Роль бактерий-фотосинтетиков в выработке кислорода

Механизм получения органики (углеводов) из воды и углекислого газа в присутствии солнечного света изучался с конца 18-го века, и только к 1960 году ученые смогли полностью описать реакции фотосинтеза. В процессе исследований одному из ученных – американскому биологу Мелвину Кальвину – была присуждена Нобелевская премия за то, что он смог раскрыть сущность реакций разделения углекислого газа с образованием молекул глюкозы. Благодаря продуктам фотосинтеза существует органическая жизнь на Земле, и основными продуцентами (производителями) этих ценных продуктов являются живые фотосинтетики.

Роль фотосинтеза для нашей планеты

Бактериальные организмы и кислород

Согласно действующей научной концепции, в рамках которой объясняется происхождение жизни на Земле, бактерии, относящиеся к фотосинтетикам, сыграли ключевую роль в формировании атмосферного кислорода для высших организмов. Именно кислород обеспечивает дыхание растениям, животным, а также некоторым кислородозависимым бактериям. Почему некоторым? Потому что среди бактерий существуют и другие, ведь только в бактериальном сообществе есть организмы-хемосинтетики, способные синтезировать органику из неорганических соединений.

Уже в условиях кислородной среды, путем симбиоза прокариотов друг с другом формировались эукариотические клетки высших растений, которые сегодня, как и бактерии, играют огромную роль в производстве атмосферного кислорода.

Однако в отличие от высших растений, бактерии могут осуществлять процесс фотосинтеза не только используя фотосинтетический фотонный поток (солнечный свет), воду и углекислый газ, а и задействуя другие начальные продукты для химической реакции фотосинтеза.

Схема биохимической революции

Сегодня наука делит все бактерии, относящиеся к фотосинтетикам, на три группы. Внутри этой системы разделение осуществляется по типу фотосинтеза:

  • без выделения молекулярного кислорода (аноксигенный);
  • кислородный (оксигенный);
  • бесхлорофилльный.

К первой группе системы относятся пурпурные бактерии, зеленые бактерии и гелиобактерии. Ко второй группе системы – цианобактерии и прохлорофиты (их фотосинтез похож на фотосинтез растений). К третьей группе системы – галобактерии.

Типы фотосинтеза во многом зависят от того, какие фотосинтетические пигменты в бактерии собирают солнечный свет.

Внутри бактериальной клетки могут существовать три вида пигментов. В зависимости от типа фотосинтеза в бактерии-фотосинтетике наблюдается разный состав пигментов. У растений есть только хлорофиллы, которые находятся в органеллах эукариотической клетки растений – хлоропласте.

Виды пигментов:

  1. Хлорофиллы. Они бывают либо бактериохлорофиллами, которые обеспечивают аноксигенный фотосинтез, либо хлорофиллами (оксигенный синтез). Хлорофиллы (такие же, как и у растений) есть только у цианобактерий и прохлорофитов. Хлорофиллы являются одной из основных структурных единиц фотосинтетиков, из которых образован реакционный центр.
  2. Фикобилипротеины – белковые комплексы, которые располагаются на мембране внутриклеточного бактериального тилакоида и доставляют фотоны в фотохимический реакционный центр, содержащий хлорофилл. Фикобилипротеины есть только у цианобактерий.
  3. Каротиноиды – пигменты оранжевого, красного и желтого цвета, которые также играют роль дополнительных улавливателей солнечного света в фотосинтетиках.

Строение фотосинтетической системы бактерии

Несмотря на то, что разные по типу фотосинтеза организмы, относящиеся к фотосинтетикам, по-разному осуществляют сам процесс фотосинтезирования, задействованный в этом аппарат имеет достаточно общих черт. Весь процесс называется фотосинтетическое фосфорилирование – получение АТФ из света.

Цианобактерии, представители бактерий-фотосинтетиков

Клеточный аппарат фотосинтетиков для осуществления фотосинтеза бактерией состоит из элементов:

  • в каждом бактериальном фотосинтетике есть определенное количество светособирающих пигментов, которые, поймав фотоны, передают их в реакционный центр;
  • реакционный центр фотосинтетика, в котором электромагнитная энергия преобразуется в химическую;
  • электротранспортные системы фотосинтетика, которые переносят высвобождающиеся электроны.
  • фотосинтетическое фосфорилирование завершается синтезом АТФ.

Фотосинтетические мембраны бактериальной клетки-фотосинтетика – это поверхность, на которой расположены хлорофиллы, фикобилипротеины (имеют только цианобактерии) и каротиноиды.

В связи с тем, что фотосинтетики-бактерии не имеют хлоропластов, которые входят в состав фотосинтезирующих эукариотических клеток растений, фотосинтетическая мембрана – это участок мембраны бактериальной клетки, который носит название тилакоид. Тилакоид фотосинтетика содержит и молекулы, улавливающие свет, и реакционный центр фотосинтеза.

Чтобы уловить 1 фотон света, бактерии-фотосинтетику необходимо задействовать от тридцати до пятидесяти светособирающих молекул. Это количество молекул хлорофилла и пигментов имеет определение – фотосинтетическая единица.

От количества фотосинтетических единиц на мембране бактериальной клетки-фотосинтетика зависит то, какой фотосинтетический потенциал имеют данные организмы, то есть какое количество солнечного света они смогут преобразовать в углеводы.

Реакционный центр бактериальной клетки – комплекс ферментов, в котором происходит световая (светозависимая) стадия фотосинтеза. Кроме ферментов, в реакционный центр входят и молекулы хлорофилла, однако здесь они играют роль не светособирателей, а передатчиков электронов.

Световая стадия

Понимание того, что такое фотосинтез, началось с поиска ответа на вопрос, каким образом именно свет влияет на состояние химических соединений в клетке (растений, бактерий).

Виды фотосинтеза бактерий

Сегодня процесс поглощения света подробно описан и носит название световой стадии фотосинтеза.

Вот как выглядит световая стадия оксигенного фотосинтеза, который воспроизводят бактериальные организмы, которые относятся к фотосинтетикам:

  1. Фотон света поглощается группой светособирающих молекул (хлорофилл и другие пигменты).
  2. Фотон передается в реакционный центр и приводит в возбужденное состояние молекулу хлорофилла, входящую в данный реакционный центр. Эта молекула хлорофилла отдает электрон, который сразу же подхватывается переносчиком электронов – акцептором. Пройдя по цепочке акцепторов, электроны накапливают отрицательный заряд на внешней стенке тилакоида.
  3. Молекула хлорофилла, лишенная электрона, пытаясь восстановить равновесие, отрывает электрон у молекулы воды, которой в бактериальной клетке предостаточно. В результате распада воды образуется протон (Н+), который накапливается на внутренней стенке мембраны тилакоида.
  4. Когда разница потенциалов на внешней стенке и на внутренней стенке достигает необходимой величины, в стенке мембраны образуется белок-канал АТФ-синтетаза. Как только появляется этот белок-канал (а он пропускает только протоны), поток протонов направляется на соединения с электронами, и в результате их взаимодействия синтезируется АТФ.

Так выглядит циклический процесс фотосинтетического фосфорилирования. Есть еще нециклический, при котором АТФ (формула содержит три фосфатных группы) образуется за счет преобразований АДФ (формула содержит две фосфатных группы). Преобразование происходит за счет реакций с фосфорной кислотой.

Темновая стадия

Процесс, протекающий в темновой стадии, это не тот процесс, который может протекать только ночью или в отсутствие света. В название «темновой» вложена характеристика, указывающая, что для протекания реакций, входящих в этот процесс, не нужно наличие света (фотонов).

Схема фотосинтеза

В результате световой фазы тилакоид фотосинтезирующей мембраны накапливает свободные протоны водорода и АТФ. Так как конечной целью фотосинтеза является образование углеводов, то получение АТФ – еще не конец процесса. Цикл Кальвина, которым завершается преобразование углекислого газа с использованием АТФ в глюкозу, схематически выглядит так:

  1. Рибулоксибифосфат под действием специального белка-фермента присоединяет к себе СО2.
  2. Полученная гексоза (моносахарид) расщепляется на две маленьких молекулы фосфоглицериновой кислоты.
  3. Молекула фосфоглицериновой кислоты вступает в реакцию со свободным протоном водорода (который также образовался в процессе фотосинтеза). В результате реакции образуется вода и три молекулы простейшего сахара – триозы. Часть молекул триозы выходит из цикла и накапливает внутриклеточную глюкозу, а другая часть направляется на следующий виток цикла Кальвина.

Применение на практике

Из всей информации, которая сегодня накоплена о фотосинтезе, для человека немаловажно знать, каков фотосинтетический потенциал клетки, поскольку именно им определяется производительность фотосинтезирующих бактерий и растений. Сегодня в агропромышленности активно используются биопрепараты, в состав которых входят бактериальные организмы, увеличивающие фотосинтетический потенциал посева.

В основе использования таких биопрепаратов лежит воздействие, которое бактериальные организмы оказывают на увеличение площади листа растений. Ведь чем больше площадь листа, тем фотосинтетический потенциал посева выше. Однако в случаях использования биопрепаратов бактерии напрямую не включаются в тот процесс фотосинтеза, который протекает в эукариотических клетках растений. Бактерии в данном случае влияют на другие факторы, которые создают оптимальные условия для эффективности посевов.

Фотосинтез и хемосинтез
Похожие статьи:
Загрузка...

__________________________

Остались вопросы? Задайте их в комментариях к статье, мы обязательно ответим

  • Алена

    Эволюция планеты прошла через многие стадии развития. Действительно, самым важным было образование кислородной атмосферы, дабы усмирить негативные прямые лучи солнца и создать оптимальные условия для возникновения других организмов. Бактерии-фотосинтетики верно послужили на благо всей нашей планеты. Применение только в агропромышленной сфере слишком примитивно — благодаря этим организмам была создана жизнь, и сейчас используют лишь для повышения урожайности. Может стоит задуматься на счет улучшения городской экологии, очищения воздуха и т. п.