У истоков фотосинтеза: особенности фотосинтезирующих бактерий

Роль фотосинтеза для нашей планеты

Фотосинтезирующие бактерии (другое название – фототрофные) – разновидность микроорганизмов-автотрофов, способных самостоятельно производить из неорганических веществ органические. Присутствующие в их клетках пигменты поглощают энергию Солнца и используют ее для фотосинтеза. Такая способность сближает фотосинтезирующие бактерии, водоросли и высшие растения. Альтернативой при отсутствии света является хемосинтез (от латинского хемо – химический) – получение энергии от окисления химических соединений.

В настоящее время описано более 50 видов фотосинтезирующих микроорганизмов. Их способность к фотосинтезу была доказана американским ученым голландского происхождения Корнелисом Бернардусом ван Нилем в 1931 году. Он же обнаружил одну особенность фотосинтеза у серобактерий – то, что донором атомов водорода у них являются соединения серы, в частности, сероводород. Им было предложено уравнение фотосинтеза, объединявшее высшие растения и фотосинтезирующие бактерии.

Автотрофные бактерии часто являются жителями водоемов. В природной среде редко встречаются одиночные клетки – чаще они образуют объединения в виде цепочек, звезд, ячеек или пластинок, окруженные защитной слизью. Длина клеток колеблется от 1-2 до 50 мкм. Они имеют различную геометрию – известны кокки, палочки, извитые; могут быть подвижными и неподвижными, иметь выросты, ворсинки или жгутики. Такое строение позволяет им демонстрировать различные виды ориентированного движения – фото-, хемо- и аэро таксис (движение в направлении источника света, повышения или понижения концентрации в воде химических веществ или воздуха). Самыми крупными являются пурпурные серобактерии  (Purple bacteria). Размножаются они простым (бинарным) делением или почкованием, не окрашиваются по Граму (грамотрицательны).

 пурпурные серобактерии (Purple bacteria)

Строение автотрофных бактерий имеет ряд особенностей, большинство из которых связано с их способностью к хемо- и фотосинтезу. В частности, мембраны фотосинтезирующих форм образуют в клетках структуры, называемые тилакоидами, на поверхности которых собран фотосинтезирующий аппарат. Строение автотрофных бактерий дало повод биологам считать, что высшие растения наличием хлоропластов обязаны бактериям-симбионтам.

Не только кислород

Интересной особенностью бактериального фотосинтеза считается то, что не всегда в его результате образуется кислород. Мало того, многие фотосинтезирующие бактерии – анаэробы и не могут жить в присутствии кислорода, предпочитая окислять сероводород, тиосульфаты, молекулярный водород, серу, которая дальше может превращаться в сульфаты.

Бактериальный фотосинтез не всегда протекает с потреблением углекислого газа. Вместо него фотосинтезирующие микроорганизмы могут использовать другие вещества – соединения серы, например.

Существуют фотоавтотрофные и фотогетеротрофные бактерии. Первые способны жить без органических веществ, синтезируя для себя все необходимое самостоятельно, вторые – не имеют такой способности и нуждаются в органике для полноценного роста.

К фотосинтезирующим бактериям относят оксигенные и аноксигенные микроорганизмы.

Цианобактерии, представители бактерий-фотосинтетиков

Оксигенные

В результате фотосинтеза выделяют кислород. К их числу относят цианобактерии (в том числе азотфиксирующие), которые содержат в своих клетках хлорофилл А, как и фотосинтезирующие растения. Ассимиляция углекислого газа у  фотосинтезирующих цианобактерий, которые также называют синезелеными водорослями, происходит с использованием водорода молекул воды.

Аноксигенные

Эти фотосинтезирующие микроорганизмы проводят фотосинтез, не выделяя при этом кислород. В них содержатся бактериохлорофиллы, отличающиеся от тех, которые используют для фотосинтеза растения. В эту группу входят две разновидности микроорганизмов:

  1. Пурпурные несерные бактерии, для которых донором водорода выступают органические соединения. Среди них встречаются виды, способные жить на средах, в которых нет органики. Однако основное их число считается облигатными гетеротрофами, то есть нуждаются в органических веществах для своего существования.
  2. Пурпурные и зеленые серобактерии, использующие в качестве поставщика водорода не воду, а сероводород. Последние образуют цветные слои воды и налеты на камнях пресных и соленых водоемов и накапливают в своих клетках серу.
  3. Зеленые серобактерии и цианобактерии являются облигатными фототрофами и не могут существовать без света. Пурпурные несерные бактерии относятся к числу факультативных фототрофов и способны длительное время существовать без света или при низкой освещенности. Промежуточное положение занимают пурпурные серные бактерии.
  4. Недавно были обнаружены нитчатые зеленые несерные бактерии, неспособные откладывать серу внутри клеток. Они представляют собой однородную группу видов, отличающихся способом питания (гетероавтотрофный), и способных жить на органических субстратах, которые содержат сероводород и молекулярный водород. Среди них много грамположительных и грамвариабельных видов, окраска которых зависит от условий их существования.

Схема фотосинтеза

Фотосинтез и азотфиксация

Азотфиксация – процесс, который смогли освоить только прокариоты, организмы, не имеющие оформленных и окруженных мембраной ядер. Происходит он при помощи специального фермента, названого нитрогеназой. Азотфиксация является разновидностью хемосинтеза. Интересно, что азотфиксирующие хемосинтетические бактерии — облигатные анаэробы, могут одновременно иметь способность к фотосинтезу и наоборот, то есть являются хемо- и фотосинтетиками.

Многие азотфиксирующие бактерии способны к фотосинтезу. В первую очередь это цианобактерии. Строение клеток этих микроорганизмов позволяет им разделять во времени две фазы – днем они фотосинтезируют с образованием кислорода, а ночью занимаются азотфиксацией. Изучение жизненного цикла цианобактерии анабены (анабэны) продемонстрировало и другой механизм, позволяющий совмещать хемо- и фотосинтез в колонии бактерий. При снижении количества углекислого газа в окружающей среде, некоторые клетки прекращают фотосинтез и превращаются в гетероцисты, внутри которых начинается азотфиксация. Интересно, что при этом соседние клетки, имеющие различный метаболизм, способны обмениваться между собой его продуктами, обеспечивая существование всей колонии.

Азотфиксирующие клубеньковые бактерии

Пигменты

Цвет фотосинтезирующих бактериальных колоний зависит от того, какие пигменты содержатся в их клетках. Различают три вида фотосинтетических пигментов – зеленые хлорофиллы, оранжевые каротиноиды и коричневые фикобилины, входящие в состав так называемых пигментных антенн, строение которых видоспецифично, а также зависит от интенсивности света.

Бактерии, осуществляющие аноксигенный фотосинтез, имеют пигментные центры только одного типа, цианобактерии и другие оксигенные микроорганизмы – два центра, соединенные последовательно. Реакционным центром светособирающих пигментных антенн являются хлорофилл А или бактериохлорофиллы A, B и G. Цианобактерии, как и высшие растения, используют первые пигменты.

Схема биохимической революции

Характерной особенностью фикобилинов является то, что они соединяются в комплексы со специфичными белками, пронизывающими мембраны.

Автотрофы без хлорофилла

Такие необычные автотрофы были обнаружены среди архебактерий Мертвого моря. В их клетках отсутствуют зеленые хлорофиллы – вместо них так называемые галобактерии содержат бактериородопсин, расположенный на поверхности клеточных мембран. Его строение весьма интересно – это комплекс пигмента ретиналя и специального белка.

Фотосинтезирующие галобактерии являются гетеротрофами, живущими в среде с высоким содержанием солей. Их колонии имеют оранжево-желтый цвет из-за содержания в клетках большого количества каротиноидов. Фотосинтез у данных организмов начинается только в условиях низкой концентрации кислорода. Они не могут существовать в слабосоленых условиях и демонстрируют положительный хемотаксис (движение) в сторону мест с высоким содержанием солей.

Похожие статьи:
Загрузка...

__________________________

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

  • Ефросинья

    Как разнообразен, загадочен и неимоверно близок мир микроорганизмов! Была приятно удивлена, узнав, что исходными веществами и продуктами реакции фотосинтеза могут быть не только углекислый газ и кислород, но и многие другие вещества, в частности, соединения серы. Обязательно заполню этот пробел в своих знаниях. Спасибо, за пополнение интеллектуальной копилки!