Фотосинтез - это процесс поглощения организмами световой солнечной энергии и преобразования ее в химическую энергию. Кроме зеленыл растений, водорослей к фотосинтезу способны и другие организмы - некоторые простейшие, бактерии (цианобактерии, пурпурные, зеленые, галобактерии). Процесс фотосинтеза у этих групп организмов имеет свои особенности.
При фотосинтезе под действием света с обязательным участием пигментов (хлорофилла - у высших растений и бактериохлорофилла - у фотосинтезирующих бактерий) из углекислого газа и воды образуется органическое вещество. У зеленых растений выделяется при этом кислород.
Все фотосинтезирующие организмы называются фототрофами, поскольку для получения энергии они используют солнечный свет. За счет энергии этого уникального процесса существуют все остальные, гетеротрофные организмы на нашей планете (см. Автотрофы, Гетеротрофы).
Процесс фотосинтеза идет в пластидах клетки - хлоропластах. Компоненты фотосинтеза - пигменты (зеленые - хлорофиллы и желтые - каротиноиды), ферменты и другие соединения - упорядоченно располагаются в мембране тилакоидов или строме хлоропласта.
Молекула хлорофилла имеет систему сопряженных двойных связей, благодаря чему при поглощении кванта света она способна перейти в возбужденное состояние, т. е. один из ее электронов изменяет свое положение, поднимаясь на более высокий энергетический уровень. Это возбуждение передается так называемой основной молекуле хлорофилла, которая способна к разделению заряда: отдает электрон акцептору, который отправляет его по системе переносчиков в электронно-транспортную цепь, где электрон отдает энергию в окислительно-восстановительных реакциях. За счет этой энергии протоны водорода «перекачиваются» с внешней стороны мембраны тилакоидов на внутреннюю. Образуется разность потенциалов водородных ионов, энергия которой идет на синтез АТФ (см. Аденозинтрифос-форная кислота (АТФ). Образование АТФ в процессе фотосинтеза называется фотофосфо-рилированием в отличие от окислительного фосфорилирования, т. е. образования АТФ за счет процесса дыхания.
Молекула хлорофилла, отдавая электрон, окисляется. Возникает так называемая электронная недостаточность. Чтобы процесс фотосинтеза не прерывался, она должна быть возмещена другим электроном. Откуда же он берется? Оказывается, источник электронов, а также протонов (помните, они создают разность потенциалов по обе стороны мембраны) - вода. Под действием солнечного света, а также с участием особого фермента зеленое растение способно фотоокислять воду:
2Н 2 O →свет,фермент→ 2Н + + 2ẽ + 1/2O 2 + Н 2 O
Полученные таким образом электроны заполняют электронную недостаточность в молекуле хлорофилла, протоны же идут на восстановление НАДФ (активной группы ферментов, транспортирующих водород), образуя еще один энергетический эквивалент НАДФ Н в дополнение к АТФ. Помимо электронов и протонов при фотоокислении воды образуется кислород, благодаря которому атмосфера Земли пригодна для дыхания.
Энергетические эквиваленты АТФ и НАДФ Н расходуют свою энергию макро-эргических связей на нужды клетки - на движение цитоплазмы, транспорт ионов через мембраны, синтез веществ и т. д., а также обеспечивают энергией темновые биохимические реакции фотосинтеза, в результате которых синтезируются простые углеводы и крахмал. Эти органические вещества служат субстратом для дыхания или расходуются на рост и накопление биомассы растения.
Продуктивность сельскохозяйственных растений тесно связана с интенсивностью фотосинтеза.
Исследователи давно обратили внимание на «сотрудничество» пятнистой амбистомы (Ambystoma maculatum) и одноклеточных водорослей Oophilia amblystomatis. Жизненный цикл амбистомы начинается с икринки изумрудно-зеленого цвета. Такой окрас обусловлен присутствием в зародыше земноводного одноклеточных водорослей (которые, кстати, больше в природе нигде не встречаются — только в икринках некоторых видов амбистом).
Ранее считалось, что водоросли присутствуют только в желеобразном веществе икринки, окружающем зародыш, который выделяет богатые азотом и углекислым газом продукты жизнедеятельности. А водоросли перерабатывают это «сырье» в энергию, снабжая эмбрион кислородом. Однако их симбиоз оказался гораздо более тесным.
Райан Керни (Ryan Kerney) из Университета Далхаузи (Канада) показал, что водоросли обитают внутри клеток как зародыша, так и взрослого земноводного. Причем они там не только живут, но и предположительно работают, снабжая клетки амбистомы кислородом и углеводами — прямыми продуктами фотосинтеза.
Подобное взаимодействие с фотосинтезирующими организмами ранее было замечено у некоторых беспозвоночных (например, кораллов). Но приобретенная иммунная защита позвоночных обычно уничтожает весь чужеродный биологический материал, попавший во внутреннюю среду организма. Поэтому считалось, что «система безопасности» не позволит внутриклеточным симбионтам спокойно жить и трудиться. Но в данном случае либо клетки амбистомы как-то «отключили» защитные механизмы, либо водоросли нашли способ их обойти.
На изображениях, полученных с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ), видно, что вокруг водоросли, обитающей внутри клетки амбистомы, собирается несколько митохондрий . Митохондрии — это внутриклеточные «электростанции», превращающие кислород и продукты глюкозы в АТФ , универсальный источник энергии. Предположительно, митохондрии подбираются к водоросли неспроста, рассчитывая воспользоваться продуктами фотосинтеза — кислородом и углеводами.
Каким же образом водоросли попадают внутрь эмбриона? Вероятно, это происходит в то время, когда начинает формироваться нервная система будущей амбистомы. Видео, позволившее увидеть этот промежуток жизни икринки «в ускоренном воспроизведении», демонстрирует ярко-зеленую «вспышку» рядом с зародышем. Эта «вспышка» — не что иное, как резкий рост числа водорослей, вызванный, вероятно, «выбросом» богатых азотом продуктов жизнедеятельности эмбриона. А если есть выход для соединений азота — значит, есть и вход для многочисленных водорослей, которым некоторые из них не преминут воспользоваться.
Такая схема объясняет, почему ранее исследователям не удавалось обнаружить водоросли в клетках эмбрионов: они изучали икринки, еще не прошедшие стадию «зеленой вспышки». Количество водорослей внутри клеток земноводного в это время было очень небольшим. Однако нельзя утверждать, что их не было вовсе.
Одно из любопытных открытий Керни — присутствие водорослей в яйцеводах взрослых самок Ambystoma maculatum, где формируются желеобразные «мешки», окружающие эмбрион. Этот факт указывает на возможность передачи водоросли-симбионта от матери к потомству.
Амбистомы способны вырастить утраченную конечность. Почти все клетки взрослого земноводного сохраняют плюрипотентность — способность делиться и превращаться в другие типы клеток. Вполне возможно, что некоторые клетки Ambystoma maculatum выработали способность принимать водоросли-симбионты благодаря тому, что их процессы «самоидентификации» идут не так, как у клеток других животных.
Ученые обнаружили животных, способных к самостоятельному усвоению энергии солнца. По крайней мере, так говорится в , опубликованной в журнале из авторитетного издания Nature Publishing Group. Этим удивительным животным оказалась обыкновенная тля. Внешне неказистое насекомое в последнее время исправно поставляет биологам научные сенсации. В чем заключаются ее уникальные способности и существуют ли в действительности животные, не нуждающиеся в поиске пропитания, попыталась выяснить "Лента.ру"
Вообще говоря, самостоятельно фотосинтезирующее многоклеточное животное - это сенсация. Причем, сенсация такого рода, которая вызывает у биологов реакцию "этого не может быть, потому что этого не может быть никогда". Тем не менее, статья об удивительной тле опубликована в рецензируемом журнале, а значит, не содержит очевидных ошибок. С другой стороны, она появилась не в самом Nature , а в ее "младшем брате", молодом журнале Scientific Reports . Прежде чем понять, в чем заключается суть работы и насколько справедливо называть ее сенсацией, необходимо разобраться, что дало изучение неприметной тли для современной биологии.
В это сложно поверить, но биологи совершенно серьезно называют бобовую тлю сверхорганизмом . Термин этот во многом искусственный и в случае многих животных выглядит натянуто. Им называют "организмы, состоящие из множества организмов" и подразумевают обычно колониальных насекомых. Тля, впрочем, колониальным насекомым никак не является, но при этом она, безусловно, - сверхорганизм.
Это скромное насекомое питается соком растений, высасывая его напрямую из сосудов, транспортирующих сахар от листьев к корню. Хорошо , что тля тесно взаимодействует с муравьями. Последние обеспечивают ей защиту от врагов в обмен на капельки сахарного сиропа. Сладкой дани для муравьев тлям не жалко - они все равно не могут усвоить то количество сахара, которое содержится в растительном соке.
В этом заключается один из парадоксов питания тли - несмотря на то, что сахара животные потребляют намного больше, чем могут усвоить, в некотором смысле они постоянно голодают. Дело в том, что в растительном соке не содержится почти ничего кроме сахара, и насекомые живут в условиях постоянной нехватки аминокислот, жиров, витаминов и микроэлементов. Даже когда поблизости нет муравьев, тля все равно выделяет сладкий раствор, предварительно отфильтровав из него полезные для нее вещества.
В скором времени после обнаружения у тлей симбиотических бухнерий энтомологи нашли их соседей. Ими оказались бактерии Serratia symbiotica , которые поселились в тле существенно позднее бухнерий и пока не потеряли способности жить вне хозяина. У некоторых тлей, впрочем, сотрудничество тли, бухнерии и серратии уже сильно продвинулось - оказалось, что некоторые аминокислоты серратии помогают синтезировать изнеженным бухнериям, потерявшим эту способность.
Третьим квартирантом сверхорганизма-тли оказались бактерии-защитники. Ученые установили, что Hamiltonella defensa помогает тле в борьбе против наездников. Эти осы являются, наряду с божьими коровками, одними из главных врагов тли. Наездники откладывают яйца в их тела. Личинка наездника, когда вылупляется из яйца, съедает тлю изнутри, а их мумифицированное тело использует вместо кокона. В свое время эта жестокость наездников произвела на Чарльза Дарвина настолько сильное впечатление, что он выдвинул их существование как один из аргументов против существования всеблагого Бога.
Последним же из известных на данный момент квартирантов тли оказались бактерии, которые помогают синтезировать яркие пигменты. Оказалось, что ярко зеленая окраска тлей определяется внутриклеточными бактериями Ricketsiella , которые помогают тлям синтезировать их специфические полициклические красители - афины. Зачем она необходима насекомым, пока сказать сложно, однако известно, что окраска играет важную роль при взаимодействии насекомого с хищниками. Из особей одного и того же вида наездники, например, предпочитают зеленых, а божьи коровки - красных тлей.
Говоря о животных с необычным способом питания, нельзя не упомянуть об уникальном моллюске Elysia chlorotica , освоившим “зеленые технологии”. На ранних этапах своего развития он выглядит и ведет себя как обычный морской слизень - питается водорослями и имеет буроватую окраску. Однако, в отличие от всех остальных растительноядных животных, он, как сказали бы экономисты, предпочитает рыбе удочку. Проще говоря, моллюск поглощает фотосинтетезирующие хлоропласты водоросли Vaucheria litorea , и сохраняет их внутри своих клеток живыми. Так же на заре своей эволюции поступили растения, поглотив однажды сине-зеленые водоросли. Разница заключается в том, что хлоропласты попадают в клетки моллюска беспомощными - за миллионы лет коэволюции они передали синтез девяноста процентов необходимых белков на откуп своим хозяевам. Поэтому моллюску приходится идти на ухищрения, чтобы сохранить хрупких эндосимбионтов. Он скопировал некоторые отвечающие за фотосинтез гены непосредственно из генома Vaucheria , в результате чего оказался способен поддерживать жизнь хлоропластов на протяжении примерно девяти месяцев. Именно столько длится его жизненный цикл.
С окраской тлей тоже не все просто. Частично она определяется афинами, а частично - каротиноидами. За синтез первых отвечают, как уже было сказано, риккетсиеллы, а вот ситуация с каротиноидами еще интереснее. Дело в том, что каротиноиды - очень распространенные пигменты, но синтезировать их ни одно животное не может. Ретинол, или витамин А представляет собой половины молекулы каротина. Как пигмент, который непосредственно воспринимает свет, он используется в глазах абсолютно всех организмов - от одноклеточных и до человека. Кроме того, каротиноиды играют важную и до сих пор не до конца понятную роль при взаимодействии с активными формами кислорода. Тем не менее, все животные вынуждены получать каротиноиды с пищей.
Тем не менее, даже самим авторам статьи осталось непонятно - зачем тлям самостоятельно синтезировать каротиноиды и почему в их теле содержится такое количество этих веществ.
Спустя два года французские ученые , что знают зачем - по их мнению, тли используют каротиноиды для питания солнечной энергией.
Необходимо сразу сказать, что фотосинтезом биологи называют фиксацию углекислого газа из воздуха и перевод его в органические вещества за счет энергии солнца. Само по себе использование энергии света называют фототрофией, а организмы, у которых оно встречается - фотогетеротрофами. Впрочем, это явление настолько редкое по сравнению с фотосинтезом, что ошибку в заголовке допустили даже научные редакторы Nature News.
Именно о фототрофии шла речь в последней статье французских ученых. Они установили, что насекомые, которых выращивают при различной температуре окружающей среды, приобретают различную окраску. Это, по словам авторов, происходит при помощи эпигенетических механизмов - внесения изменения не в саму ДНК, а в способ ее прочтения. Как бы то ни было, те животные, которых выращивали при 8 градусах Цельсия, становились зелеными, а те, что росли при 22 градусах - оранжевыми. Была еще группа просто бледных насекомых, которые жили в условиях повышенной скученности и недостатка ресурсов. Зеленые тли содержали наибольшее количество каротиноидов среди всех собратьев.
Elysia pusilla . Нажмите, чтобы увеличить. Фото с сайта blogs.ngm.com
Так вот, оказалось, что если тлю после заточения в темноте вынести на свет, в ее теле существенно повышается концентрация АТФ - энергетической валюты всякой клетки. Причем у зеленой тли энергетическая подзарядка происходит существенно быстрее, чем у оранжевой. У бледных насекомых, лишенных всяких пигментов, понятно, разницы в запасах АТФ в темноте и на свету не наблюдалось. Кроме того, пигмент оказался распределен непосредственно под поверхностью кутикулы насекомого, там, где наибольшее проникновение солнечных лучей.
Получается, тли все-таки научились извлекать энергию солнца? Да еще и обогнали в этом специалистов - растения, так как вовсе обходятся при этом без хлоропластов и хлорофилла, а используют для этого обычные каротиноиды, синтезированные семью украденными у грибов генами?
Честно говоря, в это очень сложно поверить. К чести авторов, возможность фототрофии они только предлагают в качестве гипотезы, а не считают ее доказанной. У всякого читателя статьи в Scientific Reports сразу возникает множество вопросов. Во-первых, непонятно, как именно передается электронное возбуждение, накапливаемое каротином. Авторы считают, что возбужденные электроны передаются на АТФ-синтазу, но никаких доказательств этому пока нет. Во-вторых, не ясно, какие гены участвуют в процессе. В-третьих, не показано, в каких именно клетках возрастает содержание АТФ - в тех же, что содержат каротиноиды или нет. В-четвертых, не показано - наблюдаемые изменения происходят в клетках тли или внутри ее многочисленных, как мы видели, эндосимбионтов?
Впрочем, все эти вопросы кажутся обычными придирками после того, как вспомнишь самый главный факт о жизни тли - то, чем она питается. Один из авторов той самой статьи в Science
, где был показан горизонтальный перенос генов синтеза каротиноидов, прокомментировал новую работу следующим образом: "Получение энергии - самая незначительная проблема в жизни тли. Ее диета чуть менее чем полностью состоит из сахара, большую часть которого она не способна использовать".
В свете этого факта обнаружение у насекомого растительных способностей выглядит весьма подозрительно.
Представьте, что было бы, если бы люди, как растения, могли питаться напрямую солнечной энергией. Это определённо облегчило бы нам жизнь: бесчисленные часы, потраченные на покупку, приготовление и поедание пищи можно было бы потратить на что-нибудь другое. Чрезмерно эксплуатируемые сельскохозяйственные земли вернулись бы к природным экосистемам. Резко упали бы уровни голода, недоедания и болезней, распространяющихся через пищеварительный тракт.
Однако люди и растения уже сотни миллионов лет не имеют общего предка. Наша биология кардинально отличается почти во всех аспектах, поэтому может показаться, что нет способа спроектировать человека так, чтобы он мог осуществлять фотосинтез. Или же это всё-таки возможно?
Эту проблему тщательно изучают некоторые специалисты по синтетической биологии, которые даже пытались создать собственных растительно-животных гибридов. И хотя мы пока далеки от создания способного к фотосинтезу человека, в результате нового исследования был обнаружен интригующий биологический механизм, который может поспособствовать развитию этой зарождающейся области науки.
Elysia chlorotica - животное, способное осуществлять фотосинтез подобно растениям
Недавно представители Морской биологической лаборатории, расположенной в американской деревне Вудс Холл, сообщили, что учёные разгадали секрет Elysia chlorotica - бриллиантово-зелёного морского слизня, который выглядит, как лист растения, питается солнцем, как лист, но фактически является животным. Оказывается, Elysia chlorotica поддерживает такой яркий окрас, употребляя водоросли и забирая себе их гены, обеспечивающие фотосинтез. Это единственный известный экземпляр многоклеточного организма, присваивающий ДНК другого организма.
В своём заявлении соавтор исследования, почётный профессор Южно-Флоридского университета Сидни К. Пирса сказал: «На Земле невозможно такое, чтобы гены водорослей действовали внутри клетки животного. И всё-таки это происходит. Они позволяют животному получать питание от солнца». По словам учёных, если бы люди захотели взломать собственные клетки, чтобы сделать их способными к фотосинтезу, для этого можно было бы использовать подобный механизм.
Что касается солнечной энергии, можно сказать, что люди миллиард лет двигались в неправильном эволюционном направлении. По мере того, как растения становились тонкими и прозрачными, животные становились толстыми и светонепроницаемыми. Растения получают свою небольшую, но постоянную долю солнечного сока, оставаясь при этом на одном месте, но людям нравится двигаться, и для этого им необходима богатая энергией пища.
Если взглянуть на клетки и генетический код человека и растения, окажется, что мы не такие уж и разные. Эта поразительная схожесть жизни на её фундаментальных уровнях позволяет происходить таким необычным вещам, как кража фотосинтеза животным. Сегодня, благодаря развивающейся области синтетической биологии, у нас может получиться воспроизвести такие явления за одно эволюционное мгновение, благодаря чему биопанк-идеи о создании фотосинтезирующих участков кожи кажутся менее фантастическими.
По словам Пирса, «обычно, когда гены одного организма переносят в клетки другого - это не срабатывает. Но если это работает, это может в одночасье изменить многое. Это как ускоренная эволюция».
Морские слизни - не единственные животные, способные осуществлять фотосинтез через симбиотические отношения. Другими классическими примерами таких существ являются кораллы, в клетках которых хранятся фотосинтетические динофлагелляты, а также саламандра пятнистая, использующая водоросли для снабжения своих эмбрионов солнечной энергией.
Однако морские слизни отличаются от подобных животных тем, что они нашли способ исключить посредников и совершать фотосинтез только для себя, поглощая хлоропласты из водорослей и покрывая ими стенки своего пищеварительного тракта. После этого гибрид животного и растения может месяцами жить, питаясь только солнечным светом. Но до сих пор загадкой оставалось, как именно слизни поддерживают свои краденые солнечные фабрики.
Теперь Пирса и другие соавторы исследования нашли ответ на этот вопрос. Похоже, что слизни не только воруют у водорослей хлоропласты, но ещё и крадут важные коды ДНК. В статье, опубликованной в журнале The Biological Bulletin, значится, что поддерживать работу солнечных машин ещё долгое время после поедания водорослей слизням может помогать ген, который кодирует фермент, используемый для починки хлоропластов.
В природе генетическая экспроприация может быть редким явлением, но в лабораториях учёные экспериментируют с ней на протяжении уже многих лет. Перенося гены из одного организма в другой, люди создали множество новых форм жизни: от кукурузы, производящей собственные пестициды, до светящихся в темноте растений. С учётом всего этого, настолько ли безумно предположение, что нам стоит последовать примеру природы и наделить животных - или даже людей - способностью к фотосинтезу?
Биолог, дизайнер и писатель Кристина Агапакис, получившая в Гарварде докторскую степень в области синтетической биологии, провела много времени размышляя над тем, как создать новый симбиоз, при котором животные клетки были бы способны фотосинтезировать. По словам Агапакис, миллиарды лет назад предки растений вобрали в себя хлоропласты, которые были свободноживущими бактериями.
Как рассказала Агапакис, проблема создания питающегося солнцем организма состоит в том, что для поглощения достаточного количества солнечного света необходима поверхность с очень большой площадью. С помощью листьев растениям удаётся поглощать огромное, относительно их размера, количество энергии. Мясистые люди, с их соотношением поверхности и объёма, скорее всего не обладают необходимой пропускной способностью.
«Если вам интересно, можете ли вы обрести способность фотосинтезировать, я отвечу, что, во-первых, вам придётся полностью прекратить двигаться, а во вторых стать полностью прозрачными» рассказывает Агапакис, по подсчётам которой для осуществления фотосинтеза каждой человеческой клетке будут необходимы тысячи водорослей.
На самом деле, питающийся солнечным светом Elysia chlorotica может быть исключением, которое подтверждает правило. Слизняк стал выглядеть и вести себя настолько похоже на лист, что во многом стал больше растением, чем животным.
Но даже если человек не может существовать только за счёт солнца, кто сказал, что он время от времени не может дополнить свой рацион небольшой солнечной закуской? На самом деле, большинство способных к фотосинтезу животных, в числе которых несколько сородичей Elysia chlorotica, полагаются не только на энергию солнца. Свой фотосинтезирующий механизм они используют в качестве резервного генератора на случай нехватки еды. Таким образом, способность фотосинтезировать является страховкой от голода.
Возможно, человек смог бы найти совершенно новое применение фотосинтезу. Например, по словам Агапакис, «на коже человека могли бы быть зелёные пятна – активируемая солнечным светом система заживления ран. Что-то, не требующее такого количества энергии, которое необходимо человеку».
В ближайшем будущем человек не сможет полностью перейти на обеспечение одним только солнечным светом - по крайней мере до тех пор, пока не решится на кардинальные модификации организма - поэтому пока нам остаётся продолжать вдохновляться примером природы.
