Óda na rozsivky
Rozsivky představují obrovskou skupinu jednobuněčných organismů vznášejících se v koloniích, nebo častěji jako samostatné buňky v téměř všech přírodních vodách, nalezneme je však i na vlhkých půdách. Desetitisíce různých druhů o velikosti od asi 2 tisícin po dvě desetiny milimetru (2 až 200 µm) žijící v různých prostředích jsou také úžasnou přehlídkou rozmanitých tvarů – samozřejmě v zorném poli výkonného mikroskopu. Jednobuněčný fotosyntetizující mikroorganismus patřící k řasám si buduje vlastní krásný mini domeček – uzavřenou dvojdílnou schránku – frustulu – z hydratovaného oxidu křemičitého. Tento materiál známe i z anorganické přírody jako minerál opál. Jeho vnitřní struktura je amorfní, molekuly SiO2 a H2O nejsou uspořádány do pravidelné krystalické mřížky.
Rychle se množící rozsivky k tvorbě svých bio-opálových frustul potřebují výrobní surovinu – kyselinu křemičitou, kterou z prostředí vychytávají rychlostí až 18 molekul za sekundu. Když je kolem dost živin a světla, množství živých rozsivek se přibližně každých 24 hodin zdvojnásobí. Tak úspěšnou kolonizaci prostředí jim umožňuje nepohlavní mnohočetné štěpení, které má i svou temnou stránku. Například, že dceřiná generace je po každé replikaci nepatrně menší. Když velikost postupně klesne k hraničnímu limitu, rozsivka čelí rozhodnutí „sex nebo smrt“. Jinými slovy, buď se poměrně komplikovaným způsobem rozmnoží pohlavně, nebo uhyne bez potomků (více např. zde).
Protože početné rozsivky obývají vrchní prosvětlený horizont vodní říše a v oceánech tvoří téměř polovinu organického materiálu, k výrobě svých frustul prý každoročně spotřebují více než 6,7 miliardy tun křemíku. Průměrná délka života buňky je šest dnů, a tak materiál opálových schránek „sněží“ na dno oceánů i velkých jezer. Přesto, že naprostá většina prázdných schránek přijde o ochrannou polysacharidovou vrstvu z diatotepinu a opět se rozpustí, asi desetina procenta se před degradací zachrání a jak plyne dlouhý čas, tvoří vrstvu jemného sedimentu, který může mít mocnost desítky, ba i stovky metrů. Až 90% podíl tvoří právě zbytky rozsivkových frustulí. Když horotvorné pohyby dno moře nebo jezera promění v souš, mohou se objevit ložiska málo zpevněné horniny zvané křemelina. Ta, která se těžila například v Třeboňské pánvi, se usazovala v neogénu, geologickém období před 2,6 až 23 miliony lety. Pro geochemickými pochody zpevněný sediment se užívá název diatomit z latinského pojmenování podkmene rozsivek Diatomeae.
Živé fotosyntetizující rozsivky tvoří významnou část biomasy Země, jsou tedy i jedním z hlavních producentů kyslíku. Vděčíme jim, obrazně řečeno, za každý pátý nádech (zdroj). Nejen to. V procesu metabolismu do organické hmoty zrecyklují doslova gigantické množství uhlíku získaného z oxidu uhličitého.
Schránky rozsivek – inspirace pro solární panely
Takže kromě živin ve svém okolí rozsivky k životu nutně potřebují světlo. Protože povětšinou nežijí na stabilním místě jako vyšší rostliny, ale smýkají jimi vlny a proudy, nejednou se musí kromě nestálosti počasí vyrovnat i s výkyvy světelných podmínek způsobených turbulencí samotného vodního prostředí.
Jejich relativně krátký životní cyklus jim však neumožňuje si delší dobu počkat na lepší časy. Navíc tyto opálovým brněním chráněné mikroskopické řasy osídlily i místa s nižším osvitem, mnoho druhů bychom našli například pod polárním mořským ledem. Řadíme je sice mezi nižší rostliny, jsou však výsledkem minimálně 150 milionů let trvající evoluce. Stejně jako u jiných organismů, selekce vedla jejich vývoj cestou genetických mutací, jež ulehčovaly přežití v různých prostředích měnících se v čase od spodní jury po současnost. I jejich budoucnost je bezpochyby světlejší a delší než naše lidská. Důkazem dlouhého evolučního zdokonalování jsou i frustile, které nejenže by neměly stínit světlo potřebné k fotosyntéze, ale naopak, měly by buňce uvnitř pomoci ho získávat.
Že tyto křemičité schránky vskutku takovou vlastnost mají, potvrdili i výzkumníci z montrealské McGillovy univerzity. Šestičlenný tým, v němž se zkombinovalo nadšení mladých vědců se zkušenostmi jejich renomovaných starších kolegů, odborníků ve fotonice, optice, elektronice a výpočetní technice, si k podrobnému studiu zvolil ve vodě žijící rozsivky druhu Nitzschia filiformis. Její podélné elipsoidní frustuly jsou, podobně jako schránky složitějších tvarů jiných druhů, pokryté póry rozmístěnými s určitou pravidelností. Tyto otvory reagují na světlo odlišně v závislosti na jejich velikosti, rozteči a konfiguraci.
Aby vědci do detailů probádali, jakou roli ve fotosyntéze hraje sofistikovaná struktura schránky, zaútočili na ni arzenálem moderních zobrazovacích metod: rastrovací elektronovou mikroskopií (SEM), mikroskopií temného pole (DFM), optickou skenovací mikroskopií v blízkém poli (SNOM) i mikroskopií atomárních sil (AFM). Na základě mnoha různých snímků pak vytvořili sérii počítačových CAD 3D modelů pro analýzu každé části frustuly. Simulace odhalily, jak její jednotlivé prvky v skeletu z bioopálu interagují s různými složkami slunečního spektra – jak jsou zachyceny vlnové délky záření potřebné k fotosyntéze, jak ulovené světlo materiál a struktura schránky distribuuje do všech částí a jak dlouho ho dokáže uchovat, než jej absorbují chloroplasty v buňce. Podle výpočtů tak frustula dokáže vypomoci fotosyntéze zejména při přechodech ze světla do šera téměř deseti procenty zachyceného světla navíc. V turbulentním vodním prostředí, kde k větším či menším změnám světelných podmínek dochází každou chvíli, je tato adaptace velkou evoluční výhodou. A pro výzkumníky inspirací.
##seznam_reklama##
Způsob pasivní, pouhou stavbou frustuly podmíněné manipulace s určitou částí slunečního spektra by podle kanadských vědců mohl přispět k zdokonalení solárních panelů. Umožnil by jim lepší absorpci světla dopadajícího z různých úhlů, což zvýší fotovoltaický výkon zejména v čase, kdy sluneční paprsky nesvítí kolmo.
Dalšími cíli pokračujícího výzkumu je nejen zdokonalit počítačové modely frustuly, ale na jejich základě vybrat, kultivovat a pak také již známými postupy prozkoumat jiné druhy rozsivek, které absorbují světlo různých vlnových délek, jež jsou zajímavé pro další specifické aplikace.
Poznámka: Nitzschia filiformis - snímky rozsivek z texaské řeky Neches River
Video: Rozsivky zblízka - mikroskopické továrny, které je vidět i z vesmíru Kredit: Journey to the Microcosmos
Video: Rozsivky umožňují život člověku i ostatním živočichům Kredit: National Geographic
Literatura: Optical Materials Express (volně dostupný článek), OPTICA,