Многие протисты имеют защитные оболочки или панцири , [2] обычно сделанные из кремния (стекла) или карбоната кальция (мела). Протисты представляют собой разнообразную группу эукариотических организмов, которые не являются растениями, животными или грибами. Обычно это микроскопические одноклеточные организмы , которые живут в воде или влажной среде.
Панцири протистов часто представляют собой жесткие, минерализованные формы, которые устойчивы к деградации и могут пережить смерть протистов как микроископаемые . Хотя протисты обычно очень малы, они вездесущи. Их численность такова, что их панцири играют огромную роль в формировании океанических отложений и в глобальном круговороте элементов и питательных веществ.
Роль раковин простейших зависит от типа простейших. Такие простейшие, как диатомовые водоросли и радиолярии, имеют сложные, похожие на стекло раковины из кремнезема , которые являются твердыми и защитными и служат барьером для предотвращения потери воды. Раковины имеют небольшие поры, которые обеспечивают газообмен и поглощение питательных веществ. Кокколитофориды и фораминиферы также имеют твердые защитные раковины, но раковины состоят из карбоната кальция . Эти раковины могут помогать с плавучестью, позволяя организмам плавать в толще воды и легче передвигаться.
Помимо защиты и поддержки, раковины протистов также служат ученым средством идентификации. Изучая характеристики раковин, можно идентифицировать различные виды протистов и изучать их экологию и эволюцию.
Клеточная жизнь, вероятно, возникла как одноклеточные прокариоты (включая современные бактерии и археи) и позже эволюционировала в более сложных эукариот . Эукариоты включают в себя такие организмы, как растения, животные, грибы и «протисты». Протисты обычно одноклеточные и микроскопические. Они могут быть гетеротрофными , то есть они получают питательные вещества, потребляя другие организмы, или автотрофными , то есть они производят свою собственную пищу посредством фотосинтеза или хемосинтеза , или миксотрофными , то есть они производят свою собственную пищу посредством смеси этих методов.
Термин протист исторически вошел в употребление для обозначения группы биологически схожих организмов; однако современные исследования показали, что это парафилетическая группа, которая не содержит всех потомков общего предка. Как таковая, она не представляет собой кладу и в настоящее время не находится в формальном научном употреблении. Тем не менее, этот термин продолжает использоваться неформально для обозначения тех эукариот , которые не могут быть классифицированы как растения, грибы или животные.
Большинство протистов слишком малы, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом. Это очень разнообразные организмы, в настоящее время организованные в 18 типов, но их нелегко классифицировать. [3] [4] Исследования показали, что высокое разнообразие протистов существует в океанах, глубоких морских жерлах и речных отложениях, что предполагает, что большое количество эукариотических микробных сообществ еще не обнаружено. [5] [6] Как эукариоты, протисты имеют внутри своей клетки по крайней мере одно ядро , а также органеллы, такие как митохондрии и тельца Гольджи . Многие протисты бесполы , но могут быстро размножаться посредством митоза или путем фрагментации ; другие (включая фораминиферы ) могут размножаться как половым, так и бесполым путем. [7]
В отличие от клеток бактерий и архей, клетки простейших и других эукариот высокоорганизованы. Растения, животные и грибы обычно многоклеточные и, как правило, макроскопические . Большинство простейших одноклеточные и микроскопические, но есть исключения, и некоторые морские простейшие не являются ни одноклеточными, ни микроскопическими, например, морские водоросли .
Хотя кремний легко доступен в форме силикатов , очень немногие организмы используют его напрямую. Диатомовые водоросли , радиолярии и кремниевые губки используют биогенный кремний в качестве структурного материала для своих скелетов. У более продвинутых растений кремниевые фитолиты (опаловые фитолиты) представляют собой жесткие микроскопические тела, находящиеся в клетке; некоторым растениям, включая рис , для роста необходим кремний. [8] [9] [10] Было показано, что кремний улучшает прочность стенки растительной клетки и структурную целостность некоторых растений. [11]
Диатомовые водоросли образуют (спорный) тип, содержащий около 100 000 признанных видов в основном одноклеточных водорослей. Диатомовые водоросли вырабатывают около 20 процентов кислорода, производимого на планете каждый год, [12] поглощают более 6,7 миллиардов метрических тонн кремния каждый год из вод, в которых они живут, [13] и вносят почти половину органического материала, обнаруженного в океанах.
Диатомовые водоросли заключены в защитные кремниевые (стеклянные) оболочки, называемые панцирями . Прекрасно спроектированная и сложная структура многих из этих панцирей такова, что их часто называют «жемчужинами моря». [14] Каждая панцирь состоит из двух взаимосвязанных частей, покрытых крошечными отверстиями, через которые диатомовые водоросли обмениваются питательными веществами и отходами. [15] Панцири мертвых диатомовых водорослей дрейфуют на дно океана, где за миллионы лет они могут накапливаться на глубине до полумили. [16]
Диатомовые водоросли используют кремний в форме биогенного кремния (BSiO 2 ), [17] который поглощается белком-переносчиком кремния , чтобы преимущественно использоваться для построения этих защитных структур клеточной стенки. [18] Кремний попадает в океан в растворенной форме, такой как кремниевая кислота или силикат . [19] Поскольку диатомовые водоросли являются одними из основных пользователей этих форм кремния, они вносят большой вклад в концентрацию кремния по всему океану. Кремний образует питательно-подобный профиль в океане из-за продуктивности диатомовых водорослей на небольших глубинах, что означает меньшую концентрацию кремния в верхнем слое океана и большую концентрацию кремния в глубоком океане. [19]
Продуктивность диатомовых водорослей в верхнем океане способствует количеству кремния, экспортируемого в нижний океан. [20] Когда клетки диатомовых водорослей лизируются в верхнем океане, их питательные вещества, такие как железо, цинк и кремний, переносятся в нижний океан посредством процесса, называемого морским снегом . Морской снег включает в себя нисходящий перенос органических частиц путем вертикального смешивания растворенного органического вещества . [21] Наличие кремния, по-видимому, имеет решающее значение для продуктивности диатомовых водорослей, и пока кремниевая кислота доступна для использования диатомовыми водорослями, диатомовые водоросли вносят другие важные концентрации питательных веществ в глубины океана. [22]
В прибрежных зонах диатомовые водоросли служат основными фитопланктонными организмами и вносят большой вклад в биогенное производство кремния. Однако в открытом океане диатомовые водоросли играют меньшую роль в глобальном годовом производстве кремния. Диатомовые водоросли в североатлантических и северотихоокеанских субтропических круговоротах вносят лишь около 6% глобального годового производства морского кремния, в то время как Южный океан производит около одной трети глобального морского биогенного кремния. [23] Южный океан называют имеющим «биогеохимический водораздел», поскольку только незначительное количество кремния выносится из этого региона. [24]
Панцири диатомовых водорослей накапливались более 100 миллионов лет, оставляя богатые залежи нано- и микроструктурированного оксида кремния в форме диатомовой земли по всему миру. Эволюционные причины образования нано- и микроструктурированного кремнезема фотосинтетическими водорослями пока не ясны. Однако в 2018 году было показано, что поглощение ультрафиолетового света наноструктурированным кремнеземом защищает ДНК в клетках водорослей, и это может быть эволюционной причиной образования стеклянных клеток. [28] [29]
Радиолярии — одноклеточные хищные простейшие, заключенные в сложные шаровидные оболочки (или «капсулы»), обычно сделанные из кремния и пронизанные отверстиями. Их название происходит от латинского слова «радиус». Они ловят добычу, просовывая части своего тела через отверстия. Как и в случае с кремниевыми панцирями диатомовых водорослей, раковины радиолярий могут опускаться на дно океана, когда радиолярии умирают, и сохраняться как часть океанического осадка. Эти останки, как микроископаемые, предоставляют ценную информацию о прошлых океанических условиях. [32]
Кокколитофориды — это крошечные одноклеточные фотосинтезирующие простейшие с двумя жгутиками для передвижения. Большинство из них защищены оболочкой, называемой коккосферой . Коккосферы покрыты декоративными круглыми пластинками или чешуйками, называемыми кокколитами . Кокколиты состоят из карбоната кальция. Термин кокколитофориды происходит от греческого слова, означающего « камень, несущий семена », что указывает на их небольшой размер и камни кокколитов, которые они несут. При правильных условиях они цветут, как и другой фитопланктон, и могут сделать океан молочно-белым . [36]
Для простейших, которые несут защитные оболочки, есть преимущества. Диаграмма слева внизу показывает некоторые преимущества, которые кокколитофориды получают от переноса кокколитов. На диаграмме (A) представляет ускоренный фотосинтез, включая механизмы концентрации углерода (CCM) и усиленное поглощение света посредством рассеивания редких фотонов для глубоко обитающих видов. (B) представляет защиту от фотоповреждения, включая защиту от солнца от ультрафиолетового света (УФ) и фотосинтетически активного излучения (ФАР) и рассеивание энергии в условиях высокой освещенности. (C) представляет бронезащиту, включающую защиту от вирусных/бактериальных инфекций и поедания селективными и неселективными травоядными. [38]
Также существуют затраты для простейших, которые несут защитные оболочки. Диаграмма справа выше показывает некоторые энергетические затраты, которые несут кокколитофориды при переносе кокколитов. На диаграмме энергетические затраты указаны в процентах от общего фотосинтетического бюджета. (A) представляет транспортные процессы, включающие транспорт в клетку из окружающей морской воды первичных субстратов кальцификации Ca 2+ и HCO 3 − (черные стрелки) и удаление конечного продукта H+ из клетки (серая стрелка). Транспорт Ca 2+ через цитоплазму в везикулу кокколита (CV) является доминирующей затратой, связанной с кальцификацией. (B) представляет метаболические процессы, включающие синтез полисахаридов, ассоциированных с кокколитами ( CAP – серые прямоугольники) комплексом Гольджи (белые прямоугольники), которые регулируют зародышеобразование и геометрию кристаллов CaCO 3. Завершенный кокколит (серая пластина) представляет собой сложную структуру из замысловато организованных CAP и кристаллов CaCO 3 . (C) Механические и структурные процессы обуславливают секрецию готовых кокколитов, которые транспортируются из своего первоначального положения, прилегающего к ядру, на периферию клетки, где они переносятся на поверхность клетки. [38]
Подобно радиоляриям, фораминиферы ( сокращенно фораминиферы ) являются одноклеточными хищными простейшими, также защищенными раковинами с отверстиями. Их название происходит от латинского слова «носители отверстий». Их раковины, часто называемые панцирями , могут быть однокамерными или многокамерными; многокамерные фораминиферы добавляют больше камер по мере роста. Самые известные из них состоят из кальцита, но панцири также могут состоять из арагонита , агглютинированных частиц осадка, хитона или (редко) из кремнезема. Большинство фораминифер являются бентосными , но около 40 ныне живущих видов являются планктонными . [39] Они широко исследуются с помощью хорошо известных ископаемых записей, которые позволяют ученым делать много выводов о прошлых средах и климате. [32] У некоторых фораминифер вообще нет панцирей. [40]
Тело клетки многих хоанофлагеллят окружено отличительным внеклеточным матриксом или перипластом . Эти клеточные покрытия сильно различаются по структуре и составу и используются таксономистами для целей классификации. Многие хоанофлагелляты строят сложные корзинообразные «дома», называемые лорика , из нескольких склеенных вместе кремниевых полосок. [43] Функциональное значение перипласта неизвестно, но считается, что у сидячих организмов он помогает прикреплению к субстрату. У планктонных организмов есть предположение, что перипласт увеличивает сопротивление, тем самым противодействуя силе, создаваемой жгутиком, и повышая эффективность питания. [43] [44]
Раковины или скелеты многих простейших выживают в геологических масштабах времени как микроископаемые. Микроископаемые — это ископаемые , которые обычно имеют размер от 0,001 мм до 1 мм, [45] изучение которых требует использования световой или электронной микроскопии . Ископаемые, которые можно изучать невооруженным глазом или с помощью маломощного увеличения, например, лупы, называются макроископаемыми .
Микроископаемые являются общей чертой геологической летописи , от докембрия до голоцена . Они наиболее распространены в морских отложениях , но также встречаются в солоноватой воде, пресной воде и наземных осадочных отложениях. Хотя в летописи микроископаемых представлено каждое царство жизни , наиболее распространенными формами являются скелеты протистов или цисты из Chrysophyta , Pyrrhophyta , Sarcodina , акритархи и хитинозои , а также пыльца и споры сосудистых растений .
В 2017 году в осадках гидротермальных источников в поясе Нуввуагиттук были обнаружены окаменелые микроорганизмы , или микроископаемые, возраст которых может составлять 4,28 миллиарда лет, что является старейшим свидетельством существования жизни на Земле , что предполагает «почти мгновенное возникновение жизни» (в геологическом масштабе времени) после образования океана 4,41 миллиарда лет назад и вскоре после образования Земли 4,54 миллиарда лет назад. [46] [47] [48] [49] Тем не менее, жизнь могла зародиться даже раньше, почти 4,5 миллиарда лет назад, как утверждают некоторые исследователи. [50] [51]
{{cite book}}
: CS1 maint: others (link)