Тайните на цветните бактерии: Фотосинтеза и нейните характеристики


Бактериите се появиха на Земята преди около три и половина милиарда години и бяха единствената форма на живот на нашата планета от един милиард години. Структурата им е една от най-примитивните, но има видове, които имат редица значителни подобрения в структурата си. Например, фотосинтезата на бактерии, наричани още синьо-зелени водорасли, е подобна на тази на висшите растения. Гъбите не са способни на фотосинтеза.

Най-простите по структура са тези бактерии, които обитават горещи извори, съдържащи сероводород и дълбоки дънни утайки от тиня. Върхът на еволюцията е появата на синьо-зелени водорасли или цианобактерии.

Въпросът кои от прокариотите са способни да се синтезират отдавна е изследван от специалисти по биохимия. Именно те откриха, че някои от тях са способни на самостоятелно хранене. Фотосинтезата на бактерии е подобна на тази, която се среща при растенията, но има редица характеристики.

Автотрофи и хетеротрофи

Има две големи групи живи организми - автотрофи, които са в състояние да получат органични вещества чрез процеси като фото- и хемосинтеза, и хетеротрофи, които изискват готови органични вещества за храненето си. Повечето бактерии, както и гъбите, не са способни на фотосинтеза, тъй като не съдържат специални пигменти за автотрофно хранене. На свой ред хетеротрофите се разделят на симбионти, паразити и сапрофити.

Автотрофните прокариоти са способни да се хранят чрез фотосинтеза, тъй като съдържат необходимите за това структури. Фотосинтезата на такива бактерии е способността, която предоставя възможността за съществуването на съвременни хетеротрофи, като гъби, животни, микроорганизми.

Интересното е, че синтезът в автотрофните прокариоти се осъществява в по-дълъг диапазон от дължини на вълната, отколкото при растенията. Зелените бактерии са способни да синтезират органични вещества чрез поглъщане на светлина до 850 nm; при лилавите бактерии, съдържащи бактериохлорофил А, това се случва при дължини на вълните до 900 nm, а при тези, съдържащи бактериохлорофил В, до 1100 nm. Ако анализираме поглъщането на светлината in vivo, се оказва, че има няколко пика и те са в инфрачервената област на спектъра. Тази характеристика на зелените и лилави бактерии им позволява да съществуват в присъствието само на невидими инфрачервени лъчи.

Един от необичайните видове автотрофно хранене е хемосинтезата. Това е процес, при който тялото получава енергия за образуването на органични вещества от окислителната трансформация на неорганичните съединения. Фото- и хемосинтезата при автотрофните бактерии са сходни по това, че енергията от химичната реакция на окисление първо се натрупва под формата на АТФ и едва след това се прехвърля в асимилационния процес. Видовете, чиято жизнена дейност осигурява хемосинтеза, включват следното:

  1. Железни бактерии. Съществува поради окисляване на желязото.
  2. Нитрифициращо. Хемосинтезата на тези микроорганизми е настроена на преработката на амоняк. Много от тях са растителни симбионти.
  3. Сярни бактерии и тионобактерии. Рециклирайте сярните съединения.
  4. Водородни бактерии, чийто хемосинтез им позволява да окисляват молекулярния водород при високи температури.

Бактериите, които се хранят с хемосинтеза, не са способни на фотосинтеза, тъй като не могат да използват слънчевата светлина като енергиен източник.

Синьо-зелени водорасли - върхът на бактериалната еволюция

Фотосинтезата на цианид се случва по същия начин, както при растенията, което ги отличава от останалите прокариоти, както и от гъбичките, издигайки ги до най-висока степен на еволюционно развитие. Те са задължителни фототрофи, тъй като не могат да съществуват без светлина. Някои обаче имат способността да фиксират азот и да образуват симбиоза с висши растения (като някои гъби), като същевременно запазват способността си за фотосинтеза. Наскоро беше открито, че тези прокариоти имат тилакоиди, отделени от гънките на клетъчната стена, както при еукариотите, което позволява да се правят заключения относно посоката на еволюция на фотосинтетичните системи.

Други известни симбионти на цианогенезата са гъбите. За да оцелеят заедно в тежки климатични условия, те влизат в симбиотична връзка. Гъбите от тази двойка играят ролята на корени, получавайки минерални соли и вода от външната среда, а водораслите извършват фотосинтеза, доставяйки органични вещества. Водораслите и гъбите, съставляващи лишеи, не биха могли да оцелеят отделно при такива условия. Освен такива симбионти като гъби, цианианите имат и приятели сред гъбите.

Малко за фотосинтезата

Фотосинтезата в зелените растения и прокариотите е основата на органичния живот на нашата планета. Това е процесът на образуване на захари от вода и въглероден диоксид, който протича с помощта на специални пигменти. Благодарение на тях бактериите, чиито колонии са оцветени, са способни на фотосинтеза. Полученият кислород, без който животните не могат да съществуват, е страничен продукт в този процес. Всички гъбички и много прокариоти не са способни да се синтезират, тъй като не са успели да придобият необходимите за това пигменти в процеса на еволюция.

При растенията фотосинтезата се случва в хлоропластите. В клетките на зелени, лилави и цианобактерии пигментите също са прикрепени към мембраната. Тоест, синтезът на прокариоти се осъществява и в специални везикули, наречени тилакоиди. Тук са разположени и системи, които прехвърлят електрони и ензими.

Сравнявайки фотосинтезата на прокариоти и висши растения, някои учени са стигнали до извода, че растителните хлоропласти не са нищо повече от потомци на зелени бактерии. Това са симбионти, които са се приспособили към живота в по-развитите еукариоти (клетките на такива организми, за разлика от бактериалните, имат истинско ядро).

Има два вида фотосинтеза - кислородна и аноксигенна. Първият е най-често срещан при растенията, цианобактериите и прохлорофитите. Вторият се среща в лилаво, някои зелени и хелиобактерии.

Аноксигенен синтез

Това се случва без отделянето на кислород в околната среда. Характерно е за зелените и лилавите бактерии, които са вид реликви, оцелели до наши дни от древни времена. Фотосинтезата на всички лилави бактерии има една особеност. Те не могат да използват вода като донор на водород (това е по-характерно за растенията) и се нуждаят от вещества с по-висока степен на редукция (органични вещества, сероводород или молекулярен водород). Синтезът осигурява храна за зелени и лилави бактерии и им позволява да колонизират сладки и солени водни тела.

Синтез на кислород

Това се случва с освобождаването на кислород. Характерно е за цианобактериите. При тези микроорганизми процесът е подобен на фотосинтезата на растенията. Пигментите в цианобактериите включват хлорофил А, фикобилини и каротеноиди.

Етапи на фотосинтеза

Синтезът се осъществява на три етапа.

  1. Фотофизични. Абсорбцията на светлина се случва с възбуждането на пигментите и прехвърлянето на енергия към други молекули на фотосинтетичната система.
  2. Фотохимични. На този етап от фотосинтезата при зелени или лилави бактерии, получените заряди се разделят и електроните се прехвърлят по веригата, която завършва с образуването на АТФ и НАДФ.
  3. Химически. Случва се без светлина. Той включва биохимичните процеси на синтеза на органични вещества в лилаво, зелено и цианобактерии, използващи енергията, натрупана в предишните етапи. Например това са процеси като цикъла на Калвин, глюкогенезата, водещи до образуването на захари и нишесте.

Бактериалната фотосинтеза има редица характеристики. Например, хлорофилите в този случай са свои собствени, специални (въпреки че някои са открили пигменти, подобни на тези, които работят в зелени растения).

Хлорофилите, които участват във фотосинтезата на зелени и лилави бактерии, са сходни по структура с тези, открити в растенията. Най-често срещаните хлорофили са А1, С и D, има и AG, A, B. Основната рамка на тези пигменти има същата структура, разликите са в страничните разклонения.

От гледна точка на физичните свойства, хлорофилите на растенията, лилавото, зеленото и цианобактериите са аморфни вещества, лесно разтворими в алкохол, етилов етер, бензен и неразтворими във вода. Те имат два максимума на абсорбция (единият в червения, а другият в сините области на спектъра) и осигуряват максимална ефективност на фотосинтезата при обикновени бактерии и цианобактерии.

Молекулата на хлорофила има две части. Магнезиевият порфиринов пръстен образува хидрофилна плоча, разположена на повърхността на мембраната, а фитолът е разположен под ъгъл спрямо тази равнина. Той образува хидрофобен полюс и е потопен в мембрана.

В синьо-зелени водорасли, фикоцианобилини - жълти пигменти, които позволяват на цианобактериалните молекули да абсорбират светлината, която не се използва от зелените микроорганизми и растителните хлоропласти. Ето защо техните максимуми на поглъщане са в зелената, жълтата и оранжевата част на спектъра.

Всички видове лилави, зелени и цианобактерии също съдържат жълти пигменти - каротеноиди. Съставът им е уникален за всеки вид прокариоти, а пиковете за поглъщане на светлина са в сините и виолетовите части на спектъра. Те позволяват на бактериите да фотосинтезират, използвайки светлина с междинна дължина, като по този начин подобряват производителността си, те могат да бъдат електронно транспортни канали и също така предпазват клетката от разрушаване от активен кислород. Освен това те осигуряват фототаксис - движението на бактериите към източника на светлина.