цилиндрическая, корковидная (корки, пленки, прижатые к субстрату), коралловидная. Многообразие внешних форм красных водорослей сводится к нескольким типам дифференциации таллома: коккоидный, нитчатый, разнонитчатый, ложнотканевый и тканевый. Прикрепляются талломы родофит ризоидами или подошвой.
Наиболее сложно устроены талломы Флоридеевых водорослей. Их слоевища имеют признаки тканевой дифференцировки со специализацией клеток. В их талломе можно различить: кору, состоящую из нескольких слоев интенсивно окрашенных клеток; сердцевину, состоящую из бесцветных клеток, часто собранных в нити. Сердцевина выполняет не только транспортную функцию, но и механическую, поскольку в ней находятся нити с толстыми продольными стенками. Между корой и сердцевиной у многих красных водорослей может находиться промежуточный слой из крупных бесцветных клеток. Рост слоевища чаще всего интеркалярный (вставочный) и апикальный (верхушечный), реже базальный.
Размножение.
У красных водорослей встречается три способа размножения: вегетативное, бесполое и половое.
Бесполое размножение осуществляется с помощью различных спор. Споры могут располагаться в спорангии по одной, две и четыре; они называются соответственно моноспоры, биспоры и тетраспоры. Тетраспоры могут располагаться в тетраспорангиях по-разному: друг над другом – линейно, или зонально, крестообразно и в углах тетраэдра (рис. 18).
Рис. 18. Типы расположения тетраспор в тетраспорангиях (по: С. Ноек van den et al., 1995): A – крестообразное; Б - крестообразное с поворотом; В – линейное; Г – тетраэдральное
Половое воспроизведение у красных водорослей оогамное, оно имеет ряд особенностей, не встречающихся у других групп водорослей. Мужские половые клетки – спермации , лишены жгутиков и пассивно с током воды переносятся к женским половым органам – карпогонам . Карпогон красных водорослей имеет вид колбы и состоит из расширенной нижней части (брюшка) и вытянутой верхней – трихогины , которая служит для улавливания спермациев. У большинства красных водорослей карпогон формируется на конце короткой ветви, называемой карпогонной ветвью. Клетка, дающая начало карпогонной ветви, называется поддерживающей.
Спермации формируются по одному в сперматангиях, которые в свою очередь образуются на материнских клетках. Зрелый спермаций одноядерный и лишен жесткой клеточной стенки, окружен слизью, может содержать хлоропласты. Спермаций пассивно переносится токами воды, контактирует с трихогиной, которая расположена над поверхностью женского гаметофита. Стенки спермациев и трихогины в месте контакта растворяются, мужское ядро проходит через центральный канал в трихогине и сливается с гаплоидным ядром карпогона. Дальнейшее развитие у видов различных порядков имеет свои особенности.
Жизненный цикл.
У большинства Rhodophyta после оплодотворения женских гамет – карпогонов мужскими гаметами – спермациями из зиготы после многократных клеточных слияний возникает многоклеточное нитчато-паренхимное образование – карпоспорофит (рис. 19). Он представляет
Рис. 19. Жизненный цикл Батрахоспермума (по: R. E. Lee, 1999)
собой гонимобласт, в котором развиваются диплоидные клетки – споры полового размножения, или карпоспоры, прорастающие в новое диплоидное растение – спорофит. Гонимобласт, или цистокарп – это комплекс плаценты, от которой отходят нити гонимобласта с карпоспорангиями на окончаниях и покровов гонимобласта – обвертки. В гонимобластах все клетки имеют диплоидный набор хромосом.
У ряда Флоридеевых гонимобласт окружает оболочка. В таком случае эта структура называется цистокарп (рис. 20). В карпоспорангиях
Рис. 20. Жизненный цикл Полисифонии (по: R. E. Lee, 1999)
образуются карпоспоры, которые прорастают в диплоидный тетраспорофит. На тетраспорофите в тетраспорангиях происходит редукционное деление. Гаплоидные тетраспоры прорастают в гаплоидный гаметофит. Этот жизненный цикл с чередованием поколений: одного гаплоидного – гаметофит и двух диплоидных – карпоспорофит и тетраспорофит – встречается у большинства красных водорослей, но существует ряд отклонений от него, в зависимости от вариабельности условий в окружающей их среде.
Жизненный цикл не всегда жестко закреплен. Если нет условий для развития одной из фаз, раз за разом, пока не изменятся факторы среды, возобновляется одна и та же фаза – или гаметофит, или спорофит. Такой цикл называют гетероморфным с нерегулярной сменой форм развития. Он отмечается у Мастокарповых. Существуют изоморфныециклыс регулярной сменой форм развития, когда половая и бесполая формы представлены внешне одинаковыми самостоятельными свободноживущими генерациями. Такой цикл развития характерен для Грацилярии, Хондруса, Мазеллы .
Систематика
Отдел Rhodophyta традиционно делят на два класса: Бангиевые – Bangiophyceae и Флоридеевые – Florideophyceae. К последнему классу относится большинство родов и видов багрянок.
На больших глубинах, до 250 метров, растут красные водоросли , иначе называемые багрянками . В сочетании с кораллами и яркими рыбами разнообразно окрашенные багрянки создают неповторимую красоту подводного мира. Это преимущественно крупные водоросли, но, например, к классу бангиевых принадлежат и микроскопические красные водоросли.
Почему красные водоросли могут расти на такой значительной глубине? Этот вопрос был задан в ЕГЭ по биологии. Водорослям позволяет расти на большой глубине красный пигмент фикоэритрин . Благодаря ему при фотосинтезе красные водоросли поглощают зеленые, голубые, сине-фиолетовые лучи спектра. Именно эти лучи, в отличие от красных, способны проникнуть глубоко в толщу воды.
Для красных водорослей характерно споровое бесполое размножение, а также половое размножение (оогамия), иногда встречается и вегетативное размножение частями таллома.
К красным водорослям относятся филлофора, порфира, грациллярия, птилота, хондрус, всего же их насчитывается около пяти тысяч видов.
Порфира - плоская и тонкая овальная пластинка до полуметра в диаметре. Для нее характерно только половое размножение. Мужские половые клетки не имеют жгутиков (спермии). Это и понятно, так как на большой глубине под толщей воды сложно передвигаться с помощью жгутика.
Значение водорослей
Место в цепях питания, влияние на природу
1. Огромная масса водорослей создает фитопланктон, причем даже в арктических морях насчитывается 20-30 млн особей на 1 кубический метр воды. Это первичная продукция, являющаяся основой пищевой цепочки.
2. Фитопланктон служит пищей для зоопланктона (вторичная продукция), который поедается крупными морскими обитателями, например, китами. Интересно, что Тур Хейердал во время экспедиции на плоту «Кон-Тики» попробовал «суп» из планктона и нашел его довольно вкусным и питательным.
3. Донные водоросли дают приют рыбам и разнообразным морским животным и также являются пищей для них. Ламинарию, например, с удовольствием поедает морской еж.
4. Водоросли насыщают океаны и атмосферу кислородом.
5. Однако при массовом размножении водорослей (например, хламидомонады) в пору так называемого «цветения» воды, содержание кислорода в ней падает и вода насыщается токсинами. От недостатка кислорода гибнут речные обитатели.
Значение для человека
1. Водоросли во многих регионах тысячи лет употребляются в пищу. Особенно широкой популярностью пользуются такие бурые и красные водоросли, как ламинария, ундария, порфира, хидзики (и вообще саргассовые).
2. Красные водоросли - источник йода, особенно некоторые богатые им виды.
3. Также красные водоросли являются источником агар-агара - гелеобразующего вещества, которое используется в кондитерской промышленности, при культивировании бактерий и пр.
4. С помощью водорослей производится очистка сточных вод от фтора, азота и пр., а также воздуха от углекислого газа (в этом преуспели хламидомонада, хлорелла, эвглена).
5. Водоросли являются пищевыми добавками: спирулина, ламинария, фукус, ульва, хлорелла и другие.
