ЦИАНОБАКТЕРИИ СПОСОБНЫ ФИКСИРОВАТЬ УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ И АЗОТ

Самые ранние стадии метаболизма появились в ходе эволюции для того, чтобы восполнить недостачу органических молекул, образовавшихся еще в пребиотических условиях. Что же произошло, когда запас подобных соединений полностью истощился? В этих условиях значительное преимущество при отборе должны были приобрести организмы, способные использовать атомы углерода и азота из атмосферы. о углекислый газ и молекулярный азот хотя и имеются в изобилии, очень стабильны. Их превращение в доступную для усвоения форму (органических молекул, таких, как простые сахара) требует большого количества энергии и значительного числа сложных химических реакций.

Для использования углекислого газа в ходе эволюции возник механизм фотосинтеза, в процессе которого он превращается в органическое соединение за счет энергии солнечного излучения. Взаимодействие солнечного света с пигментной молекулой -- хлорофиллом -- переводит электрон в более высокое энергетическое состояние. Энергия, высвобождаемая при обратном переходе электрона на более низкий энергетический уровень, направляется молекулами белка на проведение химических реакций.

По всей вероятности, одной из первых реакций с использованием солнечного света было фосфорилирование нуклеотидов с образованием АТР-богатого энергией соединения. Другой важный этап в ходе эволюции-создание "восстановительной силы" (восстановительных эквивалентов). Дело в том, что атомы азота и углерода в СО₂ и N₂ атмосферы находятся в инертном окисленном состоянии, и один из путей сделать их более реакционноспособными, с тем чтобы они могли участвовать в биосинтезе, - это восстановить их, т.е. передать им электроны. Восстановление идет следующим образом. Хлорофилл, используя энергию солнечного света, отбирает электроны у слабых доноров электронов и переносит их на сильные доноры электронов, которые в свою очередь используются для восстановления СО₂ и N₂. Анализ механизмов фотосинтеза у современных бактерий позволяет сделать вывод о том, что одним из первых источников электронов был сероводород, и конечным продуктом обмена (метаболическим отходом) должна была быть элементарная сера. Значительно позже развился куда более сложный, но, как оказалось, более полезный процесс "извлечения" электронов из кислорода. В результате в качестве отхода в земной атмосфере начал накапливаться кислород.

В современном мире основной путь, по которому углерод и азот включаются в органические молекулы и поступают в биосферу, реализуется в процессе жизнедеятельности цианобактерии (называемых также синезелеными водорослями). К этой группе относятся наиболее автономные из ныне живущих организмов. Они способны "фиксировать" углекислый газ и азот и существовать только за счет воды, воздуха и солнечного света, причем механизмы, с помощью которых это достигается, в своих общих чертах, по-видимому, не изменились более чем за 1 млрд. лет. Вместе с другими бактериями, обладающими некоторыми из этих способностей, цианобактерии создали условия, в которых могли развиваться более сложные типы организмов: как только одна группа организмов преуспела в синтезе всего диапазона органических компонентов клетки из неорганических веществ, другие организмы получили возможность существовать, питаясь первичными продуцентами и продуктами их жизнедеятельности.