Бурые водоросли ( ед. р .: водоросль ) — большая группа многоклеточных водорослей, включающая класс Phaeophyceae . Они включают в себя множество морских водорослей, обитающих в более холодных водах Северного полушария . Бурые водоросли являются основными морскими водорослями умеренных и полярных регионов. Многие бурые водоросли, такие как представители порядка Fucales , обычно растут вдоль скалистых морских берегов. Большинство бурых водорослей обитают в морской среде, где они играют важную роль как в качестве пищи, так и в качестве потенциальной среды обитания . Например, Macrocystis , водоросль порядка Laminariales , может достигать 60 м (200 футов) в длину и образует заметные подводные леса из водорослей , которые содержат высокий уровень биоразнообразия. [4] Другим примером является Sargassum , который создает уникальные плавающие маты из морских водорослей в тропических водах Саргассова моря , которые служат средой обитания для многих видов. Некоторые представители этого класса, такие как водоросли, используются человеком в пищу.
В мире известно от 1500 до 2000 видов бурых водорослей. [5] Некоторые виды, такие как Ascophyllum nodosum , стали объектами обширных исследований в силу своей коммерческой важности. Они также имеют экологическое значение благодаря фиксации углерода . [4]
Бурые водоросли принадлежат к Stramenopiles , кладе эукариотических организмов , которые отличаются от зеленых растений тем, что имеют хлоропласты, окруженные четырьмя мембранами, что предполагает, что они были приобретены вторично из симбиотических отношений между базальным эукариотом и красной или зеленой водорослью. Большинство бурых водорослей содержат пигмент фукоксантин , который отвечает за характерный зеленовато-коричневый цвет, который дал им их название. Бурые водоросли уникальны среди Stramenopiles тем, что развиваются в многоклеточные формы с дифференцированными тканями , но они размножаются с помощью жгутиковых спор и гамет , которые очень похожи на клетки одноклеточных Stramenopiles. Генетические исследования показывают, что их ближайшими родственниками являются желто-зеленые водоросли .
Бурые водоросли существуют в широком диапазоне размеров и форм. Самые маленькие представители группы растут как крошечные, перистые пучки нитевидных клеток длиной не более нескольких сантиметров (нескольких дюймов). [6] У некоторых видов есть стадия в их жизненном цикле, которая состоит всего из нескольких клеток, что делает всю водоросль микроскопической. Другие группы бурых водорослей вырастают до гораздо больших размеров. Каменистые водоросли и кожистые водоросли часто являются наиболее заметными водорослями в их среде обитания. [7] Водоросли могут варьироваться по размеру от 60-сантиметровой (2 фута) морской пальмы Postelsia до гигантской водоросли Macrocystis pyrifera , которая вырастает до более чем 50 м (150 футов) в длину [8] [9] и является самой большой из всех водорослей. По форме бурые водоросли варьируются от небольших корок или подушек [10] до листовых свободно плавающих матов, образованных видами Sargassum . Они могут состоять из тонких войлочных нитей клеток, как у Ectocarpus , или из 30-сантиметровых (1 фут) сплющенных ветвей, напоминающих веер, как у Padina .
Независимо от размера или формы, две видимые особенности отличают Phaeophyceae от всех других водорослей. Во-первых, члены группы обладают характерным цветом, который варьируется от оливково-зеленого до различных оттенков коричневого . Конкретный оттенок зависит от количества фукоксантина, присутствующего в водоросли. [11] Во-вторых, все бурые водоросли многоклеточные . Нет известных видов, которые существуют в виде отдельных клеток или колоний клеток, [11] и бурые водоросли являются единственной крупной группой морских водорослей , которая не включает такие формы. Однако это может быть результатом классификации, а не следствием эволюции, поскольку все группы, предположительно являющиеся ближайшими родственниками бурых, включают одноклеточные или колониальные формы. [ необходима цитата ] Они могут менять цвет в зависимости от солености, варьируясь от красноватого до коричневого.
Независимо от формы, тело всех бурых водорослей называется талломом , что указывает на отсутствие у него сложной ксилемы и флоэмы сосудистых растений . Это не означает, что у бурых водорослей полностью отсутствуют специализированные структуры. Но, поскольку некоторые ботаники определяют «истинные» стебли, листья и корни по наличию этих тканей, их отсутствие у бурых водорослей означает, что стеблеподобные и листоподобные структуры, обнаруженные в некоторых группах бурых водорослей, должны описываться с использованием другой терминологии. [12] Хотя не все бурые водоросли структурно сложны, те, которые таковыми являются, обычно обладают одной или несколькими характерными частями.
Фиксатор — это корнеобразная структура , присутствующая у основания водоросли. Подобно корневой системе растений, фиксатор служит для закрепления водоросли на месте на субстрате , где она растет, и, таким образом, предотвращает унос водоросли течением. В отличие от корневой системы, фиксатор, как правило, не служит основным органом для поглощения воды и не потребляет питательные вещества из субстрата. Общий внешний вид фиксатора различается у разных бурых водорослей и разных субстратов. Он может быть сильно разветвленным или иметь чашеобразный вид. У одной водоросли обычно есть только один фиксатор, хотя у некоторых видов из фиксатора растет более одной ножки.
Ножка — это стебель или стеблеподобная структура, присутствующая в водоросли. Она может расти как короткая структура около основания водоросли (как у Laminaria ), или может развиться в большую, сложную структуру, проходящую по всему телу водоросли (как у Sargassum или Macrocystis ). У наиболее структурно дифференцированных бурых водорослей (таких как Fucus ) ткани внутри ножки разделены на три отдельных слоя или области. Эти области включают центральную сердцевину, окружающую кору и внешний эпидермис, каждая из которых имеет аналог в стебле сосудистого растения. У некоторых бурых водорослей область сердцевины включает ядро из удлиненных клеток, которые напоминают флоэму сосудистых растений как по структуре, так и по функциям. У других (таких как Nereocystis ) центр ножки полый и заполнен газом, который служит для поддержания плавучести этой части водоросли. Ножка может быть относительно гибкой и эластичной у таких видов, как Macrocystis pyrifera , которые растут в условиях сильного течения, или может быть более жесткой у таких видов, как Postelsia palmaeformis , которые подвергаются воздействию атмосферы во время отлива.
Многие водоросли имеют уплощенную часть, которая может напоминать лист, и это называется лезвием , пластинкой или вайей . Название лезвие чаще всего применяется к одной неразделенной структуре, в то время как вайя может применяться ко всему или большей части тела водоросли, которая уплощена, но это различие не применяется повсеместно. Название пластинка относится к той части структурно дифференцированной водоросли, которая уплощена. Это может быть одиночная или разделенная структура, и может быть распространена на значительную часть водоросли. Например, у водорослей ламина представляет собой широкое крыло ткани, которое непрерывно проходит вдоль обеих сторон разветвленной средней жилки . Средняя жилка и пластинка вместе составляют почти всю водоросль, так что пластинка распространена по всей водоросли, а не существует как локализованная ее часть.
У некоторых бурых водорослей есть одна пластинка или лопасть, в то время как у других может быть много отдельных лопастей. Даже у тех видов, которые изначально производят одну лопасть, структура может разорваться под действием сильных течений или в процессе созревания, образуя дополнительные лопасти. Эти лопасти могут быть прикреплены непосредственно к ножке, к креплению без ножки или между ножкой и лопастью может быть воздушный пузырь. Поверхность пластинки или лопасти может быть гладкой или морщинистой; ее ткани могут быть тонкими и гибкими или толстыми и кожистыми. У таких видов, как Egregia menziesii , эта характеристика может меняться в зависимости от турбулентности вод, в которых она растет. [6] У других видов поверхность лопасти покрыта слизью, чтобы препятствовать прикреплению эпифитов или отпугивать травоядных животных . Лопасти также часто являются частями водоросли, которые несут репродуктивные структуры.
Заполненные газом поплавки, называемые пневматоцистами, обеспечивают плавучесть многим водорослям и представителям Fucales . Эти пузыревидные структуры встречаются в пластинке или рядом с ней, так что она удерживается ближе к поверхности воды и, таким образом, получает больше света для фотосинтеза. Пневматоцисты чаще всего имеют сферическую или эллипсоидальную форму , но могут различаться по форме у разных видов. Такие виды, как Nereocystis luetkeana и Pelagophycus porra, несут одну большую пневматоцисту между верхней частью ножки и основанием лопастей. Напротив, гигантская водоросль Macrocystis pyrifera несет много лопастей вдоль своей ножки, с пневматоцистой в основании каждой лопасти, где она прикрепляется к главной ножке. Виды Sargassum также несут много лопастей и пневматоцист, но оба вида структур прикреплены отдельно к ножке короткими стебельками. У видов Fucus пневматоцисты развиваются внутри самой пластинки, либо в виде отдельных сферических пузырьков, либо в виде удлиненных заполненных газом областей, которые принимают очертания пластинки, в которой они развиваются.
Бурые водоросли являются самыми крупными и быстрорастущими из всех морских водорослей. [6] Листья Macrocystis могут вырастать на 50 см (20 дюймов) в день, а ножки могут вырасти на 6 см (2,4 дюйма) за один день. [13]
Рост большинства бурых водорослей происходит на кончиках структур в результате делений в одной апикальной клетке или в ряду таких клеток. Они являются одноклеточными организмами. [7] По мере того, как эта апикальная клетка делится, новые клетки, которые она производит, развиваются во все ткани водоросли. Ветвления и другие боковые структуры появляются, когда апикальная клетка делится, чтобы произвести две новые апикальные клетки. Однако несколько групп (например, Ectocarpus ) растут путем диффузного, нелокализованного производства новых клеток, которое может происходить в любом месте на талломе. [11]
Простейшие бурые водоросли — нитчатые, то есть их клетки удлиненные и имеют перегородки, прорезающие их по всей ширине. Они разветвляются, расширяясь на кончике, а затем разделяя расширение. [14]
Эти нити могут быть гаплостихными или полистихными, многоосными или одноосными, образующими или не образующими псевдопаренхиму . [15] [16] Помимо листьев, существуют крупные по размеру паренхимные водоросли с трехмерным развитием и ростом и различными тканями (меристодерма, кора и сердцевина), которые можно считать морскими деревьями. [17] [18] Существуют также Fucales и Dictyotales, меньшие по размеру, чем водоросли, но все же паренхиматозные с тем же типом отдельных тканей.
Клеточная стенка состоит из двух слоев; внутренний слой несет прочность и состоит из целлюлозы ; внешний слой стенки в основном состоит из альгина и является клейким во влажном состоянии, но становится твердым и хрупким при высыхании. [15] В частности, клеточная стенка бурых водорослей состоит из нескольких компонентов, основными ингредиентами которых являются альгинаты и сульфатированный фукан , до 40% каждого из них. [19] Целлюлоза, основной компонент большинства клеточных стенок растений, присутствует в очень небольшом процентном соотношении, до 8%. Пути биосинтеза целлюлозы и альгината, по-видимому, были приобретены у других организмов посредством эндосимбиотического и горизонтального переноса генов соответственно, в то время как сульфатированные полисахариды имеют предковое происхождение. [20] В частности, целлюлозосинтазы, по-видимому, происходят от эндосимбионта красной водоросли фотосинтетического предка страменопил, а предок бурых водорослей приобрел ключевые ферменты для биосинтеза альгинатов от актинобактерии . Наличие и тонкий контроль структуры альгината в сочетании с целлюлозой, которая существовала до него, потенциально дали бурым водорослям возможность развивать сложные структурно многоклеточные организмы, такие как ламинарии. [21]
Генетические и ультраструктурные данные помещают Phaeophyceae среди гетероконтов (Stramenopiles), [22] большой группы организмов, которая включает как фотосинтетических членов с пластидами (таких как диатомовые водоросли ), так и нефотосинтетические группы (такие как слизистые сети и водные формы ). Хотя некоторые гетероконты, родственники бурых водорослей, не имеют пластид в своих клетках, ученые полагают, что это является результатом эволюционной потери этой органеллы в этих группах, а не независимого приобретения несколькими фотосинтетическими членами. [23] Таким образом, считается, что все гетероконты произошли от одного гетеротрофного предка, который стал фотосинтетическим, когда он приобрел пластиды через эндосимбиоз другого одноклеточного эукариота. [24]
Ближайшие родственники бурых водорослей включают одноклеточные и нитчатые виды, но ни один одноклеточный вид бурых водорослей не известен. Однако большинство ученых предполагают, что Phaeophyceae произошли от одноклеточных предков. [25] Сравнение последовательностей ДНК также предполагает, что бурые водоросли произошли от нитчатых Phaeothamniophyceae , [26] Xanthophyceae , [27] или Chrysophyceae [28] между 150 [1] и 200 миллионами лет назад. [2] Во многих отношениях эволюция бурых водорослей параллельна эволюции зеленых и красных водорослей , [29], поскольку все три группы обладают сложными многоклеточными видами с чередованием поколений . Анализ последовательностей 5S рРНК выявляет гораздо меньшие эволюционные расстояния между родами бурых водорослей, чем между родами красных или зеленых водорослей [2] [30] , что позволяет предположить, что бурые водоросли диверсифицировались гораздо позже, чем две другие группы.
Встречаемость Phaeophyceae в виде ископаемых встречается редко из-за их, как правило, мягкотелой природы, [31] и ученые продолжают спорить об идентификации некоторых находок. [32] Часть проблемы с идентификацией заключается в конвергентной эволюции морфологии между многими бурыми и красными водорослями. [33] Большинство ископаемых мягкотканных водорослей сохраняют только уплощенный контур, без микроскопических особенностей, которые позволяют надежно различать основные группы многоклеточных водорослей. Среди бурых водорослей только виды рода Padina откладывают значительные количества минералов в своих клеточных стенках или вокруг них. [34] Другие группы водорослей, такие как красные водоросли и зеленые водоросли , имеют ряд известковых членов. Из-за этого они с большей вероятностью оставят свидетельства в летописи окаменелостей, чем мягкие тела большинства бурых водорослей, и чаще могут быть точно классифицированы. [35]
Ископаемые остатки, сопоставимые по морфологии с бурыми водорослями, известны из слоев, таких старых, как верхний ордовик [36] , но таксономическое родство этих ископаемых отпечатков далеко не определенно. [37] Утверждения о том, что более ранние эдиакарские ископаемые являются бурыми водорослями [38] , с тех пор были отклонены. [26] Хотя многие углеродистые ископаемые были описаны из докембрия , они, как правило, сохраняются в виде сплющенных контуров или фрагментов длиной всего несколько миллиметров. [39] Поскольку эти ископаемые не имеют признаков, диагностических для идентификации даже на самом высоком уровне, их относят к таксонам ископаемых форм в соответствии с их формой и другими общими морфологическими признаками. [40] Ряд девонских ископаемых, названных фукоидами , из-за их сходства в очертаниях с видами рода Fucus , оказались неорганическими, а не настоящими ископаемыми. [31] Девонский мегафоссил Prototaxites , состоящий из масс нитей, сгруппированных в стволообразные оси, считался возможной бурой водорослью. [11] Однако современные исследования склоняются к переосмыслению этой окаменелости как наземного гриба или грибоподобного организма. [41] Аналогично, ископаемая Protosalvinia когда-то считалась возможной бурой водорослью, но теперь считается ранним наземным растением . [42]
Ряд палеозойских ископаемых были предварительно отнесены к бурым водорослям, хотя большинство из них также сравнивали с известными видами красных водорослей. Phascolophyllaphycus обладает многочисленными удлиненными, раздутыми лопастями, прикрепленными к ножке. Это самая распространенная из водорослевых ископаемых, найденных в коллекции, сделанной из каменноугольных слоев в Иллинойсе . [43] Каждая полая лопасть несет до восьми пневматоцист у своего основания, а ножки, по-видимому, также были полыми и раздутыми. Это сочетание характеристик похоже на некоторые современные роды в порядке Laminariales (ламинарии). Несколько ископаемых Drydenia и один образец Hungerfordia из верхнего девона Нью-Йорка также сравнивали как с бурыми, так и с красными водорослями. [33] Ископаемые остатки Drydenia состоят из эллиптической лопасти, прикрепленной к разветвленному нитевидному фиксатору, мало чем отличающемуся от некоторых видов Laminaria , Porphyra или Gigartina . Единственный известный экземпляр Hungerfordia разветвляется дихотомически на доли и напоминает такие роды, как Chondrus и Fucus [33] или Dictyota . [44]
Самые ранние известные окаменелости, которые можно надежно отнести к Phaeophyceae, происходят из миоценовых диатомитовых отложений формации Монтерей в Калифорнии . [24] Было обнаружено несколько мягкотелых бурых макроводорослей, таких как Julescraneia . [45]
На основе работы Зильберфельда, Руссо и де Ревьера 2014 г. [46]
Это список порядков в классе Phaeophyceae: [46] [47]
Большинство бурых водорослей, за исключением Fucales , осуществляют половое размножение посредством спорового мейоза . [48] Между поколениями водоросли проходят отдельные фазы спорофита ( диплоидную ) и гаметофита ( гаплоидную ). Стадия спорофита часто более заметна из двух, хотя некоторые виды бурых водорослей имеют схожие диплоидные и гаплоидные фазы. Свободно плавающие формы бурых водорослей часто не подвергаются половому размножению , пока не прикрепятся к субстрату. Гаплоидное поколение состоит из мужских и женских гаметофитов . [49] Оплодотворение яйцеклеток различается у разных видов бурых водорослей и может быть изогамным , оогамным или анизогамным . Оплодотворение может происходить в воде с помощью яиц и подвижной спермы или внутри самого оогония .
Некоторые виды бурых водорослей также могут осуществлять бесполое размножение посредством производства подвижных диплоидных зооспор . Эти зооспоры образуются в многогнездном спорангии и могут немедленно созревать в фазу спорофита.
У представительного вида Laminaria есть заметное диплоидное поколение и меньшие гаплоидные поколения. Мейоз происходит в нескольких одногнездных спорангиях вдоль лопасти водоросли, каждый из которых образует либо гаплоидные мужские, либо женские зооспоры . Затем споры высвобождаются из спорангиев и вырастают, образуя мужские и женские гаметофиты. Женский гаметофит производит яйцеклетку в оогонии, а мужской гаметофит выпускает подвижную сперму, которая оплодотворяет яйцеклетку. Затем оплодотворенная зигота вырастает в зрелый диплоидный спорофит.
В порядке Fucales половое размножение оогамное , и зрелый диплоид является единственной формой для каждого поколения. Гаметы образуются в специализированных концептакулах , которые разбросаны по обеим поверхностям вместилища, внешней части лопастей родительского растения. Яйцеклетки и подвижные сперматозоиды высвобождаются из отдельных мешочков внутри концептакул родительских водорослей, объединяясь в воде для завершения оплодотворения. Оплодотворенная зигота оседает на поверхности и затем дифференцируется в листовой таллом и пальцеобразный фиксатор. Свет регулирует дифференциацию зиготы на лезвие и фиксатор.(автор samay the great)
Бурые водоросли приспособились к широкому спектру морских экологических ниш, включая зону приливного заплеска, каменные бассейны, всю приливную зону и относительно глубокие прибрежные воды. Они являются важным компонентом некоторых солоноватоводных экосистем и колонизировали пресную воду как минимум в шести известных случаях. [50] Большое количество Phaeophyceae являются приливно-отливными или верхнелиторальными, [26] и они являются преимущественно прохладными и холодноводными организмами, которые извлекают пользу из питательных веществ из восходящих потоков холодной воды и притоков с суши; Sargassum является заметным исключением из этого обобщения.
Бурые водоросли, растущие в солоноватой воде, являются почти исключительно бесполыми. [26]
Бурые водоросли имеют значение δ 13 C в диапазоне от −30,0‰ до −10,5‰, в отличие от красных и зеленых водорослей. Это отражает их различные метаболические пути. [52]
Они имеют целлюлозные стенки с альгиновой кислотой , а также содержат полисахарид фукоидан в аморфных участках своих клеточных стенок. Несколько видов ( Padina ) кальцифицируют с иглами арагонита . [26]
Помимо альгинатов, фукоидана и целлюлозы, углеводный состав бурых водорослей состоит из маннита , ламинарина и глюкана . [53]
Фотосинтетическая система бурых водорослей состоит из комплекса P700 , содержащего хлорофилл a . Их пластиды также содержат хлорофилл c и каротиноиды (наиболее распространенным из которых является фукоксантин ). [54]
Бурые водоросли вырабатывают особый тип танинов, называемых флоротаннинами, в больших количествах, чем красные водоросли.
Бурые водоросли включают ряд съедобных морских водорослей . Все бурые водоросли содержат альгиновую кислоту (альгинат) в своих клеточных стенках, которая извлекается в коммерческих целях и используется в качестве промышленного загустителя в пищевых продуктах и для других целей. [55] Один из этих продуктов используется в литий-ионных батареях . [56] Альгиновая кислота используется в качестве стабильного компонента анода батареи . Этот полисахарид является основным компонентом бурых водорослей и не встречается в наземных растениях.
Альгиновая кислота также может использоваться в аквакультуре . Например, альгиновая кислота усиливает иммунную систему радужной форели. Молодые рыбы имеют больше шансов выжить, если им дают диету с альгиновой кислотой. [57]
Бурые водоросли, включая заросли ламинарии , также ежегодно фиксируют значительную часть углекислого газа Земли посредством фотосинтеза. [58] Кроме того, они могут хранить большое количество углекислого газа, что может помочь нам в борьбе с изменением климата. [59] Было показано, что саргахроманол G , экстракт Sargassum siliquastrum , обладает противовоспалительным действием. [60]
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )