Водоросли

На этой странице вы узнаете

• Для чего водорослям нужны глазки?
• Зачем хлореллу берут с собой в космос?
• Что общего у колонии водорослей и студенческого общежития?

Видели когда-нибудь цветущий водоем? Пруд, манящий в знойный июльский денек, в котором так и хочется искупаться, часто оказывается зеленым, мутным и затхлым «болотом»… Кто же виноват в летнем разочаровании? Причина неприятного цветения – водоросли, о которых мы и поговорим в статье.

Общая характеристика водорослей

Водоросли – группа низших растений (их тело не разделено на ткани и органы), включающая в себя множество отделов. Наука, изучающая водоросли называется альгологией. 

Подробнее о классификации растений можно узнать в статье «Основы систематики растений». 

Школьная программа не может охватить все разнообразие водорослей, поэтому в ней рассматриваются только некоторые отделы. 

Тело любой водоросли, независимо от систематической принадлежности, представлено слоевищем, или талломом. Он может быть одноклеточным или многоклеточным, а также иметь разнообразные формы. 

Таллом – одиночная клетка или их недифференцированное скопление, образующее тело организма. 

«Недифференцированные» – значит «одинаковые», то есть в талломе все клетки имеют похожее строение и выполняют одни и те же функции. Примерно как карандаши: они отличаются только цветом и все нужны, чтобы рисовать.

По форме талломы бывают монадные, амебоидные, нитчатые и пластинчатые. 

• Монадный (жгутиковый) тип таллома.

Этот тип таллома представляет из себя одну клетку, которая имеет жгутики (отсюда и название). Примером водоросли такой формы является хламидомонада. 

• Амебоидный тип таллома.

Водоросли с таким типом таллома имеют одноклеточное строение и непостоянную форму клетки. Примером такого организма является хризамеба.

• Нитчатый тип таллома.

О строении нитчатого таллома можно догадаться даже по названию: такие водоросли имеют удлиненное тело в виде ниточек. Примером является спирогира. 

• Пластинчатый тип таллома.

Этот тип таллома представлен пластинками, которые складываются из нескольких слоев клеток. Примером водоросли с пластинчатым талломом является ульва.

Такая простая организация водорослей стала возможна благодаря относительной однородности среды их обитания – воды или очень влажных мест. Все клетки водоросли имеют практически одинаковый температурный режим, доступ к свету и растворенным в воде веществам.

В силу своей принадлежности к царству Растения, водоросли являются фотоавтотрофами. Они самостоятельно производят органические вещества из неорганических для питания, используя энергию солнечного света. Клетки водорослей содержат специфические органоиды – хроматофоры, и дополнительную оболочку – клеточную стенку из целлюлозы. Хроматофоры аналогичны пластидам высших растений. Подробнее об этих особенностях растительных клеток рассказано в статье «Строение клетки».

Хроматофоры водорослей отличаются от хлоропластов других растений меньшими размерами, упрощенной структурой и строением хлорофилла. Разные виды водорослей обладают отличающейся формой хроматофора: он может быть спиралевидным (у спирогиры), чашевидным (у хламидомонады), в виде незамкнутого кольца (у улотрикса).

Развитые представители водорослей имеют структуры, напоминающие органы высших растений, но из-за отсутствия настоящих тканей и органов некорректно говорить о наличии корней: функцию прикрепления к субстрату у некоторых водорослей выполняют ризоиды.

Ризоиды – одноклеточные органы прикрепления к субстрату. Это своеобразные аналоги корням, не выполняющие функцию всасывания.

Если мы внимательно посмотрим на строение корня высших растений, то увидим там множество зон, тканей и других структур, отвечающих за разные функции. Так, корень напоминает мощную водопроводную трубу, по которой вода и растворенные в ней вещества поступают в растение. 

Ризоиды представлены всего одной клеткой, они очень маленькие и слабенькие, поэтому не могут выполнять очень важную для наземных растений функцию всасывания веществ. Они, как зацепки, нужны только для того, чтобы растение не унесло течением. С этой задачей ризоиды справляются на отлично.

Обитают водоросли в пресных и соленых водоемах, их можно найти в пробе воды из лужи в парке или в почве. Некоторые виды обнаруживаются даже во льдах за полярным кругом. 

Диапазон приемлемых температур для жизни водорослей очень велик: он варьируется от +90°С в горячих источниках до -8°С в соленых незамерзающих водах.

Если подумать, водоросли неубиваемы, как знаменитый телефон Nokia. Даже если нам кажется, что водоросли не живут где-то, скорее всего, мы ошибаемся.

Теперь, когда мы знаем общую характеристику водорослей, можно поближе познакомиться с каждым из отделов этой группы растений.

Зеленые водоросли

Отдел Зеленые водоросли назван так из-за характерной окраски представителей, вызванной преобладанием зеленого пигмента хлорофилла над другими пигментами.

Запасное вещество растений – крахмал – откладывается у Зеленых водорослей в пиреноиде – особом месте клетки, содержащем много ферментов (биологически активных соединений, осуществляющих синтез или расщепление веществ в живых организмах). Эти ферменты в буквальном смысле притягивают к себе молекулы глюкозы и соединяют их в одно большое крахмальное зерно. Также пиреноид осуществляет фиксацию углекислого газа для процесса фотосинтеза – образования органических веществ из углекислого газа и воды при участии солнечного света. 

В жизненном цикле Зеленых водорослей преобладает гаплоидное поколение (имеет одинарный набор хромосом, n). Взрослое растение любой зеленой водоросли, способное к половому размножению, называется гаметофитом. Чтобы лучше разобраться с понятиями «гаплоидность» и «гаметофит», читайте статью «Споровые растения».

Запомним правило трех «Г» – оно еще не раз пригодится нам при изучении ботаники. Гаметофит – гаметы – гаплоидный. Все эти слова взаимосвязаны и начинаются на букву «Г»: из гаплоидного гаметофита путем митоза образуются гаметы, сохраняющие гаплоидный набор хромосом.

Важными представителями этого отдела считаются хламидомонада, хлорелла, плеврококк, ацетабулярия и вольвокс. Предлагаем познакомиться с ними поближе – это может пригодиться на любой проверочной работе.

Хламидомонада

Хламидомонада – одноклеточная зеленая водоросль, имеющая пару жгутиков на переднем конце тела. 

Строение хламидомонады 

• Жгутики позволяют водоросли довольно быстро передвигаться, что нехарактерно для других растений и в какой-то степени роднит ее с царством Животных. 
• Помимо плазматической мембраны, клетка хламидомонады, как и все растительные клетки, окружена клеточной стенкой из целлюлозы.
• Хламидомонада имеет фотосинтезирующий аппарат, который  представлен крупным чашевидным хроматофором, заполняющим практически всю цитоплазму клетки. 
• Зерна крахмала, в виде которых накапливаются синтезированные питательные вещества, концентрируются в центральной области хроматофора – пиреноиде.
• Имеется светочувствительный органоид – «глазок» или стигма. 
• На переднем конце тела также имеется две сократительные вакуоли – мембранные органоиды, служащие для выведения лишней воды.

Зачем водорослям нужны глазки? Глазок водоросли  не то же самое, что глаз человека. Глазками у одноклеточных водорослей называются светочувствительные органоиды – стигмы. Они улавливают световые лучи и определяют направление движения клетки. Водоросли фотосинтезируют, а для этого нужен свет. Поэтому клетки будут двигаться к наиболее освещенному месту – это называется положительный фототаксис. Также существует и отрицательный фототаксис – движение в противоположную сторону от света. Такое явление наблюдается, например, у амебы: если осветить место, где она плавает, то мы будем наблюдать ее перемещение в более затененную область.

Для успешной сдачи экзаменов, помимо строения хламидомонады, нужно знать ее жизненный цикл. Водоросль может размножаться как бесполым, так и половым путем. 

При благоприятных условиях происходит бесполое размножение. Водоросль претерпевает многократные митотические деления внутри клеточной стенки, после чего ее целлюлозная оболочка разрывается. Получается, что взрослая водоросль никогда не выживает при появлении «детей» – гаплоидных зооспор (содержащих одинарный набор хромосом, n).

Зооспора – спора, имеющая один или несколько жгутиков. 

Вспомним, где еще нам встречался корень «зоо»: например, в словах «зоология» (наука о животных), «зоопарк». Зооспора похожа на маленькое животное: она активно двигается, имеет своеобразный «хвостик».

При неблагоприятных условиях хламидомонады прибегают к половому размножению, так как оно способствует образованию новых комбинаций наследственной информации, которые могут быть полезны в новых условиях. Это позволяет сохраниться новым поколениям особей, родители которых оказались неприспособленными к неблагоприятным условиям и были вынуждены вступить в половое размножение. Взрослая особь много раз делится митозом с образованием половых клеток – гамет. Вышедшие из клетки гаметы попарно сливаются (этот процесс называется оплодотворением), образуя зиготу – диплоидную клетку, имеющую двойной набор хромосом (2n). Зигота делится мейозом на 4 зооспоры. Каждая из зооспор затем превращается во взрослую водоросль.

Время практики! Решим задание, аналогичное № 22 КИМ ОГЭ.

Задание. К какому царству и подцарству относится организм, изображенный на рисунке? Какая структура обозначена цифрой 3 и какую функцию она выполняет?

Решение. 

1) На рисунке изображена хламидомонада. Царство Растения, подцарство Низшие растения.

2) 3 – стигма (светочувствительный глазок), она необходима для определения света или тени.

Хлорелла и плеврококк

Хлорелла, плеврококк – одноклеточные Зеленые водоросли с шарообразным (коккоидным) талломом. 

• 

• 

Форма клетки помогает хлорелле как бы парить в толще воды, а отсутствие жгутиков делает эту водоросль неподвижной. Часто именно хлорелла «виновата» в цветении водоемов, о котором мы упоминали в начале статьи.

В отличие от других представителей Зеленых водорослей, хлорелла и плеврококк способны только к бесполому размножению с образованием автоспор. 

Автоспора – неподвижная безжгутиковая спора. 

Термин можно запомнить так: автоспора АВТОномная и независимая, ей этот мир уже абсолютно понятен. Поэтому она спокойно лежит и не двигается, а созерцает происходящее вокруг.

При неблагоприятных условиях хлорелла покрывается плотной оболочкой, образуя цисту – это покоящаяся форма водоросли, которая помогает ей дожить до «лучших времен».

Если сделать скидку на размер, то хлорелла имеет достаточно высокую эффективность фотосинтеза – процесса, при котором образуются универсальные энергетические молекулы (АТФ), питательные вещества и важные для других организмов побочные продукты. Благодаря этой особенности, хлорелла нашла свое применение в животноводстве (изготовление кормов) и космической индустрии. Подробнее о фотосинтезе можно узнать в статье «Фотосинтез, хемосинтез, энергетический обмен».

Зачем хлореллу берут с собой в космос? Хлорелла используется для восстановления состава воздуха на космических кораблях. Эта водоросль очень быстро делится и фотосинтезирует, поэтому вырабатывает очень много кислорода – гораздо больше, чем может произвести комнатное растение в горшочке.

Ацетабулярия

• 

• 

Ацетабулярия – крупная водоросль, состоящая всего из одной клетки с единственным клеточным ядром, расположенным в основании «стебелька».

Водоросль получила свое поэтичное название «бокал русалки» из-за верхней части слоевища – шляпки, напоминающей бокал. В грунте ацетабулярия закрепляется при помощи ризоидов.

Цисты с плотной оболочкой образуются по краям шляпки и помогают растению пережить зиму. После зимовки и нескольких делений из цист выходят жгутиковые гаметы (половые клетки), попарно сливаются и образуют зиготу. Зигота впоследствии развивается во взрослое растение.

Вольвокс

Дословно название этого рода Зеленых водорослей переводится как «подвижный шар». И действительно, множество клеток со жгутиками объединяются в такую сферическую структуру, образуя колониальный организм – отношения организмов одного вида, основанные на взаимной выгоде. Начало колонии вольвокса обычно дает одна клетка.

Интересно, что на раздражающие воздействия окружающей среды реагирует не весь «организм», а отдельные составляющие его особи.

Что общего у колонии водорослей и студенческого общежития? Колония – специфическая форма совместного проживания одноклеточных организмов. Клетки в колонии независимы друг от друга и могут существовать отдельно.  Чтобы запомнить этот термин, будем ассоциировать его с общежитием. Колония состоит из множества особей, как и общежитие состоит из множества людей, взаимодействующих друг с другом. Однако каждая клетка колонии, как и каждый человек, могут существовать и отдельно от этого сообщества.

Даже у колониальных организмов возможны разные виды размножения. Для бесполого в колонии вольвокса существуют специальные клетки, инициирующие образование дочернего «шара». 

Половой процесс осуществляется крупными безжгутиковыми генеративными клетками, в которых развиваются яйцеклетки или сперматозоиды (гаметы, половые клетки). При слиянии гамет образуется зигота – ооспора, дающая начало новой колонии.

Кроме одноклеточных и колониальных организмов, среди Зеленых водорослей встречаются и многоклеточные организмы, такие как улотрикс и спирогира.

Улотрикс и спирогира

Улотрикс и спирогира – многоклеточные зеленые водоросли, имеющие вытянутый, нитевидный таллом. 

Взрослое растение улотрикса развивается из одной клетки, которая закрепляется на подводном объекте, давая начало ризоидам и слоевищу. Со временем целлюлозная клеточная стенка клетки-родоначальницы утолщается, а цитоплазма отмирает – она теряет способность к фотосинтезу, в отличие от других клеток водоросли.

На ОГЭ и ЕГЭ часто встречаются задания, связанные с жизненным циклом улотрикса, поэтому предлагаем в нем разобраться.

Взрослое растение – многоклеточная нить способна, как к бесполому, так и к половому размножению.

При бесполом размножении из клетки улотрикса путем митоза образуются гаплоидные (n) зооспоры, которые дают начало новой нити, прикрепившись к какому-нибудь объекту.

К половому размножению водоросль прибегает в неблагоприятных условиях. Спустя несколько митотических делений из родительской клетки образуются гаметы (n), имеющие жгутики. Гаметы сливаются, образуя диплоидную (2n) зиготу. Зигота приобретает плотную оболочку, формируя так называемую зигоцисту. 

Зигоциста помогает будущему растению пережить неблагоприятный период, чтобы безжгутиковые споры, образовавшиеся в результате мейоза, смогли выйти и превратиться в новую нить улотрикса.

Спирогира отличается от улотрикса и других Зеленых водорослей на клеточном уровне. Она имеет один или несколько спирально закрученных хроматофоров. Взрослая нить спирогиры – гаплоидное поколение.

В связи со спиральным строением хроматофора цитоплазма приобрела вид тяжей, тянущихся от мембраны клетки к ядру.

Для спирогиры характерен интересный половой процесс под названием конъюгация. 

Половой процесс – это процесс, приводящий к обмену генетической информацией без увеличения количества особей.

Конъюгация – это половой процесс, при котором происходит слияние двух клеток. 

При конъюгации две нити спирогиры сближаются, и их клетки сливаются, что приводит к объединению наследственной информации двух особей. Как мы понимаем, в этом процессе количество особей не увеличивается, так что конъюгацию нельзя назвать половым размножением – только половым процессом.

После слияния двух нитей образуется диплоидная клетка, которая называется зигоспора. Она начинает делиться мейозом, образуя четыре клетки, из которых выживает только одна. Из-за мейотического деления набор этой клетки уменьшается в два раза и становится гаплоидным, после чего она начинает делиться митозом, образуя новую ниточку водоросли – взрослую особь спирогиры. 

Бурые водоросли

Отличительной чертой следующего отдела водорослей является особый бурый пигмент фукоксантин, который маскирует другие пигменты и придает представителям этой группы растений характерную бурую окраску.

Талломы бурых водорослей имеют более сложное строение, чем у других отделов. Они образуют некоторые виды тканей, которые напоминают по строению и функциям ткани высших растений. 

Современные исследователи даже у простейших представителей Бурых водорослей выделяют кору и сердцевину. Кора выполняет защитную, покровную и фотосинтезирующую функции. Сердцевина отвечает за проведение и запасание веществ. 

Клетки этих тканей все еще недостаточно дифференцированы и специализированы, чтобы поставить Бурые водоросли в один ряд со мхами, папоротниками и семенными растениями. Зато они дают нам представление о более высокой организации этого отдела водорослей и их переходную роль в формировании наземной флоры.

Несмотря на усложненное строение, жизненный цикл Бурых водорослей достаточно прост. В нем, как и у большинства растений, преобладает бесполое поколение – спорофит (2n). 

Диплоидный спорофит путем мейоза производит гаплоидные (n) клетки – гаметы или споры. У большинства Бурых водорослей в результате мейоза образуются именно споры, дающие начало гаплоидному поколению – мелким раздельнополым нитевидным образованиям. 

После формирования половых органов в них образуются гаметы. При слиянии (копуляции) гамет формируется зигота, из которой развивается новое растение. 

Время практики! Решим задание, аналогичное № 9 КИМ ОГЭ.

Задание. Выберите три правильных ответа из шести. Какие организмы относят к бурым водорослям?

1) фукус
2) филлофора
3) фитофтора
4) ламинария
5) родимения
6) саргассум

Решение.
1) Фукус – верно, фукус относится к бурым водорослям.
2) Филлофора – неверно, филлофора относится к красным водорослям, о которых мы поговорим далее.
3) Фитофтора – неверно, фитофтора – это паразитический гриб. Подробнее о фитофторе и других паразитических грибах вы можете узнать в статье «Царство Грибы. Лишайники».
4) Ламинария – верно, ламинария относится к бурым водорослям.
5) Родимения – неверно, относится к красным водорослям.
6) Саргассум – верно, относится к бурым водорослям. 

Ответ: 146

Красные водоросли

В отличие от Зеленых и Бурых водорослей, Красные выделяют в собственное подцарство, носящее название Багрянки.

Красные водоросли – отдел водорослей, в клетках которых зеленый пигмент хлорофилл маскируется каротиноидами (оранжево-желтые пигменты) и фикобилинами (красно-синие пигменты). 

Особенность каротиноидов и фикобилинов в том, что они поглощают свет в спектре, который недоступен для поглощения хлорофиллом.

Вам наверняка известно, что белый свет, к которому мы привыкли, слагается из множества цветов. Цвет освещения зависит от длины волны, а все это вместе определяет количество энергии, которая будет усвоена растением и использована для фотосинтеза.

Каротиноиды и фикобилины (фикоэритрин, фикоцианин, аллофикоцианин) позволили Багрянкам обитать в морских водах на достаточно большой глубине, куда не проникает большая часть солнечного спектра.

Красные водоросли отличились не только наличием разных пигментов, но и необычным жизненным циклом. Ни споры, ни гаметы Багрянок не имеют жгутиков, они неподвижны. Эти клетки выделяются и передвигаются пассивно за счет течения воды и образования растением большого количества слизи. 

Гаплоидные споры (n) дают начало гаметофиту (половому поколению). Образовавшиеся здесь гаметы сливаются – появляется зигота (2n). Из зиготы прямо на гаметофите развивается бесполое поколение – спорофит, который служит только для спорообразования и не является отдельной формой растения. 

Органы вегетативного (бесполого) размножения у Багрянок называются карпоспорангиями. В них образуются карпоспоры.

Экология и значение 

Мы рассмотрели только некоторые из большого множества отделов водорослей, и даже они сильно отличаются друг от друга. Такая разнообразная группа должна занимать важное место в природе и жизни человека.

Действительно, водоросли в экосистемах выполняют роль продуцентов и составляют пищу водных животных. Благодаря способности к фотосинтезу, они производят первичное органическое вещество, используя энергию Солнца. Для лучшего понимания устройства и функционирования экосистем, советуем изучить статью «Экосистема».

Водоросли – многочисленная и повсеместно распространенная группа растений, поэтому они играют важную роль в поддержании атмосферного состава Земли. В процессе фотосинтеза ими производится до 80% всего кислорода планеты. 

Водоросли могут быть свободноживущими или входить в состав лишайников. 

Лишайники – организмы, тела которых образованы благодаря симбиозу (взаимовыгодному отношению) одноклеточных водорослей и грибных гиф. 

О том, что такое гифы и кто такие лишайники и грибы, можно прочитать в статье «Царство Грибы. Лишайники». 

Некоторые представители (например, ламинария – морская капуста, ульва – морской салат) используются человеком в пищу. Азиатские кухни особенно знамениты своими блюдами из водорослей. 

Из-за развития некоторых тканей, в частности, запасающих, представители отдела Бурые водоросли накапливают многие жизненно важные элементы (натрий, кальций, калий, магний и т. д.) и являются ценными средствами в профилактике и лечении различных дефицитов. 

Например, ламинария славится высоким содержанием йода, что делает ее особенно полезной для людей с гипофункцией (недостаточной, слабой работой) щитовидной железы. Йод необходим для синтеза тиреоидных гормонов (Т3 — тироксин и Т4 — трийодтиронин), влияющих на рост и развитие всего организма.

Красные водоросли используют в пищевой промышленности для получения желатинообразных веществ, например, агар-агара.

Агар-агар – смесь, используемая в кулинарии или для приготовления субстрата, на котором хорошо растут колонии различных микроорганизмов в лаборатории. 

• 

• 

Мы изучили общую характеристику водорослей и рассмотрели наиболее известные отделы и представителей. Сегодня проделана большая работа, поэтому рекомендуем отдохнуть и только потом продолжить знакомство с ботаникой и споровыми растениями.

Термины

Мейоз – способ деления, при котором количество хромосом уменьшается в 2 раза. Происходит редукция (уменьшение) хромосомного набора: диплоидное (2n) ядро → гаплоидное (n) ядро. Подробнее об этом способе деления можно узнать в статье «Мейоз».

Митоз – способ деления, при котором образуются две дочерние клетки, идентичные материнской. Подробнее об этом способе деления можно узнать в статье «Митоз».

Пластиды – полуавтономные (частично самостоятельные и обособленные) органоиды растительных клеток, содержащие различные пигменты (например, хлорофилл). Они отвечают за фотосинтез – процесс синтеза органики за счет энергии солнечного света. Подробнее об этих и других органоидах рассказано в статье «Строение клетки».

Симбиоз – вид отношений между организмами, при которых оба участника получают пользу от взаимодействия. Больше о симбиозе и других отношениях между организмами можно прочитать в статье «Экологические факторы».

Фототаксис – способность организма двигаться относительно источника света. Если движение происходит к нему, фототаксис называют положительным, а если в противоположную сторону – отрицательным.

Целлюлоза – нерастворимый в воде углевод (полисахарид), являющийся главным компонентом клеточной стенки растений.

Фактчек

• Водоросли – группа низших растений, включающая в себя множество отделов. 
• Тело представлено талломом (слоевищем), прикрепление к субстрату происходит за счет ризоидов.
• Фотосинтез происходит в специальном органоиде – хроматофоре, который отличается от пластид высших растений размерами и строением. Запасные вещества (крахмал) накапливаются в пиреноиде.
• Отдел зеленые водоросли назван так из-за характерной окраски представителей, вызванной преобладанием хлорофилла над другими пигментами. Важные одноклеточные представители – жгутиковая хламидомонада, безжгутиковые хлорелла и плеврококк, ацетабулярия. Вольвокс – колониальный организм.
• Бурые водоросли отличаются наличием бурого пигмента фукоксантина и усложненным строением: в их талломах можно обнаружить относительно дифференцированные клетки и ткани. Представитель Бурых водорослей ламинария – источник йода, необходимого для нормального функционирования щитовидной железы.
• Красные водоросли выделяют в отдельное подцарство – Багрянки. Они содержат в хроматофорах красно-оранжевые пигменты, маскирующие хлорофилл и позволяющие поглощать больший спектр солнечного света для фотосинтеза.

Проверь себя

Задание 1.
Почему водоросли считаются низшими растениями?

1. Из-за малой численности
2. Из-за недостаточного разнообразия форм
3. Так как не имеют настоящих тканей и органов
4. Так как имеют слишком маленькие размеры тела

Задание 2.
Какая наука изучает водоросли?

1. Альгология
2. Микология
3. Гистология
4. Зоология

Задание 3.
Какие из нижеперечисленных водорослей имеют жгутики?

1. Хлорелла
2. Хламидомонада
3. Плеврококк
4. Вольвокс

Задание 4.
При каком заболевании полезна ламинария?

1. Сахарный диабет
2. Несахарный диабет
3. Гипофункция щитовидной железы
4. Гиперфункция щитовидной железы

Задание 5.
Что такое пиреноид?

1. Фотосинтезирующий аппарат
2. Органоид для накопления крахмала
3. Хроматофор
4. Светочувствительный органоид

Ответы: 1. – 3; 2. – 1; 3. – 2, 4; 4. – 3; 5. – 2.