Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2008 №4

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.

В углеродном цикле фотосинтетическую функцию выполняют простейшие бактерии и высшие растения. Деструкцию также выполняют некоторые бактерии, грибы, небольшой вклад вносят животные. В последнее время, очень недавнее в эволюционном масштабе человек начал возвращать ту часть углерода, которая ушла из круговорота, обратно в атмосферу. Когда человек сжигает каменный уголь, он может сделать то, что не может сделать ни одна бактерия, то есть без помощи человека каменный уголь лежал бы инертный, исключенный из круговорота. Правда, при этом человек успевает внести значительную путаницу в биосферные процессы, загрязняя атмосферу веществами, к которым она не приспособлена. Хотя бактерии очень пластичны. Есть бактерии, которые питаются нефтью, то есть бактерий можно использовать для удаления некоторых загрязнений и в море, и в почве, но и они могут не справиться с антропогенными загрязнениями.

Общая схема отношений между разными типами бактерий представлена на схеме:

Мы уже говорили о том, что клетка представляет собой систему метаболических циклов. Биосфера представляет собой систему геобиохимических циклов. Если в клетке каждый метаболический процесс контролируют ферменты, то в биосфере такие метаболические циклы планеты контролируются группами бактерий определенных видов. То есть бактерии катализируют метаболизм в планетарном масштабе. В эту систему можно включать не только бактерии, но и другие организмы. Однако некоторые процессы (фиксация азота, метаболизм железа и серы) осуществляются только бактериями.

На рисунке представлен цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот):

Этот цикл назван по имени ученого, который его описал. В цикл Кребса поступают питательные вещества, потом они подвергаются циклическому преобразованию, идет поэтапное окисление молекул, в результате чего на определенных этапах энергия тратится на синтез АТФ.