Содержание
1. Введение
2. Морские макрофиты
2.1. Систематика морских макрофитов
2.2. Ресурсы морских макрофитов
2.3. Главные направления использования морских макрофитов
2.4. Медицинское использование морских макрофитов
3. Субстанции из морских водорослей
4. Заключение
5. Литература
1. Введение
Микробиология (от греч. micros- малый, bios- жизнь, logos- учение, т.е. учение о малых формах жизни) - наука, изучающая организмы, неразличимые (невидимые) невооруженным какой- либо оптикой глазом, которые за свои микроскопические размеры называют микроорганизмы (микробы).
Предметом изучения микробиологии является их морфология, физиология, генетика, систематика, экология и взаимоотношения с другими формами жизни.
В таксономическом отношении микроорганизмы очень разнообразны. Они включают прионы, вирусы, бактерии, водоросли, грибы, простейшие и даже микроскопические многоклеточные животные.
По наличию и строению клеток вся живая природа может быть разделена на прокариоты (не имеющие истинного ядра), эукариоты (имеющие ядро) и не имеющие клеточного строения формы жизни. Последние для своего существования нуждаются в клетках, т.е. являются внутриклеточными формами жизни (рис.1).
По уровню организации геномов, наличию и составу белоксинтезирующих систем и клеточной стенки все живое делят на 4 царства жизни: эукариоты, эубактерии, архебактерии, вирусы и плазмиды.
К прокариотам, объединяющим эубактерии и архебактерии, относят бактерии, низшие (сине- зеленые) водоросли, спирохеты, актиномицеты, архебактерии, риккетсии, хламидии, микоплазмы. Простейшие, дрожжи и нитчатые грибы- эукариоты.
Микроорганизмы - это невидимые простым глазом представители всех царств жизни. Они занимают низшие (наиболее древние) ступени эволюции, но играют важнейшую роль в экономике, круговороте веществ в природе, в нормальном существовании и патологии растений, животных, человека.
Микроорганизмы заселяли Землю еще 3- 4 млрд. лет назад, задолго до появления высших растений и животных. Микробы представляют самую многочисленную и разнообразную группу живых существ. Микроорганизмы чрезвычайно широко распространены в природе и являются единственными формами живой материи, заселяющими любые, самые разнообразные субстраты (среды обитания), включая и более высокоорганизованные организмы животного и растительного мира.
Можно сказать, что без микроорганизмов жизнь в ее современных формах была бы просто невозможна.
Микроорганизмы создали атмосферу, осуществляют кругоборот веществ и энергии в природе, расщепление органических соединений и синтез белка, способствуют плодородию почв, образованию нефти и каменного угля, выветриванию горных пород, многим другим природным явлениям.
С помощью микроорганизмов осуществляются важные производственные процессы - хлебопечение, виноделие и пивоварение, производство органических кислот, ферментов, пищевых белков, гормонов, антибиотиков и других лекарственных препаратов.
Микроорганизмы как никакая другая форма жизни испытывает воздействие разнообразных природных и антропических (связанных с деятельностью людей) факторов, что, с учетом их короткого срока жизни и высокой скорости размножения, способствует их быстрому эволюционированию.
2. Морские макрофиты
2.1 Систематика морских макрофитов
Наука о водорослях – альгология, насчитывает более двухсот лет. Отцом русской науки о водорослях по праву считают академика Г.С. Гмелина, издавшего в 1768 году первую в стране книгу под названием "Historia fucorum", в которой он подробно описал более двадцати различных представителей морских водорослей, обитающих в наших водах.
В состав морских макрофитов входят водоросли и высшие, цветковые растения - морские травы. Термин "макрофиты" означает "крупные растения", то есть видимые невооруженным глазом. К ним относятся морские растения размером от нескольких миллиметров до десятков метров.
Макрофиты являются важнейшими компонентами морских экосистем: продуцентами органического вещества, убежищем и местами нереста для рыб и размножения беспозвоночных. Несмотря на обширные знания об этих растениях и тысячелетний опыт их практического использования, мы находимся в начале пути исследования и понимания того, что они могут дать человечеству.
В число морских макрофитов входят представители красных, бурых, зеленых водорослей и морские травы. Иногда к этой же категории относят еще один отдел водорослей - харовые, однако его виды обитают в основном в пресноводных водоемах. Согласно классификации, отдел красных водорослей (Rhodophyta) делят на два класса: Bangiophyceae и Florideophyceae. Два класса - Phaeozoosporophyceae и Cyclosporophyceae - выделяют в отделе бурых водорослей (Phaeophyta). Из пяти классов зеленых водорослей (Chlorophyta) макрофиты входят в два: Ulotrichophyceae и Siphonophyceae. Этой системы в основном придерживаются все отечественные специалисты. Классификация водорослей, принятая за рубежом, заметно отличается. Красные водоросли чаще всего рассматривают как отдел Rhodophycota, включающий один класс Rhodophyceae и два подкласса: Bangiophycideae и Florideophycideae, а бурые водоросли определяют как монофилетический класс Phaeophyceae (без разделения на подклассы), входящий в отдел Chromophycota. Зеленые водоросли включают в монофилетический класс Chliriphyceae отдела Chlorophycota. Отметим, что на основании некоторых биохимических критериев разделение отделов бурых и зеленых водорослей на классы, как это принято в отечественной систематике, кажется вполне обоснованным.
2.2 Ресурсы морских макрофитов
Морские макрофиты - не самая главная группа биологических ресурсов моря, но количество этого сырья огромно и используется далеко не полностью. Заготавливают его около 4 млн т (4% всех морских биологических объектов), а по данным FAO (Международной продовольственной организации), имеющиеся запасы позволяют добывать в год до 2,6 млн т красных водорослей и более 14,5 млн т бурых.
Перспективно искусственное выращивание водорослей (марикультура). Уже сегодня они составляют более четверти всех продуктов этой отрасли. В России на плантациях собирают с гектара 500-600 ц свежей ламинарии в тех местах, где в природе заготавливают до 300 ц/га. Впечатляют результаты, получаемые в США: урожай гигантских бурых водорослей рода Macrocystis составляет более 1000 ц сухой массы на 1 га.
2.3 Главные направления использования морских макрофитов
До сих пор больше всего водорослей идет в пищу. Макрофиты используют также на корм скоту, как удобрения, для получения полисахаридов и некоторых других химических веществ, а также в медицине. Так, 37 родов наиболее важных водорослей Японии применяют для таких целей: 20 используют в пищу, шесть - для производства агара, по три - для выпуска строительных материалов, в сельском хозяйстве, для производства иода и хлористого калия, по два - для производства альгинатов и в текстильном производстве.
В отдельных морских водорослях содержится более 60% белка (на сухой вес), хотя он не всегда легко усваивается. Водоросли могут полностью обеспечить потребность человека в витаминах А, В2 , В12 . В Исландии, Финляндии, Норвегии, Шотландии, Франции и других странах водоросли в свежем или консервированном виде добавляют в корм для скота, птицы и пушных зверей. При этом улучшается воспроизводство животных, усиливается окраска желтка яиц и повышается содержание иода в них, увеличивается жирность молока. Как удобрения водоросли, которые особо богаты калием и микроэлементами, широко применяют в разных странах всех континентов. В этих удобрениях нет семян сорняков и спор фитопатогенов. Они ускоряют прорастание семян, повышают устойчивость растений к холоду, поражению грибами и насекомыми, что ведет к заметной прибавке урожая.
В последние годы появляется все больше работ, посвященных изучению действия веществ из водорослей на растения. Так, препарат, полученный из бурой водоросли Ecklonia maxima, стимулировал образования корней у некоторых видов растений, ускорял рост и созревание томатов, снижал их заражение нематодами. Опубликован обзор, указывающий на перспективность использования водорослей как источника антибактериальных и антигрибковых препаратов для растений. В Тихоокеанском институте биоорганической химии (Владивосток) получены препараты на основе ламинарана, трансформированного с помощью ферментов, которые повышают устойчивость растений к действию фитопатогенных грибов и вирусов.
2.4 Медицинское использование морских макрофитов
Медицинское применение морских макрофитов до сих пор не очень широко. Главным объектом отечественной официальной фармакологии является сушеная морская капуста - различные виды Laminaria (рис. 2). В Японии красную водоросль Digenia simplex широко используют в качестве антигельминтного средства. Выяснены действующие начала этой водоросли, их получают теперь как фармакологические препараты. В США некоторые водоросли продают в магазинах как источник витаминов и мягкое слабительное. Однако морские макрофиты представляют потенциальный источник многочисленных лекарственных веществ самого разнообразного применения.
В последние годы все большее внимание исследователей привлекает биологическая активность полисахаридов морских макрофитов. Считают, что они перспективны как антикоагулянты крови. Полисахарид из красной водоросли Gloiopeltis tenax заметно ингибировал развитие нескольких видов рака у мышей, а также показал иммуностимулирующую активность в нескольких тестах. Антираковую, антивирусную, антибактериальную и иммуностимулирующую активность проявляют препараты фукоиданов. Недавно из зеленой водоросли Ulva lactuca был выделен гетерополисахарид, который проявил антивирусную активность.
Разносторонняя и высокая биологическая активность обнаружена у препаратов зостерина. Оказалось, что его защитное действие против соединений тяжелых металлов выше, чем у обычных пектинов. Зостерин дает хороший эффект при желудочных заболеваниях, стимулирует иммунные реакции, активен против некоторых форм лейкоза.
Морские макрофиты, в первую очередь водоросли, богаты также вторичными метаболитами, с которыми медицина связывает большие надежды. Примерно из 6500 новых соединений, выделенных из различных морских организмов, почти 2100 дали водоросли. Из них более 1000 получили из представителей всего трех семейств красных и бурых водорослей: более 560 - из Rhodomelaceae, свыше 310 - из Dictiotaceae и более 130 - из Cystoseiraceae. Обнаружена антигрибковая, антимитотическая, цитотоксическая, антивирусная и антибактериальная активности этих веществ. При испытании экстрактов из различных водорослей на антибактериальную активность против штаммов, устойчивых к действию известных антибиотиков, наиболее активными оказались препараты из красных водорослей. Недавно из красной водоросли Portieria hornemannii был выделен монотерпен, содержащий в молекуле два атома брома и три атома хлора, который проявил высокую активность против раковых клеток, поражающих мозг, почки и толстый кишечник. Этот препарат под названием "холомон" проходит предклинические испытания в США как антираковый.
3. Субстанции из морских водорослей
Из водорослей экстрагируют ценные вещества, имеющие в настоящее время большое значение для приготовления многих косметических и медицинских препаратов. К таким препаратам относят агар, альгиновая кислота и ее соли, маннит.
Агар - студень, который в основном получают из водорослей. Их длительное время кипятят и после остывания образуется плотное желеобразное вещество. Если вместо воды использовать разнообразные питательные соли, то агар приобретает новые свойства и служит замечательным питательным средством для выращивания различных микроорганизмов. Первое сообщение о применении агара в микробиологии в качестве искусственной питательной среды, на которой с успехом размножаются культуры грибков и бактерий, сделал в 1882 г. замечательный ученый, открывший миру туберкулезную палочку, Роберт Кох. В настоящее время трудно найти такую отрасль медицины, где бы не находил применение агар.
Из водорослей получен также маннит, относящийся к шестиатомным спиртом. Он тоже находит применение в медицине и служит основным действующим началом препарата "маннитол". Это лекарство обладает сильным мочегонным действием, способствуя быстрому выведению излишков жидкости из организма и восстанавливая нормальную проницаемость сосудистого русла. Маннитол способен восстанавливать функции организма при осложнениях, связанных с переливанием несовместимой крови.
Уникальность биохимического состава морских водорослей в большом количестве биологически активных веществ: микроэлементов (особенно йода), витаминов, альгиновой кислоты и ее солей (альгинатов). В конце прошлого века Стенфорд впервые открыл в составе некоторых морских растений альгиновую кислоту. Спустя несколько лет ее обнаружил Крефтинг и назвал эту кислоту водорослевой, считая, что впервые открыл это ценное вещество. Многие целебные свойства морской капусты объясняются именно этим полисхаридом. Содержание альгиновой кислоты в ламинарии колеблется от 15 до 30%. Как и другие полисахариды природного происхождения (целлюлоза, пектины, крахмал) альгиновая кислота обладает целым рядом известных полезных свойств, но в то же время ее отличают и неповторимые, присущие только ей качества.
Альгиновая кислота представляет собой длинные цепи полиуроновых кислот, образующих кислот, образующих водорослевые растительные волокна. Они состоят из двух различных мономерных единиц (маннуроновой и гулуроновой кислоты) в разных пропорциях. Длинные цепи этих кислот могут перекрестно сшиваться в трехмерные цепи, которые своими карбоксильными группами захватывают ионы двухвалентных металлов. Растительные волокна водорослей не перевариваются организмом человека и выводятся наружу кишечником. Как и другие природные полимеры, альгиновая кислота нерастворима в воде и в большинстве органических растворителей. Несколько иначе ведут себя некоторое соли альгиновой кислоты. Так, альгинаты калия, натрия и магния хорошо растворимы в воде. Не растворяются в воде в основном соли двух- и поливалентных металлов (меди, алюминия, цинка, железа, кальция). Растворимые соли образуют вязкие растворы. Именно это свойство определяет их практическое использование в качестве загустителей, стабилизаторов и связующих в производстве пищевых продуктов и лекарственных препаратов. При добавлении в раствор альгината натрия ионов кальция легко образуется гель. Альгиновая кислота обладает замечательной способностью адсорбировать воду весом почти в 300 раз больше собственного.
Альгиновая кислота обладает ионообменнными свойствами. Установлены ряды катионов в порядке возрастания их сродства к альгиновой кислоте, т.е. если с ней крепче связывается какой-то катион, то другой катион вытесняется из соединения. Так, катионы синца, меди, бария, стронция имеют большое сродство к альгиновой кислоте, чем, например, катионы кальция. Поэтому катионы свинца будут вытеснять из альгината кальция катины кальция и сами крепко связываются с альгиновой кислотой. В настоящее время единственным сырьевым источником для получения альгиновой кислоты и ее солей являются бурые морские водоросли. Ежегодно в мире производится и потребляется 25 тысяч тонн альгиновой кислоты. Кислота и ее производные нашли применение в текстильной, винодельческой, пищевой, медицинской, парфюмерно-косметической и других отраслях промышленности.
В последние годы резко возрос интерес к альгинатам со стороны медиков. Применение альгинатов в медицине идет в двух направлениях: в качестве вспомогательных веществ при производстве готовых лекарственных средств и в качестве биологически активных веществ в медицинских препартах. Так, благодаря способности альгинатов набухать в воде и образовывать при этом вязкие гелеподобные растворы их используют как разрыхлители в составе таблеток, что позволяет увеличить распадаемость и всасываемость таблеток в желудочно-кишечном тракте. Примерно в 20% таблетированных медикаментов, поставляемых в нашу страну из-за рубежа, в качестве вспомогательных веществ использованы альгиновая кислота или ее соли. Всем известный "Пентальгин", например, при хранении быстро "цементируется", в связи с чем время его распадаемости в желудке возрастает до 30-60 минут (а мы ведь ждем быстрого снятия головной боли!). Эти же таблетки, приготовленные с использованием альгинатов, распадаются при том же сроке хранения всего лишь за 5-10 минут. Из лекарственных форм наиболее привлекательны медикаменты в виде капсул. Они удобны - желудочный сок не разрушает лекарственное вещество, и оно всасывается в кишечнике в полном объеме. Для изготовления капсул обычно используется желатин. Однако, если в желатиновую массу ввести альгинаты, получаются качественно новые капсулы с избирательной растворимостью в определенных отделах желудочно-кишечного тракта. Полученные при этом препараты обладают более выраженным действием и способствуют ослаблению переваривающего действия желудочного и кишечного сока на активно действующие начала. Следует отметить, альгиновая кислота и ее соли стоят гораздо дешевле других растительных экстрактов и лакричных, употребляемых при изготовлении лекарственных препаратов. Водорослевые компоненты в полной мере заменяют дорогостоящие экстракты. В стоматологической практике альгинат натрия можно применять для снятия отпечатков зубов при их протезировании.
Внешний вид. Морская водоросль высотой до 20 см. Размножается спорами и вегетативно (стелющимися по дну побегами, частями слоевища). Спороносит с апреля до июня.
Место произрастания. Распространено главным образом на Дальнем Востоке в Охотском, Японском морях, а также в Белом, Баренцевом, Карском, Балтийском, Беринговом и Чукотском морях.
Существует приклепленная форма водоросли, растущая на камнях и скалах и неприкрепленная форма, свободно лежащая на песчаном или илистом грунте. Последняя выделена в самостоятельный вид - анфельцию тобучи.
Целебные свойства. Используют слоевище, содержащее агар (до 28%), состоящий из полисахаридов и обладающий высокой желирующей способностью. В золе содержится 0,73% йода.
Применение. Агар широко используется для приготовления питательных сред (в микробиологии и культуре тканей), в бактериологических и других средах, для изготовления твердеющих паст при протезировании зубов; он способствует перистальтике при желудочных заболеваниях.
Заключение
Этот раздел в науке достоин более пристального изучения, в результате которого человечество сможет увеличить ресурсы пищевых продуктов, получить новые ценные лекарственные и другие препараты. В то же время не следует выделять эти растения из всей системы живых объектов. Главный вывод - в природе нет групп организмов, не представляющих научного и практического интереса. Например, микроводоросли являются основным продуцентом органического вещества в мировом океане, основой многих океанических пищевых цепей; морские беспозвоночные - важное пищевое сырье, корм для многих видов рыб. И те и другие - источник разнообразных биологически активных веществ.
Литература
1. Жизнь растений. М.: Просвещение, 1977. Т. 3 / Под ред. А.А. Федорова.
2. Жизнь растений. М.: Просвещение, 1982. Т. 6 / Под ред. А.Л. Тахтаджана.
3. Барашков Г.Е. Химия водорослей. М.: Изд-во АН СССР, 1963.
4. Усов А.И., Чижов О.С. Химические исследования водорослей. М.: Наука, 1988.
5. Васьковский В.Е. Липиды // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. № 3. С. 32-37.
6. Моисеев П.А. Биологические ресурсы Мирового океана. М.: Агропромиздат, 1989.
7. Кизеветтер И.В., Суховеева М.В., Шмелькова Л.П. Промысловые морские водоросли и травы дальневосточных морей. М.: Пищ. пром-сть, 1981.
8. Зайцев В.П., Ажгихин И.С., Гандель В.Г. Комплексное использование морских организмов. М.: Пищ. пром-сть, 1980.