Mikrobiālais paklājs — definīcija, uzbūve un ekoloģiskā nozīme
Mikrobiālais paklājs ir daudzslāņains mikroorganismu, galvenokārt baktēriju un arheju, slānis, kas aug uz cietām vai daļēji iegremdētām virsmām un veido lokāli atšķirīgas ķīmiskās un bioloģiskās kopienas. Šādus paklājus pirmo reizi aprakstīja Paracelzs (~1519),p1 taču to bioloģiskā un ekoloģiskā nozīme tika pilnībā apzināta tikai 20. gadsimta pēdējā ceturksnī.
Uzbūve un mikrostruktūra
Mikrobu paklāji parasti ir plāni — vairumā gadījumu tikai daži centimetri biezumā — taču tajos ietilpst vairāki funkcionāli un fizikāli atšķirīgi slāņi. Virsējie slāņi, kas atrodas apgaismotajā zonā, bieži satur fotosintēzējošas baktērijas un cianobaktērijas, bet zemākajos slāņos dominē ķīmiskie oksidētāji vai reducētāji (piem., sēra reducētāji).
Paklājus kopā tur mikroorganismu izdalītās gļotvielas (izdalītās gļotvielas (polisaharīdi)). 118; 1671-7 Šīs ekstracelulārās polimēru matricas (EPS) palīdz saistīt daļiņas, aizsargā pret izžūšanu un ļauj veidoties stabiliem ķīmiskajiem gradientiem. Daži mikroorganismi saista sevi un citu šūnu pavedienos, veidojot savijušos filamentu tīklus, kas palielina paklāju mehānisko izturību. Vispazīstamākās makrofiziskās formas ir plakani paklāji un stublāji, ko sauc par stromatolītiem, bet var būt arī sfēriskas vai kuplākas formas atkarībā no vides apstākļiem.
Slāņošana, metabolisms un ķīmiskie gradienti
Mikrobu paklāji rada spēcīgus vietējos gradientus – apgaismojums, skābekļa koncentrācija, sulfīdi, pH un barības vielu pieejamība mainās dažādos centimetru mērogos. Tāpēc tajos vienlaikus norisinās gan fotosintēze, gan ķīmiskā (čemoautotrofā) oksidācija un reducēšana, gan fermentācija. Biežas funkcijas ir oglekļa asimilācija (tai skaitā oglekļa dioksīds kā izejmateriāls fotosintēzei), slāpekļa fiksācija, sēra cikli un organisko vielu degradācija.
Daži mikrobu paklāju iemītnieki ir ārkārtējas vides speciālisti — tie kolonizē vidi, kuras temperatūra var svārstīties no -40 °C līdz +120 °C — tas vietām padara paklājus par svarīgu ekosistēmu daļu arī ekstremālos apstākļos. Daži mikroorganismi paklājos dzīvo kā dzīvnieku endosimbionti, nodrošinot saimniekorganismiem barības vielas vai citus labumus.
Fosilā vēsture un evolūcija
Mikrobu paklāji (dažkārt saukti arī par mikrobu matiem) ir vieni no senākajiem dzīvības liecībām uz Zemes. Ir labi saglabātas fosilās atstarpes, kas datējamas aptuveni pirms 3,5 miljardiem gadu, un tās liecina, ka šādas kopienas ļoti ilgi bija dominējošas daudzās jūras ekosistēmās. Paklājiem bija liela loma agrīnā biogeķīmisko ciklu regulēšanā un ekoloģiskās vides veidošanā.
Atmosfēras attīstība un bioloģiskā ietekme
Iespējams, ka agrīnās kopienas bija atkarīgas no hidrotermālajiemavotiem, lai iegūtu enerģiju un ķīmiskās vielas. Attīstoties fotosintēzei, daļa mikrobu paklāju spēja izmantot saules gaismu kā plaši pieejamu enerģijas avotu, un īpaši svarīgs bija skābekli ražojošās fotosintēzes izplatīšanās. Tā transformēja atmosfēru, palielinot brīvā skābekļa saturu, un tas bija izšķirošs nosacījums daudzšūnu organismu attīstībai.
Aptuveni tajā pašā laika skalā, kā notika atmosfēras oxygenācija, mikrobu paklājos iespējams radās sarežģītākas eikariošu šūnas, no kurām sastāv visi daudzšūnu organismi. Vēlāk, Kambrijas substrāta revolūcija un dzīvnieku rakšanas aktivitāšu pieaugums samazināja paklāju izplatību seklajās jūrās, jo gruntā spilgti iejaucās skābekli saturošs ūdens, kas ne visiem paklāju mikroorganismiem bija draudzīgs.
Izplatība mūsdienās
Lai gan daudzviet paklāji tika ierobežoti vai izspiedi no seklajām jūrām, mikrobu paklāji joprojām ir izplatīti tur, kur rakšanas aktivitātes ir ierobežotas vai neiespējamas: akmeņainās jūras gultnēs un piekrastēs, pārāk sāļās un iesāļās lagūnās, kā arī okeānu dzīlēs. Tie aug arī uz mitrām virsmām, akmeņiem, dūņām, līdz pat sauszemes tuksnešainās vietās, kur tie ierobežo augsnes eroziju un ietekmē augsnes attīstību.
Cilvēka izmantošana un potenciāls
Tā kā mikrobu mati spēj izmantot ļoti dažādas vielas kā barības vielas, ir liela interese par to pielietojumu rūpniecībā un vides pārvaldībā. Tie tiek pētīti un izmantoti, piemēram, notekūdeņu ūdens attīrīšanai, piesārņojuma attīrīšanai (bioremediācijai), kā arī par potenciālu izejmateriālu biomateriālu ražošanā, bioenerģijā un biosensoru izstrādē. Mikrobu paklāji var veicināt minerālu nogulsnēšanos (biomineralizāciju), kas ir svarīgi gan ģeoloģiskai izpētei, gan praktiskām tehnoloģijām.
Draudi un aizsardzība
Mikrobu paklāji ir jutīgi pret cilvēka radītām izmaiņām: tie cietīs no pārmērīgas antropogēnas slodzes — piesārņojuma, izmaiņām hidrodinamikā, krasta attīstības, klimata pārmaiņām un tūrisma. Dažās vietās protektīvās zonas un aizsargātas teritorijas palīdz saglabāt unikālas paklāju kopienas un to funkcijas. Zinātniskā izpēte un monitoring ļauj labāk izprast to ekoloģisko nozīmi un palīdz veidot saudzējošas pārvaldības stratēģijas.
Mikrobu paklāji ir vitāli svarīgas ekosistēmu sastāvdaļas — gan no evolūcijas un ģeoloģiskā viedokļa, gan kā mūsdienu biogeokosmisku procesu vadītāji un potenciālie resursi ilgtspējīgai tehnoloģiju attīstībai.
Šī grumbainā "ziloņa ādas" tekstūra ir mikrobu bezstromatolīta mikrobiālā paklāja pēdu fosilija. Attēlā redzama vieta Burgsvikas slāņos Zviedrijā, kur šī tekstūra pirmo reizi tika identificēta kā mikrobiālā paklāja liecība.
Ciānbaktēriju un aļģu paklājs, sāļais ezers Baltās jūras piekrastē
Stromatolīti veidojas dažos mikrobu paklājos, kad mikrobi lēni pārvietojas uz augšu, lai izvairītos no nogulšņu aizdusināšanas.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir mikrobioloģiskais paklājs?
A: Mikrobiālais paklājs ir daudzslāņains mikroorganismu, galvenokārt baktēriju un arheju, slānis. Tās sastopamas dažādās vidēs, sākot no zemūdens vai mitras virsmas līdz tuksnešiem.
J: Kurš pirmais aprakstīja mikrobu paklājus?
A: Paracelzs (~1519) bija pirmais, kurš aprakstīja mikrobu paklājus.
J: Kā veidojas mikrobu paklāji?
A: Mikrobu paklāji veidojas, kad mikroorganismu slāņi apēd vai panes ķīmiskās vielas, kas atrodas to slāņos, un tos satur kopā mikroorganismu izdalītās gļotvielas (polisaharīdi). Dažos gadījumos mikroorganismi veido savijušos pavedienu tīklus, kas padara tārpu stingrāku.
J: Kādas fizikālās formas var būt mikrobu tārpi?
A: Mikrobu paklāji var būt gan plakani paklāji, gan stublāji, ko sauc par stromatolītiem, gan sfēriskas formas.
J: Kad uz Zemes pirmo reizi parādījās mikrobu paklāji?
Atbilde: Ir labi fosiliju pierādījumi, ka mikrobu paklāji pastāvēja pirms 3500 miljoniem gadu.
J: Kur tos var atrast šodien?
Mūsdienās mikrobu paklāji ir sastopami daudzās vidēs, kur izrakšana ir ierobežota vai neiespējama, piemēram, akmeņainā jūras gultnē un pludmalēs, hipersāļās un iesāļās lagūnās un okeāna dzīlēs.
J: Kādi ir to rūpnieciskie lietojumi?
A: Tā kā tās spēj izmantot gandrīz visu kā barības vielu, to izmantošana rūpnieciskiem mērķiem, piemēram, ūdens attīrīšanai un piesārņojuma kontrolei, ir ļoti interesanta.
