Największe z nich mają aż dwa milimetry, najmniejsze zaledwie 20 mikronów. Niektóre do życia potrzebują zaledwie kropli wody. Szacuje się, że liczą 100 tys. gatunków i wytwarzają 25 proc. tlenu na Ziemi i równie dużo materii organicznej w oceanach. Tymi superorganizmami są okrzemki, jednokomórkowe glony zasiedlające niemal wszystkie środowiska na globie.
Mimo że okrzemki są tak liczną grupą organizmów, to przez całe miliony lat były ukryte przez ludzkim wzrokiem. Świat nauki zwrócił na nie uwagę w XVIII wieku, kiedy zaczęto udoskonalać i upowszechniać mikroskopy. Ludzkim oczom ukazał się niezwykły świat mikroglonów, najbardziej zróżnicowanych gromad beznaczyniowych roślin mikroskopijnej wielkości. I być może ta mnogość typów zniechęciła diatomologów (badaczy okrzemek) do nadawania im polskich nazw. Jedynym rodzimym akcentem jest Diatoma polonica, odkryta w rzekach Karpat. Okrzemki, mimo że są tak niewielkimi organizmami, to urzekają unikatowymi kształtami oraz wzorkami, bruzdami i nacięciami na pancerzykach, które dla poszczególnych grup są niepowtarzalne.
Interkosmos w komórce
Początkowo okrzemki zostały opisane jako „obiekty” o kwadratowym lub prostokątnym kształcie. Później – na kilkadziesiąt lat – ze względu na zdolność przemieszczania się trafiły do królestwa zwierząt. W kolejnym opracowaniu umieszczono je wśród roślin, aż w końcu w XXI wieku zostały przypisane do protistów, czyli licznej grupy organizmów niezaliczanych ani do zwierząt, ani roślin czy grzybów, ale tak jak i one posiadających jądro komórkowe. Dziś wiemy, że okrzemki są jednokomórkowymi, samożywnymi organizmami, które na przestrzeni milionów lat swojego istnienia wykształciły dwie duże grupy – te okrągłe i te podłużne, a każda z nich skrywa wiele gromad, klas, rzędów, rodzin i kladów.
Pierwsze, okrągłe, centryczne (Centriceae lub Centrales) swym kształtem i budową przeważnie przypominają pudełko na kapelusze z wieczkiem i denkiem. To głównie one tworzą grupę okrzemek bentosowych, czyli preferujących dno zbiorników wodnych. Środowisko, w jakim żyją, wpłynęło na cechy morfologiczne, ich pancerzyki są grubsze i bardziej wytrzymałe.
Wśród okrzemek pierzastych o wydłużonym kształcie (Pennateae bądź też Pennales) możemy dostrzec wielość form, między innymi są lancetowate, maczugowate, te przypominające igłę lub jajo. Te glony należą do okrzemek planktonowych, czyli swobodnie unoszących się w wodzie, co jest możliwe dzięki wypustkom, wyrostkom i rzęskom zwiększających ich powierzchnię pławną, ich ścianki są także mniej nasycone krzemionką.
Niektóre z tych jednokomórkowych organizmów mają tak zwaną rafę. Pod tą nazwą kryje się szczelina biegnąca wzdłuż całej okrywy glonu, a pomagająca im w poruszaniu się. W tym czasie przez szczelinę wydobywa się śluz, który ułatwia powolne przemieszczanie się. Dzięki tej substancji okrzemki mogą przywrzeć do podłoża, roślin czy kamieni, ale także do siebie nawzajem, tworząc długie łańcuchy czy kolonie w kształcie gwiazd. Wśród okrzemek są również te, które nie łączą się za pomocą śluzu, ale chitynowych nici.
Komórka okrzemki, podobnie jak roślinna, posiada jedno jądro oraz chloroplasty odpowiedzialne za fotosyntezę. To one nadają także glonom kolory – od oliwkowego do żółtozielonego. Ich samożywność ogranicza niektóre z nich do życia w „świetle dnia”, co w przypadku tych bytujących w wodzie oznacza głębokość do około 200 m. Pod mikroskopem zapewne dojrzelibyśmy w wypełniającej komórkę cytoplazmie między innymi mitochondria, będące centrami energetycznymi, oraz pęcherzyki tłuszczu, które powstały podczas procesu fotosyntezy.
Okrzemki do przetrwania swojego gatunku niekoniecznie potrzebują partnera, gdyż rozmnażają się zarówno bezpłciowo, jak i płciowo (zachodzi wtedy oogamia – przez mostek kopulacyjny, łączący plemnię i rodnię, przepływa protoplast wraz z jądrami). Podczas rozmnażania bezpłciowego dochodzi do podziału komórki, a tempo tego procesu jest zaskakujące. W sprzyjających warunkach, czyli kiedy w środowisku występuje dużo fosforu, azotu i krzemionki, komórka rodzicielska może podzielić się aż sześć razy w ciągu doby!
Jak wygląda taki podział w przypadku tych mikroglonów? Ściana komórkowa okrzemek składa się z dwóch, zachodzących na siebie połówek (górnej – wieczka i dolnej – denka) oraz kilku łączących je elementów tworzących pas obudowy. Podczas podziału część komórki rodzicielskiej staje się wieczkiem, do którego dobudowywane jest denko. Niestety, kolejne podziały doprowadzają do zmniejszania się organizmów potomnych. W uproszczeniu można powiedzieć, że proces ten jest zatrzymywany w chwili osiągnięcia przez kolejne pokolenie skrajnych, minimalnych rozmiarów. Wtedy pojawiają się nieopancerzone organizmy, które są zdolne do wzrostu oraz rozmnażania płciowego oraz mają inną strukturę ściany komórkowej pozbawionej krzemionki, co umożliwia im duży wzrost. Szybkie zwiększanie liczby okrzemek może powodować zakwit wody lub przyczynić się do zubożenia środowiska, w którym występują.
(fot.Shutterstock.com/ggw)
Sposób na sukces
Profesor Horst Lange-Bertalot, urodzony jeszcze przed wojną w Gdańsku niemiecki botanik i diatomolog, stwierdził, że „ich wyjątkowa konstrukcja biologiczna sprawia, że przy minimum nakładu energii i materii osiągnęły najwyższy stopień sprawności życiowej”. Organizmy te posiadają również dużą zdolność adaptacyjną do zmieniających się warunków. Te beznaczyniowe rośliny zasiedlają niemal wszystkie środowiska, gdzie jest wilgoć. Można je znaleźć nie tylko w zbiornikach ze słodką czy słoną wodą, lecz także w glebie, na wilgotnych podłożach, na mchach, na śniegu, a nawet na pustyniach, gdzie występuje mgła. Podbój tak wielu środowisk ułatwiła im między innymi samożywność. Chociaż są wśród nich również gatunki żyjące w ciemności, które wykształciły zdolność pobierania z otoczenia rozpuszczonej glukozy. Okrzemki mają także dużą tolerancję na zmieniające się warunki, na przykład brak tlenu, zmniejszającą się ilość wody czy składników odżywczych.
Ekspansja okrzemek była możliwa także dzięki pancerzowi, czyli ochraniającej ściance impregnowanej krzemionką. Skorupka ta nie jest oczywiście zbudowana z czystego krzemu, ale z cukru złożonego (pektyny) nasyconego krzemionką (pod względem chemicznym jest ona opalem). Ich ścianki są tak cienkie, że aż przezroczyste, ale jednocześnie bardzo trwałe i odporne na działanie czynników fizycznych oraz chemicznych. Po śmierci komórki nie ulegają rozkładowi, ale opadają na dno zbiornika, tworząc osady okrzemkowe. Dziś takie pokłady okrzemek znajdują się tam, gdzie niegdyś były oceany, a teraz jest stały ląd. Obecnie najbogatsze złoże o grubości 100 m znajduje się w Kalifornii. W Polsce natomiast znajdziemy je w Karpatach Wschodnich, czyli w okolicy Krosna i Przemyśla.
(fot. Shutterstock.com/Elif Bayraktar)
Okrzemki to jednokomórkowe glony, które pojawiły się na Ziemi 200 mln lat temu.
Pod lupą
Krzemionkowe warstwy mogą przetrwać w niezmienionej formie setki milionów lat, co dziś skwapliwie wykorzystują naukowcy. Na podstawie pomiarów i pobranych próbek mogą prześledzić zmiany klimatu, wahań poziomu wód, podtopień, zasolenia i warunków niegdyś panujących na Ziemi. Ta maszyna czasu pozwala cofnąć się aż o 200 mln lat, gdyż wtedy pojawiły się pierwsze okrzemki. To i tak stosunkowo niedawno, bo Ziemia liczy sobie ponad 4,5 mld lat. Warto dodać, że uczelnie gromadzą próbki z okrzemkami. W Polsce największy zbiór znajduje się na Uniwersytecie Szczecińskim. Powstał kilkanaście lat temu, chociaż pierwsze próbki trafiły tam już na początku lat 90. ubiegłego wieku. Dziś kolekcja liczy ponad 1800 szczepów tych glonów.
W porównaniu z kolekcją Muzeum Historii Naturalnej, gdzie jest 300 tys. okazów, czy z kolekcją Królewskiego Ogrodu Botanicznego w Edynburgu (50 tys. szczepów), nasz zbiór wypada skromnie.
Okrzemkom zaczęto się przyglądać pod kątem wykorzystania ich w medycynie. Pancerzyki tych glonów, ich budowa i zdolność do syntezy krzemionki zainspirowały naukowców z sześciu polskich uczelni do tworzenia biokompozytów do produkcji opatrunków na trudno gojące się rany czy infekcje skórne.
Od kilkunastu lat natomiast mikroorganizmy te znalazły się także w centrum zainteresowania śledczych, którzy nawet pokusili się o stworzenie nazwy dziedziny wykorzystującej wiedzę na ich temat. W diatomologii kryminalistycznej za świadków popełnionych przestępstw wzięto właśnie okrzemki. Unikalne wzory, formy morfologiczne i ornamentacja ich skorupek pozwalają precyzyjnie określić konkretną grupę i miejsce ich występowania.
Okrywa okrzemek, jak już wspomnieliśmy, jest niezniszczalna. Zawarta w nich krzemionka uodparnia je na działanie wysokiej temperatury, ciśnienie, żrące substancje czy kwasy i zasady. Według prof. Joanny Żelaznej-Wieczorek z Katedry Algologii i Mykologii Uniwersytetu Łódzkiego, która współpracuje z Centrum Szkolenia Policji w Legionowie, ta ich wyjątkowa odporność umożliwia określenie konkretnych okrzemek nawet po wielu latach. Kryminolodzy twierdzą, że daje to możliwość identyfikacji okrzemek zarówno w materiale współczesnym pochodzącym ze środowiska, jak i zabezpieczonym materiale dowodowym nawet po upływie wielu lat. Na podstawie próbek pobranych od ofiary można stwierdzić, gdzie i jaki sposób ona zginęła. Okrzemki zachowują się także na ubraniach czy obuwiu, nawet po ich upraniu. To umożliwia stwierdzenie, czy podejrzana osoba była w bliskiej okolicy popełnienia zbrodni.
Okrzemki, a właściwie ich złoża (ziemia okrzemkowa) znalazły zastosowanie w przemyśle spożywczym oraz chemicznym. Są wykorzystywane przy filtracji piwa, wina oraz jako składnik farb i lakierów. Ponadto cykl ich życia jest ważnym elementem obiegu węgla w przyrodzie, gdyż związany z krzemem dwutlenek węgla opada wraz z nimi na dno oceanów.
Niestety, ziemia okrzemkowa zajmuje miejsce również na tych najczarniejszych kartach historii ludzkości, gdyż była wykorzystana do produkcji dynamitu oraz trującego gazu cyklonu B.
(fot. Shutterstock.com/F.Neidl)
