Фотосинтез бактерій як це відбувається у зелених, пурпурових та ціанобактерій, а також у рослин та

Бактерії з'явилися на Землі близько трьох з половиною мільярдів років тому і мільярд років були єдиною формою життя на нашій планеті. Їхня будова є однією з найпримітивніших, проте існують види, що мають ряд суттєвих поліпшень у своїй структурі. Наприклад, фотосинтез бактерій, які також називаються синьо-зеленими водоростями, аналогічний тому, що відбувається у вищих рослин. Гриби не здатні до фотосинтезу.

Найпростіші за будовою ті бактерії, які заселяють сірководневмісні гарячі джерела та глибинні придонні відкладення мулу. Вершиною еволюції вважається поява синьо-зелених водоростей, або ціанобактерій.

Питання про те, які з прокаріотів здатні до синтезу, давно вже вивчається фахівцями-біохіміками. Саме вони виявили, що деякі з них здатні до самостійного харчування.Фотосинтез бактерій схожий на той, який відбувається у рослин, але має цілу низку особливостей.

Аутотрофи та гетеротрофи

Розрізняють дві великі групи живих організмів – автотрофи, здатні отримувати органічні речовини за допомогою таких процесів, як фото- та хемосинтез, та гетеротрофи, що вимагають для свого харчування готову органіку. Більшість бактерій, а також гриби не здатні до фотосинтезу, тому що не мають спеціальних пігментів для автотрофного харчування. У свою чергу, гетеротрофи діляться на симбіонтів, паразитів та сапрофітів.

Аутотрофні прокаріоти здатні до харчування за допомогою фотосинтезу, оскільки містять необхідні для цього структури. Фотосинтез таких бактерій – це здатність, що забезпечила можливість існування сучасних гетеротрофів, таких як гриби, тварини, мікроорганізми.

Цікаво,що синтез у аутотрофних прокаріотів відбувається в більш довгохвильовому діапазоні, ніж у рослин. Зелені бактерії здатні синтезувати органічні речовини, поглинаючи світло довжиною хвилі до 850 нм, у пурпурових, що містять бактеріохлорофіл A, це відбувається при довжині хвилі до 900 нм, а у тих, що містять бактеріохлорофіл B - до 1100 нм. Якщо зробити аналіз поглинання світла in vivo, то виявиться, що існує кілька піків, і вони знаходяться в інфрачервоній області спектра. Ця особливість зелених та пурпурових бактерій дає їм можливість існувати в умовах наявності лише невидимих інфрачервоних променів.

Однією з незвичайних різновидів аутотрофного харчування є хемосинтез. Це процес, в якому енергію для утворення органічних речовин організм отримує з реакції окисного перетворення неорганічних сполук. Фото- та хемосинтез у автотрофних бактерій подібні до того, що енергія від хімічної реакції окислення спочатку накопичується у вигляді АТФ і тільки потім передається процесу асиміляції. До видів, життєдіяльність яких забезпечує хемосинтез, належать такі:

Залізобактерії. Існують за рахунок окислення заліза.
Нітрифікуючі. Хемосинтез цих мікроорганізмів налаштований на переробку аміаку. Багато хто є симбіонтами рослин.
Серобактерії та тіонобактерії. Переробляють сполуки сірки.
Водневі бактерії, хемосинтез яких дозволяє їм за високої температури окислювати молекулярний водень.

Бактерії, харчування яких забезпечує хемосинтез, не здатні до фотосинтезу, тому що не можуть використовувати як джерело енергії сонячне світло.

Синьо-зелені водорості – вершина бактеріальної еволюції

Фотосинтез ціанів відбувається так само,як і у рослин, що відрізняє їх від інших прокаріотів, а також грибів, піднімаючи на вищий ступінь еволюційного розвитку. Вони є облігатними фототрофами, оскільки можуть існувати без світла. Однак деякі мають здатність азотфіксації та утворюють симбіози з вищими рослинами (як і деякі гриби), зберігаючи при цьому здатність до фотосинтезу. Нещодавно було виявлено, що у цих прокаріотів існують тілакоїди, відокремлені від складок клітинної стінки, як у еукаріотів, що дає можливість зробити висновки про напрямок еволюції фотосинтезуючих систем.

Іншими відомими симбіонтами ціанів є гриби. З метою спільного виживання у суворих кліматичних умовах вони входять у симбіотичні відносини.Гриби в цій парі відіграють роль коренів, одержуючи із зовнішнього середовища мінеральні солі та воду, а водорості здійснюють фотосинтез, поставляючи органічні речовини. Водорості та гриби, що входять до складу лишайників, не змогли б вижити в таких умовах окремо. Крім таких симбіонтів, як гриби, ціані мають ще друзів серед губок.

Трохи про фотосинтез

Фотосинтез у зелених рослин та прокаріотів – основа органічного життя на нашій планеті. Це процес утворення цукрів із води та вуглекислого газу, який відбувається за допомогою спеціальних пігментів. Саме завдяки їм бактерії, колонії яких забарвлені, здатні до фотосинтезу. Кисень, що виділяється в результаті, без якого не можуть існувати тварини, в даному процесі є побічним продуктом.Всі гриби і багато прокаріотів не здатні до синтезу, тому що вони не зуміли в процесі еволюції обзавестися потрібними для цього пігментами.

У рослин фотосинтез відбувається у хлоропластах. У клітинах зелених, пурпурових та ціанобактерій пігменти також прикріплені домембрані. Тобто синтез прокаріотів також відбувається у спеціальних бульбашках, які називаються тілакоїдами. Тут же розташовані системи, що передають електрони та ферменти.

Порівнюючи фотосинтез прокаріотів і вищих рослин, деякі вчені дійшли висновку, що рослинні хлоропласти – не що інше, як нащадки зелених бактерій. Це симбіонти, що пристосувалися до життя всередині більш розвинених еукаріотів (клітини таких організмів, на відміну від бактеріальних, мають справжнє ядро).

Існує два різновиди фотосинтезу – оксигенний та аноксигенний. Перший найбільш поширений у рослин, ціанобактерій та прохлорофітів. Другий відбувається у пурпурових, деяких зелених та геліобактерій.

Аноксигенний синтез

Відбувається без виділення кисню у довкілля. Він характерний для зелених і пурпурових бактерій, які є своєрідними реліктами, що збереглися донині з найдавніших часів. Фотосинтез усіх пурпурових бактерій має одну особливість. Вони не можуть користуватися водою як донором водню (це більш характерно для рослин) і потребують речовин з більш високими ступенями відновлення (органікою, сірководнем або молекулярним воднем). Синтез забезпечує живлення зелених та пурпурових бактерій та дозволяє їм заселяти прісні та солоні водойми.

Оксигенний синтез

Відбувається із виділенням кисню. Він уражає ціанобактерій. У цих мікроорганізмів процес проходить аналогічно до фотосинтезу рослин. До складу пігментів у ціанобактерій входять хлорофіл А, фікобіліни та каротиноїди.

Етапи фотосинтезу

Відбувається синтез у три етапи.

Фотофізичний. Відбувається поглинання світла із збудженням пігментів та передачею енергії іншим молекулам фотосинтезуючої системи.
Фотохімічні. На цьому етапі фотосинтезу у зелених або пурпурових бактерій отримані заряди поділяються і електрони переносяться по ланцюжку, який завершується утворенням АТФ та НАДФ.
Хімічний. Відбувається без світла. Включає біохімічні процеси синтезу органічних речовин у пурпурових, зелених і ціанобактерій з використанням енергії, накопиченої на попередніх стадіях. Наприклад, це такі процеси, як цикл Кальвіна, глюкогенез, що завершуються утворенням цукрів та крохмалю.

Фотосинтез бактерій має низку особливостей. Наприклад, хлорофіли в цьому випадку свої, особливі (хоча в деяких виявлені і пігменти, аналогічні тим, що працюють у зелених рослин).

Хлорофіли, що беруть участь у фотосинтезі зелених та пурпурових бактерій, подібні за своєю будовою до тих, що зустрічаються у рослин. Найбільш поширені хлорофіли А1, C і D, зустрічаються також AG, А, B Основний каркас цих пігментів має однакову будову, відмінності полягають у бічних гілках.

З точки зору фізичних властивостей хлорофіли рослин, пурпурових, зелених та ціанобактерій являють собою аморфні речовини, добре розчинні у спирті, етиловому ефірі, бензолі та нерозчинні у воді. Вони мають два максимуми поглинання (один у червоній, а інший – у синій областях спектру) та забезпечують максимальну ефективність фотосинтезу у звичайних бактерій та ціанобактерій.

Молекула хлорофілу складається із двох частин. Магнійпорфіринове кільце формує гідрофільну пластинку, розміщену на поверхні мембрани, а фітол розташовується під кутом до цієї площини. Він утворює гідрофобний полюс і занурений у мембрану.

У синьо-зелених водоростей виявлені такожфікоціанобіліни – жовті пігменти, що дозволяютьмолекулам ціанобактерій поглинати те світло, яке не використовується зеленими мікроорганізмами та хлоропластами рослин. Саме тому максимуми поглинання у них знаходяться у зеленій, жовтій та помаранчевій частинах спектру.

Всі види пурпурових, зелених та ціанобактерій містять також жовті пігменти – каротиноїди. Їх склад унікальний для кожного виду прокаріотів, а піки поглинання світла знаходяться в синій та фіолетовій частині спектру. Вони дозволяють бактеріям фотосинтезувати, використовуючи світло проміжної довжини, чим покращують їхню продуктивність, можуть бути каналами перенесення електронів, а також захищають клітину від руйнування активним киснем. Крім того, вони забезпечують фототаксис – рух бактерії до джерела світла.