Sinice
Sinice budí úctu už svou starobylostí. Jejich stáří je nezměrné, přežívají na Zemi nejméně 3 miliardy let. Jsou nejjednoduššími zelenými organizmy, které mají asimilační (fotosyntetizující) biomembrány - tylakoidy. Molekuly pigmentů zajišťující fotosyntézu jsou ve specifickém uspořádání zabudovány do molekulárních komplexů, fykobilizomů, na povrchu tylakoidů. Tylakoidy však netvoří samostatné a uzavřené chloroplasty, jak je tomu u rostlin. Fykobilizomy sinic navíc obsahují vždy jen jeden z chlorofylů typických pro chloroplasty – chlorofyl a.
Během dlouhé historie své existence osídlily sinice nejrozmanitější kouty životního prostředí a diferencovaly se ve spoustu druhů. Vytvořily nejstarší známé geologické útvary biologického původu – stromatolity – v pobřežních píscích některých moří (viz Vesmír 75, 515, 1996/9). Na úsvitu eukaryontních buněk, asi před 1,4 miliardy let, evoluce „pověřila“ sinice úkolem pro život zásadně důležitým. Jsou patrně předky rostlinných chloroplastů, organel, které dnes vnímáme jakou běžnou, charakteristickou a nepostradatelnou součást rostlinných buněk. (Nicméně vedle formy chloroplastů podržely si sinice i svou původní formu volných organizmů.)
Sinice jsou organizmy prokaryontní. Jediná kruhovitě uzavřená molekula DNA bez doprovodných proteinů je uložena volně v cytoplazmě. Jadérko i jaderné membrány chybějí. Cytoplazma je podobně jako u bakterií plná ribozomů (uniformních molekulárních komplexů zajišťujících proteosyntézu). Kromě již zmíněných tylakoidů obsahuje dále zrna charakteristického metabolitu cyanofycinu a polyhedrální karboxizomy s enzymatickým obsahem. V buňkách mnoha sinic žijících ve vodě je maximum vnitřního prostoru vyhrazeno svazkům protáhlých plynových měchýřků – aerotopům. Díky nim jsou sinice lehké a nepotopitelné. Mají tak stálý přístup ke světlu, oxidu uhličitému – faktorům nezbytným pro fotosyntézu – a k dusíku.
Sinice nejsou svou výživou odkázány na příjem organických látek – nejsou heterotrofní. Dovedou si, podobně jako rostliny, vytvářet organické látky samy, s využitím světelné energie, procesem zvaným fotosyntéza. Jsou tedy autotrofní, přesněji řečeno fototrofní. Vybaveny jsou zeleným pigmentem chlorofylem, který katalyzuje fotosyntézu. Kromě chlorofylu mají bohatou škálu dalších pigmentů – modrý fykocyanin, červený fykoerytrin, žlutý xantofyl. Nejtypičtější z nich je fykocyanin, který dodává buňkám mnoha sinic onen typický namodralý, „sinavý“ odstín. Právě pro něj uvedl B. Němec do češtiny pro tyto svérázné mikroby jméno „sinice“. V řadě jazyků se jim říká – ze systematického hlediska ne zcela správně, ale výstižně – modrozelené řasy (blaugrüne Algen, blue-green algae, sinězeljonyje vodorosli ap.).
Typickou vlastností většiny sinic je tvorba kolonií. U mnoha druhů se buňky dělí jen v jednom směru. Vznikají dlouhé vláknité útvary, tzv. trichomy, obalené hlenovitou pochvou. V rámci kolonie dochází i k „dělbě práce“ – buňky se diferencují na tři různé typy, tzv. vegetativní buňky, heterocysty a akinety. Akinety mají především funkci rozmnožovací. Může z nich vyrůst nový trichom. Nejsou fotosynteticky aktivní a jsou velmi dobře vyzbrojeny proti nepříznivým vlivům prostředí (příliš vysokým či příliš nízkým teplotám, suchu, chemickým látkám). V podobě akinet mohou sinice dlouho přežívat i za podmínek neumožňujících růst trichomů (dormantní stadium). Metabolizmus se spouští teprve s diferenciací nového vlákna. Heterocysty slouží k účinné asimilaci (molekulární fixaci) atmosférického dusíku. Sinice vybavené heterocystami –organizmy z njeprimitivnějších – tedy dokážou něco, co nedovedou sebedokonalejší cévnaté rostliny: převádějí anorganický plynný dusík do organických látek, především proteinů a nukleových kyselin (podrobněji viz box 1 ).
Je až neuvěřitelné, jak nesmírně rozmanitým přírodním podmínkám se sinice přizpůsobily. Potkáme je ve slaných vodách moří a oceánů, ve sladkých vodách jezer, rybníků a říčních tišin, ve sněhu Antarktidy stejně jako v teplém písku egyptských pouští, na stěnách mexických pyramid i římských katakomb. Tvoří povlaky na kamenech mořského i sladkovodního pobřeží i na skalách kolem horkých minerálních vývěrů. Rostou na dně věčně zamrzlých jezer polárních oblastí, tvoří barevné vrstvy v písku či hlíně vodních břehů. Jsou synekionty člověka, tj. žijí v jeho příbytku, na stěnách sklepů i na plastových součástkách vodovodních instalací. Sinice tvoří v teplejších ročních obdobích rozsáhlé masové porosty vznášející se na vodní hladině, tzv. vodní květ. Druhotně se v mase jejich modrozelených vloček zachycují další organizmy – od bakterií, aktinomycet a řas až po hmyzí larvy. Vznikají pestré biocenózy. Vodní květ se stává stále hrozivějším problémem pro přípravu pitné vody. I po dokonalém odfiltrování zanechává ve vodě často odpudivý pach. Některé druhy mohou být dokonce toxické. Prozatím byla toxicita zaznamenána u některých nižších obratlovců. Toxiny napadají zejména jaterní a nervovou tkáň.
Sinice potřebují k masovému množení ve vodě alespoň tři faktory: světlo, vhodnou teplotu a dostatečnou koncentraci některých prvků ve vodě. Potřebují zejména fosfor a dusík, pokud nedokáží fixovat dusík vzdušný. Čím více je těchto látek ve vodě, tím více vodního květu naroste. A tyto látky se do vodních toků, nádrží a koneckonců i do moří dostávají ve stále vzrůstajících koncentracích s vodami odpadními, zejména průmyslovými a zemědělskými. A např. z území Čech neodtéká odpad spolu s proudem řek. Sinice jej fixují do své organické hmoty, a když vodní květ odumře, mrtvá organická masa klesá ke dnu a zvyšuje nános bahna. Zvyšuje tak ovšem i obsah nežádoucích odpadových prvků v bahně a ty jsou odtud nadále ve vyšších a vyšších koncentracích vyluhovávány zpět do vody. Eutrofizace (zvyšování obsahu výživných solí či organických látek) povrchových vod se zvyšuje.
PROČ JEN TRICHODESMIUM ?
Každý absolvent základního kurzu biochemie ví, že fixace vzdušného dusíku (jeho redukce na amoniak) je energeticky náročný proces, a snad si pamatuje i to, že klíčový enzym procesu – nitrogenáza – je snadno inaktivován i stopami molekulárního kyslíku. Bakterie asimilující dusík jsou proto obyvateli přirozeně anaerobního prostředí (např. sedimentů), nebo jim musí být takové prostředí vytvořeno. Známé hlízy na kořenech luštěnin jsou speciální kořenovou tkání, která odstraňuje všechen kyslík z okolí symbiotických bakterií zapřežených do fixace N2. A proto mají sinice heterocysty (obrázek): zatímco zelené vegetativní buňky produkují v procesu fotosyntézy kvanta kyslíku, je heterocysta buňkou nezelenou a specializovanou na vytváření bezkyslíkatého prostředí v cytoplazmě. Některé sinice heterocysty netvoří, ty pak fixují dusík v noci, poté co intenzivním dýcháním odstranily kyslík z buněk. Obecně, navzdory všem těmto omezením, lze konstatovat, že pokud v ekosystémech dochází k limitaci dusíkem, objeví se hojnost organizmů schopných vzdušný dusík vázat. Je tomu tak ve všech suchozemských i sladkovodních ekosystémech, i v pobřežních mořích a mořských sedimentech.
Otevřený oceán je často srovnáván s pouští, protože jeho produkce biomasy je striktně limitována zejména třemi živinami: dusíkem, fosforem a železem. Nízká koncentrace posledních dvou je dána zejména tím, že voda na povrchu se nemůže mísit se studenou a na živiny bohatou vodou z velkých hloubek. Vzdušného dusíku je však všude dost - proč tedy toto omezení? Je sice pravda, že nitrogenáza obsahuje atomy železa a molybdenu (někdy i vanad); limitace kovy však není tak tvrdá, aby se nedal postavit funkční enzym.
V otevřeném oceánu jsou hlavním asimilátorem vzdušného dusíku sinice rodu Trichodesmium. Vytvářejí snopce složené z dlouhých vláken (trichomů) neobsahujících heterocysty. Přitom sinice provádí asimilaci dusíku ve dne. Navíc nitrogenáza je obsažena ve všech buňkách a je v aktivním stavu, a zdá se, že oba procesy – fotosyntéza i fixace N2 – probíhají v buňce současně; nedochází tedy ke střídání aerobního a anaerobního režimu. O tom, jak je to vše v buňce zařízeno, se nic neví. O podílu ostatních bakterií na fixaci vzdušného dusíku se vedou spory. Hlavně proto, že se o nich skoro nic neví, obecně se však zdá, že všechny dohromady svou kapacitou „nepředhoní“ Trichodesmium.
Proč má sinice rodu Trichodesmium tak unikátní postavení právě v tomto ekosystému, není jasné, nejsou to však patrně limitace nutriční ani fyzikálně chemické, které vyřazují ostatní organizmy. Jedním z vysvětlení je bližší pohled na snopec trichodesmia. Ukazuje se, že nejde o „volně žijící“ organizmus: snopec je osídlen mnohodruhovým společenstvem bakterií i eukaryont, svým počtem převyšujícím počet buněk samotné sinice. Pochopitelně to mohou být jen pasivní pasažéři, kteří takto putují oceánem, může však jít i o jedinečný symbiotický útvar (užívá se pojem konsorcium) s propracovanou fyziologií. A sinice rodu Trichodesmium mohou být jediné, které jsou schopny vznik takového konsorcia navodit a udržet.
Proč se toho o tak klíčovém organizmu či společenstvu mnoho neví? Ani Trichodesmium, ani jeho souputníky se zatím nedaří kultivovat v laboratoři, ať už pohromadě, nebo každý organizmus zvlášť. Po zahuštění z oceánské vody se společenstvo rychle rozkládá a hyne. Čeká se tedy na vhodné metodiky, které dovolí produktivnější zkoumání.
O autorovi
Jan Šmarda
Doporučujeme
Přírodovědec v ekosystému vědní politiky 
Od krytí k uzavření rány
