19.11.2016

Физика в мире животных: диатомовые водоросли и их «архитектура»

Диатомовые водоросли — это одноклеточные и колониальные водоросли, которые отличаются наличием у клеток защитного корпуса, состоящего из диоксида кремния. Диатомеи живут и в морской, и в пресной воде. По словам специалистов, такие водоросли создают около четверти органики на Земле.

Форма диатомовых водорослей очень разнообразна. Обычно диатомеи представляют собой панцирь, внутри и снаружи которого есть относительно небольшой слой органического вещества. Скелет конструкции клеток отличается у пеннатной и центрической областей. У первой группы билатеральная симметрия, у второй — радиальная. Название водорослей произошло от греческого слова diatomos («разрезать на две части»). Дело в том, что панцири диатомей разелены на две половинки (подробнее об этом — ниже).

Если через створку панциря можно провести лишь одну ось симметрии, такую симметрию можно назвать двусторонне-симметричной. Панцирь обычно состоит из двух половинок, причем большая половинка накрывает меньшую. Панцирь диатомовых водорослей состоит из кремнеземового покрова. Здесь мало дополнительных элементов вроде железа, алюминия, магния и ряда органических веществ. Толщина стенок панциря зависит от концентрации кремния в среде и колеблется в значительных пределах: у тонкостенных форм — от сотых до десятых долей микрометра, а у толстостенных достигает 1—3 мкм. Стенки панциря пронизаны мельчайшими отверстиями, обеспечивающими обмен веществ между протопластом и окружающей средой. Они снабжены также различными форменными элементами, которые составляют структуру панциря и служат основными таксономическими признаками при построении системы диатомей. Панцирь и его структура различимы уже при небольшом увеличении микроскопа.

Тем не менее, подробности структуры панциря из кремнезема выяснить не так просто. Для представления о форме панциря диатомовых водорослей нужно учитывать соотношение осей и плоскостей симметрии.

Об образе жизни диатомовых известно многое. Живут диатомеи вполне неплохо в самых разных экосистемах и биотопах. Живут водоросли как в океанах и морях, так и солоноватых и пресных водоемах. Они есть в грунте, воздухе, их обнаружили во льдах Арктики и Антарктики. Эти водоросли неплохо приспособлены к самым разным экологическим факторам. Недавно при расшифровке полного генома диатомовой водоросли Phaeodactylum tricornutum выяснилось, что он содержит рекордное для эукариот число генов, полученных путём горизонтального переноса от бактерий и архей. Сейчас считается, что к классу диатомей относится около 300 родов, которые включают в себя 20-35 видов.

Даже специалистам может быть сложно отделить один вид диатомей от другого. Для того, чтобы правильно идентифицировать диатомей, учёные используют рисунок панциря после удаления протопласта. Специалисты говорят, что панцирь диатомовых и характер орнаментации — один из самых важных моментов в идентификации. Форма панциря водоросли симметрична во всех трех измерениях. Вершина и нижняя часть скелета водоросли практически идеально подходят друг к другу.

Из диатомей еще в викторианскую эпоху стали выкладывать орнаменты. Из-за того, что сами водоросли микроскопические, орнаменты не видны невооруженным глазом, их составляют под микроскопом. И под микроскопом же потом любуются своей работой. Эта тщательная работа выполняется с использованием тончайшей иглы.

Интересно, что диатомеи являются важным составным элементов питания китов. Так, кит среднего размера может съесть несколько сотен килограммов диатомей за раз.

Несмотря на то, что диатомеи очень малы — их размеры составляют примерно четверть диаметра человеческого волоса, эти водоросли имеют совершенный с точки зрения дизайнера «конструкцию». Все корпуса диатомовых водорослей симметричны в трех измерениях, причем верхняя часть и низ диатомеи практически идеально подходят друг к другу.

Водоросли так зависят от диоксида кремния, что если концентрация кремнезема в определенном регионе довольно низкая, то диатомовые водоросли не будут делиться. Один из источников кремнезема — Si(OH)₄, поступающий в водоросль через белки транспорта кремневой кислоты. К сожалению, ученые пока не могут выяснить, как проходит доставка кремнезёма внутрь клетки. Ученые считают, что Si(OH)₄ и Na переносятся водорослями в соотношении 1:1.

В ходе цитокинеза клеточная мембрана создает перетяжку, а вот комплекс Гольжи стартует, начиная воспроизводить так называемые везикулы. Они всегда сохраняются у вновь сформированных клеток.

Интересно, что форм панциря диатомей очень много. Они могут напоминать диски и цилиндры трубочки и шары, барабаны и булавы. Также оригинален и факт разнообразия форм створок (округлые, овальные, ланцентные, линейные, ромбические гитаровидные, 5-образные и другие).

Строение панциря многих видов диатомей идеально с точки зрения архитектора. Некоторые здания строились по примеру корпуса этой водоросли. Один из таких примеров — строительство Берлинского театра. Его создатели использовали форму диатомовой водоросли при строительстве опоры берлинского театра. Интересно, что пропорции были взяты без особых изменений и расчетов. Панцирь диатомей необычайно прочный, хотя и пористый. Ученые надеются исследовать его досконально, с тем, чтобы иметь возможность повторить трюк с «дырчатыми конструкциями», где отверстия позволят увеличивать прочность и сопротивляемость панциря.

Источники:

1. geektimes.ru