Хемосинтез или возможна ли жизнь без солнечного света? - Хемосинтез и фотосинтез как источники жизненной энергии
Оказалось, что в глубинах океана существуют места, где жизнь в буквальном смысле бьет ключом. Удивительно богатые сообщества возникают там, где из разломов земной коры вырываются струи кипящей воды, насыщенной всевозможными химическими соединениями.
Разумеется, морские обитатели живут не в самом подводном гейзере - температура кипения воды при таком давлении может достигать 400ОС! Зато обычная температура на дне океана - всего 2-4ОС. Так что живые организмы могут выбирать себе условия по вкусу - некоторые из обитающих здесь бактерий выдерживают температуру более 100О, отдельные беспозвоночные - более 50О, но наибольшая плотность жизни сосредоточена все же там, где температура воды составляет 10-20ОС.
Однако температура температурой, а чем же питаются обитатели здешних сообществ, прозванных учеными "подводными райскими садами"? Вода подводных горячих источников, как впрочем и многих гейзеров на суше, содержит большое количество сероводорода. Это вещество, содержащее атом серы в восстановленном виде, легко окисляется с выделением большого количества энергии. При наличии определенных систем ферментов эту энергию можно утилизировать, использовав ее для синтеза АТФ. А энергия АТФ, в свою очередь, может быть использована для восстановления углерода и синтеза "обычных" питательных веществ (углеводов) из углекислого газа.
Необходимые ферментные системы имеются у ряда видов бактерий. Подобно зеленым растениям, они являются автотрофными организмами, самостоятельно создающими органическое вещество из неорганического. Однако, если растения относятся к группе фототрофов, т. е. используют для начального синтеза АТФ энергию солнечного света (фотосинтез), то серные бактерии живут за счет хемосинтеза и называются хемотрофами. Точнее - хемолитотрофами, чтобы подчеркнуть, что источником жизненной энергии для них является окисление простых неорганических веществ, совершенно бесполезных, а иногда и ядовитых для других организмов. А вот комплекс дальнейших реакций, приводящих к синтезу углеводов из углекислого газа - так называемый цикл Кальвина - у зеленых растений и серобактерий практически одинаков.
Но могут ли автотрофные бактерии выполнять роль продуцентов в "подводных райских садах" - сообществах, отличающихся довольно большой биомассой и разнообразием входящих в них видов? Конечно, они синтезируют углеводы и их количество в воде может быть очень высоким. Но ведь бактерии гораздо мельче даже одноклеточных водорослей и питаться ими не так-то просто для многоклеточных животных.
Однако разнообразие форм жизни и биологических связей на Земле уже не раз поражало воображение ученых. Так случилось и на этот раз. Оказалось, что основные обитатели глубоководных гидротермальных экосистем и не пытаются ловить или отфильтровывать плавающих вокруг бактерий, а просто поселяют их в своем теле. Так возникает удивительная форма симбиоза, заставляющая вспомнить о гипотезе, согласно которой хлоропласты зеленых растений - это потомки фотосинтезирующих бактерий, съеденных, но непереваренных в свое время какими-то гетеротрофными одноклеточными организмами. Правда, хемотрофные бактерии живут не внутри клеток, а просто в теле своих хозяев, но все-таки и в этом случае организмы-хозяева практически перестают нуждаться во внешнем источнике пищи.
Наиболее удивительными из таких животных являются организмы, относящиеся к типу погонофор (Pogonophora) - в процессе эволюции они совершенно утратили пищеварительную систему. О погонофорах - обитателях гидротермальных сообществ, мы уже рассказывали в нашей газете1. Однако в одном рассказе трудно охватить все сложные проблемы, которые поставили перед учеными эти необыкновенные живые организмы. Кроме того, исследования продолжаются и получены новые данные, о которых мы и хотим рассказать вам.
Основные обитатели глубоководных гидротерм, те самые поражающие воображение гигантские "черви" - погонофоры Riftia pachyptila Из отдельного класса погонофор-вестиментифер (Vestimentifera).
Мешковидное тело этих своеобразных животных заключено в трубку, стенки которой состоят из белка и хитина. Задний конец трубки прикрепляется к субстрату, а из переднего высовывается ярко-красный венец щупалец, выполняющих функцию жабр. Рта у вестиментифер, как и у всех погонофор, нет, зато имеется совершенно особый орган - Трофосома (Буквально - Питающее тело). Именно в нем обитает множество хемосинтезирующих бактерий, частично переваривая которых, рифтия и получает необходимые для жизни питательные вещества.
Однако для того, чтобы снабжать своего хозяина пищей, бактерии должны в достаточных количествах получать необходимые для хемосинтеза вещества. И в первую очередь - сероводород. Доставить его к заключенным в трофосоме бактериальным клеткам - это уже задача самой рифтии. И задача, прямо скажем, далеко не простая. Ведь сероводород - очень ядовитое вещество, практически у всех животных он блокирует дыхание, занимая места связывания кислорода на молекулах гемоглобина и инактивируя важный дыхательный фермент - цитохром-с-оксидазу.
Однако вестиментиферы отлично живут при таких концентрациях сульфида в окружающей среде, которые для большинства живых организмов смертельны. Мало того, их ярко-красные щупальца-жабры улавливают в воде и передают в кровь (на долю крови у этих животных приходится более 30% общего объема тела) одновременно и кислород, нужный для дыхания самих погонофор, и сероводород, необходимый питающим их бактериям.
Фотосинтез хемосинтез жизненная энергия
Исследования показали, что гемоглобин вестиментифер совершенно не похож на гемоглобин большинства других живых существ. Его молекула очень крупная (молекулярная масса составляет 2 млн дальтон (Да), в то время как молекулярная масса гемоглобина человека - 64000 Да). При этом гемоглобин вестиментифер содержится в плазме крови в свободном виде, а не заключен внутри эритроцитов, как у позвоночных животных. Но не это главное.
При хемосинтезе энергия извлекается бактериями из сероводорода. В районах гидротермальных выходов сероводород поглощается погонофорами, которые передают его эндосимбиотическим бактериям. В них сероводород окисляется, что и дает энергию для цикла Кальвина. Конечные продукты включаются в пищевую цепь
Гемоглобин рифтий способен одновременно связывать и кислород, и сероводород - молекулы этих веществ присоединяются к большой молекуле гемоглобина в разных участках. Таким образом решаются сразу две задачи - сульфид не нарушает дыхание животного и при этом не окисляется кислородом до попадания в бактериальную клетку. Подобная реакция, вполне возможная при одновременно высокой концентрации обоих веществ в крови, была бы сродни короткому замыканию - энергия окисления при этом выделилась бы впустую, в виде бесполезного тепла.
Интересно, что вестиментиферы не способны передавать живущих в их организме бактерий потомству. Личинки рифтий не имеют симбионтов, но зато обладают ртом и развитым кишечником. На ранних стадиях развития они свободно плавают и переносятся морскими течениями. Если обстоятельства сложатся удачно и личинка попадет в место, где обитают подходящие хемосинтезирующие бактерии, она заглатывает их. После этого пищеварительный тракт молодой вестиментиферы редуцируется, она прикрепляется к субстрату и начинает вести образ жизни, характерный для взрослых особей.
Если личинку рифтии отнесет в сторону от горячего источника, шансов выжить у нее немного. Впрочем и сами такие источники существуют недолго - от нескольких десятилетий до несколько лет. А потом рифтиям, точнее их личинкам, волей-неволей приходится искать себе новую территорию. Благо в зонах разломов океанской коры новые гейзеры возникают довольно регулярно.
Если рифтии - специализированные обитатели гидротермальных сообществ, то другие виды вестиментифер могут встречаться там, где сероводород и кислород соседствуют в окружающей среде по другим причинам. Такими местами являются крупные скопления разлагающегося органического вещества на морском дне. Например, трупы китов или затонувшие суда, перевозившие грузы пищевых продуктов. В холодной воде процессы разложения органики могут продолжаться десятилетиями. Наконец, существуют и такие вестиментиферы, которые содержат в своем теле не серобактерии, а микроорганизмы, окисляющие углеводороды, например метан. Такие погонофоры селятся в местах подводных выходов нефти и газа, длительность существования которых неизмеримо выше, чем подводных гейзеров. Исследования, проведенные в последнее время, показали, что некоторые из обитающих здесь погонофор, например, представители рода Lamellibrachia, могут считаться самыми долгоживущими неколониальными животными в мире. Скорость прироста их трубок такова, что особи, достигающие 2-метровых размеров - а такие отнюдь не редкость, могут иметь возраст 170-250 лет! До сих пор рекордсменом по этой части считались представители мира позвоночных - гигантские слоновые черепахи, одна из которых была поймана в возрасте 177 лет.
Но вернемся к сообществам, возникающим вокруг горячих глубоководных источников. Хотя рифтии являются преобладающими по численности многоклеточными, живущими здесь, симбиоз с хемотрофными бактериями свойствен не только им. Исследования показали, что подобным же образом получают пищу и двустворчатые моллюски двух обитающих около гидротермальных выходов видов - Calyptogena magnifica и Bathymodiolus termophilus.
У Calyptogena серобактерии поселяются на жабрах, где они могут легко получать необходимые им кислород и углекислый газ. Однако сероводорода в окружающей жабры моллюска воде относительно немного - в отличие от рифтий, гемоглобин Calyptogena Необратимо инактивируется сульфидом. Так, чтобы иметь возможность и есть, и дышать, моллюскам приходится располагаться на границе чистой воды и исходящих из источника струй, насыщенных химическими соединениями. В такую струюCalyptogena опускает свою далеко вытягивающуюся ногу.
В крови моллюска присутствует особый транспортный белок, способный лучше гемоглобина и цитохром-с-оксидазы связывать сероводород и тем самым предотвращающий блокирование дыхания. С помощью этого белка сульфид и переносится с током крови от места поглощения к бактериальным клеткам на жабрах, не окисляясь и не отравляя по дороге самого моллюска.
Сульфид для большинства живых организмов ядовит. Он нарушает дыхание, так как, во-первых связывается с гемоглобином крови, а во-вторых, ингибирует дыхательный фермент цитохром-с-оксидазу (рис.1). У животных, обитающих на дне океана, там где вода богата сероводородом, выработались особые приспособления, позволяющие избежать сульфидного отравления.
У представителей второго вида двустворчатых, Bathymodiolus thermophilus, особенности транспорта H2S не изучены, известно только, что и у них серобактерии поселяются на жабрах. Оба вида моллюсков, по-видимому, уже не способны питаться самостоятельно, без помощи симбионтов, и на тех участках дна, где выход содержащих сероводород горячих источников прекратился, эти животные погибают.
Остальные многоклеточные обитатели гидротермалей, во всяком случае крабы, креветки и рыбы, питаются обычным образом. Они либо отфильтровывают мелкие пищевые частицы (в том числе и бактерий) из воды, либо хищничают, обкусывая, например щупальца рифтий.
Однако и таким животным приходится вырабатывать определенные приспособления для жизни в столь специфических условиях. Крабы, например, способны нейтрализовать ядовитый сероводород, окисляя его до менее токсичного тиосульфата. Происходит этот процесс в гепатопанкреасе - специальной ткани, по своим функциям сходной с печенью позвоночных животных.
В общем, подводные "райские сады" являются удивительными, совершенно необычными экосистемами, механизмы адаптации членов которых изучены еще далеко не полностью.
Похожие статьи
-
Энергию, необходимую для жизнедеятельности (движения, выделения различных веществ), высвобождают все организмы постепенным распадом органических веществ,...
-
Хемосинтез - синтез органических соединений из неорганических веществ с использованием химической энергии, выделяющейся в реакциях окисления...
-
Трансформация веществ и энергии в пищевых цепях - Материальная сущность жизни
Из материала предыдущего параграфа следует, что гетеротрофные организмы получают с органической пищей солнечную энергию, но преобразованную зелеными...
-
Итак, материальная, физико-химическая сущность жизни проявляется, прежде всего, в непрерывном обмене веществ и энергии, который происходит между живой...
-
Круговорот веществ в биогеоценозе - необходимое условие существования жизни. Он возник в процессе становления жизни и усложнялся в ходе эволюции живой...
-
Введение - Абиотические факторы среды. Свет
Абиотические факторы среды (факторы неживой природы) - это комплекс условий внешней среды, оказывающих прямое или косвенное влияние на растения....
-
Введение в биологию - Введение в физиологию
Биология (от греч. bios-жизнь, logos-понятие, учение) - это наука, изучающая живые организмы. Развитие этой науки шло по пути последовательного упрощения...
-
Химическая эволюция - Зарождение жизни в горячей воде
Химическая эволюция или пребиотическая эволюция - этап, предшествовавший появлению жизни, в ходе которого органические, пребиотические вещества возникли...
-
Всякий труд без отдыха не может быть продуктивным, рано или поздно он вызывает утомление. Возникающее умственное утомление может способствовать ухудшению...
-
Возможные последствия клонирования человека - Клонирование
Споры по поводу запрещения клонирования чуть было не привели к свертыванию проекта Уилмута, но ученым удалось отстоять результаты своей работы и...
-
Умер 5 декабря 1881 г. Незадолго до смерти он сделал еще одно открытие -- предложил новый способ бальзамирования умерших. Именно по этой методике было...
-
Обмен веществ и энергии - Строение системы пищеварения
Обмен веществ и энергии - это поступление в организм из внешней среды различных веществ, усвоение и изменение их, выделение образующихся продуктов...
-
Важное место в ритме ежедневного отдыха занимает сон. За последние годы несколько изменились взгляды на сон, как полный отдых мозга. Исследователи пришли...
-
Теория Вехтерхойзера - Зарождение жизни в горячей воде
Геотермальный химический вехтерхойзер Теория железосерного мира Особенно интенсивная форма содействия минералов и горных пород пребиотическому синтезу...
-
Понятие о здоровом образе жизни - Здоровьесберегающие технологии в образовательном процессе
Здоровье человека зависит от его образа жизни. Как считают некоторые исследователи, здоровье человека на 60 % зависит от его образа жизни, на 20 % - от...
-
Организменная среда - Основные среды жизни и их характеристики
Организм может также служить средой обитания - для паразитов и симбионтов (симбиоз - совместное, взаимовыгодное сожительство организмов). Например,...
-
Звуки преследуют нас всегда, и спастись от них невозможно, потому что матушка-природа об этом, увы, не позаботилась. Кстати, приятные звуки человеческому...
-
Семейство: бромелиевые. - Экологические группы растений по отношению к свету, воде и теплу
Гузмания: растение образует розетку длинных цель-нокрайних изогнутых листьев. Верхние листья на цветоносе (прицветники) ярко-красные или оранжевые до 4...
-
Теория спонтанного зарождения - Теории возникновения жизни
Эта теория была распространена в древнем Китае, Вавилоне и Египте как альтернатива креационизму, с которым она сосуществовала. Аристотель (384 - 322 до...
-
Виды клеточной смерти - Биологические механизмы жизненного цикла клетки
Гибель (смерть) отдельных клеток или целых их групп постоянно встречается у многоклеточных организмов, также как гибель одноклеточных организмов. Причины...
-
Особенности питания растущего организма - Возрастная биохимия
Обязательным условием нормального роста и развития организма, повышения уровня физической работоспособности, профилактики заболеваний является...
-
Обмен белков - Питательные вещества
После расщепления белков в пищеварительном тракте образовавшиеся аминокислоты всасываются в кровь. В кровь всасывается также незначительное количество...
-
Земля - уникальная планета, она находится на единственно возможном расстоянии от Солнца, которое определяет такую температуру поверхности Земли, при...
-
Введение, Белки - Анализ пищевых веществ, необходимых для организма человека
Организм человека состоит из белков (19,6 %), жиров (14,7 %), углеводов (1 %), минеральных веществ (4,9 %), воды (58,8 %), Он постоянно расходует эти...
-
Роль витаминов в построении ферментов
Витамины - это низкомолекулярные органические вещества самого разнообразного строения, которые не синтезируются в организме, но являются жизненно...
-
Энергия и происхождение жизни на Земле, Образование малых молекул - Возникновение жизни на Земле
В процессе гравитационного коллапса звезд гравитационная энергия превращается в тепло и энергию световых квантов, инициируя реакцию слияния протонов в -...
-
Обмен веществ и энергии - физико-химическая основа жизни - Материальная сущность жизни
Живая материя имеет в основе те же физические свойства, что и неживая. В традиционном понимании материя представляет совокупность вещества и поля,...
-
В настоящее время оценка генетической структуры различных популяций осуществляется с использование биологических и небиологических источников информации,...
-
Упражнения, способствующие профилактике влияния неблагоприятных факторов труда, объединяются в комплексы оздоровительно-профилактической гимнастики,...
-
Механизм развития эпидемического процесса, Источник инфекции - Пути передачи кишечных инфекций
Источник инфекции Источником инфекции является человек - больной (с разной степенью выраженности заболевания) и носители. По имеющимся данным, вибрион...
-
Сущность живого, его основные признаки - Развитие понятия "жизнь"
Понятие жизнь совпадает с предметом биологии как целостной научной системы (био-логия - наука о живом). Многие ученые склоняются к мысли о том, что...
-
Энергия - Естествознание - единая наука о природе
Земля планета солнечной энергии. "Живая сила" Лейбница. Основы термодинамики. Энтропия. Демон Максвела. На нашей планете основным источником энергии...
-
Введение - Возникновение жизни на Земле
Проблема происхождения жизни приобрела сейчас неодолимое очарование для всего человечества. Она не только привлекает к себе пристальное внимание ученых...
-
ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ - Анатомия, конспект лекций
Характеризуя обмен веществ, следует: - подчеркнуть, что обмен веществ и энергии - это одно из наиболее существенных свойств жизни; - дать определение...
-
Особое значение имеет режим дня. При правильном и строгом его соблюдении вырабатывается четкий ритм функционирования организма. А это в свою очередь...
-
Гипотеза самозарождения - Возникновение жизни на Земле
Эта теория была широко распространена в Древнем мире - Вавилоне, Китае, Древнем Египте и Древней Греции (этой теории в частности придерживался и развивал...
-
Водная среда - Основные среды жизни и их характеристики
В соответствии с современными гипотезами происхождения жизни принято считать, что эволюционно первичной средой на нашей планете была именно водная среда....
-
Наземно-воздушная среда - Основные среды жизни и их характеристики
Наиболее сложной по экологическим условиям является наземно-воздушная среда. Здесь, на границе двух земных оболочек, обитает подавляющее большинство...
-
Натуральная гигиена, в отличие от медицины, предлагает не узкую специализацию: не лекарства и яды, а изучение законов всеобъемлющей природы, комплексное...
-
Гипотеза А. И. Опарина. - Гипотеза Опарина, развитие жизни на земле
Среди современных теорий происхождения жизни на Земле, наиболее обоснованной является теория академика А. И. Опарина. Наиболее существенная черта...
Хемосинтез или возможна ли жизнь без солнечного света? - Хемосинтез и фотосинтез как источники жизненной энергии