Фотосинтез лежит в основе всей жизни на нашей планете. Этот процесс, идущий в наземных растениях, водорослях и многих видах бактерий определяет существование практически всех форм жизни на Земле, преобразуя потоки солнечного света в энергию химических связей, которая затем уже шаг за шагом передается к вершинам многочисленных пищевых цепочек.
Скорее всего, этот же процесс в свое время положил начало резкому увеличению парциального давления кислорода в атмосфере Земли и снижению доли углекислого газа, что в конечном итоге привело к расцвету многочисленных сложно организованных организмов. И до сих пор, по мнению многих ученых, только фотосинтез способен сдержать стремительный натиск СО2, выбрасываемого в воздух в результате ежедневного сжигания человеком миллионов тонн различных видов углеводородного топлива.
Новое открытие американских ученых заставляет по-новому взглянуть на фотосинтетический процесс
Работы, опубликованные Артуром Гроссманом из Института имени Карнеги и его коллегами в журналах Biochimica et Biophysica Acta и Limnology and Oceanography, показывают, что некоторые виды морских микроорганизмов научились использовать солнечный свет напрямую, без поглощения СО2 и выделения взамен О2. Учет такой возможности может вести к переоценке влияния микроскопических морских обитателей на уровень концентрации углекислого газа в атмосфере.
Команда исследователей под руководством Гроссмана изучала фотосинтез цианобактерий (сине-зеленых водорослей) Synechococcus. Эти одноклеточные организмы доминируют во всех популяциях фитопланктона мировых вод и вносят значительный вклад в первичное производство питательных веществ.
или синезелёные водоросли - значительная группа крупных грамотрицательных эубактерий, способных к фотосинтезу, сопровождающемуся выделением кислорода.
Цианобактерии наиболее близки к древнейшим микроорганизмам, остатки которых (строматолиты, возраст более 3,5 миллиардов лет) обнаружены на Земле. Единственные, наряду с прохлорофитами, бактерии, способные к оксигенному фотосинтезу, предки цианобактерий рассматриваются в теории эндосимбиогенеза как наиболее вероятные предки хроматофоров красных водорослей (прохлорофиты согласно этой теории имеют общих предков с хлоропластами прочих водорослей и высших растений).
Сравнительно крупные размеры клеток и физиологическое сходство с водорослями было причиной их рассмотрения ранее в составе водорослей («синезеленые водоросли», «цианеи»). За это время было альгологически описано более 1000 видов в почти 175 родах. Бактериологическими методами в настоящее время подтверждено существование не более 400 штаммов. Биохимическое, молекулярно-генетическое и филогенетическое сходство цианобактерий с остальными бактериями в настоящее время подтверждено солидным корпусом доказательств, однако до сих пор некоторые ботаники, отдавая дань традиции, склонны относить цианобактерии к водорослям.
Как отмечает Гроссман, его исследование заставляет предположить, что в таких водах Synechococcus способны «закоротить» фотосинтетический процесс.
По его мнению, таким образом цианобактерии решают проблему нехватки ингредиентов для функционирования комплексного механизма преобразования энергии, исключая из фотосинтеза стадии, требующие участия большого числа ионов железа. Именно эти этапы подразумевают поглощения организмами СО2.
Понимание того, что в случае Synechococcus процесс фотосинтеза идет как-то не так, пришло к ученым довольно быстро: соотношение показателей фотосинтетической активности и поглощения СО2 во многих измерениях расходилось с моделями.
Ученые выяснили, что иногда место углекислого газа в цепочке химических превращений может занимать кислород.
образование высшими растениями, водорослями, фотосинтезирующими бактериями сложных органических веществ, необходимых для жизнедеятельности как самих растений, так и всех других организмов, из простых соединений (например, углекислого газа и воды) за счёт энергии света, поглощаемой хлорофиллом и другими фотосинтетическими пигментами.
Один из важнейших биологических процессов, постоянно и в огромных масштабах совершающийся на нашей планете. В результате фотосинтеза растительность земного шара ежегодно образует более 100 миллиардов тонн органического вещества (около половины этого количества приходится на долю растений морей и океанов), усваивая при этом около 200 миллиардов тонн CO2 и выделяя во внешнюю среду около 145 миллиардов тонн свободного кислорода. Полагают, что благодаря фотосинтезу образуется весь кислород атмосферы.
Фотосинтез - единственный биологический процесс, который идёт с увеличением свободной энергии системы; все остальные (за исключением хемосинтеза) осуществляются за счёт потенциальной энергии, запасаемой в продуктах фотосинтеза. Количество энергии, ежегодно связываемой фотосинтезирующими организмами океана и суши (около 3×1021 Дж), во много раз больше той энергии, которая используется человечеством (около 3×1020 Дж).
Во вновь открытом процессе для усваивания углекислого газа используется лишь малая часть выделяющихся при разложении воды электронов. Львиная же их доля в ходе обратного процесса идет на формирование молекул воды из «свежевысвобожденного» кислорода. При этом энергия, преобразуемая в ходе вновь открытого фотосинтетического процесса, не запасается в виде углеводов, а напрямую поступает к жизненно важным внутриклеточным энергопотребителям. Впрочем, детальный механизм такого процесса пока остается загадкой.
Со стороны может показаться, что подобная модификация фотосинтетического процесса является пустой тратой времени и энергии Солнца. Трудно поверить, что в живой природе, где за миллиарды лет эволюционных проб и ошибок каждая мелочь оказалась устроена предельно эффективно, может присутствовать процесс со столь низким КПД.
Тем не менее такой вариант позволяет защитить сложный и хрупкий аппарат фотосинтеза от чрезмерного облучения солнечным светом.
По словам авторов работы, такое переоблучение может нанести значительный вред организму в случае его неспособности функционировать обычным способом из-за недостатка ионов железа.
По ряду косвенных признаков учёные определили, что природным ферментом, позволяющии микроорганизмам закоротить реакцию фотосинтеза является пластохинол-терминальная оксидаза (Plastoquinol Terminal OXidase, PTOX). По словам Вольфа Фроммера из отдела изучения биологии растительных видов Института имени Карнеги, теперь придётся переосмыслить ряд работ, пытавшихся объяснить функцию этого фермента, причины выработки которого большинством сине-зелёных водорослей долгое время оставались загадкой для исследователей.
Этот эффект пониженного уровня преобразования СО2 в углеводы и пониженного же высвобождения молекулярного кислорода уже наблюдался в серии недавних работ в природных условиях Атлантического и Тихого океанов. Как оказалось, пониженного содержание питательных веществ и ионов железа наблюдаются почти в половине их акваторий. Следовательно,
примерно половина энергии солнечного света, приходящаяся на обитателей этих вод, преобразуется в обход привычного механизма поглощения двуокиси углерода и высвобождения кислорода.
А значит, вклад морских автотрофов в процесс поглощения СО2 был прежде существенно завышен.
Как полагает один из специалистов отдела всемирной экологии Института имени Карнеги Джо Бери, новое открытие существенно изменит наши представления о процессах переработки солнечной энергии в клетках морских микроорганизмов. По его словам, ученым еще предстоит раскрыть механизм нового процесса, но уже сейчас его существование заставит по-иному взглянуть на современные оценки масштабов фотосинтетического поглощения СО2 в мировых водах.
