Водоросли, несмотря на кажущуюся простоту, представляют собой невероятно разнообразную группу фотосинтезирующих организмов, не имеющих единого общего предка и объединённых скорее экологически и функционально. Они демонстрируют поразительное разнообразие форм, размеров, сред обитания и адаптаций, и среди них можно выделить множество абсолютных рекордсменов в мире растений и даже всей биосферы.
Абсолютным рекордсменом по длине среди всех живых организмов на планете является бурая водоросль Macrocystis pyrifera – гигантская ламинария. Отдельные её экземпляры, растущие в прохладных водах Тихого океана, могут достигать феноменальной длины более 60 метров. Эта длина обеспечивается чрезвычайно быстрым ростом (до 50 см в сутки) и уникальной структурой: растение крепится ко дну ризоидами, от которых отходит стволик, несущий на себе плавучий пузырь и множество длинных пластинчатых листьев-фрондов.
Самым крупным одноклеточным организмом на Земле также является водоросль – зелёная сифональная водоросль Acetabularia, часто называемая «водяным бокалом» или «мухоловкой». Хотя её размеры скромнее гигантских ламинарий (до 5-10 см в высоту), уникальность в том, что это одна гигантская клетка с одним ядром. Её сложное строение (ножка, ризоиды, шляпка) долгое время ставило учёных в тупик, так как считалось, что такие размеры невозможны для одной клетки.
В категории самых маленьких водорослей лидируют представители фитопланктона, такие как цианобактерия Prochlorococcus marinus. Этот микроскопический организм, открытый только в 1988 году, имеет размеры всего 0,5-0,7 микрометров (микрометра – тысячная доля миллиметра). Несмотря на крошечный размер, Prochlorococcus – один из главных фотосинтетиков планеты, ответственный за производство огромного количества кислорода.
Самыми распространёнными и многочисленными водорослями на Земле также являются фитопланктонные виды, в частности, крошечные диатомеи (диатомовые водоросли) и упомянутый Prochlorococcus. Их общая биомасса оценивается в десятки миллиардов тонн, а количество особей в Мировом океане исчисляется квинтиллионами (1027). Они формируют основу большинства водных пищевых цепей.
Рекордсменами по скорости роста и продуктивности считаются некоторые микроводоросли, например, Chlorella vulgaris или Dunaliella salina. В оптимальных условиях (достаток света, CO2, питательных веществ) их биомасса может удваиваться всего за 3-6 часов. Эта феноменальная скорость делает их перспективными для биотехнологий, производства биотоплива и пищевых добавок.
Самыми глубоководными автотрофными организмами являются не водоросли в строгом таксономическом смысле, а красные водоросли (Rhodophyta), вернее, некоторые виды багрянок. Они были обнаружены с помощью подводных аппаратов на глубинах свыше 268 метров у побережья Багамских островов. На такой глубине, куда проникает менее 0,1% солнечного света, они используют особые пигменты (фикобилипротеины) для улавливания сине-зелёной части спектра.
Рекорд по выживанию в условиях экстремальной солёности бьют зелёные водоросли Dunaliella salina. Они обитают в гиперсолёных водоёмах, таких как Мёртвое море или Большое Солёное озеро, где концентрация соли может превышать 30% (для сравнения, океанская вода – около 3,5%). Для защиты от осмотического шока они накапливают внутри клетки огромное количество глицерина.
Самыми термоустойчивыми фотосинтезирующими организмами являются цианобактерии (сине-зелёные водоросли), обитающие в горячих источниках Йеллоустонского национального парка и других геотермальных зонах. Некоторые штаммы, например, Synechococcus lividus, способны жить и размножаться при температурах до 73-75°C, где большинство белков других организмов денатурирует.
Рекордсменами по холоду считаются водоросли-эндолиты, живущие внутри камней и пород в Антарктиде, Арктике и высокогорьях. Виды вроде Trebouxia или некоторых цианобактерий выживают при температурах ниже -60°C в состоянии криптобиоза (почти полной остановки обмена веществ), а во время коротких полярных «оттепелей» при -5°C к 0°C способны к фотосинтезу.
Самыми устойчивыми к радиации среди многоклеточных организмов являются некоторые пресноводные зелёные водоросли, например, Spirogyra. Эксперименты показали, что они могут выдерживать дозы гамма-излучения в тысячи раз превышающие смертельные для человека, благодаря эффективным механизмам репарации ДНК и антиоксидантной защите. Их находили даже в охлаждающих бассейнах атомных электростанций.
Рекорд по выживанию в космическом вакууме и под действием космической радиации принадлежит лишайникам, которые являются симбиозом гриба и водоросли (чаще всего Trebouxia). Эксперименты на МКС и спутниках показали, что некоторые лишайники могут полностью восстанавливать метаболизм после 1,5 лет пребывания в открытом космосе, где они подвергались вакууму, экстремальным перепадам температур и ионизирующему излучению.
Самыми древними ископаемыми остатками, однозначно идентифицируемыми как водоросли (а именно красные водоросли Bangiomorpha pubescens), являются находки в формации Сомерсет-Айленд на севере Канады. Их возраст оценивается примерно в 1,2 миллиарда лет. Эти окаменелости демонстрируют многоклеточную структуру и считаются свидетельством раннего появления эукариотической жизни.
Рекорд по размеру генома среди водорослей и вообще среди растений принадлежит пресноводной зелёной водоросли Paris japonica (не путать с цветком). Её гигантский геном содержит около 150 миллиардов пар нуклеотидов (порядка 150 гигабаз), что в 50 раз больше человеческого генома. Зачем ей такой огромный геном – до сих пор загадка для учёных.
Самыми эффективными продуцентами биотоксинов среди водорослей являются динофлагелляты. Например, Alexandrium spp. вырабатывает сакситоксин – один из самых сильных небелковых ядов нервно-паралитического действия, вызывающий паралитическое отравление моллюсками (PSP). Нейротоксин, продуцируемый Karenia brevis (бреветоксин), вызывает массовую гибель рыбы и респираторные проблемы у людей во время «красных приливов».
Рекорд по масштабам вредоносного цветения («красного прилива») способны побить динофлагелляты Noctiluca scintillans. Хотя они не самые токсичные, их цветения могут покрывать площади в десятки тысяч квадратных километров, окрашивая воду в кроваво-красный или оранжевый цвет и вызывая массовую гибель морской фауны из-за дефицита кислорода.
Самыми эффективными биолюминесцентными организмами в океане являются динофлагелляты, такие как Pyrocystis fusiformis или Noctiluca scintillans. При механическом раздражении (волны, лодка, рыба) они излучают яркий голубовато-зелёный свет благодаря химической реакции люциферин-люцифераза. Скопления этих водорослей создают фантастическое зрелище «свечения моря» ночью.
Рекордсменами по производству полезных жирных кислот (омега-3, EPA/DHA) среди фототрофов являются микроводоросли, в частности, Nannochloropsis и Schizochytrium. Именно они, а не рыбы, являются первоначальным источником этих незаменимых кислот в морских пищевых цепях. Сегодня их культивируют в промышленных масштабах для получения чистых омега-3 добавок.
Самыми перспективными для биоремедиации (очистки загрязнённых сред) считаются многие микроводоросли, например, Chlorella или Scenedesmus. Они способны с высокой эффективностью поглощать и накапливать из воды тяжёлые металлы (свинец, кадмий, ртуть), радиоактивные изотопы, нитраты, фосфаты и даже некоторые органические загрязнители (пестициды).
Рекорд по содержанию природного бета-каротина (провитамина А) принадлежит галофильной зелёной водоросли Dunaliella salina. В условиях стресса (высокая солёность, интенсивный свет) её клетки могут накапливать до 14% сухого веса в виде бета-каротина, придавая массовым скоплениям водоросли ярко-оранжевый цвет. Это самый богатый природный источник этого антиоксиданта.
Самыми крупными кальцифицирующими водорослями являются зелёные водоросли порядка Дазикладовые (Dasycladales), например, вымершие Acetabularia-подобные формы. Их окаменелые известковые скелеты, формировавшиеся в процессе жизни, образуют мощные пласты известняка, играя важную роль в геологическом круговороте углерода на протяжении сотен миллионов лет.
Рекорд по скорости миграции в толще воды демонстрируют многие диатомовые водоросли. Не имея жгутиков, они способны к активному скольжению по субстрату или даже в толще воды со скоростью до 20 микрометров в секунду, используя выделение слизи через особые щелевидные структуры (шов) на своём кремнёвом панцире. Это помогает им оптимально позиционироваться относительно света.
Самыми «интеллектуальными» в плане поведения среди одноклеточных считаются диатомеи. Исследования показывают их способность к сложному принятию решений: они оценивают условия среды (свет, градиенты питательных веществ), «запоминают» прошлый опыт (привыкание к стрессу) и выбирают оптимальную стратегию движения или размножения, демонстрируя примитивную форму когниции.
Рекордсменами по созданию биологических инвазий среди водорослей является зелёная сифональная водоросль Codium fragile subsp. tomentosoides, прозванная «водорослью-убийцей». Завезённая из Японии в Северную Америку и Европу, она агрессивно вытесняет местные виды, густо покрывая дно, мешая росту других водорослей и развитию молоди рыб, и наносит ущерб устричным банкам.
Самыми эффективными продуцентам биодизеля среди водорослей считаются штаммы с высоким содержанием триацилглицеридов (ТАГ), например, некоторые диатомеи (Fistulifera solaris) или зелёные водоросли (Botryococcus braunii). Последняя уникальна тем, что выделяет углеводороды прямо в окружающую среду, образуя вокруг колоний настоящие «нефтяные» капли.
Рекорд по содержанию йода среди всех живых организмов бьют бурые водоросли, особенно ламинария (Saccharina latissima) и фукус (Fucus vesiculosus). Они могут накапливать йод из морской воды в концентрациях, в десятки тысяч раз превышающих окружающую среду, используя его в качестве антиоксиданта. Это делает их ценным источником пищевого йода.
Самыми глубоко проникающими в пресные воды морскими водорослями являются некоторые зелёные (например, Cladophora) и красные водоросли. Они способны подниматься вверх по течению рек на сотни километров от устья, адаптируясь к пониженной солёности. Рекорд, вероятно, принадлежит Bangia atropurpurea, найденной в Великих озёрах Северной Америки, далеко от океана.
Рекордсменами по созданию «подводных лесов» с самым высоким биоразнообразием являются заросли бурых водорослей – ламинариевых лесов. Эти экосистемы, доминируемые видами Macrocystis (гигантская ламинария) или Nereocystis luetkeana (водоросль-буй), обеспечивают среду обитания для тысяч видов рыб, беспозвоночных и млекопитающих, сопоставимых по богатству с тропическими лесами.
Самыми быстро формирующимися и растущими экосистемами на планете могут считаться плантации некоторых микроводорослей в открытых прудах или фотобиореакторах. Биомасса Chlorella или Spirulina может достигать урожайности в десятки граммов сухого вещества с квадратного метра в день, что многократно превышает продуктивность самых интенсивных сельскохозяйственных культур.
Рекорд по симбиотической универсальности держат водоросли из рода Symbiodinium (зооксантеллы). Эти динофлагелляты вступают в симбиоз с огромным количеством морских беспозвоночных: кораллами, актиниями, губками, медузами, моллюсками (гигантскими тридакнами), плоскими червями и даже некоторыми видами фораминифер и радиолярий, обеспечивая их фотосинтатами.
Самыми яркими в буквальном смысле слова являются некоторые цианобактерии и микроводоросли, продуцирующие пигменты необычных цветов. Trichodesmium erythraeum («морские опилки») содержит пигмент фикоэритрин, придающий массовым скоплениям ярко-розовый или кирпично-красный цвет. Глубоководные красные водоросли имеют тёмно-багряную окраску из-за фикоэритрина, поглощающего синий свет.
Рекорд по выживанию в условиях полного отсутствия света за счёт гетеротрофии (поглощения готовых органических веществ) демонстрируют некоторые водоросли, например, Prototheca. Этот род зелёных водорослей утратил способность к фотосинтезу и ведёт паразитический или сапротрофный образ жизни, вызывая даже заболевания у человека и животных (прототекоз).
Самыми устойчивыми к экстремальным значениям pH являются некоторые водоросли кислых шахтных вод (pH 2-3) и щелочных озёр, таких как озёра Восточно-Африканской рифтовой долины (pH 9-11). Цианобактерия Spirulina platensis (на самом деле артропира) прекрасно себя чувствует в щелочных озёрах, а эвгленовые водоросли и диатомеи населяют кислотные водоёмы.
Рекордсменами по созданию самых протяжённых биологических структур являются плавающие макроскопические колонии цианобактерии Trichodesmium. Их скопления образуют видимые из космоса «пятна» в океане протяжённостью в сотни километров. Они играют ключевую роль в фиксации атмосферного азота в океане, переводя его в доступную для других организмов форму.
Самыми древними организмами, способными к азотфиксации (усвоению атмосферного азота N2), являются цианобактерии (сине-зелёные «водоросли»). Они развили этот сложный биохимический процесс, требующий анаэробных условий и фермента нитрогеназы, вероятно, уже более 3 миллиардов лет назад, кардинально изменив химию планеты и сделав азот доступным для жизни.
Рекорд по выживанию в условиях полной темноты и за счёт хемосинтеза (а не фотосинтеза) установили недавно открытые водоросли в гидротермальных источниках. Некоторые диатомеи и другие водоросли обнаружены в «чёрных курильщиках», где они, вероятно, используют энергию химических реакций (восстановленных соединений серы) или получают органику от симбионтов-бактерий.
Самыми эффективными продуцентам природных солнцезащитных веществ (MAAs – микоспорин-подобных аминокислот) являются красные водоросли и некоторые цианобактерии. Эти уникальные молекулы поглощают вредное УФ-излучение, защищая клеточные структуры. Их концентрация в клетках водорослей, обитающих на мелководье под тропическим солнцем, чрезвычайно высока.
Рекорд по способности «оживать» после длительного высушивания принадлежит многим наземным и литоральным водорослям. Сине-зелёные водоросли (цианобактерии) в пустынных корках или зелёные водоросли (Trentepohlia на коре деревьев) могут десятилетиями находиться в высушенном состоянии (ангидробиозе) и быстро возобновлять метаболизм при увлажнении.
Самыми важными для глобального климата водорослями являются фитопланктонные диатомеи и кокколитофориды. Диатомеи с их кремнёвыми панцирями играют ключевую роль в «биологическом насосе» – погружении органического углерода на дно океана. Кокколитофориды (Emiliania huxleyi) образуют из карбоната кальция (извести) кокколиты, влияя на цикл углерода и отражая солнечный свет (альбедо).
Рекорд по образованию видимых из космоса «цветений» в пресной воде принадлежит цианобактериям, например, Microcystis aeruginosa или Anabaena flos-aquae. Их массовое размножение в эвтрофных озёрах и водохранилищах создаёт обширные ярко-зелёные, часто токсичные, пятна на поверхности воды площадью в тысячи квадратных километров.
Самыми необычными по форме среди многоклеточных водорослей считаются некоторые красные водоросли, например, Martensia elegans с ажурными пластинами, напоминающими кружево, или Halymenia с листовидными выростами, похожими на ленты. Их сложная морфология достигается за счёт особого типа роста и расположения клеток.
Рекорд по созданию самых больших природных «поплавков» принадлежит бурой водоросли Nereocystis luetkeana (Буй-водоросль). Её ствол длиной до 30-45 метров увенчан на конце гигантским газовым пузырём (пневматоцистом) диаметром до 15-20 см, который держит на плаву у поверхности крону из длинных гладких лентовидных фрондов.
Рекордсменами по скорости «бегства» от хищников (зоопланктона) демонстрируют некоторые водоросли. При атаке рачков они могут быстро (за секунды) увеличивать в размерах, образуя длинные выросты или колючки, становясь слишком крупными для поедания. Другие выделяют химические вещества (кайромоны), привлекающие хищников самого рачка.
Самыми перспективными для замкнутых экосистем (например, в космосе) являются микроводоросли Chlorella и Spirulina. Они обладают высокой скоростью роста, эффективно поглощают CO2 и производят кислород, содержат полноценный белок и витамины, относительно легко культивируются. Их использовали в экспериментах БИОС и на МКС для регенерации воздуха и воды.
Самыми глубоко закапывающимися в донные осадки водорослями являются диатомеи рода Chaetoceros и некоторые другие. Их живые клетки были обнаружены на глубине нескольких метров под поверхностью морского дна, куда они активно мигрируют по порам между частицами осадка, вероятно, в поисках питательных веществ или для защиты от хищников.
Рекорд по производству природного гидрогеля (агара) бьют красные водоросли, прежде всего виды родов Gelidium и Gracilaria. Агар – сложный полисахарид в их клеточных стенках – при экстракции образует термообратимые гели невероятной силы. Всего несколько видов обеспечивают мировой спрос на этот незаменимый продукт для микробиологии и пищевой промышленности.
Самыми эффективными индукторами образования льда в атмосфере являются некоторые диатомовые водоросли и цианобактерии. Их белки-индукторы ледообразования (Ice Nucleating Proteins, INP) способны инициировать кристаллизацию льда при температурах всего -2°C до -5°C, играя потенциальную роль в формировании осадков и климате.
Рекорд по длительности сохранения жизнеспособности в гербариях принадлежит спорам некоторых водорослей и цианобактерий. Известны случаи, когда споры диатомей или цианобактерий, хранившиеся в высушенных образцах десятки лет (до 100 и более!), успешно прорастали при помещении в питательную среду.
Самыми необычными «фермерами» среди водорослей являются некоторые диатомеи, например, Liemophora. Они прикрепляются к подвижным рачкам (амфиподам, изоподам) или даже к китам (китовые вши), используя их как транспортное средство для перемещения в новые места обитания с лучшими условиями света или питательных веществ.
Рекордсменами по созданию самых масштабных «мертвых зон» (зон гипоксии) в океане косвенно являются водоросли фитопланктона. Массовое цветение, спровоцированное эвтрофикацией, приводит к гибели и разложению огромной биомассы. Бактерии, разлагающие эту органику, потребляют почти весь растворённый кислород на глубине, делая воду непригодной для жизни рыб и беспозвоночных.
Самыми важными для формирования современных горючих ископаемых водорослями в прошлом были диатомеи и приониловые водоросли. Огромные скопления их кремнёвых панцирей (диатомит) или органического вещества (горючие сланцы типа керогена, образованные из Botryococcus и других) служат ценными полезными ископаемыми и напоминают о глобальной роли водорослей в биосфере Земли.