39. Фотоавтотрофы. Фотосинтез у бактерий

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 не 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 не воду, 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.