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走近绿藻的精彩世界


□ 虞功亮;向贤芬

中国科学院水生生物研究所

摘 要:

水中的浮游生物数量众多、形态各异、其中占主角地位的浮游植物非绿藻莫属。利用藻类生产生物能源是一个高效、清洁、环保的新能源途径:藻类存食品、药品和保健品方面的应用也十分广泛:利用绿藻生物处理污水的办法也被应用于印染行业等工业污水的处理上。但是,我们真的了解绿藻吗?

  

  虞功亮 向贤芬

  水中的浮游生物数量众多、形态各异,其中占主角地位的浮游植物非绿藻莫属。利用藻类生产生物能源是一个高效、清洁、环保的新能源途径;藻类在食品、药品和保健品方面的应用也十分广泛;利用绿藻生物处理污水的方法也被应用于印染行业等工业污水的处理上。但是,我们真的了解绿藻吗?

  行走在碧水荡漾的湖边,你可能会驻足欣赏湖面上嬉闹的水鸟,或凝望微风中轻舞的杨柳芦荻:也可能正陶醉在桨声灯影的夜色中,却被突然跃出水面的鱼儿吓一跳。然而,你肯定不会注意到水中还有一群令人惊叹的浮游生物。它们中有能够进行光合作用的浮游植物,还有以浮游植物或有机碎屑为食的原生动物、轮虫、枝角类和桡足类等浮游动物。作为水体中的初级生产者,浮游植物的生产力能够占到水体总初级生产力的50%以上。这是浮游植物光合作用的成果,为水体直接带来丰富的能量、溶解氧和有机物营养。浮游植物还是食物链的第一环,能够被浮游动物和鱼类直接食用。

  浮游植物形态多样,类群繁多。按照藻体内光合色素的差异,浮游植物通常可分为蓝藻、绿藻、硅藻、裸藻、甲藻、黄藻、隐藻和金藻等不同门类。在同一水体中,这些种类往往会混居在一起。生态学上称这种群居的现象为“群落”,由于群落中每个物种都有各自适宜的生长条件,因而当水体环境某些条件改变时,便会引起相应藻类的种群生物量随之消长,这便是生态学概念中的 “群落演替”。而当一个物种的细胞生物量达到每升水含有10 7个以上细胞数量时,我们就认为水体发生了“水华”现象。发生在云南滇池和江苏太湖的“蓝藻水华”或“微囊藻水华”现象,就是一种叫“微囊藻”的蓝藻在水体中暴发的结果。据测算,滇池发生蓝藻水华时,微囊藻的数量往往占到水体中微生物细胞总数量的800~90%以上。在没有发生水华的水体中,浮游植物群落中绿藻的种类最多,占浮游植物种类的40%以上,因此,水体中占主角地位的浮游植物非绿藻莫属。

  绿藻是比蓝藻更为高级

  的真核藻类

  细胞是生物体基本的结构和功能单位。蓝藻的细胞核没有核膜、核仁和染色质,但有核物质,生物学家称之为“拟核”,并称这类生物为原核生物。蓝藻、细菌、放线菌、衣原体和支原体都属于原核生物。蓝藻细胞壁的主要成分是肽聚糖,不含纤维素;其细胞器比较简单,只有核糖体一种。与之相比,绿藻等其他浮游植物的细胞核有核膜、核仁和染色质,生物学家称之为”真核”,并将这类生物称为真核生物。高等植物和动物也是真核生物,因而绿藻显然比蓝藻更高级。绿藻细胞壁的主要成分是纤维素和果胶,此外还有核糖体、线粒体、内质网、高尔基体等多种细胞器。

  蓝藻没有叶绿体,但绿藻有。叶绿体是能进行高效率光合作用的高等光合器。浮游植物除了含有共有的叶绿素a之外,各门类都还有一些其他色素,如蓝藻有藻蓝素和藻红素,裸藻有胡萝卜素,硅藻有胡萝卜素和叶绿素c.而绿藻和高等植物都有叶绿素b。绿藻的学名“Chlorophyta”也体现了自身的色素特点: ”Chloro”为拉丁语,意为“绿色”。据生物学家估计,叶绿素a+b系统的光合作用效率要比叶绿素a+藻胆蛋白系统高出3倍左右,而且也远远超过了叶绿素a+c系统。因此绿藻是比蓝藻更高等的浮游植物。在距今35亿~15亿年前,地球上的植物都是细菌和蓝藻,后来才出现了红藻和绿藻等真核生物。绿藻在产生叶绿体后,光合生物的演化速度与日俱增,生命的演化进程也随之变快,使更多的细胞发生分化。大约在4亿年前,一些绿藻演化出较为原始的维管组织,并成功登陆。在随后的2亿年里,绿藻进一步演化为苔藓植物和蕨类植物,在大约2.9亿年前演化出裸子植物,又经历了1.5亿年后,终于出现了被子植物。因此,可以说绿藻是高等植物的祖先,也是植物演化的重要阶段之一。

  显微镜下的浮游绿藻“时装秀”

  绿藻的植物体有单细胞和群体两种形态,而群体又分多种情况,如单细胞的定型或不定型组合体以及多细胞的丝状体、片状体或树枝状。片状体或树枝状的绿藻大多营固着生活,不属于浮游类型。然而,无论是单细胞,还是定形群体或不定型群体,浮游绿藻细胞的基本形态通常是衣藻形、球形、棒形或丝状。团藻目中都是衣藻型的,一般具有鞭毛。它们有的为单细胞,如衣藻,形状类似瓜子或水滴,鞭毛2根或4根,长在尖端:有的是包裹在一个胶囊中的衣藻形细胞,形成一个球状群体,如团藻、盘藻、空球藻和实球藻等。绿球藻目的种类基本都是球形的,没有鞭毛。它们中有的为单细胞的球形、卵圆形和椭圆形,如小球藻;有的为细胞聚集而成的一种定型的群体或者是包裹在一个胶囊中的不定型群体,如栅藻、盘星藻、卵囊藻和胶囊藻等。双星藻纲和丝藻目的种类都是丝状的,如水绵、转板藻、双星藻、游丝藻和暗丝藻等。此外绿藻的群体形状更是姿态万千,让人眼花缭乱。多芒藻是单细胞的球状,但全身布满了刺,俨然一个刺球。盘星藻通常由4、8、16或32个细胞组成,外表像一个齿轮。新月藻由2个半细胞构成的,如同一弯新月。蹄形藻则酷似马蹄。水网藻伸展开来更像一个具有标准六边形网孔的网兜。水绵虽然是直丝状,但细胞内有多条鲜绿色螺旋状色素体平行排列,十分漂亮。双星藻同为直丝状,细胞内的2个色素体却呈星状对峙。

  前景广阔的生物能源“潜力股”

  目前.随着煤、石油和天然气等化石能源的不断开发利用,人们日益关注未来的能源短缺问题,急需开发新能源。藻类是生态系统的初级生产者,在碳氮素循环和能量转化中具有举足轻重的作用。藻类利用体内的光合色素通过光合作用将二氧化碳和水转化为多种储存能量的有机产物,如淀粉和脂肪酸等,并储藏在植物体内。淀粉和脂肪酸是生产生物乙醇和生物柴油的主要原料。因为有高效率光合作用的叶绿体,绿藻的生产能力十分强大,如小球藻和葡萄藻等绿藻就是其中的佼佼者。

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