Syanobakteerit – fotosynteesi, kloroplastien alku ja ilmakehän hapetus
Syanobakteerit: fotosynteesin pioneerit — kloroplastien esiasteet, stromatoliitit ja maapallon ilmahapen nousu. Lue niiden rooli suuressa hapettumistapahtumassa.
Syanobakteerit ovat fotosynteesiä harjoittavien bakteerien taksoni. Ne eivät ole leviä, vaikka niitä kutsuttiinkin joskus sinileviksi. Kyseessä on bakteerien suku, johon kuuluu noin 1500 lajia. Endosymbiontiteorian mukaan kloroplastit (plastidit) polveutuvat syanobakteereista. Niiden DNA-profiili on todiste tästä.
Syanobakteerit ovat prokaryootteja (eli niillä ei ole tumakoteloa) ja monella lajilla on solun sisäisiä kalvorakenteita, joita kutsutaan tylakoideiksi. Ne sisältävät klorofylli a-pigmenttiä sekä usein fykobiliproteiineja, jotka antavat monille lajeille sinertävän, vihreän tai ruskehtavan sävyn. Morfologialtaan syanobakteerit voivat olla yksisoluisia, koloniamuodostajia tai pitkiksi säikeiksi (filamentteja) järjestäytyneitä. Joillakin filamenttisillä lajeilla on erikoistuneita soluja, kuten heterosysteja, jotka osallistuvat typen sitomiseen, sekä akineetteja, jotka toimivat lepomuotoina.
Fotosynteesi
Syanobakteerien kyky käyttää vettä elektroninluovuttajana ja tuottaa happea teki niistä ensimmäisiä elollisia organismeja, jotka tuottivat vapaata happea fotosynteesissä. Tämä tapahtuu kahden fotosysteemin (Fotosysteemi I ja II) ja elektroninsiirtoketjun avulla: veden fotolyysissä vapautuu happea, protonigradientti rakentuu tylakoidikalvolle, ja syntyy ATP:tä sekä pelkistävää voimaa (NADPH), joita käytetään hiilen sitomiseen Calvinin kierrossa. Tämä prosessi erottaa syanobakteerit monista muista fotosynteesiä harjoittavista organismeista, jotka eivät tuota vapaata happea.
Kloroplastien alku ja endosymbioosi
Endosymbiontiteoria esittää, että alkukantainen eukaryootti otti sisäänsä syanobakteerityyppisen bakteerin, joka lopulta kehittyi solun energia- ja fotosynteesiorganelliksi, eli kloroplastiksi. Tukea tälle antaa kloroplastien genomista löytyvät geneettiset yhtäläisyydet syanobakteerien kanssa, samoin kuin kloroplastien kaksinkertainen kalvorakenne ja joidenkin alkuperäisten bakteeristen piirteiden säilyminen. Lisäksi useissa leväryhmissä plastidit ovat peräisin joko suorasta (primaarinen endosymbioosi) tai epäsuorasta (sekundaarinen endosymbioosi) syanobakteeri-peräisestä endosymbioosista.
Fossiilinen historia ja suuri hapettumistapahtuma
Syanobakteereilla on erittäin pitkä fossiilinen historia, joka alkaa ainakin 3500 miljoonan vuoden takaa. Ne olivat arkaaisen ja proterotsooisen kauden stromatoliittien pääeliöitä.
Stromatoliitit ovat kerrostuneita, kiviyhdisteitä muodostavia rakenteita, joita syntyy, kun mikrobiyhteisöt — erityisesti syanobakteerit — sitovat sedimenttiä ja tuotavat aeolosiaalisesti kerroksellisia muodostelmia. Nämä fossiiliset rakenteet tarjoavat yhden parhaista näytöistä varhaisesta fotosynteesistä maapallolla.
Syanobakteerien hapen tuottava fotosynteesi muutti vähitellen maapallon ilmakehän koostumusta. Varhainen ilmakehä oli suurelta osin pelkistävä ja lähes hapeton. Pitkän ajanjakson kuluessa vapautunut happi alkoi kerääntyä ilmakehään, ja prosessi, jonka seurauksena ilmakehä hapettui merkittävästi, tunnetaan nimellä suuri hapettumistapahtuma (Great Oxidation Event). Tämä muutos ajoittuu geologisen aineiston mukaan noin 2,4–2,3 miljardia vuotta sitten, mutta hapen tuotanto oli käynnissä jo paljon aikaisemmin; hapettuminen eteni vaiheittain ja kesti pitkän aikaa. Seurauksena moni anaerobinen eliö sukupuuttoon, mutta samanaikaisesti syntyivät olosuhteet uudenlaisen, hapesta riippuvan elämän kehittymiselle ja otsonikerroksen muodostumiselle, joka suojasi pintaa UV-säteilyltä ja mahdollisti elämän leviämisen maalle.
Rakenne, fysiologia ja ekologia
Syanobakteerien soluseinä muistuttaa muiden gramnegatiivisten bakteerien seinää, ja monilla lajeilla on ulkokalvo. Tylakoidikalvostot sisältävät fotosynteettiset kompleksit. Joillakin syanobakteereilla on kaasukuplia (gas vesicles), joiden avulla ne säätävät kelluvuuttaan vedessä ja hakeutuvat valo- tai ravinteikkaammille vesikerroksille. Filamenttiset lajit voivat muodostaa monimutkaisia yhteisöjä vesistöissä.
Monet syanobakteerit osallistuvat merkittävästi primaarituotantoon niin makeissa kuin suolaisissakin vesissä sekä merissä. Jotkut lajit pystyvät sitomaan ilmakehän typpeä (N2) biologisesti käyttökelpoiseen muotoon heterosystien kautta, mikä tekee niistä tärkeitä ravinnetaseille ja ekosysteemien toiminnalle.
Vaikutukset ihmiseen ja ekologinen tasapaino
Syanobakteerit ovat sekä hyödyllisiä että joskus haitallisia. Ne muodostavat pohjien kestäviä biologisia kiteitä ja sitovat typpeä, mikä hyödyttää kasvuympäristöjä. Toisaalta runsas ravinteiden saanti (esim. rehevöityminen) voi johtaa sinileväkukintoihin, joissa jotkut lajit tuottavat toksisia yhdisteitä (kuten mikrokystiinejä) aiheuttaen terveys- ja taloudellisia haittoja. Sinileväkukinnat voivat vähentää veden happipitoisuutta ja johtaa kalakuolemiin.
Merkitys evoluutiossa ja nykyaikainen tutkimus
Syanobakteerien myötä ilmakehän hapen nousu avasi tien monimutkaisemmalle elämälle ja eukaryoottien kehittymiselle. Ne ovatkin keskeinen osa maapallon biologista historiaa. Nykyään syanobakteereihin kohdistuu paljon tutkimusta: niiden fotosynteettisiä mekanismeja tutkitaan bioteknologiassa ja uusiutuvassa energiassa (esim. bioöljyt, biosähkö), ja niiden perimää tarkastellaan ymmärtääksemme fotosynteesin ja plastidien evoluutiota entistä paremmin.
Yhteenvetona syanobakteerit ovat monimuotoinen ja ekologisesti merkittävä bakteeriryhmä, jonka vaikutukset ulottuvat geologisista muutoksista nykypäivän vesiekosysteemeihin ja bioteknologian sovelluksiin.
Syanobakteerin rakenne
O:n 2kertyminen maapallon ilmakehään. Punaiset ja vihreät viivat kuvaavat arvioiden vaihteluväliä, kun taas aika on mitattu miljardeja vuosia sitten.
Syanobakteerien "kukinta" lammessa.
Valon havaitseminen
Syanobakteereilla on tapa havaita valoa. Conrad Mullineaux Lontoon Queen Maryn yliopistosta sanoi: "Se pystyy havaitsemaan, missä valo on, ja tiedämme sen sen liikesuunnasta".
"Yksisoluisessa lammikkolumessa he havaitsivat, miten saapuvat säteet taipuvat ötökän pallomaisen pinnan vaikutuksesta ja keskittyvät solun toisella puolella olevaan pisteeseen. Siirtymällä vastakkaiseen suuntaan tuohon kirkkaaseen pisteeseen nähden mikrobi liikkuu kohti valoa".
Aiheeseen liittyvät sivut
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on syanobakteeri?
V: Syanobakteerit ovat bakteerien taksoni, joka harjoittaa fotosynteesiä. Ne eivät ole leviä, vaikka niitä kutsuttiinkin aikoinaan sinileviksi. Kyseessä on bakteerien suku, johon kuuluu noin 1500 lajia.
K: Kuinka kauan syanobakteereista on olemassa fossiilisia tietoja?
V: Syanobakteerien fossiilitiedot ovat olleet olemassa ainakin 3 500 miljoonaa vuotta.
K: Millainen oli maapallon varhainen ilmakehä?
V: Maapallon varhainen ilmakehä oli suurelta osin pelkistävä eli se ei sisältänyt happea.
K: Miten syanobakteerien läsnäolo vaikutti ilmakehään?
V: Syanobakteerien läsnäolo stromatoliiteissa mahdollisti niiden fotosynteesin ja vapaan hapen tuottamisen, mikä johti prosessiin, jota kutsutaan suureksi hapettumistapahtumaksi ja joka muutti ilmakehää ajan mittaan ja lopulta tappoi useimmat organismit, jotka eivät kyenneet elämään happiympäristöissä.
K: Mitkä todisteet tukevat endosymbiontiteoriaa?
V: Endosymbiontiteorian mukaan kloroplastit (plastidit) polveutuvat syanobakteereista, ja niiden DNA-profiili tarjoaa todisteita tämän väitteen tueksi.
K: Mitä syanobakteerien fotosynteesi mahdollistaa?
V: Syanobakteerien fotosynteesi antaa niille mahdollisuuden tuottaa vapaata happea ympäristöönsä.
Kysymys: Kuinka kauan kesti suuren happitapahtuman tapahtuminen fotosynteesin alkamisen jälkeen? V: Kesti noin miljardi vuotta, ennen kuin Suuri happeutumistapahtuma tapahtui sen jälkeen, kun syanbakteerien fotosynteesi alkoi.
Etsiä