Il primo inquinamento atmosferico e la vita sulla terra. The first great pollution of earth’s atmosphere

Il primo inquinamento atmosferico e la vita sulla terra.

     Tre miliardi e mezzo di anni fa la superficie terrestre era molto diversa da come la conosciamo oggi, soprattutto era molto meno ospitale. Gli oceani erano più vasti ed occupavano profonde depressioni, fenomeni vulcanici e piogge di meteoriti erano molto frequenti. Le temperature probabilmente non erano molto diverse da quelle di adesso ma il sole aveva una luminosità all'incirca di un terzo minore di quella attuale. 
     Anche l’atmosfera era completamente diversa da quella di ora, infatti l’ossigeno era scarso o assente mentre erano abbondanti anidride carbonica, ammoniaca e metano tutti gas per noi irrespirabili!

La vita però c’era già.

 Quali organismi potevano vivere in un ambiente così difficile?

Si trattava esclusivamente di organismi unicellulari procariotici  (cioè cellule a struttura semplice, senza un nucleo) che, come gli attuali batteri e microalghe anaerobi, non avevano bisogno dell’ossigeno per procurarsi energia.  Erano molto diversi tra di loro e usavano per il loro metabolismo varie fonti, quelle che avevano a disposizione, come metano, azoto, zolfo ecc.; in un certo senso specializzandosi per ridurre la competizione. Tra l’altro non c’erano predatori: nessuno mangiava nessuno! Così per un tempo lunghissimo si sono potuti sviluppare e diffondere da per tutto.

Poi, più o meno 2,5 miliardi di anni fa, comparve un nuovo rivoluzionario metabolismo: la fotosintesi.

    Si, proprio il processo che, sfruttando la luce del sole, praticamente sostiene la vita sulla terra ancora oggi attraverso le piante e i microrganismi fotosintetici (vedi post Natura riciclona). 

    Secondo le ipotesi più moderne la fotosintesi non è evoluta in maniera lineare in un unico tipo di microrganismo ma è derivata dalla fusione di linee evolutive diverse che hanno messo a comune blocchi di materiale genetico. Questa fusione genica (fenomeno che oggi chiamiamo trasferimento genico orizzontale) ha permesso di realizzare un metabolismo nuovo, di gran lunga più efficiente di tutti quelli allora esistenti,  il quale,  se si tiene anche conto che nel frattempo il sole era diventato più luminoso, ha portato ad un enorme sviluppo e diffusione dei microrganismi che ne erano dotati.

Ma….. c’era un grosso problema!!!!!!

Come sappiamo bene, la fotosintesi produce ossigeno, un gas che per gli organismi di allora era velenosissimo!

Così, col tempo, il successo dei microrganismi fotosintetici provocò un vero e proprio impressionante inquinamento atmosferico.

Cosa successe agli organismi allora viventi?

La magggior parte delle specie morirono e si estinsero, alcune riuscirono a sopravvivere in ambienti particolari dove la presenza dell’ossigeno era minore, altre “impararono” a respirare ossigeno, altre infine riuscirono a sopravvivere unendosi con quelli che avevano imparato a respirare ossigeno.  Nacque così la cellula eucariotica derivata proprio, secondo le più accreditate teorie, dall’unione di più procarioti diversi.

Quindi, da una profonda trasformazione dell’atmosfera, catastrofica per la maggior parte delle forme di vita allora esistenti, si sono create le condizioni per la nascita di

forme di vita nuove

 da cui poi sono derivati gli organismi pluricellulari, uomo compreso.

Quale morale possiamo trarre da questa storia?

Forse che, se l’inquinamento atmosferico in corso ai nostri giorni aumenterà oltre un certo limite, saremo noi esseri viventi attuali  a pagarne le conseguenze mentre  la terra potrà continuare ad esistere e magari forme di vita diverse potranno formarsi.
   
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The first great pollution of earth’s atmosphere

About 3.5 billions years ago the earth surface was very different  from now, particularly it was less hospitable. Oceans were larger, very often there were volcanic eruptions and meteor showers. Temperatures were probably similar to those registered now but the sunlight was less vivid. The most important feature of the ancient environment was the absence of free oxygen. Indeed it was almost lacking in the atmosphere whose main components were carbon dioxide, methane and  ammonia.

But life was already present!

Which kind of organisms could survive in a such hard environment?

They were only unicellular prokaryotes (like the bacteria and microalgae living today) able to gain energy without oxygen. They were very numerous and different from each other for their metabolism based on different energetic sources (methane, ammonia, sulphur and so on) predators were lacking: nobody was eaten. So they grew and spread everywhere.  

Then, about 2 billion years ago, a new  evolutionary metabolism appeared.

Aquatic organisms called blue-green algae began using energy from the Sun to split molecules of H2O and CO2 and recombine them into organic compounds and molecular oxygen (O2). This solar energy conversion process is known as photosynthesis.   Yes, the same photosynthesis that practically support life on the earth even now.

According to modern hypothesis photosynthesis originated through the fusion of various evolutionary lines which pulled part of their genetic material.  This fusion of genes, at present referred to as horizontal gene transfer, created a metabolism much more productive than the others already existing, also considering that the sunlight was in the meantime increased. Some of the photosynthetically created oxygen combined with organic carbon to recreate CO2 molecules. The remaining oxygen accumulated in the atmosphere, touching off a massive ecological disaster with respect to early existing anaerobic organisms.

A true atmospheric pollution!

Most species died and disappeared for ever, other species could survive in particular environments with a low oxygen concentration, others “learned” to breathe oxygen while others were able to survive by the fusion with those breathing oxygen organisms.

 In this way the eukaryotic cell originated.

Thus, starting from a great atmospheric transformation, lethal for the majority of the forms of life at that time existing, new forms arose, from which during the time pluricellular organisms (man included) derived.

To cut a long story short: perhaps if the atmospheric pollution in progress now will increase beyond measure we, existing living beings, could succumb while new life forms could be originated on the earth.

Un batterio molto speciale! A very special bacterium!

I batteri sono organismi unicellulari procarioti. Sono quindi, per definizione, di piccole dimensioni (invisibili ad occhio nudo) e semplici di struttura. 

Batterio al microscopio elettronico

In genere quando si parla di batteri vengono in mente malattie e pericoli vari. In realtà non tutti batteri sono cattivi ed, anzi, non potremmo vivere senza batteri! ma di questo parleremo in altra sede.  Qui volevo solo farvi conoscere un batterio molto speciale che abbiamo scoperto nel nostro laboratorio all’Università di Pisa.

Come la maggior parte dei batteri il nostro è piccolo (è di forma ovoidale lungo 2 micrometri, cioè 2 millesimi di mm e largo 1), ma ha una struttura decisamente complessa e non è per niente cattivo, anzi……

Lo abbiamo chiamato epixenosoma (dal greco corpo estraneo che  si trova sopra) perché vive come simbionte esterno sulla superficie dorsale di protozoi ciliati del genere Euplotidium (se avete letto gli altri post ormai sapete chi sono i protozoi ciliati, se non li avete letti allora leggeteli).

Euplotidium con epixenosomi

Perchè gli epixenosomi sono batteri speciali?

Perchè, almeno nella forma matura, hanno una struttura cellulare molto più complessa di quella degli altri batteri, con alcune caratteristiche più eucariotiche che procariotiche anche perché alla complessità strutturale corrisponde una compartimentalizzazione funzionale. Il DNA è localizzato nella regione apicale e, insieme alle proteine a cui è legato, assume al microscopio elettronico un aspetto molto simile a quello della cromatina delle cellule eucariotiche; nel citoplasma ci sono fasci di tubuli probabilmente formati da tubulina, (una proteina finora considerata esclusiva degli eucarioti). 

Epixenosomi - Sezione longitudinale

Epixenosoma con la tecnica del Freeze Etching

Ma la struttura più intrigante è, a mio parere, l’apparato estrusivo.
L’apparato  estrusivo è una struttura molto efficiente: si tratta di un sottile nastro probabilmente proteico che, in condizione di riposo, è avvolto strettamente intorno ad un asse centrale ed ha forma e dimensioni ben adattate a quelle della cellula. Però, in risposta a stimoli ambientali, recepiti attraverso recettori di membrana situati nella regione apicale della cellula, il nastro si srotola dall’interno (come quando si fa il naso con le stelle filanti), e forma un tubo lungo 40µ (cioè venti volte la lunghezza della cellula) con una  parete continua, rigida alla cui estremità c’è una testa contenente il DNA che il tubo trascina con sé passando attraverso la regione apicale. Il fenomeno dell’estrusione è ben visibile con un buon microscopio ottico.

A sinistra: fase iniziale dell'estrusione (TEM); a destra: epixenosoma completamente estruso (SEM)

Ancora non sappiamo qual è, per l’epixenosoma, il significato dell’estrusione che ne causa la rottura e l‘espulsione del materiale genetico.  Che sia un modo per cercare altri ospiti?    Per ora è mistero.

Sappiamo però, perché lo abbiamo dimostrato sperimentalmente, che l’estrusione degli epixenosomi giova al protozoo ospite: infatti protozoi predatori non mangiano gli Euplotidium dotati di epixenosomi mentre mangiano tranquillamente quelli che ne sono privi.  Da notare che Euplotidium privi di epixenosomi non sono mai stati trovati in natura ma si possono ottenere in laboratorio. Questo vuol dire che l’associazione con gli epixenosomi non è vitale per gli Euplotidium ma è una speciale forma di difesa così efficiente che in natura solo gli individui che ne sono dotati riescono a sopravvivere!  Mentre altri ciliati si difendono con i loro estrusomi, cioè con organuli cellulari, questi come strumento di difesa “allevano” gli epixenosomi. Non per niente in un blog americano (Small things considered) sono stati paragonati a James Bond, l’agente 007 capace di escogitare i più imprevedibili trucchi!  wikipedia http://schaechter.asmblog.org/small things considered

 A very special bacterium

 Bacteria are unicellular procaryotic organisms. They are very small in size, too small to be seen with the naked eye, and have a very simple structure. In general the word “bacteria” is evocative of diseases and dangers. The fact that not all bacteria are dangerous and that, on the contrary, we could not leave without bacteria will be the subject of  an additional post. Here I want only to introduce a very special bacterium we discovered in our laboratory at Pisa University.

Like the majority of bacteria it is small (oval in shape 2 µm, that is two thousandths of millimiter in length and 1 µm in width) but possesses a complex structure and is far for being dangerous! We called this bacterium “Epixenosome”  (from the ancient Greek external alien body) because it lives on the dorsal surface of ciliated protozoa of Euplotidium genus.

Why epixenosomes are so special?

First of all because, as you can see in the picture, their structure is more complicated than that of the majority of known bacteria. Some characteristcs are more eukaryotic than prokaryotic and a  functional compartmentalization corresponds to the structural complexity,

Longitudinal section of epixenosomes (transmission electron microscope)

  Their DNA is localized in the upper region, is bound to basic proteins and,

at the electron microscope, it assumes a chromatin-like appearance. Moreover in the cytoplasm there are bundles of tubules in all  likelihood consisting of tubulin (a protein that up to now was considered only eukaryotic).  But the more astonishing structure is, in my opinion, the extrusive apparatus.

 The extrusive apparatus is a very well engineered structure.  It consists of a ribbon rolled up around a central core. In resting position it is compact, with shape and size well adapted to that of the intact epixenosome. The detection of external signals through membrane receptors starts up the extrusive process.

During the ejection  the ribbon unrolls from the inside by the slipping of the layers one into the other (like when we make a nose with streamers). Thus a tube forms which passes through the opening of the cell membrane (the first step of the ejecting process), and takes away the apical portion of the epixenosome containing  the genetic material.  At the end of the process the tube is 40 mm long,  that is 20 times the length of the organism, with a head 2mm long. The wall of the tube consists of the layers that are rolled up in the resting state but which are now extended, one after the other, with oblique overlapping thus ensuring the continuity of the tube.  At present we do not know the meaning of the ejection, which causes the dispersion of the epixenosomal DNA, for the bacterium itself.

 The tube at the end of the ejection

Euplotidium with some ejected epixenosomes

We know however that the ejection of epixenosomes is useful for the ciliate host. Indeed we experimentally demonstrated that predator ciliates do not eat Euplotidium with epixenosomes while easily eat those without. Note that Euplodidium without epixenosomes have never been found in nature: they can only been obtained in the laboratory. This means that  the presence of epixenosomes and their ejection is not vital for the host but represents an efficient defensive tool in nature. 
Other ciliates are able to escape predators by means of their own extrusomes:  ciliates of Euplotidium genus grow epixenosomes on their surface for their defence. For this reason in an american blog they have been compared to James Bond, the 007 agent able to invent different special weapons!

 

I microrganismi eucarioti (Protisti) ci parlano di sè . Protists introduce themselves

               I microrganismi eucariotici (Protisti) parlano di sè  

Chi siamo?

Siamo organismi formati da una sola cellula eucariotica, una cellula cioè dotata di un nucleo (in cui è racchiuso il DNA) e di altre strutture specializzate. In genere siamo così piccoli da non poter essere visti ad occhio nudo: per questo siamo così poco conosciuti!

Quando siamo nati?

Più di un miliardo di anni fa.

Dove viviamo?

 Nel mare, nei laghi, nei fiumi, nel terreno, in piccole pozze d’acqua e anche nell’aria sotto forma di cisti.

Come siamo?

Anche se siamo tutti unicellulari siamo molto diversi uno dall’altro per forma, dimensioni, comportamento e ruolo ecologico.

 Alcuni di noi si muovono attivamente per mezzo di uno o più lunghi flagelli (vengono perciò detti flagellati), altri per mezzo di numerose strutture più corte dette ciglia (percio ciliati), altri emettono "pseuopodi" cioè falsi piedi  (falsi perchè non sono strutture permanenti ma estroflessioni retraibili).

Cosa facciamo nell’ambiente?

Alcuni di noi sono produttori: come le piante. Altri sono consumatori di primo grado: come gli animali erbivori. Altri sono consumatori di secondo grado: come gli animali carnivori. Altri si nutrono di batteri. Altri ancora sono parassiti o simbionti di piante o animali. Molti servono da cibo per piccoli animali.

A quale regno della Natura apparteniamo?
Proprio perchè siamo così diversi (anche dal punto di vista molecolare) non possiamo essere inclusi tutti in uno stesso regno, anche se era stato creato per noi il regno dei Protisti. Del resto quella di rinchiudere la Natura in schemi precisi è una esigenza di voi umani, a noi non interessa. Forse per comprenderci meglio conviene usare la vecchia nomenclaura: protozoi (animali primitivi) per gli eterotrofi e protofiti (piante primitive)o microlaghe per gli autotrofi.

Perché è utile conoscerci?

Perché viviamo in mezzo a voi ed ognuna delle nostre funzioni è importante negli ecosistemi in cui ci troviamo e con cui anche voi avete a che fare.

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Protists introduce themselves

Who are we?

We are eukaryotic, unicellular organisms. We are very small and

not visible to the naked eye. For this reason we are so little known!

When were we born?

More than one billion years ago.

Where are we living?

We are living in the sea, in lakes and rivers, in the soil and even in the air (in the form of cysts).

What do we look like?

Although we all consist in only one cell,  we are very different from each other in shape, size, behaviour and ecologic role.

  

What are we doing in the environment?

Some of us are autotrophic, that is producers: like  plants. Others are first degree consumers like herbivorous animals while others are second degree consumers like carnivores. Some eat bacteria.  Some more are parasitic or symbiont  of plants or animals.  Many represent a good food for little animals.

Why it is very useful to be acquainted with us?

Because we live among you and we have important roles in all the ecosystems in which yourselves live (see for example the post “nature big recycler”)

Curiosità su di noi

Lo sapevate che: un protozoo ciliato che nuota può percorrere una distanza di un mm al secondo, cioè una distanza pari a oltre 10 volte la sua lunghezza? Se un uomo nuotasse alla stessa velocità percorrerebbe 100 metri in  poco più di mezzo secondo!

Lo sapevate che un protozoo ciliato filtratore in un'ora svuota dalle particelle alimentari  un volume di acqua pari a 10⁵ il suo volume cellulare?

Lo sapevate che alcuni protozoi mantengono vitali, in altre parole allevano, al loro interno parte delle alghe che ingeriscono come cibo, per nutrirsene poi in caso di mancanza di alghe nell’ambiente?

Lo sapevate che se il cibo o l’acqua vengono a mancare molti microrganismi eucariotici si costruiscono un guscio resistente, in cui si racchiudono riducendo al minimo le loro funzioni vitali (una specie di letargo!) in attesa di condizioni migliori? Queste forme si chiamano cisti e spesso invece di star lì ad aspettare tempi migliori si lasciano trasportare dal vento o da piccoli animali dove le condizioni sono già adatte.

Lo sapevate che i protozoi “carnivori” hanno delle strutture speciali per catturare le prede?  Si tratta di strutture che vengono estroflesse (per questo chiamate estrusomi) e che spesso emettono una tossina che paralizza la malcapitata futura preda.

Lo sapevate che i protozoi potenziali prede hanno escogitato vari modi per sfuggire alla cattura?

Alcuni hanno a loro volta delle strutture estrusive diffuse su tutta la cellula, dette tricocisti perché una volta estruse sembrano peli (naturalmente viste al microscopio). Le tricocisti vengono estroflesse tutte insieme provocando uno spostamento all’indietro che può evitare la cattura. Altri, alla presenza del predatore, assumono una forma diversa che ne rende più difficile la cattura. Altri ancora una volta ingeriti emettono una tossina che uccide il predatore: naturalmente muore anche la preda ma “salva” gli altri protisti della sua specie! 

La Natura Riciclona. Nature big recycler

LA NATURA RICICLONA, NATURE BIG RECYCLER:

Cosa studio a fare i microrganismi a vita libera non patogeni?  Nel fumetto, che ho realizzato con l'aiuto del disegnatore Alfredo Orlandi e del tecnico Simone Gabrielli, saranno proprio due di loro a spiegarlo. Si tratta di microrganismi del plancton marino: un protista flagellato di nome Dunaliella e un'alga azzurra (cianobatterio)

 

Tutti sappiamo che sulla terra le piante hanno un ruolo importante: sono i produttori cioè organismi capaci di trasformare sostanze inorganiche in sostanze organiche e grazie alla loro fotosintesi emettono ossigeno nell'atmosfera. Ma spesso ci si dimentica che la terra è per tre quarti ricoperta dal mare. Come avete visto gli unici produttori in alto mare sono dei microrganismi.

Quindi la vita in mare dipende da questi organismi microscopici.

Nature big recycler

Two microrganisms, namely the eukaryoic flagellate Dunaliella and the photosynthetc prokaryote Cyanobacterium, explain their role in the marine planctonic environment

Microrganismi produttori e consumatori. Producer and consumer microrganisms.

Micorganismi fotosintetici come le piante e microrganismi che mangiano come gli animali

 

 

Questo post è dedicato ai soli microrganismi eucariotici e più in particolare a quelli a vita libera, quelli cioè che vivono nei vari ambienti che ci circondano.  Con pochi esempi vorrei far capire quanto diversi possano essere questi organismi tra di loro non solo come forma e dimensioni ma anche come  "comportamenti". Non tratta invece dei parassiti, spesso patogeni.

Prima di tutto tra i microrganismi eucariotici a vita libera ci sono autotrofi ed eterotrofi: i primi si comportano come piante, i secondi come animali.
Vediamo qualche esempio:


1)    Il flagellato Dunaliella tertiolecta visto in vivo al microscopio ottico. Misura circa 5 micrometri di diametro, è fotosintetico ed è un componente del plancton marino dove svolge il ruolo di produttore. Da notare la regione posteriore di color verde perché contiene i cloroplasti e i flagelli che si intravedono come sottili filamenti anteriori.-  Servono per il movimento.

2) I  Flagellati autotrofi non sono tutti uguali ma sono molto diversi tra loro per forma e dimensione.

 Ecco un altro esempio: 

3) Questo è una euglena fotografata in vivo al microscopio ottico. Sono ben visibili i plastidi verdi, il flagello e il fotorecettore (il corpicciolo rosso anteriormente). Il fotorecettore, un cristallo di rodopsina, permette al microrganismo di orientarsi nella direzione della luce. 

4) Euglena al SEM (microscopio elettronico a scansione). In questa e nelle altre foto al SEM le barrette ci danno un idea della dimensione.

5)     Ciliato al SEM. La cellula è interamente coperta di ciglia che sono come flagelli più corti e più numerosi e servono per il movimento. I ciliati sono tutti eterotrofi quindi per procurarsi energia devono mangiare.

6) Altro ciliato al SEM con evidente  “bocca” o meglio citostoma. Le ciglia a livello del citostoma sono più lunghe e più fitte per creare un vortice nell’acqua e attirare le particelle alimentari.

7)  Ciliato in vivo all’ottico.

8) Questo ciliato è “erbivoro” si nutre dei protisti flagellati autotrofi (detti anche microalghe) tipo Dunaliella. A  questo ingrandimento si vedono le alghe appena ingerite come macchie verdi e quelle parzialmente digerite come macchie marroni.   Le alghe sono all’interno di vacuoli digestivi circondati da membrana. Il fondo del citostoma infatti non è bucato ma c’è la membrana che si riempie degli organismi ingeriti gonfiandosi come un palloncino.  Quando è abbastanza pieno il palloncino (cioè il vacuolo) si stacca e  viene raggiunto dagli enzimi digestivi mentre se ne forma un altro.

9) Vorticelle: ciliati sessili. C’è diversità anche nei ciliati erbivori. Le vorticelle hanno la bocca in alto.

10) UN ciliato ipotrico visto al SEM: Gli ipotrichi hanno un grande citostoma bordato da ciliatura specializzata. Le cillia della superfice ventrale sono organizzate in ciuffi detti cirri per mezzo dei quali possono "camminare". 

11) Il ciliato ipotrico  Euplotes fotografato in vivo mentre cammina tra igranelli di sabbia. walking trough sand granules. Il citostoma proteso in avanti cattura le particelle alimentari. 





12) Euplotes visto dalla superficie ventrale. Le Dunalielle ingerite sono chiaramente visibili.

13)  Confronto tra un ipotrico affamato ed uno ben nutrito. Il primo (quello a sinistra)  è quasi completamente trasparente. 

14)  Anche i ciliati erbivori non mangiano tutti gli stessi organismi: hanno delle preferenze alimentari. Alcuni ad esempio si nutrono delle microalghe filamentose dotate di una parete rigida che viene rapidamente digerita subito dopo l'ingestione mentre il protoplasma viene raccolto in diversi vacuoli digestivi e digerito più lentamente. Even herbivorous ciliates do not eat all the same organisms. 

Nassula

15) Other ciliate eat bacteria. La foto mostra una sezione al microscopio elettronico a trasmissione che interessa alcuni vacuoli contenenti batteri appena ingeriti. 

16)   Ci sono anche ciliati carnivori cioè ciliati che mangiano altri organismi eterotrofi come altri ciliati. Proprio come gli animali carnivori mangiano  mangiano altri animali. Quello qui fotografato si chiama Didinium nasutum. Nonostante il citostoma apparentemente piccolo è un terribile predatore.

17)  Eccolo mentre mangia un Paramecio, una preda più grande di lui! Riesce a caturarlo lanciando delle strutture dette toxicisti che paralizzano il malcapitato. Ai bambini parlo di "freccette avvelenate"!

18)  . Anche la preda ha delle armi (estrusomi tricocisti)con cui si può difendere

A sinistra tricocisti all'interno della cellula. A destra tricocisti estrusa.


19) Se, quando “sente” la presenza del predatore, riesce ad emetterle tutte insieme riceve una spinta all’indietro che può permettergli di sfuggire all’attacco delle toxicisti del predatore. 

Paramecium con tutte le tricocisti estruse.

19) Altro predatore: Loxophillum, il citostoma si nota appena.

20)  Ma quando mangia lo allarga! Qui sta mangiando un Euplotes: si possono notare i cirri ancora sporgenti.

21) L’energia accumulata mangiando permette la riproduzione per scissione: scissione vista all’ottico.

22) Scissione al SEM. Da notare che prima di separarsi le due nuove cellule devono aver ricostruito tutte le strutture (citostoma, cirri ecc.)

23) Ciliato “mixotrofo”. Conserva nel citoplasma parte delle alghe ingerite e le nutre in modo che possano anche dividersi al suo interno. Quando per le condizioni ambientali (freddo o altro) non ci sono più alghe nell’ambiente si nutre delle alghe che ha dentro: in qualche modo diventa autotrofo!

24) Cisti. Stato di vita latente, ben protetto da una parete resistente che evita la disidratazione, per superare periodi di scarsezza di acqua o di cibo. Le sporgenze probabilmente favoriscono il trasporto da parte di vento o animali in luoghi più favorevoli.

Microorganisms like plants and microorganisms like animals

The present post deals only with eukaryotic unicellular organisms. In particular with those free living, sharing their habitats with us. By means of a few examples you will understand that these organisms differ from each other in many respects: not only they differ in shape and size but also in behaviors.

First of all there are autotrophic eukaryotic microorganisms that behave like plants and heterotrophic eukaryotic microorganisms behaving like animals.

Some examples:

1) This is  Dunaliella tertiolecta a flagellate, seen in vivo by light microscope. It is 5 micrometers in size and is a producer in the sea plankton. Indeed it is autotrophic and contains chloroplasts in its posterior region (note the green color).  Two flagella are hardly visible in the apical region. They are locomotor organelles.

2) Autotrophic flagellates are not all the same: they differ in shape, size number and position of the flagella and so on. 

An other example:

 3) This is Euglena seen at the light microscope. The green plastids, the flagellum and the photoreceptor ( the red spot in the anterior region) are visible. Photoreceptor is a rodopsin crystal and through it the organism realizes the light direction.

4) Euglena at SEM (scanning electro mictoscope). The bars in this picture and in the others at SEM are indicative of the size of the soecimen.  

5)     A Ciliate at SEM.  The cell is completely covered by cilia. Cilia are similar to flagella for the internal structure but they are shorter and, generally more numerous. By means of cilia Ciliates move very rapidly: they are the faster swimmers among protists. They are all heterophic i.e. they have to eat to get vital energy. 

6) To eat ciliates have a mouth i.e. a cytostome. It appears as a more or less pronounced depression surrounded, as it is visible in this picture, by a thicker ciliature. The movement of these cilia produces a whirl in the water driving food particles toward the cytostome bottom.

7)  A ciliate seen in vivo at the light microscope.

8) This ciliate can be defined  “ herbivorous” as it feeds on autotrophic flagellate (often referred to as microalgae) like Dunaliella. In the following picture taken at higher magnification, just ingested algae appear as green bodies inside the organism while those partially digested are brown. The food are contained in digestive vacuoles surrounded by a membrane. Cytostome bottom indeed is not open: it is delimited only by the cell membrane which swells like a balloon receiving food particles. When is completely full, the balloon come off, digestive enzymes pour into it and perform their action while new vacuoles are formed.

9) Herbivorous ciliates are very different from each other. This is Vorticella  a colonial sessile form  with the cytostome on the top. 

10) An hypotrich Ciliate seen at SEM. Hypotrichs have a huge cytostome bordered by ciliary membranelles. Cilia of the ventral surface are organized in tufts by which they "walk". 

11) The hypotrich Euplotes walking trough sand granules. The forward cytostome catchs food organims. (in vivo picture)





12) Euplotes seen from the ventral surface: ingested Dunaliellae are clearly visible .

13) Comparison between a starved hypotrich (it is transparent) and a well fed one.

14)  Even herbivorous ciliates do not eat all the same organisms. Some for example are specialized in eating filamentous  microalgae. The rigid wall of those organisms is rapidly digested soon after ingestion while their protoplasm is collected and processed in a number of different digestive vacuoles. 

Nassula

15) Other ciliates eat bacteria. In this picture taken by transmission electron microscope the section of food vacuoles containing just ingested bacteria is shown. 

16) There are also meat-eating ciliates! i.e. ciliates eating other ciliates, other heterotrophic organisms as carnivorous beasts  eat other beasts.  The following picture shows Didinium nasutum. In spite of the apparently small cytostome it is an efficient predator.

16) IN the following pictures you can see Didinium eating Paramecium. The predator succeed in catching this big and fast swimming prey  by immobilizing the victim through the discharge of extrusive organelles called toxicysts. Like poisoned little arrows. The cytostome enlarges and ingestion takes play. 

18)  Anyway Paramecium possess its own extrusomes (Trichocysts) that can be used as defensive tools. 

Trichocyst inside the cell (on the left): ejected trichocyst (on the right). 


19) In the presence of a predator Paramecium undergoes  an explosive extrusion of trichocysts  and shows a rapid backward movement by which he can escape the toxicyst action.  

Paramecium with ejected trichocysts. 

19)  Loxophillum, an other predator ciliate: the cytostome is barely visible.

20)  But the cytostome widens a lot to engulf the prey! In the piture Loxophillum eats Euolotes whose cirri are still visible. 

21) Energy obtained by feeding induces reproduction by binary fission.  

22) BefAs it is clearly visible in this SEM picture the two daughter cells reconstructed all their structures (cytostome, cirri and so on) beforere their separation. In such way they are both able to survive  separately.  

23) This is a "mixotroph" ciliate i.e. a ciliate normally heterophic  but able to survive for a period without food ingestion like eutotrophic protists. It mantains in its cytoplasm part of the ingested microalgae and allows them to grow and reproduce. So, when for bad climate conditions there are not live algae in the environment,  this iliate feeds on those it "breeded" 

24) Cyst. This is a stage of latent life.  The ciliate is enclosed by a resistent wall able to avoid dehydration. In this stage the cell overcome  periods of starvation and water lack.  Thank to the protrusions cysts can be transported by the wind or by little animals in more favorable environments where nomal life can be recovered.