Question

У деяких нитчастих ціанобактерій одні клітини здійснюють реакції фіксації азоту, інші - реакції фотосинтезу. Чому ці реакції не відбуваються одночасно в одній клітині ?

Answer 1

Ответ:

Ключові ферменти азотфіксації-нітрогенази-не можуть працювати в присутності кисню, який виділяється при фотосинтезі. Тому у азотфіксуючих ціанобактерій виробилося поділ функцій між клітинами. Ці види ціанобактерій утворюють ниткоподібні колонії, в яких одні клітини займаються тільки фотосинтезом і не фіксують азот, інші — вкриті щільною оболонкою «гетероцисти» — не фотосинтезують і займаються тільки фіксацією азоту. 

*Объяснение :*

Ціанобактерії-винахідники оксигенного фотосинтезу і творці кисневої атмосфери Землі — виявилися ще більш універсальними «біохімічними фабриками», ніж раніше вважалося. З'ясувалося, що вони можуть поєднувати в одній і тій же клітині фотосинтез і фіксацію атмосферного азоту — процеси, що раніше вважалися несумісними.

Головна проблема, з якою стикаються азотфіксуючі ціанобактерії, полягає в тому, що ключові ферменти азотфіксації — нітрогенази — не можуть працювати в присутності кисню, який виділяється при фотосинтезі. Тому у азотфіксуючих ціанобактерій виробилося поділ функцій між клітинами. Ці види ціанобактерій утворюють ниткоподібні колонії, в яких одні клітини займаються тільки фотосинтезом і не фіксують азот, інші — вкриті щільною оболонкою «гетероцисти» — не фотосинтезують і займаються тільки фіксацією азоту. Ці два типи клітин, природно, обмінюються між собою виробленої продукцією (органікою і сполуками азоту). До недавнього часу вважалося, що поєднати фотосинтез і азотфіксацію в одній і тій же клітині неможливо. Однак 30 січня Артур Гроссман і його колеги з Інституту Карнегі (Вашингтон, США) повідомили про важливе відкриття, яке показує, що вчені досі сильно недооцінювали метаболічні здібності ціанобактерій. Виявилося, що живуть в гарячих джерелах ціанобактерії роду Synechococcus (до цього роду відносяться примітивні, стародавні, надзвичайно широко поширені одноклітинні ціанобактерії) примудряються поєднувати в своїй єдиній клітині обидва процеси, розділяючи їх у часі. Вдень вони фотосинтезують, а вночі, коли концентрація кисню в мікробному співтоваристві (ціано-бактеріальному мате) різко падає, перемикаються на азотфіксацію.

Відкриття американських вчених не стало повною несподіванкою. У прочитаних за останні роки геномах декількох різновидів Synechococcus були виявлені гени білків, пов'язаних з азотфіксацією. Бракувало лише експериментальних підтверджень того, що ці гени насправді працюють.

Таким чином, вдалося з'ясувати, звідки беруть азот термофільні мікробні мати, що живуть при температурах, непридатних для зростання звичайних нитчастих азотфіксуючих ціанобактерій з гетероцистами. Крім того, відкриття дозволяє по-новому поглянути на найдавніші етапи розвитку мікробного життя на нашій планеті. Адже перші відомі у викопному стані залишки живих організмів (їх вік — близько 3,5 млрд років) нагадують одноклітинних ціанобактерій, близьких до Synechococcus.

Answer 2

Один із головних факторів, який пояснює те, чому фіксація азоту та фотосинтез відбуваються в різних клітинах ціанобактерій, полягає в оптимальних умовах, необхідних для кожного процесу.

Фотосинтез відбувається у присутності світла, тому фотосинтетичні реакції здійснюються у клітинах, які мають достатній доступ до світла для здійснення фотосинтетичного процесу. Реакції фотосинтезу потребують енергії світла для перетворення вуглекислого газу та води на органічні сполуки, такі як глюкоза.

З іншого боку, фіксація азоту відбувається в умовах недостатнього доступу до кисню, оскільки кисень знижує активність фіксуючих ферментів. Тому процес фіксації азоту здійснюється у клітинах, які не виробляють кисень через фотосинтез, наприклад, в гліколізомутантних клітинах.

Таким чином, фотосинтез та фіксація азоту не відбуваються одночасно в одній клітині ціанобактерій через різні вимоги до умов для кожного з цих процесів. Розмежування цих функцій у різних клітинах дозволяє оптимізувати умови для кожного процесу та забезпечити ефективну роботу ціанобактерій у різних середовищах.