Cyanobakterie łączą się w fotosyntezie jednej komórki i utrwalaniu azotu atmosferycznego • Alexander Markov • Wiadomości naukowe na temat "Elementów" • Nauki przyrodnicze

Cyanobakterie łączą się w fotosyntezie jednej komórki i utrwalaniu azotu atmosferycznego.

Cyanobacteria Synechococcus w procesie dzielenia. Ten drobnoustrój fotosyntetyzuje w ciągu dnia i oddaje atmosferyczny azot w nocy (zdjęcie z www.lbl.gov)

Cyanobakterie – twórcy tlenowej fotosyntezy i twórcy ziemskiej atmosfery tlenowej – okazały się jeszcze bardziej wszechstronnymi "fabrykami biochemicznymi", niż wcześniej sądzono. Okazało się, że mogą łączyć fotosyntezę i utrwalanie atmosferycznego azotu w tej samej komórce – procesy, które wcześniej uważano za niekompatybilne.

Cyanobakterie, lub, jak kiedyś nazywano, niebiesko-zielone algi, odegrały kluczową rolę w ewolucji biosfery. Wynaleźli najskuteczniejszy rodzaj fotosyntezy – fotosyntezę tlenu, której towarzyszy uwalnianie tlenu. Bardziej starożytna anoksygeniczna fotosynteza, występująca przy uwalnianiu siarki lub siarczanów, może występować tylko w obecności zredukowanych związków siarki (takich jak siarkowodór) – substancji, które są dość rzadkie. Dlatego fotosynteza anoksygeniczna nie mogła zapewnić produkcji materii organicznej w ilości niezbędnej do rozwoju różnych heterotrofów (użytkowników ekologicznych), w tym zwierząt.

Okrągłe heterocysty wśród cylindrycznych komórek fotosyntetycznych w filamentarnej kolonii cyjanobakterii (photo botit.botany.wisc.edu)

Cyanobakterie nauczyły się używać czystej wody zamiast siarkowodoru, co zapewniło im szeroką dystrybucję i ogromną biomasę. Efektem ubocznym ich działania było nasycenie atmosfery tlenem. Bez cyjanobakterii nie byłoby roślin, ponieważ komórka roślinna jest wynikiem symbiozy nietoksycznego organizmu jednokomórkowego z cyjanobakteriami. Wszystkie rośliny przeprowadzają fotosyntezę za pomocą specjalnych organelli – plastrów, które są niczym innym jak symbiotycznymi cyjanobakteriami. I nie jest jeszcze jasne, kto jest odpowiedzialny za tę symbiozę. Niektórzy biologowie mówią, używając metaforycznego języka, że ​​rośliny są po prostu wygodnymi "domownikami" do życia sinic.

Gorąca wiosna w Yellowstone parku narodowym. Wzdłuż brzegów zbiornika rozwijają się maty sinicowe, w których występują cyjanobakterie Synechococcus odgrywa rolę głównego producenta materii organicznej (zdjęcie z www.carnegieinstitution.org)

Cyanobakterie nie tylko stworzyły biosferę "nowoczesnego typu", ale do dziś utrzymują ją, produkując tlen i syntetyzując materię organiczną z dwutlenku węgla. Ale to nie wyczerpuje ich obowiązków w globalnym cyklu biosfery.Cyanobakterie są jedną z niewielu żywych istot, które potrafią naprawić azot atmosferyczny, przekładając go na formę dostępną dla wszystkich żywych istot. Utrwalanie azotu jest absolutnie niezbędne dla istnienia ziemskiego życia, i tylko bakterie są w stanie je przeprowadzić, a to wcale nie jest wszystko.

Głównym problemem napotykanym przez cyjanobakterie wiążące azot jest to, że kluczowe enzymy wiązania azotu, azotaza, nie mogą działać w obecności tlenu, który jest uwalniany podczas fotosyntezy. Dlatego cyjanobakterie wiążące azot rozwinęły podział funkcji między komórkami. Te typy cyjanobakterii tworzą nitkowate kolonie, w których niektóre komórki angażują się tylko w fotosyntezę i nie wiążą azotu, inne – pokryte gęstym błonowym "heterocystem" – nie fotosyntetyzują i wiążą tylko azot. Te dwa typy komórek są oczywiście wymieniane między produkowanymi przez nich produktami (materią organiczną i związkami azotu).

Mata cyjano-bakteryjna w cięciu. Górna zielona warstwa zawiera cyjanobakterie Synechococcus. Maty drobnoustrojowe są złożonymi społecznościami, które zawierają wiele różnych mikroorganizmów, które mają wspólne funkcje biochemiczne.Takie maty, pod wieloma względami podobnymi do całego organizmu, były dominującą formą życia w epokach archeologii i proterozoiku. Zdjęcia z www.carnegieinstitution.org

Do niedawna uważano, że nie można połączyć fotosyntezy i wiązania azotu w tej samej komórce. Jednak 30 stycznia, Arthur Grossman i jego współpracownicy z Carnegie Institute (Waszyngton, USA) opisali ważne odkrycie, pokazujące, że naukowcy do tej pory mocno nie docenili zdolności metabolicznych sinic. Okazało się, że cyjanobakterie z rodzaju żyjącego w gorących źródłach Synechococcus (prymitywne, starożytne, niezwykle rozpowszechnione jednokomórkowe cyjanobakterie należą do tego rodzaju) potrafią łączyć oba procesy w swojej pojedynczej komórce, dzieląc je w czasie. W ciągu dnia fotosyntetyzują, a nocą, kiedy stężenie tlenu w mikrobiologicznej społeczności (kolonie sinicowe) gwałtownie spada, przestawiają się na wiązanie azotu.

Odkrycie amerykańskich naukowców nie było całkowitym zaskoczeniem. W genomach kilku gatunków czytanych w ostatnich latach Synechococcus zidentyfikowano geny białek związanych z wiązaniem azotu. Brakowało tylko dowodów eksperymentalnych, że te geny rzeczywiście działają.

W ten sposób udało nam się ustalić, skąd pochodzą termofilne maty drobnoustrojowe, które żyją w temperaturach nieodpowiednich dla wzrostu zwykłych cyjanobakterii nitkowatych wiążących azot z heterocystem. Ponadto odkrycie pozwala na świeże spojrzenie na najstarsze etapy rozwoju mikrobiologicznego życia na naszej planecie. Wszakże pierwsze znane szczątki kopalnych żywych organizmów (ich wiek to około 3,5 miliarda lat) przypominają jednokomórkowe cyjanobakterie bliskie Synechococcus.

Najstarsze mikroorganizmy kopalne w wieku 3,5 miliarda lat z Afryki Południowej przypominają jednokomórkowe cyjanobakterie (fot. Macroevolution.narod.ru)

Źródło: Bakterie Hot-Spring odwracają przełącznik metaboliczny.

Zobacz także:
B. V. Gromov. Cyanobakterie w biosferze.
Bakterie kopalne.
Pochodzenie życia. Biosfera prokariotyczna.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: