История жизни

<- Глава 3 Глава 5 ->

Часть 3. Криптозой

 

    Глава 4. Кислородная революция 

      Фотосинтез.

Прокариоты очень рано научились использовать энергию солнечного света. Первичной функцией фотосинтезирующих пигментов была защита организмов от ультрафиолетового излучения, беспрепятственно проникавшего в те времена сквозь лишенную озонового слоя атмосферу. Потом клетки научились не просто поглощать излучение, а использовать его энергию в мирных целях.

Для этого цианобактерии создали специальное пигмент – хлорофилл. Его молекулы способны под действием солнечного света выделять электроны и осуществлять фотолиз воды: 2H2O →  4H++4e+O2

Кислород (O2)  выделяется в атмосферу, электроны (4e) сменяют выделившиеся, чтобы под действием новой порции света покинуть молекулу. Так что фотохимический центр хлорофилла напоминает обычную батарейку – источник постоянного тока. Электроны и водород используются для синтеза АТФ и НАДФ.Н2 – основных источников энергии для клетки. На этом заканчивается начальная световая фаза фотосинтеза. Во время темновой фазы, для которой солнечный свет уже не нужен, энергия АТФ и НАДФ.Н2 используется для синтеза глюкозы из углекислого газа  и воды.

Синтез глюкозы – многоступенчатый циклический процесс, итоговый результат которого выглядит так: 6CO2+6H2O → C6H12O6+6O2.

Побочный продукт опять кислород, а глюкоза в дальнейшем используется для синтеза других органических веществ.

 

       Значение фотосинтеза.

Все, что нужно для фотосинтеза – солнечный свет и вода. Эти ресурсы имеются практически в неограниченном количестве, поэтому освоение цианобактериями кислородного фотосинтеза открыло возможности быстрого наращивания биомассы  на планете.

Но еще более важным оказался побочный продукт фотосинтеза – кислород. До этого свободного кислорода в атмосфере Земли не было, так как он очень сильный окислитель и не может поступать в атмосферу при дегазации магмы. Появление кислорода вызвало на Земле настоящую биохимическую революцию.

Большинство анаэробных организмов, для которых кислород оказался ядом, погибли. Зато начали появляться новые аэробные, освоившие кислородное дыхание, то есть научившиеся использовать кислород для получения энергии. Для этого понадобилась небольшая модификация аппарата фотосинтеза. У цианобактерий до сих пор перенос электрона и в процессе фотосинтеза, и при дыхании осуществляется одними и теми же белковыми комплексами.

 

        Кислородное дыхание.

При окислении кислородом выделяется сразу много энергии, и такой взрыв для организма был бы губителен. Поэтому были созданы специальные ферменты, составляющие дыхательную цепь, и высвобождающие энергию постепенно, небольшими порциями. Можно провести аналогию с бензином: разлитый на земле и подожженный, он мгновенно вспыхнет без всякой пользы. А в автомобиле, сгорая понемногу, бензин будет несколько часов совершать полезную работу. Но для этого требуется такое сложное устройство, как двигатель. В живой клетке такой энергетической станцией являются митохондрии.

Аэробные организмы способны извлекать из пищи значительно больше энергии, чем анаэробные. В цитоплазме при бескислородном расщеплении одной молекулы глюкозы синтезируются две молекулы АТФ. Далее отходы гликолиза (у животных это молочная кислота) попадают в митохондрии, где окисляются кислородом, и при этом синтезируются еще 36 молекул АТФ. То есть кислородное дыхание позволяет получить чуть ли не в 20 раз больше энергии по сравнению с бескислородным.

 

      Преображение биосферы.

Биохимическая революция была не очень быстрой, мир еще полтора миллиарда лет оставался анаэробным. Об этом свидетельствует наличие в соответствующих отложениях конгломератов из пирита (FeS2). То, что столь легко окисляемое вещество, как пирит, осталось неокисленным, свидетельствует о практически бескислородной атмосфере. Сообщества фотоавтотрофов формируют в это время лишь своеобразные кислородные оазисы в бескислородной пустыне. За их пределами кислород очень быстро вступал в реакции с различными растворенными в морской воде веществами, особенно с железом. И пока все это железо не окислилось и не выпало в осадок, образовав крупнейшие джеспилитовые залежи железных руд, концентрация кислорода в воде и воздухе оставалась низкой. К счастью, железа из магмы поступало все меньше, так как тяжелое железо оседало в ядро планеты. И 2 млрд лет назад цианобактерии смогли закончить свою титаническую работу по окислению железа в океане. Джеспилитовые руды с этого момента больше не встречаются.

К этому моменту в атмосфере было уже более 1% кислорода. Биосфера «вывернулась наизнанку», и вместо кислородных «карманов» появились анаэробные «карманы» в местах разложения органики. Не приспособившиеся к новым реалиям организмы вымерли или скрылись с поверхности планеты в глубине вод и под землей. Радикально изменилась атмосфера. Метан CH4 превратился в углекислый газ CO2, а аммиак NH3 в азот N2. Сформировался озоновый слой, защищающий от ультрафиолетового излучения. Жизнь началась бурно развиваться в значительно более безопасной среде, для организмов открылся путь на сушу.

И всем этим мы обязаны цианобактериям, которые до сих пор сохраняют эксклюзивное право на кислородный фотосинтез. Кроме них так никто и не научился извлекать кислород из воды. Растения осуществляют фотосинтез при помощи особых органелл — пластид, которые суть не что иное, как симбиотические цианобактерии Когда-то цианобактерии вступили в симбиоз с предками растений, и хотя с тех пор они сильно изменились, но все-же вполне узнаваемы, и сохранили, например, способность к размножению. Так что растения даже называют просто удобными домиками для цианобактерий, и еще неизвестно, кто в этом союзе главный.

<- Глава 3 Глава 5 ->

 

Понравилась статья? Поделись с друзьями.

Оставить комментарий

3 + 3 =