Piše in foto: dr. Valentina Turk;

»V eni kapljici morja se skriva celo vesolje nevidnega življenja, ki kroji usodo celotnega morskega ekosistema«

Morje je polno življenja. Tudi kadar ne vidimo rib, meduz ali delfinov, se pod modro površino skriva na milijone organizmov. To so mikroorganizmi, ki lebdijo v vodi in so premajhni, da bi jih naše oko opazilo. Lebdeči, planktonski mikroorganizmi, ki so izjemno raznoliki in številčni, po biomasi predstavljajo kar 90 odstotkov vsega življenja v morju. Poleg virusov in bakterij so med njimi pogoste planktonske cianobakterije in nekatere od njih so odkrili šele pred kratkim. Dolgo je veljalo, da so odprta morja zaradi pomanjkanja hranil skoraj »puščava«, dokler niso v sedemdesetih in osemdesetih letih prejšnjega stoletja odkrili v morju množico drobnih cianobakterij, ki so skupaj s fitoplanktonskimi algami »pljuča« planeta in ključne za življenje na Zemlji.

Cianobakterije so razširjene povsod, kjer je le malo vlage in svetlobe, v neokrnjenih in v onesnaženih jezerih, rekah, potokih, ribnikih, mlakah, v tleh, na kameninah, v puščavah, vročih vrelcih, slanih jezerih ali v slanih morjih in solinskih bazenih. V primerih, ko se zelo namnožijo, so vidne tudi s prostim očesom, saj obarvajo vode temno modrozeleno, rdeče ali škrlatno in tudi v morjih tvorijo nekakšne preproge, ki ob množičnem cvetenjulahko merijo več kilometrov in jih vidimo celo iz vesolja.

Cianobakterije so dobile ime po modrozelenem barvilu fikocianinu (cian), zato so jih dolgo imenovali modrozelene alge. Tudi taksonomsko so jih uvrščali med alge (Cyanophyta), čeprav nimajo celičnega jedra in celičnih struktur, značilnih za evkariontske organizme. V poznih sedemdesetih letih je Roger Yate Stanier s sodelavci ugotovil njihovo podobnost z bakterijami in predlagal uvrstitev modro-zelenih alg med prokarionte, torej organizme brez celičnega jedra. Zelo dobro so bile poznane in opisane v sladkovodnih in kopenskih habitatih, odkritje morskih cianobakterij rodu Synechococcus in Prochlorococcus pa je korenito spremenilo naše razumevanje oceanov.

Morski fitoplankton vsebuje posebna barvila, kot sta klorofil in fikobilin. Pod epifluorescenčnim mikroskopom ta barvila čudovito zažarijo: mikroalge zasvetijo rdeče, cianobakterije pa oranžno. Ta svetlobni trik raziskovalcem omogoča, da drobne cianobakterije hitro ločijo od precej večjih vrst rastlinskega planktona.

Prelomna odkritja

Leta 1979 so John B. Waterbury in njegova ekipa z Oceanografskega inštituta Woods Hole med ekspedicijo v Arabskem morju prvič opazili izjemno veliko število majhnih celic, velikosti 0,8 do 1,5 mikrometra, ki so v modri svetlobi fluorescenčnega mikroskopa žarele oranžno. Barva je nastala zaradi naravne fluorescence fikoeritrina, glavnega pigmenta za zajemanje svetlobe pri cianobakterijah rodu Synechococcus. Od tedaj so jih v velikem številu, od 1.000 do 500.000 celic na mililiter, našli v skoraj vseh morjih in oceanih sveta, kjer je temperatura višja od 5 oC. Nekaj let kasneje, leta 1985, sta v Sargaškem morju znanstvenika Robert Olson in Sallie Chisholm preizkusila metodo pretočne citometrije, ki omogoča merjenje več tisoč celic na sekundo, ko tekočina potuje mimo laserskega žarka, ki zazna fluorescenco pigmentov v celici. Tako sta odkrila še drugo skupino cianobakterij rodu Prochlorococcus, velikosti 0,7–1,0 mikrometra, ki danes veljajo za najbolj razširjene fotosintetske organizme na Zemlji.

Pogled na morske planktonske mikroorganizme se je močno spremenil z razvojem novih tehnologij po letu 1970. To obdobje je prineslo izjemen napredek na področju morske mikrobiologije in ekologije zaradi uvedbe novih radioaktivnih metod merjenja hitrosti rasti mikroorganizmov in mikroskopskih tehnik, predvsem fluorescentne in elektronske mikroskopije. Fluorescenčni mikroskop je bil sicer razvit že v začetku 20. stoletja, vendar so ga v praksi začeli širše uporabljati šele po številnih izboljšavah optičnih filtrov in virov svetlobe v petdesetih in šestdesetih letih. Desetletje kasneje so uporabljali epifluorescenčni mikroskop skoraj v vsakem morskem laboratoriju. Mikroskop je poseben zaradi živosrebrne obločne žarnice, ki je vir svetlobe, in objektiva, ki ima dvojno funkcijo. Najprej deluje kot kondenzor, ki usmeri vzbujevalno svetlobo točno določene valovne dolžine na površino vzorca, nato pa zbere svetlobo, ki jo oddaja vzorec, in jo usmeri do okularja.

Istočasno se je razvila metoda koncentracije mikroorganizmov s filtracijo skozi membrane z enakomerno razporejenimi porami različnih velikosti. S temi membranami je mogoče iz velikih volumnov vode izločiti in zbrati mikroorganizme različnih velikostnih razredov, kot so cianobakterije, bakterije ali celo virusi. Pred izumom teh filtrov je večina ocen o številu mikroorganizmov v morski vodi temeljila na preštevanju kolonij, ki so po nacepljanju majhnega volumna morske vode zrasle v tekočem ali na trdnem gojišču v epruvetah ali petrijevkah. Z razvojem membranske filtracije in tehnik barvanja ter z uporabo epifluorescenčnega mikroskopa se je izkazalo, da je mikroorganizmov v morski vodi v resnici nekaj stokrat več, kot so kazale ocene, pridobljene z metodami gojenja na hranilnih podlagah. To odkritje je pomenilo pravo revolucijo v morski mikrobiologiji in ekologiji.

V množici modro obarvanih heterotrofnih bakterij lahko opazimo živo oranžne celice cianobakterij.

Temelj življenja in pljuča planeta

Cianobakterije imajo ključno vlogo v morskem ekosistemu kot producenti kisika in fiksatorji atmosferskega dušika, s čimer zmanjšujejo količine toplogrednih plinov v ozračju. Poleg tega predstavljajo organsko hrano za manjše organizme in tako kot primarni člen v prehranski verigi vplivajo na naravne procese kroženja ogljika, dušika ter drugih pomembnih elementov in spojin med živimi organizmi in neživo naravo.

Proizvajalke kisika

Tako kot rastline tudi cianobakterije uporabljajo sončno energijo za proizvodnjo hranilnih snovi, ki jih potrebujejo za svojo rast in razmnoževanje, pri tem pa sproščajo kisik. V procesu fotosinteze se svetlobna energija v nizu reakcij pretvori v kemično energijo, ki se porabi za procese znotraj celice. Glavni sistem za zajemanje svetlobe pri rodu Synechococcus so pigmentno-beljakovinski kompleksi fikobilisomi, ki jih sestavljajo posebna barvila (fikocianin in fikoeritrin). Ti kompleksi so nameščeni na tilakoidnih membranah znotraj celic in delujejo kot nekakšne antene za zbiranje ter usmerjanje svetlobe v reakcijsko središče, kjer se sproži niz reakcij, ki jih imenujemo fotosinteza. Del energije se porabi takoj za cepitev vode in sprostitev kisika v okolje, velik del pa za procese vezave in pretvorbe ogljikovega dioksida v glukozo in druge organske spojine, ki jih potrebujejo celice za svojo rast in dihanje. Zadnje raziskave Erika Ottensena, ki preučuje cianobakterije, kažejo, da imajo cianobakterije nekakšen dnevni ritem, odvisen od Sonca: »Zjutraj se prebudijo, da opravijo fotosintezo, zvečer pa se umirijo in preklopijo na izražanje genov, povezanih z rastjo.«

Delci, polni hranilnih organskih snovi, so pravi magnet za cianobakterije, ki jih naselijo v velikem številu.

Poraba atmosferskega dušika

V morjih in oceanih občasno zacvetijo cianobakterije, ki imajo izjemno lastnost vezave dušika iz zraka. V nizu zapletenih reakcij ga uporabijo za gradnjo aminokislin in beljakovin, potrebnih za rast. Proces, ki ga imenujemo fiksacija oziroma vezava dušika, je energetsko zelo zahteven, saj je za prekinitev trojne vezi med atomoma dušika potrebna velika količina energije. Reakcija poteka le s pomočjo posebnih encimov, ki so izjemno občutljivi na kisik, zato so cianobakterije razvile posebne mehanizme za njihovo zaščito. Pri filamentnih cianobakterijah rodu Trichodesmium poteka vezava dušika v specializiranih, vidno odebeljenih celicah (heterocistah), v katerih ne poteka fotosinteza. Znanstvena in okoljska poročila za leti 2025 in 2026 kažejo na to, da imajo te cianobakterije bistveno večji vpliv na oceane, kot smo predvidevali do sedaj. V tropskih in subtropskih predelih Atlantskega oceana, Pacifika in Indijskega oceana se lahko zelo namnožijo in ko se v mirnem vremenu dvignejo na površino, njihove plavajoče kolonije obarvajo morja in oceane rdeče. Globalna satelitska študija, objavljena v reviji Nature, je pokazala, da cvetenja obsegajo izjemno veliko površino, kar 20,6 milijona kvadratnih kilometrov in da se ta zaradi klimatskih sprememb še povečuje.

Prehranjevalna veriga in ponor ogljika

Cianobakterije so v morskem svetu tako zelo razširjene in tako številčne, da predstavljajo neprecenljiv vir hrane za nešteto bitij. Z njimi se hranijo najrazličnejše vrste mikrozooplanktona in zooplanktona – od vodnih bolh in drobnih rakov do školjk ter ribjih mladic. Ko te drobne organizme ulovijo plenilci, kot so večje ribe, ptice in sesalci, se energija prenaša po prehranjevalni verigi na višje trofične nivoje.

Vendar pa cianobakterije niso zanimive samo za plenilce, napadajo jih tudi številni virusi ali pa po določenem času preprosto odmrejo. Ko se to zgodi, se v okolje sprosti prava zakladnica raztopljenih organskih snovi in hranil, ki jih heterotrofne bakterije izkoristijo za svojo rast in preživetje.

Kaj pa pri nas, v Tržaškem zalivu na severu Jadrana?

Raziskovalci Morske biološke postaje Piran Nacionalnega inštituta za biologijo že vse od 70. let prejšnjega stoletja sistematično spremljamo kakovost in ekološko stanje slovenskega morja. Dolgotrajne meritve na točno določenih merilnih mestih Tržaškega zaliva nam dajejo neprecenljiv vpogled v dolgoletne spremembe našega morskega okolja. Znanstveniki pri tem ne merimo le osnovnih fizikalno-kemijskih lastnosti, kot so temperatura, slanost, prosojnost, vrednosti pH, koncentracije raztopljenega kisika in hranilnih spojin, pač pa spremljamo tudi biomaso, hitrost rasti in vrstno sestavo fitoplanktona, ki je izjemno pomemben pokazatelj zdravja morskega ekosistema. V sklop teh raziskav sodijo tudi študije cianobakterij, ki potekajo od leta 1986 dalje.

Raziskovalno plovilo Sagita Morske biološke postaje Piran.

V poletnih mesecih lahko cianobakterije v površinskih vodah severnega Jadrana in Tržaškega zaliva predstavljajo več kot 50 % celotne fitoplanktonske biomase. Prevladuje rod Synechococcus, ki dosega gostoto med 10.000 in 100.000 celic na mililiter, kar je primerljivo z vrednostmi v preostalih delih Jadranskega morja in drugih svetovnih morjih. V manjšem obsegu je prisoten tudi rod Prochlorococcus, ki običajno ne presega tisoč celic na mililiter. Številčnost cianobakterij skozi leto močno niha, pozimi njihovo število upade, pravi razcvet pa doživijo pozno poleti in v začetku jeseni. Na njihovo sezonsko in prostorsko razporeditev ključno vplivajo temperatura, slanost in količina hranil v vodnem stolpcu. Cianobakterije prevladujejo predvsem v odprtih vodah z višjo slanostjo, nasprotno pa v priobalnih vodah, ki so pod vplivom sladkovodnih pritokov (rek Rižane, Soče in Pada) prevladujejo večje avtotrofne evkariontske vrste fitoplanktona, kot so diatomeje in dinoflagelati. Redke raziskave, opravljene doslej, so potrdile, da so glavni plenilci cianobakterij v Tržaškem zalivu nanoflagelati in mikrozooplankton; njihove celice pa smo opazili celo v prebavilih mezoplanktonske vrste Penilia avirostris.

Morsko vodo vzorčujemo s sodobnimi oceanografskimi Niskinovimi vzorčevalniki, ki omogočajo zajem morske vode na točno določeni globini. Na sistemu, imenovanem rozeta, je nameščenih 12 Niskinovih vzorčevalnikov, ki jih na jeklenici z ladijskim vitlom spustimo v globino. Med spuščanjem so steklenice odprte, da voda teče skoznje, vgrajeni senzorji pa medtem pošiljajo podatke v ladijski računalnik. Ko rozeta doseže želeno globino, električni impulz sprosti magnetni zatič, ki takoj zapre vzorčevalno steklenico

Na koncu velja še enkrat poudariti, da so cianobakterije zelo razširjeni in izjemno številčni organizmi na našem planetu, da so »pljuča planeta« in hkrati temelj prehranske verige. Cianobakterije še vedno presenečajo, saj znanstveniki nenehno dkrivajo nove vrste ter ekološke in biotehnološke značilnosti te zanimive skupine organizmov. Taksonomija cianobakterij je v zadnjih štirih desetletjih doživela več pomembnih sprememb, vključno s številnimi opisi taksonov, ki so jih omogočile metode sekvenciranja genov. Znanstveniki z novimi biotehnološkimi tehnikami raziskujejo njihove gene in iz dneva v dan razkrivajo življenje teh mikroskopskih, a izjemno pomembnih gradnikov Zemljine biosfere.

Še nekaj zanimivosti

Pred tremi milijardami let so predniki cianobakterij v zemeljsko atmosfero vnesli stranski produkt fotosinteze, kisik, in tako spremenili kemijsko sestavo planeta in ustvarili pogoje za razvoj novih življenjskih oblik.
Cianobakterije so sposobne vzpostaviti simbiontske odnose tudi v morskih okoljih z organizmi, kot so protozoji, makroalge, morska trava, spužve, kozolnjaki in drugi nevretenčarji. Medsebojna sožitja spremenijo fiziologijo cianobakterij in spodbudijo proizvodnjo bioaktivnih molekul, ki običajno niso izražene, te pa imajo potencialno biotehnološko vrednost za farmacevtske aplikacije.
Tudi pri cianobakterijah se srečujemo s pojavom, ki ga imenujemo škodljivo cvetenje alg (HAB – harmful algal blooms). Če se določene vrste cianobakterij, ki vsebujejo cianotoksine, nenadzorovano namnožijo, se lahko cianotoksini kopičijo v prehranjevalni verigi, kar lahko predstavlja resno tveganje za zdravje ljudi, morskih sesalcev in drugih prostoživečih živali.
Roza ali rdečkasta obarvanost flamingov je posledica prehranjevanja s cianobakterijami, ki vsebujejo karotenoide ali posredno z živalmi, ki so prebavile cianobakterije. Karotenoidi se z jetrnimi encimi razgradijo v pigmente. Obarvanost flamingov je tako odvisna od izvora in količine nakopičenih pigmentov.

Nevidni vladarji oceanov: kako cianobakterije oblikujejo naš planet