Германские ученые обнаружили у бактерий неизвестный ранее вариант бескислородного фотосинтеза, при котором в качестве побочного продукта выделяются нитраты. Согласно выдвинутой ранее гипотезе, такой тип энергетического метаболизма мог быть переходным этапом на пути к становлению кислородного фотосинтеза. Открытие дополняет имеющиеся представления о круговороте азота в природе.
Для фотосинтеза, помимо света, требуется донор электрона — окисляемое вещество, от которого отрывается электрон, в конечном счете используемый для синтеза органики из углекислого газа (см. схему кислородного фотосинтеза на сайте KEGG, Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes).При бескислородном фотосинтезе донором электрона служат соединения серы (чаще всего сульфид), а в качестве побочного продукта выделяется сера или сульфат. Недавно был открыт вариант бескислородного фотосинтеза, при котором донором электрона служат соединения железа (побочным продуктом в этом случае являются более окисленные соединения железа). Бескислородный фотосинтез, вероятно, появился еще на заре жизни — палеонтологические данные позволяют предполагать его существование уже 3,7–3,8 млрд лет назад (подробнее см.: М. А. Федонкин. Две летописи жизни: опыт сопоставления (палеобиология и геномика о ранних этапах эволюции биосферы)).
Кислородный фотосинтез — гораздо более сложный процесс, требующий участия большего числа специализированных белков и белковых комплексов. Появился он, по всей вероятности, позже (2,7–2,8 млрд лет назад). При кислородном фотосинтезе донором электрона является вода, а побочным продуктом — кислород. «Изобретателями» кислородного фотосинтеза были цианобактерии. Они и по сей день сохранили за собой эксклюзивные права на осуществление этого жизненно важного для всей биосферы процесса. Ведь именно цианобактерии дали начало пластидам — органеллам растительной клетки, отвечающим за фотосинтез.
Появление кислородного фотосинтеза стало важнейшим поворотным пунктом в развитии жизни, благодаря которому в атмосфере появился кислород и стало возможным существование высших организмов. Еще в 1970 году была предложена гипотеза, согласно которой переход от бескислородного фотосинтеза к кислородному мог осуществиться через ряд промежуточных этапов, когда донорами электрона служили соединения азота (Olson J. M. The evolution of photosynthesis // Science. 1970. V. 168. P. 438–446). Однако до сих пор возможность «азотного» фотосинтеза не была экспериментально подтверждена.
Это удалось сделать микробиологам из Университета Констанца (Universitat Konstanz, Германия) в ходе исследования микроорганизмов, обитающих в пресных водоемах и отстойниках сточных вод. Микробов выращивали в бескислородных условиях на свету в среде с добавлением небольших количеств нитрита. Через несколько недель в 10 пробах из 14 стала заметна розовая окраска, характерная для бактерий, практикующих бескислородный фотосинтез, и было зарегистрировано окисление нитритов и превращение их в нитраты. При помощи ряда специальных тестов удалось показать, что окисление нитритов является результатом именно фотосинтеза, а не какого-либо иного биологического или химического процесса.
Активнее всего осуществляли «азотный» фотосинтез микробы, происходящие из отстойника города Констанца. Из этой культуры выделили самый массовый вид бактерий — шарообразные клетки (кокки) диаметром 2–3 микрометра — и при помощи генетического анализа установили их родственные связи. Выяснилось, что ближайшим родственником этих микробов является Thiocapsa roseopersicina, широко распространенная фотосинтезирующая гамма-протеобактерия, относящаяся к группе пурпурных серных бактерий (эти микроорганизмы при фотосинтезе используют в качестве донора электрона соединения серы).
Это открытие интересно еще и тем, что оно расширяет наши представления об участии микробов в круговороте азота. До сих пор не были известны фотосинтезирующие организмы, способные окислять соединения азота в отсутствие кислорода. Теперь эту возможность придется учитывать и при реконструкции ранних (бескислородных) этапов эволюции биосферы.
