Способ существования почвенных водорослей, особенно форма питания, также требует объяснения.
Видовое разнообразие почвенных водорослей заставляет предполагать разнообразие их физиологических свойств. Частная физиология почвенных водорослей — мало изученный вопрос. Однако многие представители водорослей, встречающихся в почве, — виды Chlorella, Scenedesmus, Nostoc, Anabaena и др. — являются общепринятыми объектами для исследования общих проблем физиологии растений, некоторые почвенные водоросли стали объектами массового культивирования и изучаются в культурах. Критический анализ обширной литературы по физиологии позволяет составить представление физиологических особенностях почвенных водорослей. Как отмечает Лунд, последние не имеют уникальных физиологических или биохимических свойств, но отражают своеобразие почвенной среды.
Усвоение углерода. Важнейшая особенность питания почвенных водорослей — пластичность его и разнообразие способов, что особенно проявляется в усвоении углерода и азота и в использовании источников энергии.
Классификация типов питания организмов, и микроорганизмов J частности, в настоящее время стала довольно сложной. Фогг (Fogg, 1953) разделяет способы питания водорослей по двум принципам.
I. Классификация по источникам энергии.
А. Фототрофия — накопление энергии за счет фотосинтетических реакций:
1) фотолитотрофия — использование экзогенного неорганического донора водорода (у большинства зеленых растений эту роль играет вода); 2) фотоорганотрофия — использование экзогенного органического донора водорода.
Б. Хемотрофия — энергия поглощается из происходящих в темноте химических реакций: 1) хемолитотрофия — окисление экзогенных неорганических веществ (например, у «хемотрофных» бактерий); 2) хемоорганотрофия — окисление или ферментация экзогенных органических веществ.
II. Классификация по отношепию к источникам углерода и по способности к синтезу необходимых метаболитов.
А. Автотрофия — все главные метаболиты синтезируются организмом; углерод поступает из неорганических соединений: 1) автотрофия в узком смысле слова, 2) мезотрофия.
Б. Гетеротрофия — не все метаболиты синтезируются, необходимо поступление некоторых метаболитов извне; источником углерода служат органические вещества.
Таким образом, каждый вид организма может быть охарактеризован по двум признакам; большинство водорослей представляют собой фотолитоавтотрофов.
Комбинации между способом получения энергии и способом усвоения углерода очень разнообразны, что проявляется в большом разнообразии типов обмена веществ. Следует подчеркнуть, что многие организмы способны переходить от одного типа обмена к другому. Помня эту лабильность метаболизма, характерную для микроорганизмов в природе, можно условно различать следующие группы почвенных водорослей в зависимости от источников энергии и углерода.
Облигатные фототрофы, живущие за счет фотосинтеза. Механизм фотосинтеза у этих форм не имеет отличий от фотосинтеза других зеленых растений; главное значение имеет хлорофилл а.
Облигатные фотосинтетики, способные жить только в пределах проникновения света в заселенный ими субстрат, обнаружены в разных типах водорослей, но предполагается, что их немного среди почвенных водорослей. Из синезеленых ими оказались: Anabaena cylindrica, A. variabilis, Anacystis nidulans и один из штаммов Nostoc muscorum (Kratz a. Myers, 1955), Hapa-Losiphon fontinalis, Nostoc punctiforme и др. Из 42 исследованных штаммов диатомей 29 были облигатными фототрофами. Паркер проверял способность к росту в темноте у 44 видов почвенных водорослей; 20 из них, в том числе все виды Chlorococcum и 2 вида Chlamydomonas, не могли расти в темноте за счет каких-либо веществ. Левин нашла, что Chlamydomonas moewusii в темноте не рос ни на одном из 64 испытанных источников углерода. Проверка показала облигатную фототрофность повсеместно распространенных видов Xanthophyta — Polyedriella helvetica и Monodus subterranea. Впрочем, эти виды сохраняли жизнеспособность в темноте до 60 дней.
Пока нет точных данных, до какой глубины возможно фототрофное питание в почве. По-видимому, проникновение света ограничивается несколькими миллиметрами; однако при наличии трещин эта глубина увеличивается до нескольких сантиметров. Естественно, что проникновение света зависит от свойств почвы, от наземной растительности и толщины онада, а также от влажности почвы.
По данным Баумгартнера, в светлом кварцевом песке с частицами до 4—6 мм на глубину 2 см проникает только 0.001 наружного света; в мелком песке с частицами 0.5—0.1 мм это количество света проникает на глубину всего лишь 1 мм.
Имеются указания, что многие водоросли являются облигатно теневыми растениями с низкой компенсационной точкой и могут использовать для фотосинтеза свет очень слабой интенсивности. Фогель в пустынях Западной Африки находил зеленые разрастания водорослей на нижней стороне осколков кварца, где при толщине комочков 23 мм освещенность равнялась 0.1% от полной интенсивности; он считает пределом существования водорослей зону с освещенностью 0.1—0.06% от полного света. Оказалось, что поселение водорослей на нижней стороне обломков полупрозрачных минералов — явление, широко распространенное в пустынях; под камнями создаются благоприятные условия микроклимата («microgreenhouse» — микротеплицы, — Durrell, 1956), где водоросли защищены от испарения и довольствуются проникающим через камни светом. Дильс нашел эндолитические водоросли в доломитовых рифах на глубине до 8 мм, куда, по определениям автора, проникает около 0.0001 части (0.01%) полного света (главным образом красно-желтые лучи). Для водорослей, обитающих в пещерах, спелеологи нашли «минимум освещения», равный 1/2000 и даже 1/2500 (0.04%) наружного света. Эти факты указывают на возможность фотосинтеза водорослей при интенсивности света 0.04—0.1% от полного света.
Представляет интерес гипотеза об использовании глубинными водорослями лучей невидимой части спектра, в частности лучей, вторично возникающих в почве под влиянием ультра-фиолетовых лучей солнца. Однако эта гипотеза не получила достаточно экспериментального подтверждения.
Облигатные автотрофы, способные к разным способам усвоения углерода. Это организмы, у которых восстановление СО2 может идти по типу фотосинтеза, фоторедукции или хемосинтеза. По Улубековой (1966), некоторые водоросли способны кроме фотосинтеза еще к фоторедукции, т. е. световому анаэробному восстановлению СО2 в атмосфере водорода или сероводорода, а также к темповому хемосинтетическому восстановлению СО2 за счет энергии окисления водорода кислородом. Клетки некоторых водорослей могут осуществлять сразу три процесса восстановления СО2 — фотосинтез, фоторедукцию и хемосинтез, продукты которых очень близки. Так. Улубекова и Кузьмина (1953) наблюдали в одних и тех же клетках Scenedesmus quadricouda и Chlorella vulgaris на свету фотосинтез или фоторедукцию, в темноте хемосинтез.
Фоторедукция водорослей сходна с бактериальным фотосинтезом, но водоросли в отличие от бактерий не могут постоянно жить в анаэробных условиях. К фоторедукции способны Scenedesmus obliquus, Ankistrodesmus sp., Chlamydomonas moewusii, Synechococcus elongatus. Известны случаи фоторедукции с другими донорами водорода: сульфидом — у Oscillatoria и Pinnularia или с органическим донором.
Хемосинтез у водорослей (например, у Scenedesmus) происходит по типу хемосинтеза водородных бактерий. Однако, как указывает Улубекова (1966), зеленые водоросли способны к фоторедукции и хемосинтезу только после периода адаптации, причем в опытах эти процессы продолжаются несколько дней. Автор считает, что широкого распространения в природе процессы фоторедукции и хемосинтеза у водорослей, по-видимому, не имеют, так как условия для их протекания слишком специфичны.
Хемосинтез считается наиболее вероятным способом питания водорослей и в темноте пещер (Claus, 1964), но в природных условиях не было экспериментов, которые подтвердили бы эту гипотезу.
Факультативные гетеротрофы (факультативные хемоорганотрофы, — Fogg, 1953). Давно известна способность многих водорослей к усвоению органических веществ, которая позволяет им жить в темноте или при отсутствии СО2. Накопилась огромная литература об усвоении водорослями различных органических веществ как источника энергии и углерода. Выяснилось, что многие водоросли, особенно зеленые, обладают очень лабильным обменом веществ и способны перестраивать его (от фототрофного до темпового хемогетеротрофного) в зависимости от условий среды. Так, Работнова и Конова (1950) показали, что Chlorella vulgaris и Scenedesmus quadricauda легко переходят с автотрофного питания на гетеротрофное при изменении окислительно-восстановительного потенциала, причем Chlorella — почвенная водоросль — более приспособлена к усвоению органических веществ, чем Scenedesmus — водная форма. Минеева (1963) исследовала способность к гетеротрофному питанию и показала перестройку обмена веществ у Chlorella vulgaris и Scenedesmus obliquus в зависимости от pH, света, температуры и окислительно-восстановительных условий. Есть данные, что способ питания слабо коррелирует с таксономическим положением водорослей; иногда близкие по происхождению формы по-разному относятся к гетеротрофии.
Исследователи почвенных водорослей, наблюдая сохранение или даже рост водорослей в темноте, объясняли его сапрофитным питанием за счет органических веществ почвы. Однако это предположение вызывало возражения по двум пунктам: во-первых, многие Cyanophyta, выделенные в бактериологически чистые культуры, теряли способность к гетеротрофии (Allen, 1952); во-вторых, водоросли в культурах использовали, как правило, лишь простые вещества, которых в почве мало. Так, например, Chlorella vulgaris и Scenedesmus obliquus могли расти в темноте преимущественно за счет сахаров — глюкозы, мальтозы, фруктозы, галактозы; некоторые штаммы Chlorella могли использовать лактозу, сахарозу и частично шгруват и ацетат. 13 штаммов Navicula из 42 испытанных штаммов диатомей могли расти гетеротрофно, но использовали в темноте только глюкозу; некоторые другие сахара лишь усиливали дыхание, т. е. включались в энергетический, но не в конструктивный обмен.
Разные органические вещества по-разному используются водорослями. У синезеленых очень ограничена способность получать углерод из органических веществ. Гусев (1966) называет следующие виды Cyanophyta, способные к росту в темноте: эндофит Nostoc punctiforme, один из штаммов N. muscorum, Tolypothrix tenuis, Cylindrospermum sphaerica, Lyngbya lagerheimii, при этом N. muscorum рос в темноте лишь в присутствии глюкозы, сахарозы или фруктозы; десятки других испытанных веществ были неактивны в качестве единственного источника углерода в темноте. Точно так же Tolypothrix tenuis в темноте рос лишь на глюкозе.
Разнообразно ведут себя желтозеленые. Bumilleriopsis (разные виды) и Pleurochloris commutata в темноте усваивали органические кислоты и различные сахара, другие Xanthophyta — только некоторые из них: Tribonema aequale — глюкозу и лишь после адаптации сахарозу, Т. minus, Botrydiopsis arriza, Heterococcus caespitosus — только глюкозу, Chloridella neglecta — галактозу.
Таким образом, было закономерно сомнение в возможности гетеротрофного питания водорослей в почве, поскольку простых органических веществ в почве мало, а конкурентов в лице облигатных гетеротрофов много.
Остроумными опытами этот вопрос разрешил Паркер (Parker, 1961; Parker a. Bold, 1961). Определяя способность к гетеротрофии у разных почвенных водорослей, Паркер инкубировал их в темноте на минеральной питательной среде с почвой в качестве источника органического вещества. Однако не удавалось получить заметного роста в темноте, если водоросли выращивались в бактериологически чистой культуре. Наоборот, в смешанной культуре водорослей и облигатно гетеротрофных бактерий наблюдался значительный рост водорослей. Так, зеленая водоросль Bracteacoccus штамм А-20 после 14-месячного пребывания в темноте в чистой культуре не дала прироста числа клеток; в смешанной же культуре, где Bracteacoccus выращивался вместе с гетеротрофной бактерией В-6, на той же среде, количество клеток увеличилось в 16 раз. Автор объяснил результаты опыта следующими соображениями. Водоросли — факультативные гетеротрофы — неспособны к разложению сложных веществ, которое могут осуществлять лишь облигатные гетеротрофы, поэтому расти в темноте водоросли способны лишь в ассоциации с облигатными гетеротрофами. Паркер считает обнаруженные факты доказательством того, что некоторые водоросли, найденные в глубоких слоях почвы, действительно растут в полной темноте. Из испытанных им 12 видов водорослей 8 оказались в той или иной степени способными к гетеротрофии.
Правда, гетеротрофный рост водорослей в темноте идет значительно Медленнее, чем автотрофный рост па свету. Вместе с тем надо помнить, что при таком питании водоросли функционально проявляют себя как и типичные гетеротрофные организмы почвы, утрачивая свое основное отличительное свойство — способность к синтезу органического вещества.
В отличие от способности жить в темноте полностью за счет органического вещества (хемоорганотрофно), свойственной лишь некоторым водорослям, усвоение тех или иных органических веществ на свету, одновременно с фотосинтезом (фотоорганотрофия), присуще, по-видимому, большинству водорослей; этот способ питания известен также под названием миксотрофного. Так, в опытах Гусева (19626) Anabaena variabilis энергично потребляла глюкозу и ацетат на свету, хотя в темноте не росла ни на одном из органических веществ; при этом глюкоза использовалась двумя путями: окислением в качестве энергетического источника и включением в конструктивный обмен. Tolypothrix tenuis на свету ассимилировал экзогенную глюкозу и превращал ее в клеточные углеводы, тогда как в темноте глюкоза использовалась только как энергетический материал. На свету ускоряется ассимиляция органических веществ и по хемогетеротрофному пути. Особенно стимулируется рост под влиянием органических веществ в присутствии света слабой интенсивности.
В органических веществах нуждаются многие фототрофные организмы. Это особенно проявляется в опытах культивирования водорослей, когда для роста многих из них требуются органические вещества природного происхождения, такие, например, как почвенный экстракт.
Органические вещества в среде могут иметь следующее значение. Во-первых, являясь физически активными, они могут быть хелатизирующими, т. е. могут образовывать комплексы с ионами металлов и поддерживать их в доступном для клеток состоянии; таким образом, не будучи источником питательных веществ, органические вещества способствуют минеральному обмену. Во-вторых, многие водоросли нуждаются в небольших количествах органических стимуляторов роста, т. е. являются частичными гетеротрофами. Около 60% исследованных штаммов водорослей оказались ауксотрофами, т. е. требовали экзогенного источника витаминов; 80% из испытанных водорослей нуждались в цианкобаламине (В12), 53% — в тиамине (B1), 10% — в биотине (Н). Хотя ауксотрофия — определенная форма гетеротрофии, нет общей корреляции между потребностью в витамине и гетеротрофией по отношению к источникам углерода или азота. Ростовые вещества (гетероауксин, кинетин, гиббереллин) стимулируют некоторые водоросли, но данных, что они обязательны для них, нет.
Исходя из данных об усвоении углерода водорослями, можно считать достоверно доказанными и имеющими реальное значение в природе два способа питания почвенных водорослей: фототрофное — в пределах проникновения света и гетеротрофное — в темноте; при этом далеко не все виды водорослей способны к гетеротрофии и, следовательно, к жизни в темноте.
Усвоение азота. Этот процесс тоже может быть автотрофным и гетеротрофным. Автотрофная ассимиляция азота — усвоение его из минеральных соединений или в виде элементарного азота. Как все зеленые растения, водоросли хорошо усваивают минеральные формы азота — нитраты и аммиачные соли; при подходящих концентрациях скорость роста водорослей одинакова на обоих источниках азота. Оптимальные концентраций аммонийного азота, как правило, в 10 раз ниже, чем нитратного азота. В некоторых случаях соли NH4 могут оказывать тормозящее действие; предполагается, что это связано с изменением pH. По данным Панкратовой (1967а), токсическое влияние аммиака зависит от длины дня и температуры. По-видимому, усвоение NO3 и NH4 клетками водорослей подчиняется тем же закономерностям, которые найдены Прянишниковым (1945) для высших растений. Есть водоросли, предпочтительно усваивающие или NO3, или NH4; например, Calothrix elenkinii не ассимилировал нитраты; с другой стороны, известны виды-нитрофилы, например Prasiola crispa.
Потребность в азоте очень различна у разных водорослей. В культурах некоторые виды хорошо растут при высокой концентрации — 0.01М NO3 и NH4. Для некоторых видов источником азота могут быть нитриты, но лишь в низкой концентрации — 0.001М.
Специфическим способом автотрофной ассимиляции азота является фиксация молекулярного азота, свойственная некоторым синезеленым.
Гетеротрофная ассимиляция азота — усвоение азота из органических соединений — неоднократно доказана для водорослей как факультативная форма азотного питания. Даже организмы, облигатно автотрофные по отношению к углероду, могут использовать органические вещества как источник азота и фосфора. Так, Monodus subterranea, облигатный фототроф, усваивает глютаминовую кислоту, а также триптофан, глютамин, амид янтарной кислоты, мочевину и пептоны. Точно так же облигатный фототроф Anabaena cylindrica мог использовать в качестве источника азота не только NO3 и NH4, но и мочевину, аспарагин, аспарагиновую и глютаминовую кислоты. В противоположность ограниченной способности использовать органические вещества в качество источника углерода, многие синезеленые могут получать азот в органической форме, вырабатывая соответствующие ферменты.
Источниками азота могут быть разные органические вещества. Мочевина хорошо используется и может быть единственным источником азота для Chlamydomonas, Chlorella и других одноклеточных зеленых, для Tribonema aequale, Monodus subterranea из желтозеленых и для многих синезеленых. Хороший источник азота — амиды (ацетамид, сукцинамид, аспарагин и глютамин); возможно, перед усвоением амидов происходит дезаминирование и образование NH3; у Monodus subterranea найдена внеклеточная глютаминаза, действующая на амиды группы глютамина. Хорошо используются почти всеми культурами водорослей аминокислоты, особенно глицин. Tribonema aequale лучше всего развивалась на глицине, Z-валине, Z-цистине и Z-аргинине. Некоторые виды могут использовать казеин, обнаруживая протеолитическую активность. Есть указания на существование видов, облигатно автотрофных по отношению к азоту и предпочитающих чисто минеральные питательные среды.
Усвоение других элементов. По потребности в других элементах и способам их усвоения водоросли принципиально не отличаются от высших растений, хотя разные типы и даже виды водорослей обнаруживают специфические особенности.
Фосфор поглощается водорослями главным образом в виде солей ортофосфорной кислоты — фосфатов; однако доступны и некоторые органические соединения, например аденозинтрифосфат и глицерофосфат.
Сера доступна в виде SO4, SO3, S2O3, а также в виде цистеина, l-цистина и метионина. Опыты с разными штаммами Chlorella показали, что штаммы даже одного вида по-разному усваивают серу из разных неорганических и органических источников.
Необходимыми для водорослей макроэлементами, поступающими в виде катионов, являются калий, магний, кальций и железо; для большинства синезеленых таким элементом оказался и натрий.
К микроэлементам, необходимым водорослям, относятся марганец, молибден, ванадий, кобальт, цинк, медь, бор. Диатомовым водорослям необходим кремний; показано, что растворимую кремнекислоту диатомеи могут извлекать из различных минералов, разрушая каолиновое ядро алюмосиликатов.