Яд для фотосинтеза

Обнаружены цианобактерии, использующие мышьяк вместо кислорода

В высокогорном озере Моно на востоке американского штата Калифорния обитают удивительные цианобактерии. При фотосинтезе они используют не кислород, а мышьяк, ядовитый практически для всех остальных форм жизни. Возможно, именно с них и начался процесс фотосинтеза на нашей планете, а тот фотосинтез, что снабжает нас всех кислородом и энергией, появился позже.

Поиск иных форм жизни, или, по крайней мере, очень оригинальных представителей уже известных групп эукариот и бактерий особенно результативен в уголках планеты, сильно отличающихся от привычных нам. Будь то гидротермальные источники на дне океана, подводные и наземные вулканы, гейзеры или просто высокогорные озера, ученым зачастую, оказывается, есть чем похвастаться перед коллегами.

Особенно повезло участникам экспедиции под руководством Рональда Оремланда. И хотя выбранное ими озеро Моно в Калифорнии существенно уступает Байкалу и по возрасту, и по объему, среди представителей его флоры и фауны попадаются очень оригинальные виды.

Свою публикацию в Science микробиологи посвятили двум группам цианобактерий, использующих при фотосинтезе мышьяк вместо кислорода.

Ученые исследовали расположенное на высоте 2 км щелочное и сильносоленое озеро, когда обнаружили на камнях крупные колонии бактерий в виде налётов зеленого и красного цвета. Ими оказались пурпурные Ectothiorhodospira и цианобактерии, похожие на известную группу Oscillatoria.

Возможно, ученые ограничились бы описанием новых видов, если бы не настоящие экстремальные условия обитания их «питомцев» – высокие концентрации сульфидов и арсенитов – солей мышьяковистой кислоты. Такая среда обитания и определила способ питания обнаруженных групп прокариот, весьма оригинально решивших проблему донора электронов при фотосинтезе.

Дело в том, что при «усвоении энергии света» возбуждается молекула пигмента, чаще всего хлорофилла, следом за этим она теряет электрон, и для «заполнения электронной вакансии» и требуется донор этих самых электронов. В зависимости от того, кто этим донором выступает, фотосинтез называется оксигенным или аноксигенным.

Окислительно-восстановительные реакции

химические реакции, протекающие с изменением степеней окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ, реализующихся путм перераспределения электронов между атомом-окислителем и атомом-восстановителем.

В процессе окислительно-восстановительной реакции восстановитель отдат электроны, то есть окисляется; окислитель присоединяет электроны, то есть восстанавливается. Причм любая окислительно-восстановительная реакция представляет собой единство двух противоположных превращений – окисления и восстановления, происходящих одновременно и без отрыва одного от другого.

При окислении вещества в результате отдачи электронов увеличивается его степень окисления. Атомы окисляемого вещества, называются донорами электронов, а атомы окислителя – акцепторами электронов.

В некоторых случаях при окислении молекула исходного вещества может стать нестабильной и распасться на более стабильные и более мелкие составные части. При этом некоторые из атомов получившихся молекул имеют более высокую степень окисления, чем те же атомы в исходной молекуле.

Окислитель, принимая электроны, приобретает восстановительные свойства, превращаясь в сопряжнный восстановитель. Восстановлением называется процесс присоединения электронов атомом вещества, при этом его степень окисления понижается.

При восстановлении атомы или ионы присоединяют электроны. При этом происходит понижение валентности (степени окисления) элемента. Примеры: восстановление оксидов металлов до свободных металлов при помощи водорода, углерода, других веществ; восстановление органических кислот в альдегиды и спирты; гидрогенизация жиров и др.

Восстановитель, отдавая электроны, приобретает окислительные свойства, превращаясь в сопряжнный окислитель.

Совокупность окислителя (восстановителя) с продуктом его превращения составляет сопряжнную окислительно-восстановительную пару, а е взаимопревращение является полуреакцией восстановления (окисления).

В любой окислительно-восстановительной реакции принимают участие две сопряжнные окислительно-восстановительные пары, между которыми имеет место конкуренция за электроны, в результате чего протекают две полуреакции: одна связана с присоединением электронов, т. е. восстановлением, другая с отдачей электронов, т. е. окислением.

Следует помнить, что во многих случаях окислительно-восстановительных реакций происходит не полный перенос электронов, а только смещение электронного облака от одного атома к другому. Однако на практике при записи уравнений окислительно-восстановительных реакций этот факт существенного значения не имеет.

В первом случае донор – кислород, а точнее, атом кислорода в молекуле воды. В результате окисления двух молекул воды и образуется одна молекула кислорода O ₂, которую большинство живых организмов, в том числе и сами фотосинтетики-автотрофы, используют для дыхания.

Аноксигенный фотосинтез куда разнообразней. Во первых, он доступен только бактериям – пурпурным, циано- и гелико-. Во-вторых, в качестве донора электронов они используют серу из сульфидов, железо из его соединений и даже азот из нитритов.

Но даже нитриты и нитраты не идут ни в какое сравнение с высокотоксичным арсенитом, в состав которого входит мышьяк As(III).

Ученые показали, что выделенные ими штаммы бактерий отлично размножаются в присутствии света в полностью бескислородных условиях. Главное, чтобы хватало арсенитов – основной составляющей гидротермальных источников озера Моно.

Фотосинтез

процесс образования органического вещества из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий). В современной физиологии растений под фотосинтезом чаще понимается фотоавтотрофная функция – совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии квантов света в различных эндэргонических реакциях, в том числе превращения углекислого газа в органические вещества.

Различают оксигенный и аноксигенный типы фотосинтеза. Оксигенный гораздо более широко распространн, его осуществляют растения, цианобактерии и прохлорофиты. К аноксигенному фотосинтезу способны пурпурные и зелные бактериий, а также геликобактерии.

Выделяют три этапа фотосинтеза: фотофизический, фотохимический и химический. На первом этапе происходит поглощение квантов света пигментами, их переход в возбужднное состояние и передача энергии к другим молекулам фотосистемы. На втором этапе происходит разделение зарядов в реакционном центре, перенос электронов по фотосинтетической электронотранспортной цепи, что заканчивается синтезом АТФ и НАДФН. Первые два этапа вместе называют светозависимой стадией фотосинтеза. Третий этап происходит уже без обязательного участия света и включает в себя биохимические реакции синтеза органических веществ с использованием энергии, накопленной на светозависимой стадии. Чаще всего в качестве таких реакций рассматривается цикл Кальвина и глюконеогенез, образование сахаров и крахмала из углекислого газа воздуха.

Первые процессы фотосинтеза у цианобактерий появились ещ в архейскую эру.

В роли пигмента выступает уже известный бактериохлорофилл A, распространенный у пурпурных бактерий, эффективно поглощающий свет длиной волны 800, 850 и 880 нм. А вот с другими участниками системы ученым ещё предстоит определиться.

В случае с другими фотосинтезирующими бактериями окисление, то есть забор электронов у донора, осуществляет специальный фермент – оксидаза.

У своих подопечных Оремланд не нашел следов ни самого фермента, ни кодирующих его генов.

Ученые предполагают, что его роль берет на себя редуктаза, выполняющая обычно полностью противоположные функции.

По мнению микробиологов, их находка подчеркивает аноксигенное становление фотосинтеза, начавшегося ещё задолго до появления «обычных» цианобактерий. Лишь со временем в этот процесс была включена вода, и началось выделение кислорода, в несколько этапов заполнившего нашу атмосферу.