Фотосинтезирующие бактерии (другое название – фототрофные) – разновидность микроорганизмов-автотрофов, способных самостоятельно производить из неорганических веществ органические. Присутствующие в их клетках пигменты поглощают энергию Солнца и используют ее для фотосинтеза. Такая способность сближает фотосинтезирующие бактерии, водоросли и высшие растения. Альтернативой при отсутствии света является хемосинтез (от латинского хемо – химический) – получение энергии от окисления химических соединений.
В настоящее время описано более 50 видов фотосинтезирующих микроорганизмов. Их способность к фотосинтезу была доказана американским ученым голландского происхождения Корнелисом Бернардусом ван Нилем в 1931 году. Он же обнаружил одну особенность фотосинтеза у серобактерий – то, что донором атомов водорода у них являются соединения серы, в частности, сероводород. Им было предложено уравнение фотосинтеза, объединявшее высшие растения и фотосинтезирующие бактерии.
Автотрофные бактерии часто являются жителями водоемов. В природной среде редко встречаются одиночные клетки – чаще они образуют объединения в виде цепочек, звезд, ячеек или пластинок, окруженные защитной слизью. Длина клеток колеблется от 1-2 до 50 мкм. Они имеют различную геометрию – известны кокки, палочки, извитые; могут быть подвижными и неподвижными, иметь выросты, ворсинки или жгутики. Такое строение позволяет им демонстрировать различные виды ориентированного движения – фото-, хемо- и аэро таксис (движение в направлении источника света, повышения или понижения концентрации в воде химических веществ или воздуха). Самыми крупными являются пурпурные серобактерии (Purple bacteria). Размножаются они простым (бинарным) делением или почкованием, не окрашиваются по Граму (грамотрицательны).
Строение автотрофных бактерий имеет ряд особенностей, большинство из которых связано с их способностью к хемо- и фотосинтезу. В частности, мембраны фотосинтезирующих форм образуют в клетках структуры, называемые тилакоидами, на поверхности которых собран фотосинтезирующий аппарат. Строение автотрофных бактерий дало повод биологам считать, что высшие растения наличием хлоропластов обязаны бактериям-симбионтам.
Не только кислород
Интересной особенностью бактериального фотосинтеза считается то, что не всегда в его результате образуется кислород. Мало того, многие фотосинтезирующие бактерии – анаэробы и не могут жить в присутствии кислорода, предпочитая окислять сероводород, тиосульфаты, молекулярный водород, серу, которая дальше может превращаться в сульфаты.
Бактериальный фотосинтез не всегда протекает с потреблением углекислого газа. Вместо него фотосинтезирующие микроорганизмы могут использовать другие вещества – соединения серы, например.
Существуют фотоавтотрофные и фотогетеротрофные бактерии. Первые способны жить без органических веществ, синтезируя для себя все необходимое самостоятельно, вторые – не имеют такой способности и нуждаются в органике для полноценного роста.
К фотосинтезирующим бактериям относят оксигенные и аноксигенные микроорганизмы.
Врачи и биологи отмечают, что фотосинтезирующие бактерии играют ключевую роль в экосистемах, обеспечивая основу для жизни на Земле. Эти микроорганизмы, такие как цианобактерии, способны преобразовывать солнечную энергию в химическую, производя кислород и органические вещества. Их уникальные механизмы фотосинтеза отличаются от растений, что делает их объектом интереса для научных исследований. Врачи подчеркивают, что понимание этих процессов может привести к новым подходам в медицине и экологии. Например, изучение фотосинтезирующих бактерий может помочь в разработке биотехнологий для очистки окружающей среды и создания устойчивых источников энергии. Таким образом, исследования в этой области могут иметь значительное влияние на здоровье человека и сохранение планеты.
Оксигенные
В результате фотосинтеза выделяют кислород. К их числу относят цианобактерии (в том числе азотфиксирующие), которые содержат в своих клетках хлорофилл А, как и фотосинтезирующие растения. Ассимиляция углекислого газа у фотосинтезирующих цианобактерий, которые также называют синезелеными водорослями, происходит с использованием водорода молекул воды.
Аноксигенные
Эти фотосинтезирующие микроорганизмы проводят фотосинтез, не выделяя при этом кислород. В них содержатся бактериохлорофиллы, отличающиеся от тех, которые используют для фотосинтеза растения. В эту группу входят две разновидности микроорганизмов:
- Пурпурные несерные бактерии, для которых донором водорода выступают органические соединения. Среди них встречаются виды, способные жить на средах, в которых нет органики. Однако основное их число считается облигатными гетеротрофами, то есть нуждаются в органических веществах для своего существования.
- Пурпурные и зеленые серобактерии, использующие в качестве поставщика водорода не воду, а сероводород. Последние образуют цветные слои воды и налеты на камнях пресных и соленых водоемов и накапливают в своих клетках серу.
- Зеленые серобактерии и цианобактерии являются облигатными фототрофами и не могут существовать без света. Пурпурные несерные бактерии относятся к числу факультативных фототрофов и способны длительное время существовать без света или при низкой освещенности. Промежуточное положение занимают пурпурные серные бактерии.
- Недавно были обнаружены нитчатые зеленые несерные бактерии, неспособные откладывать серу внутри клеток. Они представляют собой однородную группу видов, отличающихся способом питания (гетероавтотрофный), и способных жить на органических субстратах, которые содержат сероводород и молекулярный водород. Среди них много грамположительных и грамвариабельных видов, окраска которых зависит от условий их существования.
У истоков фотосинтеза лежит удивительная способность некоторых бактерий превращать солнечную энергию в химическую, что стало основой жизни на Земле. Люди, изучающие этот процесс, отмечают, что фотосинтезирующие бактерии, такие как цианобактерии, играют ключевую роль в экосистемах, производя кислород и органические вещества. Многие исследователи восхищаются их адаптивностью и разнообразием, ведь эти микроорганизмы могут обитать в самых экстремальных условиях — от горячих источников до ледяных водоемов. Обсуждая их значение, ученые подчеркивают, что понимание фотосинтеза у бактерий может открыть новые горизонты в биотехнологии и устойчивом развитии, позволяя создавать эффективные методы получения энергии и углеродного захвата. В целом, интерес к этим микроорганизмам только растет, и их изучение обещает множество открытий для науки и человечества.
Фотосинтез и азотфиксация
Азотфиксация – процесс, который смогли освоить только прокариоты, организмы, не имеющие оформленных и окруженных мембраной ядер. Происходит он при помощи специального фермента, названого нитрогеназой. Азотфиксация является разновидностью хемосинтеза. Интересно, что азотфиксирующие хемосинтетические бактерии – облигатные анаэробы, могут одновременно иметь способность к фотосинтезу и наоборот, то есть являются хемо- и фотосинтетиками.
Многие азотфиксирующие бактерии способны к фотосинтезу. В первую очередь это цианобактерии. Строение клеток этих микроорганизмов позволяет им разделять во времени две фазы – днем они фотосинтезируют с образованием кислорода, а ночью занимаются азотфиксацией. Изучение жизненного цикла цианобактерии анабены (анабэны) продемонстрировало и другой механизм, позволяющий совмещать хемо- и фотосинтез в колонии бактерий. При снижении количества углекислого газа в окружающей среде, некоторые клетки прекращают фотосинтез и превращаются в гетероцисты, внутри которых начинается азотфиксация. Интересно, что при этом соседние клетки, имеющие различный метаболизм, способны обмениваться между собой его продуктами, обеспечивая существование всей колонии.
Пигменты
Цвет фотосинтезирующих бактериальных колоний зависит от того, какие пигменты содержатся в их клетках. Различают три вида фотосинтетических пигментов – зеленые хлорофиллы, оранжевые каротиноиды и коричневые фикобилины, входящие в состав так называемых пигментных антенн, строение которых видоспецифично, а также зависит от интенсивности света.
Бактерии, осуществляющие аноксигенный фотосинтез, имеют пигментные центры только одного типа, цианобактерии и другие оксигенные микроорганизмы – два центра, соединенные последовательно. Реакционным центром светособирающих пигментных антенн являются хлорофилл А или бактериохлорофиллы A, B и G. Цианобактерии, как и высшие растения, используют первые пигменты.
Характерной особенностью фикобилинов является то, что они соединяются в комплексы со специфичными белками, пронизывающими мембраны.
Автотрофы без хлорофилла
Такие необычные автотрофы были обнаружены среди архебактерий Мертвого моря. В их клетках отсутствуют зеленые хлорофиллы – вместо них так называемые галобактерии содержат бактериородопсин, расположенный на поверхности клеточных мембран. Его строение весьма интересно – это комплекс пигмента ретиналя и специального белка.
Фотосинтезирующие галобактерии являются гетеротрофами, живущими в среде с высоким содержанием солей. Их колонии имеют оранжево-желтый цвет из-за содержания в клетках большого количества каротиноидов. Фотосинтез у данных организмов начинается только в условиях низкой концентрации кислорода. Они не могут существовать в слабосоленых условиях и демонстрируют положительный хемотаксис (движение) в сторону мест с высоким содержанием солей.
Вопрос-ответ
Каковы особенности бактериального фотосинтеза?
Процесс фотосинтеза у бактерий. В основе бактериального фотосинтеза лежит превращение световой энергии, поглощенной пигментами, в химическую энергию макроэргических связей АТФ, образуемой в процессе фотофосфорилирования и используемой впоследствии для усвоения углекислого газа и процессов биосинтеза.
Каковы характеристики фотосинтезирующих бактерий?
Фотосинтезирующие бактерии содержат различные фотосинтетические пигменты и могут преобразовывать солнечный свет в энергию, необходимую для метаболизма и выделения водорода. Однако они не поглощают свет во всех диапазонах солнечного света, а только в определённых.
Что такое фотосинтезирующая бактерия?
Фотосинтезирующие бактерии. Фотосинтезирующие бактерии, фототрофные бактерии, микроорганизмы, использующие в качестве энергии для жизнедеятельности свет (лучистую энергию), в процессе фотосинтеза ассимилируют углекислоту и др. Неорганические, а также органические соединения.
Каково строение фотосинтезирующих бактерий?
Внутренние фотосинтетические мембраны фотосинтезирующей бактерии Rhodopseudomonas viridis были изучены с помощью различных методов электронной микроскопии. Мембраны состоят из слоя, по-видимому, идентичных субъединиц, расположенных в форме шестиугольника.
Читайте также:
Советы
СОВЕТ №1
Изучите разнообразие фотосинтезирующих бактерий, таких как цианобактерии и зеленые серные бактерии. Понимание их уникальных механизмов фотосинтеза поможет вам лучше осознать роль этих организмов в экосистемах и их значение для биосферы.
СОВЕТ №2
Обратите внимание на влияние фотосинтезирующих бактерий на глобальные биогеохимические циклы. Эти микроорганизмы играют ключевую роль в углеродном и азотном циклах, что важно для поддержания экологического баланса на планете.
СОВЕТ №3
Попробуйте провести простые эксперименты с фотосинтезирующими бактериями в домашних условиях или в образовательных учреждениях. Это поможет вам на практике увидеть, как они реагируют на различные условия освещения и среды, а также углубить свои знания о процессе фотосинтеза.
СОВЕТ №4
Следите за новыми исследованиями в области микробиологии и экологии, касающимися фотосинтезирующих бактерий. Научные открытия в этой области могут открыть новые горизонты для применения этих организмов в биотехнологиях и устойчивом развитии.
