Křemelinový povrchový důl mezi Ledenicemi a Borovanami (foto z roku 2008) Ktredit: Wikimedia, volné dílo

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).

Křemelina zblízka – snímek z rastrovacího elektronového mikroskopu Kredit: Dawid Siodłak, Wikimedia CC BY-SA 4.0

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.

Tvarová klasifikace frustulí rozsivek. Obrázky jsou 3D modely. Skutečná velikost schránek je asi 10 až 80 mikrometrů Kredit: Wikimedia, volné dílo

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.

Yannick D'Mello, první autor článku, který je součástí jeho doktorandského studia na McGillově univerzitě. Kredit: Yannick D'Mello, stránky autora.

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.

Optická odezva frustuly Nitzschia filiformis: (a) cirkulace světla v průřezu (b) Celá frustula (počít. model) - modré šipky označují různé směry šíření světla včetně laterální cirkulace; difrakce nebo rezonance v různých strukturách (DPhC - disordered photonic crystal) c) rozložení světelného pole u konce frustuly. Kredit: Yannick D’Mello et. al, "Solar energy harvesting mechanisms… " Opt. Mater. Express 12, 4665-4681 (2022)

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.

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,