Вот график, который показывает уровень кислорода в атмосфере Земли за последние 4 миллиарда лет:

Накопление O2 в атмосфере Земли. Источник: Wikipedia

Пояснение к рисунку:
Зелёный график - нижняя оценка уровня кислорода, красный - верхняя оценка.
1 . (3,85–2,45 млрд лет назад) - Кислород не генерировался
2 . (2,45–1,85 млрд лет назад) Кислород генерировался, но поглощался океаном и породами морского дна
3 . (1,85–0,85 млрд лет назад) Кислород выходит из океана, но расходуется при окислении горных пород на суше и при образовании озонового слоя
4 . (0,85–0,54 млрд лет назад) все горные породы на суше окислены, начинается накопление кислорода в атмосфере
5 . (0,54 млрд лет назад - по настоящее время) современный период, содержание кислорода в атмосфере стабилизировалось

Как вы видите, еще 2,5 млрд лет назад в атмосфере Земли практически не было кислорода. Затем уровень кислорода в атмосфере резко увеличился. Что привело к такому росту? Цианобактерии !

Цианобактерии и их уникальная история

Цианобактерии , называемые также как синезелёные водоросли , или оксифотобактерии , или цианопрокариоты , или цианеи  - это одноклеточные бактерии, которые получают энергию от фотосинтеза . Считается, что они являются первым видом на Земле, который развил способности фотосинтеза. Генерация кислорода в качестве побочного продукта фотосинтеза в конечном итоге привела к распространению многоклеточных организмов и, следовательно, к появлению животной жизни на Земле. Более того, цианобактерии - единственный вид в истории нашей планеты, который начал использовать фотосинтез - все растения и водоросли получили эту способность от них.

Большое цветение цианобактерий в озере Атитлан в Гватемале, Центральная Америка. Вид из космоса. Источник: NASA

Выжившие за миллиарды лет и имеющие широкое генетическое разнообразие, цианобактерии встречаются практически везде, будь то на суше или в воде. Они могут цвести в океанской воде или выживать в сухих пустынях. Некоторые виды цианобактерий даже прижились в антарктических породах.

Цианобактерии являются экстремофилами , что означает, что они способны выживать в экстремальных условиях. Цианобактерии даже выживали за пределами Международной космической станции (МКС) в течение 16 месяцев .

Цианобактерии были размещены в лотках за пределами МКС, где они подвергались экстремальным уровням радиации и колебаниям температуры. Они не только выжили в течение 16 месяцев, но и хорошо адаптировались к холоду вакуума.

Микроорганизмы, установленные на лотках вне МКС, подвергались воздействию суровой космической среды в течение 16 месяцев. Источник: Farunhofer.de

Цианобактерии были создателями земной атмосферы, теперь они могут стать архитекторами космической цивилизации.

Уникальные свойства цианобактерий в сочетании с их экстремофильной природой вызвали интересные идеи для их применения в исследовании космоса.

Как цианобактерии могут использоваться для космических поселений

Полезные применения цианобактерий в освоении космоса охватывают широкий диапазон:

1. Источник энергии : в процессе фотосинтеза цианобактерии вытесняют свободные электроны высокой энергии в окружающую среду, тем самым вырабатывая электричество от солнечного света. В настоящее время ведутся исследования способов использования этого электричества путем разработки внутренних путей фотосинтеза цианобактерий. Это может обеспечить чистый, надежный и эффективный источник энергии для небольших применений в космических полетах, где другие источники не являются жизнеспособными.
2. Источник кислорода: это идея с использованием цианобактерий для генерирования кислорода в атмосфере. Диоксид углерода (углекислый газ) составляет 96% атмосферы Марса. Мы, люди, нуждаемся в кислороде, чтобы выжить, и цианобактерии могут превратить достаточное количество углекислого газа в необходимый для дыхания кислород.

3. Сельское хозяйство : виды цианобактерий под названием Microcoleus vaginatus сохраняют воду в почве и предотвращают эрозию. Это потенциально делает их очень полезными для сельского хозяйства на инопланетных почвах, где вода не будет легко доступна.

Исследования Lab2Moon

Любые известные виды цианобактерий могут быть использованы только в том случае, если они смогут надежно работать во враждебных условиях космического пространства. Хотя цианобактерии были тщательно протестированы в суровых условиях в нескольких экспериментальных установках на Земле, космическая среда гораздо более враждебна. Поэтому, следующий шаг - увидеть, как они реагируют на экстремальные космические среды. Это и есть цель трех экспериментов Lab2Moon на борту посадочного модуля TeamIndus Moon .

№ 1: Space4Life - Разработка радиационного щита с использованием цианобактерий

Электроника и люди на борту космического корабля должны быть надежно защищены от разрушительной радиации и космических лучей космического пространства. Стандартным материалом для достижения этого традиционно был свинец. Тем не менее, ученые, стоящие за

Цианобактерии
(лат. Cyanobacteria, или сине-зелёные во́доросли или цианопрокариоты, от греч. κυανός — сине-зелёный) — значительная группа крупных грамотрицательных бактерий, способных к фотосинтезу, сопровождающемуся выделением кислорода.

Эволюционное и систематическое положение
Цианобактерии наиболее близки к древнейшим микроорганизмам, остатки которых (строматолиты, возраст более 3,5 млрд лет) обнаружены на Земле. Это - единственные бактерии, способные к оксигенному фотосинтезу. Цианопрокариоты относятся к числу наиболее сложно организованных и морфологически дифференцированных прокариотных микроорганизмов. Предки цианобактерий рассматриваются в теории эндосимбиогенеза как наиболее вероятные предки хроматофоров красных водорослей. Внесистематическая группировка под условным названием "прохлорофиты" согласно этой теории имеет общих предков с хлоропластами прочих водорослей и высших растений).
Цианобактерии являются объектом исследования как бактериологов (как прокариоты), так и альгологов (как организмы физиологически схожие с эукариотическими водорослями). Сравнительно крупные размеры клеток и сходство с водорослями было причиной их рассмотрения ранее в составе растений («сине-зелёные водоросли»). За это время было альгологически описано более 1000 видов в почти 175 родах. Бактериологическими методами в настоящее время подтверждено существование не более 400 штаммов. Биохимическое, молекулярно-генетическое и филогенетическое сходство цианобактерий с остальными бактериями в настоящее время подтверждено солидным корпусом доказательств.

Жизненные формы и экология
В морфологическом отношении цианопрокариоты – разнообразная и полиморфная группа. Общие черты их морфологии заключаются только в отсутствии жгутиков и наличии слизистой оболочки (гликокаликс, состоящий из пептидогликана). Поверх слоя пептидогликана толщиной 2-200 нм имеют наружную мембрану. Ширина или диаметр клеток варьируют от 0,5 мкм до 100 мкм. Цианобактерии — одноклеточные, нитчатые и колониальные микроорганизмы. Отличаются выдающейся способностью адаптировать состав фотосинтетических пигментов к спектральному составу света, так что цвет варьирует от светло-зелёного до тёмно-синего. Некоторые азотфиксирующие цианобактерии способны к дифференцировке — формированию специализированных клеток: гетероцист и гормогониев. Гетероцисты выполняют функцию азотфиксации, в то время как другие клетки осуществляют фотосинтез.
Морские и пресноводные, почвенные виды, участники симбиозов (например, в лишайнике). Составляют значительную долю океанического фитопланктона. Способны к формированию толстых бактериальных матов. Некоторые виды токсичны (наиболее изучен токсин микроцистин, продуцируемый Microcystis, и условно-патогенны (например, Anabaena). Главные участники цветения воды, которое вызывает массовые заморы рыбы и отравления животных и людей. Уникальное экологическое положение обусловлено наличием двух трудносочетаемых способностей: к фотосинтетической продукции кислорода и фиксации атмосферного азота (у 2/3 изученных видов).
Деление бинарное в одной или нескольких плоскостях, множественное деление. Жизненный цикл у одноклеточных форм при оптимальных условиях роста — 6—12 часов.

Значение
Цианобактерии, по общепринятой версии, явились «творцами» современной кислородсодержащей атмосферы на Земле, что привело к первой глобальной экологической катастрофе в естественной истории и драматической смене биосферы. В настоящее время, являясь значительной составляющей океанического планктона, цианобактерии стоят в начале большей части пищевых цепей и производят значительную часть кислорода (вклад точно не определен: наиболее вероятные оценки колеблются от 20 % до 40 %).
Цианобактерия Synechocystis стала первым фотосинтезирующим организмом, чей геном был полностью расшифрован.
В настоящее время цианобактерии служат важнейшими модельными объектами исследований в биологии. В Южной Америке и Китае бактерии родов спирулина и носток из-за недостатка других видов продовольствия используют в пищу: их высушивают, а затем готовят муку. Им приписывают целебные и оздоравливающие свойства, которые, однако, в настоящее время не нашли подтверждения. Рассматривается возможное применение цианобактерий в создании замкнутых циклов жизнеобеспечения, а также как массовой кормовой или пищевой добавки.
Цианобактерии являются плацдармом для освоения растениями бесплодной поверхности земли.

Вирусы, бактерии, цианобактерии

Вирусы в современной биологии рассматривают как одно из пяти царств живой природы. Открыты они были в 1892 г. русским ученым Д.И. Ивановским. Термин предложил М. Бейеринк в 1899 г. Вирусы являются неклеточной формой жизни, занимающей промежуточное положение между живой и неживой материей. Они состоят из ДНК (или РНК) и белка и не способны к самостоятельному синтезу белка. Свойства живых организмов они проявляют, только находясь в клетках про- или эукариот и используя их обмен веществ для собственной репродукции.

Размеры вирусов - от 15 до 2 000 нм. В сердцевине находится генетический материал (ДНК или РНК). По строению и размерам вирусы делят на простые (аденовирусы) и сложные (оспа, герпес, грипп). Встречаются собственно вирусы и бактериофаги - вирусы бактерий (описаны в 1917 г. Ф. Д"Эреллем). По влиянию на клетки хозяина встречаются литические и латентные вирусы. Снаружи вирус покрыт белковой оболочкой - капсидом, выполняющим защитную, ферментативную и антигенную функции. Вирусы более сложного строения могут дополнительно включать углеводные и липидные фрагменты.

Геном вируса попадает в бактерию в результате специфической (или неспецифической) абсорбции бактериофага на клетке хозяина. Вирусная нуклеиновая кислота «впрыскивается» в клетку, а белок остается на клеточной оболочке.

ДНК-содержащие вирусы (оспа, герпес) используют обмен веществ клетки-хозяина для синтеза своих иРНК и белков. РНК-содержащие вирусы (СПИД, грипп) инициируют либо синтез РНК вируса и его белка, либо благодаря ферментам - обратной транскриптазе или ревертазе, синтезируют сначала ДНК, а затем уже РНК и белок вируса. Таким образом, геном вируса, встраиваясь в наследственный аппарат клеткихозяина, изменяет его и направляет синтез вирусных компонентов. Вновь синтезированные вирусные частицы выходят из клетки-хозяина и внедряются в другие (соседние) клетки.

Защищаясь от вирусов, клетки вырабатывают защитный белок - интерферон, который подавляет синтез новых вирусных частиц. Интерферон используют для лечения и профилактики некоторых вирусных заболеваний. Организм человека сопротивляется действию вирусов, вырабатывая антитела. Однако к некоторым вирусам, таким как онкогенные или вирус СПИДа, специфических антител нет. Этим обстоятельством осложняется создание вакцин.

Бактерии - самые древние прокариотические клеточные организмы, наиболее широко распространенные в природе. Они играют важнейшую роль редуцентов органического вещества, фиксаторов азота, являются возбудителями заболеваний животных и человека. В медицине бактерии используют для получения антибиотиков (стрептомицин, тетрациклин, грамицидин), в пищевой промышленности - для получения молочнокислых продуктов, спиртов. Бактерии также являются объектами генной инженерии.

Клетка бактерий покрыта муреиновой оболочкой. Некоторые виды бактерий образуют слизистую капсулу, препятствующую высыханию клетки. Клеточная стенка может образовывать выросты - пили, способствующие объединению бактерий в группы, а также их конъюгации. Мембрана бактерий складчатая. На складках локализуются ферменты или фотосинтезирующие пигменты (у фотоавтотрофных бактерий). Роль мембранных органелл выполняют мезосомы - крупные впячивания мембран. В цитоплазме находятся рибосомы и включения (крахмал, гликоген, жиры). Ряд бактерий имеют жгутики. Наследственный материал бактерий содержится в нуклеоиде в виде кольцевой молекулы ДНК.

По форме бактериальной клетки выделяют:

Кокки (сферические): диплококки, стрептококки, стафилококки;

Бациллы (палочковидные): одиночные, объединенные в цепи, бациллы с эндоспорами;

Спириллы;

Вибрионы;

Спирохеты.

По способу использования кислорода бактерии бывают аэробными и анаэробными.

Размножаются бактерии делением клетки без образования веретена. Половой процесс у некоторых из них связан с обменом генетическим материалом при конъюгации. Распространяются бактерии спорами.

Болезнетворные бактерии: холерный вибрион, дифтерийная палочка, дизентерийная палочка и др.

Цианобактерии (именуемые не совсем правильно синезелеными водорослями) возникли свыше 3 млрд лет тому назад. Они представляют собой клетки с многослойными стенками, состоящими из нерастворимых полисахаридов. Встречаются их одноклеточные и колониальные формы. По строению цианобактерии сходны с бактериями. Они - фотоавтотрофы. Хлорофилл находится на свободнолежащих в цитоплазме мембранах. Цианобактерии размножаются путем деления или распада колоний; имеют способность к спорообразованию; широко распространены в биосфере; способны очищать воду, разлагая продукты гниения; вступают в симбиоз с грибами, образуя некоторые виды лишайников; являются первопоселенцами на вулканических островах и скалах.

Систематика
на Викивидах
Изображения
на Викискладе

Эволюционное и систематическое положение

Цианобактерии наиболее близки к древнейшим микроорганизмам, остатки которых ( , возраст более 3,5 млрд лет) обнаружены на Земле. Это единственные бактерии, способные к . Цианобактерии относятся к числу наиболее сложно организованных и морфологически дифференцированных прокариотных микроорганизмов. Предки цианобактерий рассматриваются в теории как наиболее вероятные предки . Внесистематическая группировка под условным названием «прохлорофиты» согласно этой теории имеет общих предков с прочих водорослей и высших растений.

Цианобактерии являются объектом исследования как (как организмы, физиологически схожие с водорослями), так и (как ). Сравнительно крупные размеры клеток и сходство с водорослями было причиной их рассмотрения ранее в составе («синезелёные водоросли»). За это время было альгологически описано более 1000 видов в почти 175 родах. Бактериологическими методами в настоящее время подтверждено существование не более 400 видов. , и сходство цианобактерий с остальными бактериями в настоящее время подтверждено солидным корпусом доказательств.

Жизненные формы и экология

Синезелёные водоросли, высохшие на берегу Киевского водохранилища

В морфологическом отношении цианопрокариоты — разнообразная и полиморфная группа. Общие черты их морфологии заключаются только в отсутствии жгутиков и наличии клеточной стенки ( , состоящий из ). Поверх слоя пептидогликана толщиной 2—200 нм имеют наружную мембрану. Ширина или диаметр клеток варьируется от 0,5 мкм до 100 мкм. Цианобактерии — , и микроорганизмы. Отличаются выдающейся способностью адаптировать состав к спектральному составу света, так что цвет варьируется от светло-зелёного до тёмно-синего. Некоторые цианобактерии способны к — формированию специализированных клеток: и . Гетероцисты выполняют функцию , в то время как другие клетки осуществляют фотосинтез.

Большинство цианобактерий — облигатные , которые, однако способны к непродолжительному существованию за счёт расщепления накопленного на свету в и в процессе (достаточность одного гликолиза для поддержания жизнедеятельности подвергается сомнению).

Значение

Цианобактерии, по общепринятой версии, явились «творцами» современной кислородсодержащей атмосферы на Земле, что привело к « » — глобальному изменению состава атмосферы Земли, произошедшему в самом начале протерозоя (около 2,4 млрд лет назад) которое привело к последующей перестройке биосферы и глобальному .

В настоящее время, являясь значительной составляющей океанического планктона, цианобактерии стоят в начале большей части и производят значительную часть (вклад точно не определён: наиболее вероятные оценки колеблются от 20 % до 40 %).

Цианобактерия стала первым фотосинтезирующим организмом, чей был полностью расшифрован.

В настоящее время цианобактерии служат важнейшими исследований в биологии. В и бактерии родов и из-за недостатка других видов продовольствия используют в пищу: их высушивают, а затем готовят муку. Рассматривается возможное применение цианобактерий в создании замкнутых циклов жизнеобеспечения.

Классификация

Исторически существовало несколько систем классификации высших уровней цианобактерий.

• Класс
  • Роды
  • Подкласс
    • Порядок
    • Порядок
  • Подкласс
    • Порядок —
  • Подкласс
    • Порядок —
    • Порядок
    • Порядок —
    • Порядок —
    • Порядок
  • Подкласс
    • Порядок
    • Порядок

• Роды
• Порядок
• Порядок
• Порядок —
• Порядок —
• Порядок
• Порядок

Цианобактерии занимают особое место среди бактерий. Они представлены одноклеточными, колониальными и нитчатыми формами, содержащими хло-рофилл и способными осуществлять фотосинтез. Циано-бактерии создают запас органических веществ в почве и воде, который служит кормовой базой для рыб и других мелких животных. Во время массового размножения цианобакте-рии вызывают цветение воды.

Цианобактерии в основном населяют пресноводные водое-мы, некоторые живут на влажной почве, в основании стволов деревьев. Небольшое количество видов обитает в морях. Не-которые приспособились жить в очень неблагоприятных усло-виях: в горячих источниках, замерзших озерах Антарктики.

Цианобактерии содержат зеленый пигмент хлорофилл, а также пигменты синего, красного и желтого цветов, участву-ющие в поглощении света. Сочетание пигментов дает в боль-шинстве случаев сине-зеленую окраску (отсюда название). Но некоторые из них желтые, черные или красные. Благодаря окраске цианобактерии придают среде, где они обитают, опре-деленный цвет, особенно при массовом размножении. Крас-ное море получило свое название от красных цианобактерий.

Цианобактерии играют важную роль в природе. Вместе с другими бактериями они обогащают почву органически-ми веществами и азотом, а водоемы и воздух — кислородом. Материал с сайта

Многие представители цианобактерий способны фикси-ровать атмосферный азот. В Азии за счет азотфиксирующих цианобактерий подолгу выращивают рис на одном и том же участке без применения удобрений.

Благодаря своей способности фиксировать атмосферный азот цианобактерии могут заселять голые поверхности скал и бедные почвы. Морские виды циано-бактерий фиксируют около четверти всего азота, который поглощается мо-рем из воздуха.

Водные формы бактерий служат кормом для мелких зверей и рыб. Некоторые цианобактерии используются в каче-стве «поставщиков» ценных для человека веществ — бел-ков, углеводов, жиров, витаминов , пигментов. Отдельные виды цианобактерий используются в пищу. Например, носток сливовидный (рис. 25) потребляют в Китае и Японии, а спирулину (рис. 26) — в районе озера Чад в Африке. Из спирулины получают пищевой белок, который используют как дополнение к пище.