Факультет

Студентам

Посетителям

Аэробиоз у микробов

Выделение микробами кислорода, начавшееся в протерозое и продолжающееся доныне, имело колоссальные последствия. Накопление кислорода в атмосфере в результате использования воды как донора водорода в микробном фотосинтезе привело не только к коренному изменению хода эволюции, но и к преобразованию всей поверхности планеты.

В настоящее время доминирующим формам жизни необходим кислород. Все представители растительного и животного царств — облигатные аэробы; они погибают, если содержание кислорода в окружающей среде падает ниже того диапазона концентраций, к которому они приспособлены. Многие кишечные паразиты вторично вернулись к анаэробиозу. На этом основан один из методов дегельминтизации-насыщение кишечника кислородом. Среди грибов и протоктистов виды, весь жизненный цикл которых проходит в отсутствие кислорода, редки; среди прокариот, однако, они обычны. Многие роды прокариот состоят исключительно из строгих анаэробов; другие включают как анаэробные, так и аэробные виды, а отдельные штампы могут обладать способностью расти как в отсутствие, так и в присутствии кислорода; и наконец, есть роды, состоящие только из облигатных аэробов, в том числе микроаэрофилов — организмов, приспособленных к росту при концентрациях O2 ниже, чем в нынешней атмосфере.

Для эукариот нельзя составить список: все организмы, обладающие митохондриями, строгие аэробы. Очень немногие высшие эукариоты, протоктисты и грибы толерантны к анаэробным условиям, однако в таких условиях митохондрии съеживаются (иногда становясь невидимыми) и перестают функционировать. Эта дедифференцировка обратима — организм способен восстанавливать свои митохондрии. У многих протистов, живущих как симбионты термитов, митохондрий вообще нет. Некоторые свободноживущие амебы тоже не имеют митохондрий и превосходно живут в иле в отсутствие кислорода. К бескислородным условиям приспособился и ряд инфузорий, обитающих в песке. Так как анаэробные эукариоты произошли от аэробных предков, анаэробиоз у них — эволюционно вторичное состояние. Хотя некоторые растения и животные могут временно переносить отсутствие O2, нет данных о прохождении каким-либо растением или животным полного жизненного цикла в бескислородных условиях.

Распределение прокариот по их отношению к атмосферному кислороду легче всего понять, исходя из представления о том, что растущая концентрация кислорода была существенным селективным фактором в то время, когда происходили важнейшие процессы адаптивной радиации прокариот. На то, что толерантность к кислороду и в дальнейшем способность к его утилизации выработались конвергентно в нескольких линиях прокариот, указывает тот факт, что разные типы отношения к кислороду встречаются в группах близко родственных форм, например у актинобактерий. Хотя большинство цианобактерий использует O2, на некоторые виды Phormidium кислород, который они сами выделяют, может оказывать токсическое действие. Существование множества облигатных аэробов в царстве Monera говорит о том, что дивергентная эволюция прокариот продолжалась во время и после образования окислительной атмосферы.

Единственным источником накопления О2 в протерозойской атмосфере около 2 млрд лет назад мог быть биологический фотосинтез. Таким образом, токсичная кислородная среда, к которой должны были приспосабливаться организмы, создавалась ими самими. В середине протерозоя эти организмы были прокариотами.

Почему кислород токсичен? Каковы способы защиты от его отравляющего действия? По-видимому, на эти вопросы нет однозначных ответов. С кислородом реагируют многие молекулы, образуя короткоживущие токсичные продукты, такие как супероксидные (O2-) и гидроксильные (ОН) радикалы и синглетный кислород (О). Некоторые механизмы отравления кислородом связаны с образованием перекиси водорода, которая окисляет такие повсеместно распространенные метаболиты, как липоевая кислота и ацетил-кофермент А. Кроме того, кислород ингибирует флавопротеиды, содержащие железо и сульфгидрильные группы; он реагирует с углерод-углеродными двойными связями и соответственно атакует полиненаыщенные жирные кислоты. Интактность этих белков и липидов необходима для репликации клеток. Высказывалось предположение, что некоторые классы соединений первоначально возникли в процессе эволюции как средства защиты от воздействия повышающейся концентрации кислорода: люциферины, которые излучают свет в ходе ферментативных реакций и реагируют с кислородом таким образом, что токсичные радикалы не образуются; супероксиддисмутазы — железо-, марганец- или медьсодержащие ферменты, расщепляющие супероксидные радикалы; некоторые изопреноиды и производные порфирина. Биолюминесценция привлекала внимание исследователей в течение более чем полувека. Свет могут излучать бактерии, динофлагелляты, светляки, грибы, кишечнополостные, пиросомы (из оболочников) и рыбы. Какова физиологическая основа этого холодного свечения?

Одна из интерпретаций связывает биолюминесценцию с механизмом обезвреживания кислорода. Люминесцентная система бактерии Photobacterium fischerii нуждается в кислороде и чувствительна к его очень низкому давлению — 0,0005 мм рт. ст. В результате реакции образуется перекись, которая, однако, тотчас же реагирует с альдегидной формой люциферина с образованием соответствующей карбоновой кислоты и воды. В итоге токсических радикалов не образуется и излучается свет. Предполагалось, что, поскольку функция обезвреживания и в дальнейшем утилизации кислорода перешла к более прогрессивным механизмам (использование пероксидаз, каталаз, эпоксидов, флавинов, изопреноидов и т. п.), большинство организмов утратило способность к биолюминесценции.

Существование неродственных систем биолюминесценции у самых разнообразных организмов можно интерпретировать в том смысле, что они представляют собой древние, независимо возникшие механизмы обезвреживания кислорода, которые под действием отбора приобрели новые функции. Известно несколько разных систем субстрат — фермент (люциферин — люцифераза). Использование люминесценции светляками для привлечения брачного партнера — сравнительно недавнее эволюционное приобретение. С другой стороны, у некоторых эукариот сохранились люминесцентные системы, возникшие, вероятно, на ранних этапах эволюции у прокариот. Например, у рыбы Photoblepharon под глазами имеются камеры, в которых растут люминесцирующие фотобактерии. Эти камеры могут закрываться «ставнями», преграждающими путь свету. Если здоровая рыба содержит нормально функционирующих бактерий, то система в целом ведет себя как мигающий фонарь. Обнаружено много люминесцентных систем, основанных на симбиозе бактерий с животными, например с оболочниками или глубоководными рыбами, хотя в целом неясно, в какой доле случаев люминесценция эукариот обусловлена прокариотическими симбионтами.

Производные изопреноидов, широко распространенные у прокариот, синтезируются в конечном счете из ацетата. Молекулы ацетил-кофермента А соединяются последовательно с образованием промежуточного соединения — мевалоновой кислоты. Спиртовая группа мевалоновой кислоты пирофосфорилируется с последующим декарбоксилированием, в результате чего образуется универсальная биологическая изопреновая единица — изопентенилпирофосфат. Изопрен как таковой не является промежуточным продуктом при биосинтезе изопреноидов, тогда как изопентенилпирофосфат служит исходным веществом для синтеза сотен производных изопрена. К числу основных конечных продуктов биосинтеза изопреноидов у анаэробных бактерий относятся кофермент Q (убихинон), витамин К, несколько типов насыщенных и мононенасыщенных жирных кислот и другие родственные соединения. Фитол — 20-углеродный изопреноидный спирт, присоединенный к различным хлорофиллам, имеется у всех фотосинтезирующих организмов, так же как и каротиноиды — разнообразные 40-углеродные циклические изопреноидные пигменты оранжевого, желтого или красного цвета.

Насколько известно, замыкание концевых колец каротиноидов требует присутствия кислорода. Как синтезируются каротиноиды у облигатно анаэробных фотосинтетиков, остается загадкой; возможно, источником энергии для их биосинтеза служит свет. Есть данные, что каротиноиды предохраняют клетку от процессов фотоокисления. Некоторые анаэробные гетеротрофы (например, Spirochaeta aurantia) не пигментированы, если растут в анаэробных условиях, но синтезируют каротиноиды в присутствии кислорода. В то же время многие виды несерных пурпурных бактерий, факультативные анаэробы, ярко окрашены только в анаэробной среде. В присутствии кислорода у Rhodospirillaceae синтез каротиноидов подавляется и они переходят к гетеротрофному росту; в темноте они тоже не способны синтезировать каротиноиды и поэтому утрачивают пигментацию. Кислород влияет не только на синтез каротиноидов у отдельных организмов, но и на их распределение среди разных организмов. Некоторые изопреноиды представляют собой сложные изомеры, весьма стабильны и встречаются лишь у очень немногих организмов; они могут служить превосходными биохимическими и эволюционными маркерами.

Стероиды, образующиеся из изопреноида сквалена, — это в структурном отношении тоже изопреноиды. Эти сложные полициклические соединения, растворимые в липидах, входят в состав мембран всех эукариотических клеток. Клетки должны либо сами синтезировать стероиды, либо получать их извне. До недавнего времени считалось, что у прокариот синтез этих веществ полностью отсутствует; теперь известно, что некоторые аэробные метан-окисляющие бактерии синтезируют стероиды в значительных количествах (То, в печати). По-видимому, пути их синтеза появились на довольно поздних этапах эволюции метаболизма. Благодаря своей способности непосредственно реагировать с кислородом стероиды тоже могли первоначально служить для обезвреживания малых количеств O2 и лишь позднее были отобраны эволюцией как вещества, придающие пластичность мембранам.

Порфирины имеются почти у всех организмов. Высказано предположение, что они тоже возникли как средство защиты от фотоокисления, индуцируемого видимым светом.

Поскольку биосинтез дитерпеновых изопреноидов не требует никаких метаболических новшеств по сравнению с биосинтезом ацетил-кофермента А, тогда как в биосинтезе порфиринов используется сукцинат, являющийся промежуточным продуктом как при образовании аминокислот, так и в цикле Кребса; возможно, что биосинтез изопреноидов возник в процессе эволюции раньше, чем биосинтез порфиринов. Отрезок пути биосинтеза порфиринов от ацетил-кофермента А до сукцината, вероятно, возник как часть пути, ведущего через сукцинат к соответствующему семейству аминокислот. Поэтому данный анаболический путь можно считать преадаптацией к позднейшему развитию пути дыхания, так что присутствие у какой-либо прокариоты ферментов цикла Кребса само по себе еще не доказывает, что у нее функционирует этот цикл.

У всех организмов, от фотосинтезирующих бактерий до человека, начальные этапы синтеза порфиринов из сукцината, по-видимому, одинаковы независимо от деталей структуры конечного продукта. Универсальные этапы того или иного метаболического пути следует считать самыми древними; в биосинтезе порфиринов это этапы, идущие от сукцината через 8-аминолевулиновую кислоту. Понятное в эволюционном аспекте распространение среди микробов способности синтезировать порфирины (как адаптация к аэробиозу) ставит под сомнение часто упоминаемую мысль о том, что эти соединения были необходимы для химической эволюции до возникновения жизни.

Так же как люциферины, изопреноиды и порфирины можно связать с приспособлением прокариот к возрастающей концентрации кислорода, появление других классов соединений на более поздних этапах эволюции можно рассматривать как адаптацию к использованию свободного кислорода в метаболизме. Формирование аэробной среды открыло множество новых метаболических возможностей. В царстве прокариот стероиды в настоящее время синтезируются в значительных количествах только облигатно аэробными метанокисляющими бактериями и, возможно, некоторыми цианобактериями, растущими в аэробных условиях. Полиненасыщенные жирные кислоты, свойственные всем эукариотам, вероятно, впервые появились у аэробных цианобактерий. На эту мысль наводит тот факт, что у цианобактерий, когда у них вообще бывают полиненасыщенные жирные кислоты, они синтезируются в период автотрофного роста, т. е. в присутствии кислорода, образующегося в качестве отхода фотосинтеза. Синтез тетрациклина, по-видимому, осуществляют только аэробные актинобактерии, например Streptomyces. То, что синтез стероидов, полиненасыщенных жирных кислот и тетрациклинов свойствен только аэробам, видимо, означает, что приобретение способности синтезировать эти вещества было связано с доступностью молекулярного кислорода.

Эукариоты, обладающие митохондриями, либо синтезируют нужные им стероиды, либо получают их с пищей. Некоторые микоплазмы содержат стероиды, однако нет данных, что они их синтезируют. Потребность микоплазм в стероидах — вероятно, следствие их паразитической жизни в среде, богатой стероидами. Около 7% сухого веса эндоплазматической мембранной системы у эукариот приходится на стероиды; по-видимому, полиненасыщенные жирные кислоты и стероиды необходимы всем эукариотам. Без этих соединений вряд ли вообще мог бы осуществляться митоз. Так, например, хотя у дрожжей в отсутствие кислорода возможны мейоз и оплодотворение, в этих условиях у них дедифференцируются митохондрии и не происходит синтеза стероидов и полиненасыщенных жирных кислот. Без митохондрий и продуктов их аэробного метаболизма ферментирующие дрожжи не размножаются, если не получают нужных метаболитов извне. Из этих наблюдений можно сделать два вывода. Во-первых, пути синтеза полиненасыщенных жирных кислот, стероидов, тетрациклинов и других соединений, для образования которых необходим молекулярный кислород, возникли лишь после того, как в результате фотосинтеза стал доступен кислород. Во-вторых, эукариоты появились только во время или после перехода к кислородной атмосфере.

Вероятно, у каких-то фотосинтезирующих серных бактерий накопились мутации, позволившие использовать в качестве донора водорода при восстановлении CO2 воду вместо H2S. Создание фотосистемы II привело к появлению сине-зеленых и зеленых прокариот, выделяющих кислород. Этот кислород вначале никак не использовался.

В отличие от аэробных водорослей цианобактерии переносят различные условия — от анаэробных до полностью аэробных. Так, в водоемах приливной зоны Мексиканского залива, полуострова Калифорния и в районе Абу-Даби (Персидский залив) цианобактерии обычно находятся в слоях, лежащих непосредственно над местообитаниями анаэробных фотосинтезирующих бактерий, где кислорода очень мало или нет вовсе. Физиологию цианобактерий лучше всего можно понять, если предположить, что аэробиоз в этой группе возник независимо в результате метаболических новшеств, аналогичных тем, которые возникали у эубактерий, актиномицетов и архебактерий.

У цианобактерий аэробное окисление углеводов происходит только в темноте; фотосинтез, осуществляемый ими на свету — процесс анаэробный, как и у других фотосинтезирующих бактерий. Таким образом, в отличие от фотосинтезирующих эукариот (водорослей и растений), которые нормально дышат на свету, у цианобактерий фотосинтез и дыхание-взаимоисключающие процессы. Некоторые цианобактерии (например, Anacystis) чрезвычайно чувствительны к перекиси водорода. Эти физиологические различия понятны с эволюционной точки зрения: как и другие бактерии, цианобактерии эволюционировали в период, когда концентрация кислорода в окружающей среде возрастала, в то время как эукариоты, у которых произошла компартментализация функций фотосинтеза и дыхания, возникли уже в кислородном мире и поэтому были с самого начала адаптированы к нему. Взаимоотношения между фотосинтезом и дыханием у Prochloron изучены не полностью, но, по-видимому, этот организм совмещает дыхание с фотосинтезом и синтезирует гликолат так же, как растения и зеленые водоросли (R. К. Trench, 1979, личное сообщение).

Некоторые цианобактерии морфологически удивительно сходны с определенными гетеротрофными микробами. Эти микробы не содержат хлорофилла, но синтезируют каротиноиды, а многие окисляют серу до сульфата. Есть виды, которые, подобно аналогичным цианобактериям, передвигаются путем скольжения, не имея каких-либо видимых двигательных органелл, за исключением, возможно, очень мелких фибрилл, выявляемых с помощью электронного микроскопа вблизи клеточных стенок. Механизм этого движения остается загадкой; для него необходим контакт с субстратом. По-видимому, эти аэробные организмы произошли от тех цианобактерий, с которыми они сходны. Сравнение структуры цитохромов, выделенных из тех и других организмов, подкрепляют такую интерпретацию. То, что эти хемоавтотрофы, так же как и цианобактерии, используют путь фиксации CO2 с участием рибулозобисфосфат-карбоксилазы, тоже совместимо с представлением об их происхождении от цианобактерий в результате потери способности к фотосинтезу. В протерозойских отложениях найдены прямые свидетельства существования цианобактерий и, вероятно, их морфологических аналогов.

Такие хемоавтотрофные микроорганизмы, как Beggiatoa и Thiothrix, могли возникнуть в результате замены фотосинтеза хемосинтезом с использованием энергии окисления сульфида до сульфата. По такой схеме окисление сульфида, очевидно, выработалось конвергентно в нескольких линиях прокариот. То же можно сказать о других формах хемоавтотрофии и о миксотрофии — способности использовать энергию прямого окисления неорганических веществ, сопряженной с потребностью в определенном небольшом наборе органических соединений. В конце концов была достигнута вершина биосинтетических возможностей: возникло много родов облигатных аэробов — хемоавтотрофных бактерий, которые растут, используя O2 и CO2 из атмосферы, немногочисленные соли, восстановленный неорганический источник энергии и воду (например, Nitrocystis). Эти организмы даже в темноте способны синтезировать все нужные им органические вещества.

Источник: Л. Маргелис. Роль симбиоза в эволюции клетки. Пер. В.Б. Касинова, Е.В. Кунина. Под ред. Б.М. Медникова. Издательство «Мир». Москва. 1963