همه چیز درباره‌ی سیانوباکتر

همان‌طور که در فصل هفتم کتاب زیست‌شناسی سال دهم راجع‌به سیانوباکتر ها خواندیم پیدایش حیات و زندگی بر روی کرهٔ زمین از ابتدا وابسته به وجود اکسیژن و فتوسنتز بوده است. پیدایش اکسیژن و ایجاد حیات توسط موجودات بسیار ریزی صورت گرفته است، موجوداتی بسیار ابتدایی و ساده که با پیشرفت علم، اکنون باکتری نامیده می‌شوند. اما چگونه ممکن است حیات زمین و موجودات با این وسعت وابسته به وجود این موجودات ریز باشد و چه مکانیسمی باعث این شگفتی شده است. در ادامه با مجله بیوزوم همراه باشید تا اطلاعات بیشتری در این مورد کسب کنید.

سیانوباکتر چیست؟

سیانوباکتری‌ها گروهی از باکتری‌های فتوسنتزی هستند که به‌طور گسترده در زیستگاه‌های مختلف آبی (اقیانوس‌ها، دریاها، رودخانه‌ها، دریاچه‌ها و غیره) و زیستگاه‌های خشکی (مانند خاک‌های مرطوب) پراکنده شده‌اند. این موجودات ممکن است به‌تنهایی یا در کلنی‌ها (با تشکیل رشته‌ها یا کره‌ها با سایر سیانوباکتری‌ها) زندگی کنند. سیانوباکتری‌ها از تولیدکنندگان مهم اکسیژن سیاره زمین هستند.

سیانوباکتری‌ها به همراه سایر پروکاریوت‌های اولیه یکی از قدیمی‌ترین اشکال حیات روی زمین هستند و از میلیاردها سال پیش در محیط‌های اولیه قبل از ظهور گیاهان و حیوانات وجود داشتند.

جالب است بدانیم قدیمی‌ترین فسیل‌های شناخته شده استروماتولیت‌ها هستند که ظاهراً به‌عنوان تپه‌هایی از بیوفیلم‌های میکروارگانیسم‌ها مانند سیانوباکتری‌ها و دیگر مواد جلبکی تشکیل شده‌اند. این بقایای فسیلی در صخره‌های باستانی در غرب استرالیا یافت شده‌اند و قدمت آن‌ها به 3.5 میلیارد سال می‌رسد.

سیانوباکتری‌های اولیه با آزاد کردن اکسیژن به‌عنوان محصول جانبی فتوسنتز، در فرایند بزرگ اکسیژن سازی نقش دارند. علاوه بر این، طبق نظریه اندوسیمبیوتیک، سیانوباکتری‌ها با سایر ارگانیسم‌ها ارتباط همزیستی ایجاد کردند و در آنجا به‌عنوان درون همزیستی سلول میزبان اولیه بزرگ‌تر شرکت کردند. درنهایت، سیانوباکتری‌های درون همزیستی به پلاستیدهای سلول‌های یوکاریوتی فتوسنتزی امروزی تبدیل شدند.

ساختار سیانوباکترها

سیانوباکترها، دارای پوشش سلولی مشابه باکتری‌های گرم منفی هستند. پوشش سلولی این باکتری‌ها شامل چهار لایه متمایز، غشای پلاسمایی، غشای خارجی، لایه پپتیدوگلیکان و کپسول است.

این باکتری‌ها گروهی بسیار مهم و متنوع از باکتری‌های فتوسنتزی هستند. سیانوباکترها می‌توانند یک‌سلولی، کلونی یا رشته‌ای باشند. هر رشته از یک پوشش مخاطی و یک یا چند رشته سلولی به نام تریکوم تشکیل شده است. سلول‌های سیانوباکتری بزرگ‌تر و پیچیده‌تر از باکتری‌ها هستند.

سیانوباکترها، علاوه بر سلول‌های عمومی، سلول‌های تخصصی خود را نیز دارند که در زیر به برخی از آن‌ها اشاره می‌شود:

آکینت‌ها (Akinetes)

سیانوباکترهای رشته‌ای می‌توانند به ساختارهای اسپور مانند آکینت (سلول‌های مقاوم تولیدمثلی) تبدیل شوند. آکینت‌ها ساختارهایی مقاوم در برابر شرایط محیطی سخت هستند.

هتروسیست‌ها (Heterocysts)

سیانوباکترها دارای سلول‌های تثبیت‌کننده ازت به نام هتروسیست هستند. موجوداتی که نیتروژن را تثبیت می‌کنند به یک محیط بی‌هوازی نیاز دارند، اما فتوسنتز به یک محیط هوازی نیاز دارد. هتروسیست‌ها با داشتن آنزیم هیدروژناز که برای تثبیت نیتروژن لازم است ریز محیط تثبیت نیتروژن را فراهم می‌کنند.

سلول‌های هورموگونیا (Hormogonia)

برخی از سیانوباکترها، سلول‌های هورموگونیا را تولید می‌کنند. این سلول‌ها فیلامنت‌هایی حرکتی هستند که می‌توانند از فیلامنت اصلی جداشده و به محیط جدید حرکت کنند.

به‌طورکلی، سیانوباکترها با توجه به نوع و شرایط محیط، سلول‌های تخصصی متنوعی را تولید می‌کنند.

سیانوباکترها در محیط‌های مختلفی ازجمله محیط‌های آبی، خاکی، مرطوب و همچنین محیط‌های خنثی و قلیایی رشد می‌کنند. برخی سیانوباکتری‌ها با موجودات دیگر مانند آغازیان و قارچ‌ها به‌صورت همزیست زندگی می‌کنند.

گروه‌بندی سیانوباکتری‌ها

در طرح طبقه‌بندی پنج سلسله‌ای، سیانوباکتری‌ها سیانوفیتا نامیده می‌شوند. (شاخه‌ای از سلسله پروتیستا (Protista)، همراه با سایر شاخه‌ها – Euglenophyta، Chrysophyta، Pyrrophyta، Chlorophyta، Phaeophyta و Rhodophyta).

سیانوفیتا یکی از پروتیست‌های گیاه مانند بر اساس توانایی فتوسنتزی است که معمولاً با گیاهان مرتبط است. بااین‌حال، برخلاف گیاهان، اعضای این شاخه ریشه، ساقه و برگ واقعی ندارند.

مطالعات و یافته‌های اخیر باعث تغییراتی در موقعیت‌های طبقه‌بندی‌شده و منجر به ایجاد سیستم‌های طبقه‌بندی جدیدتری شده است (پایگاه طبقه‌بندی داده NCBI). در حال حاضر، سیانوفیتا (همچنین به‌عنوان جلبک سبز آبی نیز شناخته می‌شود) بیشتر به‌عنوان سیانوباکتریا شناخته می‌شود، شاخه‌ای از باکتری‌ها، که از گونه‌های پروکاریوتی تشکیل‌شده است. در فیکولوژی، سیانوفیتا ممکن است هنوز به‌عنوان یکی از گروه‌های جلبکی و شاخه‌ای که همه جلبک‌های سبز آبی به آن تعلق دارند در نظر گرفته شود. سیانوفیتا تنها جلبک پروکاریوتی است. بقیه گروه‌های جلبکی یوکاریوت هستند.

تکامل سیانوباکترها

بر اساس نظریه اندوسیمبیوتیک (Endosymbiotic)، یوکاریوت‌هایی که توانایی فتوسنتز را به دست آورده‌اند، آن‌هایی هستند که از یوکاریوت‌های اولیه که پروکاریوت‌های فتوسنتزی اولیه مانند سیانوباکتری‌ها را بلعیده‌اند، تکامل یافته‌اند.

یک رویداد درون همزیستی اولیه منجر به تکامل سه یوکاریوت درون همزیستی اولیه شد: گیاهان سبز، جلبک قرمز و گلوکوفیت (Glaucophytes). این سه گروه، گروه مونوفیلتیک Archaeplastida را تشکیل می‌دهند.

سلول سیانوباکتری اولیه درون یوکاریوت درنهایت به پلاستید تبدیل‌شده است. که امروزه با نام کلروپلاست شناخته شده است. به نظر می‌رسد که کلروپلاست و سلول سیانوباکتری ازنظر مورفولوژیکی، فیلوژنتیکی، ژنتیکی و بیوشیمیایی دارای ویژگی‌های مشترکی هستند.

 پس از اندوسیمبیوز (Endosymbiosis) اولیه، رویدادهای درون همزیستی ثانویه و ثالثی رخ داد، و اعتقاد بر این است که این‌ها به ایجاد دودمان بعدی یوکاریوت‌های فتوسنتزی، مانند جلبک‌های یوکاریوتی منجر شده است.

در اینجا یک نمودار نظریه اندوسیمبیوتیک است که نشان می‌دهد یوکاریوت‌ها چگونه تکامل یافته‌اند. بر این اساس، میتوکندری سلول یوکاریوتی از باکتری‌های هوازی، درحالی‌که کلروپلاست‌ها از ارگانیسم‌های فتوسنتزی، به‌ویژه، میکروارگانیسم‌های فتوسنتزی شبه سیانوباکتری‌ها تکامل می‌یابند.

فیزیولوژی سیانوباکترها

 سیانوباکتری‌ها از انرژی نور خورشید برای هدایت فتوسنتز استفاده می‌کنند، فتوسنتز فرآیندی است که در آن انرژی نور برای تجزیه مولکول‌های آب به اکسیژن، پروتون‌ها و الکترون‌ها استفاده می‌شود. برخلاف پروکاریوت‌های هتروتروف، سیانوباکتری‌ها دارای غشای داخلی هستند. بسیاری از گونه‌های سیانوباکتر دارای چین‌هایی بر روی غشای خارجی خود هستند، این چین‌ها کیسه‌های مسطح به نام تیلاکوئید (Thylakoids) هستند که در آن فتوسنتز انجام می‌شود.

سیانوباکتری‌ها از رنگ‌دانه‌های فتوسنتزی مانند کاروتنوئیدها، فیکوبیلین‌ها و اشکال مختلف کلروفیل استفاده می‌کنند که انرژی نور را جذب می‌کنند.

سیانوباکترها رنگ خود را از رنگ‌دانه مایل به آبی فیکوسیانین می‌گیرند که از آن برای جذب نور برای فتوسنتز استفاده می‌کنند. آن‌ها همچنین حاوی کلروفیل a هستند، همان رنگ‌دانه فتوسنتزی که گیاهان از آن استفاده می‌کنند

درواقع، کلروپلاست موجود در گیاهان یک سیانوباکتری همزیست است که توسط نیاکان یک جلبک سبز در دوره پرکامبرین جذب شده است.

هر دو عملکرد فتوسنتز و تنفس توسط ساختارها و اجزای انتقال الکترون موجود در غشای داخلی سیانوباکتر انجام می‌شود. اغلب مولکول آب (H₂O) به‌عنوان دهنده الکترون در سیستم انتقال الکترون عمل می‌کند و منجر به تولید اکسیژن (O₂) می‌شود ولی در برخی موارد سولفید هیدروژن (H₂S) نقش دهنده الکترون دارد که منجر به تولید گاز گوگرد می‌شود. دی‌اکسید کربن (CO₂) در طی فرآیند فتوسنتز تولید می‌شود که سپس در چرخه کالوین برای تولید کربوهیدرات‌ها استفاده می‌شود.

مطلب مرتبط: کربوهیدرات‌ ها، سوخت اصلی سلول‌

سیانوباکتری‌ها هم در شرایط هوازی و هم بی‌هوازی قادر به انجام فتوسنتز هستند و مکانیسم عملکرد هر دو نوع فتوسنتز را دارند. به‌این‌ترتیب که برای فتوسنتز هوازی از هر دو نوع فتوسیستم Ⅰ و Ⅱ استفاده می‌کنند. درحالی‌که در شرایط بی‌هوازی تنها فتوسیستم Ⅰ فعال است.

به‌طور خلاصه، سیانوباکتری‌ها برای عملکرد فتوسنتز از رنگ‌دانه‌های فتوسنتزی برای جذب انرژی از نور، تجزیه مولکول‌های آب به اکسیژن، پروتون‌ها و الکترون‌ها استفاده می‌کنند، همچنین این فرآیندها داخل چین‌های روی غشای خارجی سیانوباکتری‌ها انجام می‌شود.

اهمیت و نقش‌های اکولوژیک سیانوباکترها

بیایید اکنون با اهمیت و نقش اکولوژیکی سیانوباکتری‌ها آشنا شویم.

سیانوباکتری پلانکتونیک

سیانوباکتری‌ها همراه با ریز جلبک‌ها مانند دیاتوم‌ها، داینوفلاژلات‌ها و جلبک‌های سبز بخشی از فیتوپلانکتون هستند. فیتوپلانکتون برای هر اکوسیستم آبی در درجه اول به دلیل فعالیت فتوسنتزی آن‌ها و همچنین به‌عنوان یکی از تولیدکنندگان اصلی آن حیاتی است. فیتوپلانکتون یک منبع غذایی ضروری برای همه موجودات زنده از ریزترین موجودات (زوئوپلانکتون) تا بزرگ‌ترین حیوانات روی زمین مانند نهنگ‌های آبی است.

سیانوباکتری شکوفا می‌شود

سیانوباکتری‌ها در اکوسیستم‌های آبی مانند محیط‌های دریایی و خاک مرطوب یافت می‌شوند. این موجودات وقتی شرایط مساعد باشد، به‌صورت تصاعدی رشد می‌کنند که به این پدیده شکوفه‌های جلبکی می‌گویند.

شکوفه‌های جلبکی به‌ویژه در محیط‌های آبی که گرم، راکد یا به‌آرامی جریان دارند رخ می‌دهد، زیرا این مناطق تمایل به انباشته شدن غلظت بالایی از مواد مغذی جلبکی سبز-آبی مانند فسفر و نیتروژن دارند. بااین‌وجود، رشد تولیدمثلی سیانوباکتری‌ها که منجر به شکوفایی جلبک می‌شود، نه‌تنها در آب‌های شیرین، بلکه در محیط‌های دریایی نیز رخ می‌دهد. شکوفه‌های سیانوباکتری آب شیرین و آب‌های شیرین، کف مانند و به رنگ سبز آبی هستند.

نمونه‌های آب محل‌های شکوفه جلبکی نشان می‌دهد که رایج‌ترین جنس سیانوباکتری‌ها Microcystis، Anabaena (Dolichospermum)  و Planktothrix هستند.

سیانوباکتری‌ها متابولیت‌های ثانویه سمی، سیانوتوکسین‌ها را تولید می‌کنند که به‌ویژه در هنگام مرگ سلولی سیانوباکتری و لیز سلولی آن‌ها را در محیط آزاد می‌کنند. این سموم جلبکی می‌توانند ماهی‌ها و سایر حیوانات را مسموم کنند. ازاین‌رو، با افزایش جمعیت سیانوباکتری، سطح تولید سیانوتوکسین نیز افزایش می‌یابد.

سیانوتوکسین‌ها شامل نوروتوکسین‌ها، هپاتوکسین‌ها و درماتوکسین‌ها هستند که می‌توانند به ترتیب به سیستم عصبی، کبد و پوست حیوانات و انسان‌هایی که آن‌ها را می‌خورند، آسیب بزنند، به‌عنوان‌مثال، با نوشیدن آب حاوی غلظت بالایی از سیانوتوکسین یا با تغذیه از صدف‌های آلوده انتقال داده می‌شوند. نمونه‌هایی از سیانوتوکسین‌های رایج در ایالات‌متحده میکروسیستین‌ها، سیلندراسپرموپسین، آناتوکسین‌ها و ساکسی توکسین‌ها هستند.

بااین‌حال، اسپیرولینا (Spirulina sp)، یک‌گونه رشته‌ای است، که به دلیل ادعاهای درمانی در مورد سلامت انسان و محتوای غذایی بالای آن، مانند کلسیم، آهن، منیزیم، پتاسیم، سدیم و اسیدهای آمینه ضروری رشد و پرورش داده می‌شود. اسپیرولینا (spp) برای مصرف به‌عنوان مکمل‌های غذایی انسان و حیوان کشت و برداشت می‌شوند. بااین‌حال، در طبیعت، آن‌ها در معرض خطر آلودگی فلزات سنگین هستند.

شکوفایی سیانوباکتری‌ها نیز با کشت انبوه برای پاک‌سازی زیستی و تولید سوخت زیستی القا می‌شود. کشت سیانوباکتری‌های دستکاری‌شده ژنتیکی به دنبال بهره بردن از مزایای بالقوه سیانوباکتری‌های مفید برای سلامت عمومی، کشاورزی و اقتصاد انسان است.

تثبیت نیتروژن

سیانوباکتری‌های هتروسیستوس، هتروسیست‌ها را که سلول‌های تخصصی تثبیت‌کننده نیتروژن هستند ایجاد می‌کنند. سیانوباکتری‌های تثبیت‌کننده نیتروژن می‌توانند نیتروژن اتمسفر را به شکل دیگری (مانند آمونیاک، نیتریت‌ها یا نیترات‌ها) تثبیت کنند که سایر سلول‌ها و موجودات زنده (مانند گیاهان و حیوانات) به‌راحتی می‌توانند از آن استفاده کرده و به پروتئین و اسیدهای نوکلئیک تبدیل کنند. بنابراین، آن‌ها ممکن است یک همزیستی با سایر موجودات ایجاد کنند.

مطلب مرتبط: نوکلئیک اسیدها، رازداران حیات

آنابنا (Anabaena sp) نمونه‌ای از گونه سیانوباکتری است که نیتروژن را تثبیت می‌کند. در کلنی آنابنا، برخی از سلول‌های کلنی به هتروسیست تبدیل می‌شوند. سلول‌های آنابنا ممکن است با سرخس آبی آزولا (Azolla) همزیستی ایجاد کنند. در داخل سلول میزبان آزولا، آن‌ها یک کلنی تشکیل می‌دهند و هتروسیست‌هایی ایجاد می‌کنند که نیتروژن اتمسفر را برای میزبان خود تثبیت می‌کند.

سیانوباکتری‌های تثبیت‌کننده نیتروژن در شالیزارهای برنج به‌عنوان کودهای نیتروژنی جایگزین در مقابل کودهای نیتروژن شیمیایی رشد می‌کنند.

تثبیت خاک

در زیستگاه‌های خشکی مانند خاک مرطوب، سیانوباکتری‌ها به تثبیت خاک کمک می‌کنند. رشد سیانوباکتری‌ها از فرسایش جلوگیری می‌کند. آن‌ها به حفظ آب کمک می‌کنند. به‌عنوان‌مثال، Microcoleus vaginatus یک سیانوباکتری است که یک غلاف پلی‌ساکارید تولید می‌کند که ذرات خاک را متصل می‌کند و به حفظ آب کمک می‌کند.

مشارکت کننده چرخه اکسیژن

سیانوباکتری‌ها بازیگران کلیدی چرخه اکسیژن هستند. Prochlorococcus sp به‌تنهایی برای مشارکت در تولید اکسیژن (تقریباً نیمی از اکسیژن تولیدشده در زمین) اعتبار دارد زیرا آن‌ها فتوسنتز اکسیژنی را در اقیانوس باز انجام می‌دهند.

هتروتروفی

برخی از سیانوباکترها می‌توانند به هتروتروف تبدیل شوند. برخی از سیانوباکترهای انگلی هتروتروف می‌توانند باعث بیماری میزبان بی‌مهرگان خود شوند، مانند بیماری نوار سیاه.

جمع‌بندی

در این مطلب آموختیم که سیانوباکتری‌ها که جلبک سبز آبی نیز نامیده می‌شوند، از اولین موجودات روی زمین بودند. این باکتری‌های ابتدایی در طول فتوسنتز اکسیژن تولید می‌کنند. همچنین بررسی موجودات مختلف نشان می‌دهد که همه موجودات فتوسنتزی دیگر این توانایی را از سیانوباکتری‌ها از طریق اندوسیمبیوز به دست آورده‌اند.

سیانوباکتری نقش‌های دیگری علاوه بر فتوسنتز در اکوسیستم‌ها دارند مانند منبع غذایی برای موجودات ریزودرشت دریایی، تثبیت نیتروژن و تثبیت خاک، همچنین باوجود مزایای بسیار برخی گونه‌های سیانوباکتر سمی هستند و باعث تولید مواد سمی ازجمله اندوتوکسین‌ها و ایجاد سمیت در انسان و حیوانات می‌شوند.