Живой мир

Бактерии и фотосинтез

Бактерии и фотосинтез

p-stroinn.ru

kzpa96.ru

Жизнь на нашей планете в разных её проявлениях прямо или косвенно зависит от способности некоторых организмов осуществлять фотосинтез, т. е. Использовать энергию солнечного излучения для образования органических веществ. Продукты фотосинтеза — это не только питание для человека, животных и многих организмов, они используются как топливо, строительный материал и в других целях.

Долгое время считалось что фотосинтез осуществляют только водоросли и высшие растения. Лишь в 30-е годы 20 века было окончательно установлено, что сохранились и более древние фототрофы (фотосинтезирующие организмы): пурпурные и зелёные бактерии. Затем было доказано, что фотосинтезные бактерии и синезелёные водоросли, которые называются сейчас цианобактериями. Открыты и другие бактерии , способные к фотосинтезу.

Пурпурные и зелёные бактерии:

Фотосинтезные бактерии разнообразны по своим свойствам. Среди них как одноклеточные, так и многоклеточные формы, но все они организованы проще, чем водоросли и высшие растения. Обитают фототрофные бактерии главным образом в пресных и солёных водоёвах, лишь некоторые цианобактерии растут и в независимых условиях.

Определённые виды образуют симбиозы с другими организмами, например, цианобактерии вместе с грибами входят в состав лишайников.

На данном этапе эволюции вклад фототрофных бактерий в биоконверсию солнечной энергии

меньше, чем водорослей и особенно высших растений. Но в некоторых экосистемах им принадлежит весьма существенная роль, иногда положительная, иногда отрицательная.

Достаточно напомнить, что массовое развитие в водоёмах цианобактерий загрязняет их, а нередко накаливаются токсичые вещества. Бороться с этим явлением очень сложно.

В то же время некоторые цианобактерии, а также многие пурпурные и зелёные бактерии участвуют в окислении такого ядовитого соединения, как сероводород. В результате в водоёмах может образоваться довольно много серы и сульфатов. Исследование распространения и деятельности фототрофных бактерий в периоде составляет важный раздел экологии, большой вклад в который внесли работы доктора биологических наук В. М. Горленко. Он и его сотрудники обследовали многие водоёмы и обнаружили новые виды фототрофных бактерий с интересными особенностями.

Достаточно долго считалось, что способность разных организмов к фотосинтезу связана только с особыми пигментами — хлорофиллами. Действительно, большинство фототрофов их содержат, однако у галобактерий в фотосинтезе участвует их хлорофилл, а пигмент каротиноид, связанный с белком. Этот комплекс получил название бактериоробопсина, поскольку он похож на зрительный пигмент сетчатки глаза животных — родопсин. Это открытие оказалось очень важным для понимания механизма фотосинтеза. В частности, исследования, проведенные в мгу под руководством профессора Ф. Ф. Литвина, подтвердили предположение, что у фототрофов, бактериородопсин и хлорофилл, различны начальные стадии процесса преобразования энергии света.

Долгое время фотосинтез изучался только на растениях, и был сделан вывод, что в результате этого процесса, идущего с выделением молекулярного кислорода, из углекислоты и воды синтезируются в основном углеводы. Опыты с пурпурными и зелёными бактериями показали, что при синтезе органических веществ из углекислоты они используют в качестве восстановителя неводу, а сероводород, серу, тиосульфат, молекулярный водород. Соответственно в среду выделяются продукты окисления этих веществ, а не кислород. Например, если утилизируется сероводород, то, как говорилось выше, образуется молекулярная сера, которая потом может окислиться до сульфата. Такой фотосинтез без выделения молекулярного кислорода свойственен и некоторым другим бактериям. Но цианобактерии, так же как и водоросли и высшие растения, образуют кислород. Следовательно, уже на уровне подобных бактерий произошло очень важное в эволюционном плане изменение механизма фотосинтеза: появилась способности использовать воду и выделять кислород. Это сделало данные фототрофы независимыми от присутствия в среде таких веществ, как, например, сероводород, который имеется лишь в некоторых эко системах ив ограниченном количестве. Они получили возможность расти в более разнообразных условиях, с начало в воде, а потом и на суше. В конечном счёте эволюция привела к возникновению высших растений, доминирующих сейчас среди других фототрофов.

Фотосинтезирующие организмы на земле ежегодно ассимилируют за счёт солнечной энергии 3*10в11 тонн углекислоты. У большинства из них этот процесс идёт по так называемому циклу Калвина. Одно время считали, что цикл Калвина для автотрофов, т. е. для организмов, у которых углекислота может быть единственным источником углерода, - универсальный путь. Но исследование фототрофных зелёных серобактерий показало, что существует иная система автотрофной ассимиляции углекислоты с участием других реакций.

Эти работы послужили основанием изучения данного процесса у других организмов. Найден ещё один нециклический путь (например, у бактерий), что раньше для автотрофов считалось невозможным. Есть данные и о других путях автотрофной ассимиляции углекислоты, но это пока не завершенные работы.

В результате фототрофных бактерий доказано также, что при фотосинтезе может ассимилироваться не только углекислота, но и органические соединения: ацетат, пируват, метат и ряд других. Более того, есть фототрофные микроорганизмы, которые растут только при использовании органических веществ и ассимилируют углекислоту в ограниченном количестве. Вероятно, способности к фотоассимиляции органических веществ возникла раньше, чем фиксация углекислоты.

Цианобактерии:

С эволюционной точки зрения интересен тот факт, что некоторые фототрофные бактерии могут переключаться на рост в темноте, для чего используют органические вещества. В нашей лаборатории (на кафедре микробиологии МГУ) установлено, что среди пурпурных бактерий есть виды, растущие в темноте и в автотрофных условиях, получая энергию в результате окисления неорганических веществ. Эти исследования и другие данные позволяют предполагать, что пурпурные бактерии - родоначальники других организмов, не причастных к фотосинтезу.

Интересное и очень важное для практики свойство многих фототрофных бактерий — их способности фиксировать азот и выделять при наличии молекулярный водород. Оба этих процесса можно рассматривать как вариант фотосинтеза, поскольку оба они связаны с биоконверсией солнечной энергии. (Работы, проведенные в ряде лабораторий показали, что в обоих процессах ключевая роль принадлежит ферменту нитрогеназе ).

Таким образом, сравнительные исследования разных фототрофов, прежде всего бактерий, показали, что фотосинтез — более широкое понятие, чем фотоассимиляция углекислоты, как считали раньше. Тем не менее процесс связывания углекислоты по масштабу и значению занимает центральное место в деятельности фототрофов.

Большое внимание в настоящее время уделяется генетике фотосинтезирующих микроорганизмов и использование их в генетической инженерии. Надо сказать, что работа в этом направлении с цианобактериями была впервые начата на кафедре генетики и селекции МГУ под руководством члена корреспондента АН СССР С. В. Шестакова.

Сейчас уже довольно много известно о генетической операции и регуляции активности генов, отвечающих за такие фундаментальные биологические процессы, как фотосинтез и азотфиксация. Эти исследования развиваются очень интенсивно. Перспективно развивать фототрофные бактерии в биотехнологии. С их помощью могут быть получены некоторые полисахариды, аминокислоты, ферменты и аденозинтрифосфорная кислота. Получен мутант

пурпурной бактерии, образующий в большом количестве убихиноны, - ценные лекарственные препараты. Некоторые цианобактерии выделяют вещества, стимулирующие рост растений.

Важны работы по использованию фототрофных бактерий как азотфиксаторов. Во Вьетнаме и некоторых других странах для повышения плодородия почвы давно применяют водный папоротник азолла, в симбиозе с которым растёт азотфиксирующая цианобактерия. Показана возможность синтеза фототрофными бактериями аммиака из молекулярного азота. Внедрение такого процесса могло бы существенно снизить затраты на производство азотных удобрений.

В принципе разработаны способы получения с помощью фототрофных бактерий молекулярного водорода, который рассматривается как топливо будущего. Некоторые фототрофные микроорганизмы представляют интерес для очистки окружающей среды от различных загрязнителей: сероводорода, окиси углерода, пестицидов и других веществ. Наконец, среди фототрофных бактерий есть виды, удобные для геноинженерных манипуляций, для встраивания в них генов других организмов, отвечающих за синтез разных практически ценных веществ. Эти бактерии имеют в данном плане преимущество перед другими организмами, поскольку растут на простых средах и осуществляют разные практически важные реакции, используя солнечную энергию. Таким образом, области возможного практического применения фототрофных бактерий разнообразны и, видимо, будут расширяться далее.

Источник - abc-24.info