Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2008 №4

Разнообразие бактерий велико, они используют очень разные химические реакции как источники энергии. По существу в современной биосфере все геохимические циклы контролируются в основном бактериями. Сейчас они ведут некоторые ключевые реакции, например, цикл железа, цикл серы, фиксацию азота. Никто, кроме бактерий, не может из атмосферы достать азот и включить в состав собственных молекул.

БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ

Наверное, все слышали о круговороте веществ в природе, то есть о системе биохимических циклов Земли. Она представлена на рисунке.

Основной цикл — это цикл углерода. Цифрами показано распределение вещества по Земле. Все величины даны в 10¹⁸ г. Двуокись углерода СО₂, например, распределена между атмосферой и океаном. Кислород — преимущественно газообразный в атмосфере, хотя входит в состав многих веществ. Сера распределена между океаном и земными породами.

На основе каких данных можно попытаться восстановить, какой была атмосфера, какие шли в ней процессы в далеком прошлом? На основе изучения осадочных пород. Появление жизни отмечают по изменению изотопного состава этих пород, наиболее древние следы жизни — 3,8 млрд. лет назад — найдены в породах Гренландии, и считается, что с этого момента на планете существует жизнь. Изучение пород показывает, что до 2 млрд. лет тому назад в них присутствует недоокисленное железо (не трех, а двухвалентное). Следовательно, свободного кислорода в атмосфере в тот период не было, иначе все железо было бы окислено полностью. Есть и другие указания на состав атмосферы, логика рассуждений примерно такая же.

2 млрд. лет назад появился кислород. И раньше в бескислородной атмосфере были отдельные кислородные карманы (кислород — токсичное вещество, которое может все окислить, разрушить анаэробную клетку, которая не может жить при кислороде, а тогда большинство клеток было анаэробами). Некоторые бактерии «научились» делать для себя безопасным кислород, они называются аэротолерантными, у них появились ферменты, защищающие клетку от разрушающего действия кислорода. Потом появились бактерии, которые «научились» его использовать. Затем атмосфера стала кислородной в результате кислородного фотосинтеза, и теперь есть только отдельные бескислородные места. Глубоководные бактерии или бактерии, живущие в вулканических источниках — анаэробы, часть из которых представляет, видимо, реликты древнего мира.

Основной углеродный цикл очень простой, вы его уже знаете. В процессе фотосинтеза из углекислого газа и воды образуется углеводы (глюкозы, например) и кислород. Потом происходит деструкция — обратная реакция, разрушение органических веществ, когда в результате окисления питательных веществ в организме образуется вода и двуокись углерода. Причем при фотосинтезе энергия света затрачивается на образования углеводов, а при деструкции эта энергия выделяется и организм использует ее для своих нужд. Это и есть цикл углерода. Если посмотреть на схему, то можно увидеть, что он незамкнутый. Углерод все время изымается, с частью живых организмов уходит в осадочные породы, при этом кислород остается в избытке. Если его не убирать, то его станет очень много, может остановиться углеродный цикл. Что происходит с этим избыточным кислородом? Он идет ("стекает") на окисление серы и железа, то есть с углеродным циклом сопряжен цикл железа и серы. Таким же образом сопряжены циклы других веществ. Для каждого из этих процессов существует группа микроорганизмов, бактерий, которые занимаются поддержанием этого круговорота, и за счет этого получают энергию. Разнообразие метаболизма бактерий таково, что они способны катализировать прохождение всех биогеохимических циклов на Земле. Подчеркнем, что наша биосфера встроена в цикл геохимических процессов.

В качестве источников энергии бактерии могут использовать самые разнообразные соединения. Часть бактерий, которые используют кислород, называются аэробами, те кто не используют кислород — анаэробы. Те, кто способен обойтись без органических веществ называются автотрофами. Те, кому нужны органические вещества — гетеротрофы.

Как уже было сказано, в древние времена мог существовать только анаэробный фотосинтез, а именно на его основе мог получиться кислородный, потому что если света на Земле достаточно, то лимитирующим будет не освобождением кислорода СO₂, a H₂S. То есть если вместо сероводорода использовать воду, то энергии можно получить неизмеримо больше, поскольку воды на Земле намного больше, чем сероводорода. Видимо, это и произошло с появлением кислородного фотосинтеза, то есть бактерии, которые стали использовать воду, получили большое преимущество. Правда, при этом в качестве побочного продукта выделялся кислород, и его накопление было настоящей экологической катастрофой для древней биосферы.