Раньше мы отмечали, что почти все органические вещества, синтезируемые живыми организмами, образуются в результате утилизации энергии солнца или других источников света (например, электрического) фотосинтезирующими организмами. Теперь настало время выяснить, что кроется за этим «почти». Наряду с фотосинтезирующими автотрофами, вполне благополучно существуют автотрофы, которые при связывании углекислого газа и синтезе органических веществ используют не лучистую энергию, а энергию, полученную в результате окисления неорганических соединений. Такие организмы, которые способны без освещения расти на минеральных субстратах, называют хемосинтезирующими. Их сравнительно немного, и все они являются прокариотами. Особенности жизнедеятельности хемоавтотрофов сами по себе чрезвычайно интересны, кроме того, в течение истории Земли они оказали весьма существенное воздействие на течение геохимических процессов. В зависимости от используемых субстратов хемосинтезирующие организмы подразделяют на: нитрифицирующие бактерии, железобактерии, водородные бактерии, серобактерии и бактерии, окисляющие сурьму.
Нитрифицирующие бактерии впервые выделил С.Н. Виноградский (1890 - 1892). Все они являются облигатными аэробами, по Граму окрашиваются отрицательно. Функционально их делят на две группы.
Первая из них окисляет аммоний до азотистой кислоты:
Вторая - азотистую кислоту до азотной:
При окислении аммония вначале образуется гидроксиламин (NH2OH), при этом не происходит образования энергосодержащих веществ, однако во всех последующих реакциях синтезируется АТР. Перенос возбужденного электрона, по-видимому, осуществляется по следующей цепи переносчиков:
Необходимый для синтеза органических соединений водород нитрифицирующие бактерии получают, восстанавливая NAD до NADH. На эти цели затрачивается энергия АТР или трансмембранного потенциала (рис. 100). Источником углерода служит СО2, который связывается в процессе цикла Кальвина. Энергетическая эффективность этих процессов достаточно велика, и согласно расчетам, утилизация свободной энергии может превышать 50%.
Нитрифицирующие бактерии отличаются низкой способностью усваивать экзогенные органические вещества. Более того, многие органические вещества (глюкоза, глицерин, мочевина и др.) даже сдерживают рост таких бактерий.
Нитрифицирующие бактерии широко распространены в различных водоемах и в почве. Они активно участвуют в круговороте азота. В природе, обогащая почву нитратами, которые легко усваиваются корневыми системами растений, нитрифицирующие бактерии способствуют повышению плодородия почвы. Однако, кроме несомненной пользы, их деятельность приводит к повышению кислотности почв. В результате денитрификации нитрат-ионы восстанавливаются до молекулярного азота, что приводит уже к обеднению почвы доступными для растений соединениями азота.
Железобактерии получают энергию в результате окисления двухвалентного железа до трехвалентного. Прямо или косвенно железо могут окислять не только автотрофные прокариоты, но и некоторые гетеротрофы. Кроме того, некоторые серобактерии, наряду с серой, способны также окислять закисное железо. Результатом их деятельности по преобразованию соединений железа в течение миллионов лет явились колоссальные отложения железных руд.
Химическое преобразование субстрата железобактериями происходит следующим образом:
Цепь переносчиков электрона:
Водородные бактерии окисляют молекулярный водород. К этой группе относятся строгие и факультативные анаэробы, а также облигатные аэробы. Анаэробами являются некоторые фотосинтезирующие бактерии, которые используют Н, как источник водорода, однако они нуждаются в солнечной энергии для синтеза органических веществ, поэтому к хемотрофам не принадлежат. Другие бактерии (десульфатирующие) из молекулярного водорода получают энергию, необходимую для связывания углекислого газа, но, кроме того, они нуждаются в готовых органических веществах и поэтому являются гетеротрофами. Наконец существует группа действительно автотрофных аэробных бактерий, использующих в качестве источника энергии Н2. Поскольку они, наряду с водородом, используют еще и молекулярный кислород, их называют бактериями гремучего газа. Окисление Н2 управляется гидрогеназой и суммарно отвечает следующему уравнению:
где [СН2О] - синтезируемое органическое вещество.
Энергетическая эффективность водородных бактерий достигает 30%. У разных видов водородных бактерий цепь переносчиков электронов может варьировать. В наиболее типичном случае она выглядит следующим образом:
Фиксация СО2 также осуществляется в ходе реакций цикла Кальвина и на фосфоенолпирувате, источником которого служит фосфоглицерат. Источником углерода для водородных бактерий, кроме СО2, также могут служить некоторые органические вещества (глюкоза, глюконат, ацетат, пируват и др.). При наличии готовых органических веществ в окружающей среде водородные бактерии могут перейти на гетеротрофный тип питания, при этом их способность окислять Н2 и связывать СО2 снижается. Причиной тому служит подавление синтеза компонентов водородактивирующей системы гидрогеназы и некоторых ферментов цикла Кальвина.
Серобактерии встречаются в пресных и соленых водоемах, содержащих сероводород. Они бесцветны и морфологически подразделяются на три группы: нитчатые, одноклеточные с мелкими клетками и одноклеточные с крупными клетками. Многие серобактерии демонстрируют заметное сходство с цианобактериями, за что некоторые исследователи рассматривают их как бесцветные формы цианобактерий.
В отличие от фототрофных бактерий, использующих сероводород в качестве источника водорода и получающих энергию от света, серобактерии, окисляя различные соединения серы, восстанавливают ее до молекулярного состояния, а выделяющуюся при этом энергию используют для ассимиляции углекислого газа. Суммарно реакции окисления субстрата идут следующим образом.
При окислении сероводорода:
При окислении серы и тиосульфата в присутствии кислорода:
При окислении серы и тиосульфата без кислорода с использованием нитратов:
Транспорт электронов по цепи переносчиков у разных видов может иметь особенности и зависит от окисляемого субстрата (рис. 101). Источником углерода у серобактерий служит углекислый газ, который они в основном связывают в процессе реакций цикла Кальвина (как и большинство других хемоавтотрофов).
Функциональная деятельность серобактерий очень разнообразна. Особенности проявляются в специфике окисляемого субстрата, кроме того, некоторые виды могут окислять не только соединения серы, но и другие неорганические вещества, в частности закисное железо. Полученная при этом энергия также используется для автотрофного питания. Способность разных видов усваивать экзогенные органические вещества неодинакова.
Рис. 101. Пути переноса электронов у тионовых бактерий при окислении разных соединений серы