Как уникальный панцирь диатомовых водорослей помогает определить
климатические условия прошлого? Почему низшие растения используются
в медицине, пищевой промышленности и сельском хозяйстве? И какой
вред приносят человеку цианобактерии? В Рубке ПостНауки мы
поговорили с биологом Максимом Куликовским о водорослях и их
применении в технологиях будущего.Водоросли: виды и история
изучения Водоросли это все растения, которые живут в воде? Нет, не
все водоросли живут в воде. Слово водоросли говорит о том, что для
роста им необходимо много воды. К водорослям относится сборная
группа разных организмов.Водоросли фотосинтезируют и выделяют
кислород. Они распространены повсеместно и очень разнообразны
некоторые исследователи считают, что в мире существуют 20 миллионов
видов водорослей. Водоросли живут в воздухе и почве, на ледниках и
скалах. Ученые находят новые виды организмов даже в самых жарких
местах планеты, например в Сахаре.Водоросли продуцируют половину
всего кислорода на Земле. Без них невозможно существование нашей
планеты. Получается, по количеству видов водорослей больше, чем
высших растений? Да, значительно больше не только по числу видов,
но и по биомассе: если взвесить все водоросли на планете, то
получится огромное значение. При этом ученые описали очень мало
видов водорослей? Организмы почти не изучены? Да. История изучения
водорослей непродолжительна. Она началась в XVIII веке, когда
натуралист Антони ван Левенгук улучшил микроскопы так, что стало
возможно разглядеть даже отдельные клетки. Научный прорыв произошел
в 6080-е годы прошлого столетия, когда ученые стали использовать
электронные микроскопы. Приборы позволяли увидеть организмы в
трехмерном изображении и оценить их структуру.Сейчас применяются
молекулярно-генетические методы. Ученые изучают уникальные
генетические последовательности водорослей баркодинговые участки.
Использование баркодинга (от англ. barcode штрихкод) новый этап в
изучении биоразнообразия любых организмов1. Современные методы
позволили полностью изменить систематику водорослей и описать новые
таксоны общее понятие, которое объединяет роды и виды
организмов.Практически каждый месяц ученые узнают о новых видах
цианобактерий. Например, мы изучали водоросли Байкала за несколько
лет нам удалось описать более 500 новых видов организмов. Также я и
мои коллеги начали изучение криптофитовых водорослей. Ранее в
России было известно небольшое количество этих организмов
два-четыре вида, а мы обнаружили более сорока новых.
Вы занимаетесь диатомовыми водорослями. Что это такое? Диатомовые
водоросли уникальны своим панцирем. Клетка покрыта кремнеземом,
который по своему составу SiO2 очень близок к стеклу. Панцирь
сохраняется длительное время, что позволяет использовать организмы
в прикладных исследованиях.Когда диатомовые водоросли отмирают, то
попадают на дно и захороняются. Мы находим организмы от мелового
периода до настоящего времени. Это позволяет увидеть эволюцию
водорослей. По реперным точкам эоцен, миоцен или более узким
временным периодам судим о времени и экологических условиях во
время захоронения водорослей. Это первый ключ к поиску полезных
ископаемых и пониманию прошлых эпох.Также диатомовые водоросли
помогают проанализировать ситуацию в прошлом. Например, произошло
цунами. Насколько сильным оно было? Вода все разрушила, но
водоросли захоронились, и мы можем их изучить. Другие одноклеточные
водоросли не сохраняются с оболочкой? Да, у других организмов нет
кремнеземного панциря. Это особенность диатомовых водорослей,
которая делает их, как ни странно, эволюционно продвинутыми.Как я
уже упоминал, водоросли продуцируют половину кислорода на Земле.
Четверть, как утверждается в ряде научных статей, передают
диатомовые водоросли. Они распространены повсеместно, имеют
огромную биомассу в планктоне океана. Недавно изучили геном
диатомовых водорослей, и оказалось, что они включили в себя большое
количество генов от красных и ряда других водорослей. Видимо, это
позволило им стать разнообразной и конкурентоспособной группой.С
другой стороны, достаточно посмотреть на водоросли в микроскоп,
которые обладают уникальной структурой, и сделать выводы.
Необязательно использовать молекулярно-генетические методы, как,
допустим, для цианобактерий и зеленых водорослей, которые не имеют
твердых оболочек и уникальных структур.
Недавно открыли родственника красных водорослей одноклеточного
хищника Rhodelphis. Вы что-нибудь слышали об этом? Да. Это
замечательное открытие, которое опубликовано моим коллегой биологом
Денисом Тихоненковым. Rhodelphis это одноклеточный хищник с генами
красных водорослей. Эта работа проделана российскими учеными
совместно с канадскими коллегами. Открытие проливает свет на многие
эволюционные моменты. Все ли водоросли полезны для человека? Может,
существуют вредные и токсичные? Да, таких водорослей очень много:
они живут в морях и пресных водоемах. Водоросли, продуцирующие
токсины, стали настоящей проблемой. В России неоднократно
происходили случаи, когда люди по непонятным причинам погибали,
искупавшись в водоемах. Например, произошел инцидент в Байкальском
регионе: после купания люди сильно отравились, а некоторые погибли.
Это случилось из-за цианобактерий группы организмов, которая раньше
относилась к водорослям, а сейчас ее причисляют к бактериям. Они
продуцируют множество цианотоксинов, опасных для человека.Иногда
массовые отравления людей происходят после употребления в пищу
устриц или морепродуктов. В этом также виноваты водоросли,
продуцирующие токсины.Диатомовые водоросли рода Pseudo-nitzschia
тоже выделяют токсичные вещества. Они привели к массовой гибели
людей и водных организмов в США и других государствах.Могут быть
опасными и динофитовые водоросли: они вызывают красные приливы, во
время которых нельзя есть морепродукты из-за риска отравления. Ряд
других водорослей тоже выделяют токсины. На водоросли влияет то,
что человек загрязняет океан пластиком и нефтью? Да, экологические
изменения сильно влияют на водоросли. Однако существуют виды,
которые широко распространены и являются космополитами. Биомасса и
количество этих водорослей огромно, они умеют выживать. Также есть
водоросли, которые легко адаптируются к разным условиям
среды.Другие водоросли, например прибрежные, плохо
приспосабливаются и быстро вымирают в океане. Многие редкие
водоросли погибают из-за загрязнения в океане и пресных водоемах.В
Европе создан красный список водорослей (red list). В России
водоросли, в том числе одноклеточные, вносятся в Красные книги
различных регионов.Значение и использование водорослей Как и где
сейчас применяются водоросли? Одна из самых важных сфер применения
медицина. Водоросли выделяют вещества, которые обладают очень
хорошей противораковой активностью, действуют против вирусов и
помогают бороться с инфекциями.Также водоросли применяются в
косметологии и талассотерапии. Водоросли используют при обертывании
тела, создают мази и маски для лица. Поиск водорослей для
косметологии продолжается, в оборот вводятся новые организмы.Две
самые известные водоросли хлорелла и спирулина используются в
пищевой промышленности и сельском хозяйстве. Хлорелла применяется и
в России: она содержит много белка, которым кормят кур и крупный
рогатый скот. Человек также питается хлореллой и спирулиной:
водоросли содержат большое количество разных элементов. Спирулина
входит в состав БАДов биологически активных добавок. Ее производят
в России, США и Китае.Уникальные отрасли использования водорослей
криминалистика, космос, археология и геология2. Кстати, Россия
богата нефтью и газом, месторождения которых были открыты благодаря
изучению диатомовых водорослей. В советское время ископаемые
водоросли изучала уникальная школа ученых ни одна страна в мире не
обладала таким багажом знаний. Очень интересная тема использование
водорослей в криминалистике. Разберем гипотетическую ситуацию: на
берегу находят тело человека с каким-то количеством водорослей. Что
по ним можно определить? Первый вопрос, который задают
криминалисты, что произошло: человек утонул или его скинули в
водоем? Если специалисты не могут на него ответить, то водоросли
помогают узнать тип утопления и насколько сильным оно было3.В
криминалистике и медицине существуют разные типы утопления.
Истинное утопление возникает, когда вода попадает в легкие человека
и разжижает кровь. Человеку не хватает кислорода, и он не может
дышать, поэтому рефлекторно или за счет нервных движений диафрагмы
набирает в рот большое количество воды. Вместе с ней в легкие
проникают водоросли, которые содержатся в планктоне. Из-за мощного
давления в теле человека водоросли с током крови разносятся по
органам и тканям, вплоть до мозговой ткани и трубчатых костей рук и
ног.Если криминалисты находят в легких и трубчатых костях человека
сотни или тысячи клеток водорослей, значит, произошло истинное
утопление.Другой тип утопления происходит, когда у человека,
попавшего в воду, смыкается гортань. Он не может дышать и из-за
этого умирает в воде. Тогда в легких человека будет не так много
водорослей, как при истинном утоплении. Диатомовые водоросли не
попадут в трубчатые кости. В случае если человека скинули в воду, в
легких также почти не будет водорослей.Второй вопрос, на который
помогают ответить водоросли: где произошло утопление? Течение реки
могло перенести тело. Иногда человек тонул в одном водоеме, а тело
находили в другом. Хороший пример дело, описанное в статье польских
коллег. Женщина пошла на работу, на небольшой завод, и не вернулась
домой. Ее тело нашли на берегу реки, протекающей за территорией
завода. Криминалисты пришли на место происшествия с собакой. Она
лаяла на пруд на территории завода, но не было понятно почему.
Криминалисты привлекли к работе диатомологов людей, которые хорошо
знают виды, группы и морфологию диатомовых водорослей. Специалисты
статистически доказали, что женщина утонула в пруду на территории
завода. Выяснилось, что охранники или другие люди, которые отвечают
за технику безопасности, испугались проблем и перенесли тело в
реку.Знание водорослей и их групп фундаментальная наука. От нее до
прикладной науки меньше полшага. Этот пример доказательство того,
как важно изучать организмы и биоразнообразие, которое нас
окружает. Водоросли летали в космос? Да, хлорелла летала. Мы знаем
об этом немного часть информации, скорее всего, была
засекречена.Водоросли нужны в космосе, потому что выделяют
кислород, который необходим людям. Кстати, по этой же причине
водоросли пригодятся на Марсе, если мы туда полетим.Еще одна
сложность в космосе уничтожение отходов жизнедеятельности человека.
Водоросли справляются с аммиаком и другими продуктами выделения
космонавтов.В целом водоросли играют огромную роль в воссоздании
цикла жизни в закрытых системах, поэтому они летали и будут летать.
Водоросли могут выжить в открытом космосе или в других
экстремальных условиях? Сразу вспоминается теория о том, что жизнь
была принесена на Землю извне. Некоторые мои коллеги ее
разрабатывают. Появляются научные публикации о том, что в
метеоритах находят остатки водорослей. Существует идея о том, что
водоросли переносятся метеоритами возможно, организмы живут на
другой планете.Кстати, бльшая часть ученых считает, что жизнь была
привнесена на Землю4, а не зародилась на нашей планете.Водоросли
материал будущего Технологии будущего в медицине, энергетике,
питании связаны с водорослями: применение в терапии раковых
заболеваний, создание биотоплива и еды будущего. Почему водоросли
такие прекрасные? Описание новых таксонов водорослей открывает
новые возможности. Уникальность водорослей в том, что они
производят вещества, некоторые из которых не продуцируются
животными организмами. Водоросли синтезируют полиненасыщенные
жирные кислоты, которые необходимы человеку. Этими организмами
питаются рачки, затем рыбы, а после мы.Раньше рассказывали о
возможном применении биотоплива из кукурузы или других высших
растений. Разговоры прекратились быстро: оказалось, что количество
посевных площадей для растений очень ограничено. Однако водоросли
могут справиться с задачей: они быстро растут, делятся и набирают
биомассу. Кроме того, по сравнению с высшими растениями водоросли
продуцируют больше триглицеридов или жирных кислот, необходимых для
биотоплива. Водоросли уникальны, и за ними будущее.
Из-за того, что водоросли стремительно растут, быстро происходит
эволюция? Эволюция это сложный процесс. Существуют разные точки
зрения: одни ученые говорят, что для образования нового вида
достаточно 10 тысяч лет, другие что потребуется меньше времени.Мы
знаем, что в Байкале эволюция идет очень быстрыми темпами. Это
показано на разных организмах, в том числе диатомовых
водорослях.Сейчас важнее то, что разнообразие водорослей
практически не изучено. Мы знаем очень мало видов и групп,
продуцирующих те или иные вещества. Поговорим о будущем пищевых
технологий. Вы упоминали о водорослях, богатых белком. Ученые уже
ищут замену красному мясу. Как в этом помогают водоросли? Водоросли
имеют вещества и соединения, необходимые организму человека. Уже
сейчас мы употребляем в пищу макроводоросли они содержатся,
например, в роллах. Красные водоросли очень богаты йодом и
различными веществами, которых нам не хватает. Наверное, поэтому мы
так любим японскую кухню и морепродукты.Также производятся напитки,
в которые добавляется живая хлорелла или спирулина. Водоросли
используются как биологически активная добавка, которую добавляют в
воду. Ее можно купить в Москве во многих магазинах.Думаю,
микроводоросли будут чаще применяться в продуцировании биомассы.
Организмы будут использовать не только как добавку в корм животных,
как происходит в сельском хозяйстве, но и в питании человека.Весь
мир сейчас ищет новые виды водорослей, чтобы использовать их в
биотехнологиях. Нескольких видов, которые сейчас применяются в
отрасли, недостаточно. Как выглядят фермы, на которых выращивают
микроводоросли? Это множество пробирок или естественная среда? Не
пробирки, а различные установки длинные трубки, в которых много
света и течет вода. Из-за того, что трубки небольшие, водоросли
быстро растут и накапливают биомассу. Фермы для производства
водорослей нужно строить на территориях, где очень много света и
тепла, чтобы снизить затраты на электроэнергию. Это возможно в
теплых странах, например в Израиле и на юге Соединенных Штатов.Для
разведения водорослей используют не только фермы, но и пруды.
Морские микроводоросли можно вырастить в океане, если перекрыть
часть водоема. Преимущества этого метода очень дешевая вода и
неограниченная солнечная энергия.Одна из целей производства
микроводорослей кормление креветок. Для развития личинкам креветок
нужны полиненасыщенные жирные кислоты, которые содержатся в
водорослях. Если креветки не получают эти соединения, происходит
массовый падеж, который приводит к высоким экономическим затратам.
Бизнес разведения креветок растет быстрыми темпами и превышает
доходы от других видов сельского хозяйства. Поэтому исследователи
ищут новые виды водорослей в том числе для креветочных
хозяйств.Дополнительная литература:Максим Куликовский: Диатомовые
водорослиhttps://postnauka.ru/video/88714How has the ocean made
life on land
possiblehttps://oceanexplorer.noaa.gov/facts/oceanproduction.htmlReliable,
verifiable and efficient monitoring of biodiversity via
metabarcoding, Yinqiu Ji Louise Ashton,
2013https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/ele.12162Non-photosynthetic
predators are sister to red algae, Ryan M. R. Gawryluk, Denis V.
Tikhonenkov,
2019https://www.nature.com/articles/s41586-019-1398-6Harmful algal
blooms and red tide problems on the U.S. west coast, Rita A. Horner
David L. Garrison,
2003https://aslopubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.4319/lo.1997.42.5_part_2.1076Chlorellahttps://examine.com/supplements/chlorella/The
Diatoms: Applications for the Environmental and Earth
Scienceshttps://www.cambridge.org/core/books/diatoms/4B3CA55B2B279BC1C6D3E9B52A7130A7Применение
диатомового анализа для расширения возможностей
медико-криминалистических экспертных исследований при диагностике
смерти от
утопленияhttps://cyberleninka.ru/article/n/primenenie-diatomovogo-analiza-dlya-rasshireniya-vozmozhnostey-mediko-kriminalisticheskih-ekspertnyh-issledovaniy-pri-diagnostikeAlgae:
Protists with
Chloroplastshttp://tolweb.org/notes/?note_id=52Биоразнобразиеводорослей-индикаторовокружающейсредыhttp://herba.msu.ru/algae/materials/book/bioind/title.htmlВодоросли:
таксономия, экология, использованиев
мониторингеhttps://elibrary.ru/item.asp?id=19502107http://www.spsl.nsc.ru/FullText/konfe/112439.pdfFirst
Detection of Sugars in Meteorites Gives Clues to Origin of
Lifehttps://www.nasa.gov/press-release/goddard/2019/sugars-in-meteorites
