Cyanobacteria kết hợp trong một tế bào quang hợp và cố định nitơ khí quyển • Alexander Markov • Tin tức khoa học về "Yếu tố" • Khoa học đời sống

Cyanobacteria kết hợp trong một tế bào quang hợp và cố định nitơ khí quyển.

Vi khuẩn lam Synechococcus trong quá trình chia. Vi khuẩn này quang hợp trong ngày và thu giữ nitơ khí quyển vào ban đêm (ảnh từ www.lbl.gov)

Cyanobacteria – nhà phát minh ra quang hợp oxy và những người tạo ra bầu không khí oxy của Trái Đất – hóa ra lại trở thành những “nhà máy sinh hóa” linh hoạt hơn những suy nghĩ trước đây. Hóa ra là chúng có thể kết hợp quang hợp và cố định nitơ khí quyển trong cùng một quá trình tế bào mà trước đây được coi là không tương thích.

Cyanobacteria, hoặc, như chúng thường được gọi là tảo xanh lục, đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của sinh quyển. Họ đã phát minh ra loại quang hợp hiệu quả nhất – quang hợp oxy, đi kèm với việc giải phóng oxy. Sự quang hợp anoxygenic cổ hơn, xảy ra với việc giải phóng lưu huỳnh hoặc sunfat, chỉ có thể xảy ra khi có mặt các hợp chất lưu huỳnh giảm (như hydrogen sulfide) – các chất khá khan hiếm. Do đó, quang hợp anoxygenic không thể đảm bảo sản xuất chất hữu cơ trong một lượng cần thiết cho sự phát triển của nhiều loại dị dưỡng (người dùng hữu cơ), kể cả động vật.

Heterocysts tròn trong số các tế bào quang hợp hình trụ trong thuộc địa dạng sợi của vi khuẩn lam (ảnh botit.botany.wisc.edu)

Cyanobacteria đã học cách sử dụng nước đồng bằng thay vì hydrogen sulphide, đã cung cấp cho chúng phân bố rộng và sinh khối rất lớn. Một tác dụng phụ của hoạt động của họ là độ bão hòa của khí quyển với oxy. Nếu không có cyanobacteria, sẽ không có thực vật, bởi vì tế bào thực vật là kết quả của sự cộng sinh của một sinh vật đơn bào không quang hợp với vi khuẩn cyanobacteria. Tất cả các cây thực hiện quang hợp bằng cách sử dụng các bào quan đặc biệt – plastid, không có gì khác ngoài vi khuẩn cộng sinh cyanobacteria. Và vẫn chưa rõ ai là người phụ trách cộng sinh này. Một số nhà sinh học nói rằng, bằng cách sử dụng ngôn ngữ ẩn dụ, rằng thực vật chỉ là "nhà" thuận tiện cho vi khuẩn sống cyanobacteria.

Suối nước nóng ở Vườn quốc gia Yellowstone. Dọc theo các cạnh của hồ chứa, thảm cyanobacteria phát triển, trong đó vi khuẩn lam Synechococcus đóng vai trò của nhà sản xuất chính chất hữu cơ (ảnh từ www.carnegieinstitution.org)

Cyanobacteria không chỉ tạo ra sinh quyển “hiện đại”, mà cho đến ngày nay tiếp tục duy trì nó, tạo ra oxy và tổng hợp chất hữu cơ từ carbon dioxide. Nhưng điều này không làm giảm trách nhiệm của họ trong chu kỳ sinh quyển toàn cầu.Cyanobacteria là một trong số ít những sinh vật sống có thể khắc phục nitơ trong khí quyển, biến nó thành một dạng có thể tiếp cận được với mọi sinh vật sống. Sự cố định nitơ là hoàn toàn cần thiết cho sự tồn tại của sự sống trần gian, và chỉ vi khuẩn mới có thể mang nó ra, và đó không phải là tất cả.

Vấn đề chính phải đối mặt với vi khuẩn cyanobacteria cố định đạm là các enzym chính của cố định đạm, nitrogenase, không thể hoạt động khi có sự hiện diện của oxy, được giải phóng trong quá trình quang hợp. Do đó, vi khuẩn cyanobacteria cố định đạm phát triển một bộ phận chức năng giữa các tế bào. Những loại vi khuẩn cyanobacteria này tạo thành các khuẩn lạc dạng sợi, trong đó một số tế bào chỉ tham gia vào quá trình quang hợp và không cố định nitơ, những tế bào khác – được phủ một lớp dày đặc "heterocyst" – không quang hợp và chỉ đối phó với cố định đạm. Hai loại tế bào này, tất nhiên, được trao đổi giữa các sản phẩm mà chúng sản xuất (chất hữu cơ và các hợp chất nitơ).

Thảm vi khuẩn Cyano trong cắt. Lớp màu xanh lá cây trên cùng bao gồm cyanobacteria Synechococcus. Thảm vi sinh là các cộng đồng phức tạp bao gồm nhiều vi sinh vật khác nhau có chức năng sinh hóa.Những tấm thảm như vậy, ở nhiều khía cạnh tương tự như toàn bộ sinh vật, là dạng sống chủ đạo trong thời kỳ Archean và Proterozoic. Ảnh từ www.carnegieinstitution.org

Cho đến gần đây, người ta tin rằng không thể kết hợp quang hợp và cố định nitơ trong cùng một tế bào. Tuy nhiên, vào ngày 30 tháng 1, Arthur Grossman và các cộng sự của ông tại Viện Carnegie (Washington, Mỹ) đã báo cáo một khám phá quan trọng cho thấy rằng các nhà khoa học cho đến nay đã đánh giá thấp khả năng trao đổi chất của vi khuẩn cyanobacteria. Hóa ra là cyanobacteria của chi sống trong suối nước nóng Synechococcus (nguyên sinh, cổ đại, cực kỳ phổ biến vi khuẩn đơn bào thuộc chi này) quản lý để kết hợp cả hai quá trình trong tế bào duy nhất của họ, chia chúng trong thời gian. Trong ngày chúng quang hợp, và vào ban đêm, khi nồng độ oxy trong cộng đồng vi sinh vật (cyanobacterial mate) giảm mạnh, chúng chuyển sang cố định nitơ.

Việc khám phá ra các nhà khoa học Mỹ không phải là một bất ngờ hoàn toàn. Trong bộ gen của một số loài được đọc trong những năm gần đây Synechococcus gen của các protein liên quan đến cố định đạm đã được tìm thấy. Tất cả những gì còn thiếu là bằng chứng thực nghiệm cho thấy những gen này thực sự hoạt động.

Do đó, chúng tôi đã tìm ra nơi thảm vi sinh vật nhiệt, sống ở nhiệt độ không thích hợp cho sự phát triển của vi khuẩn cyanobacteria cố định đạm thông thường với heterocyst, được lấy từ đó. Ngoài ra, khám phá này cho phép bạn có cái nhìn mới mẻ về các giai đoạn cổ xưa nhất của sự phát triển của sự sống vi khuẩn trên hành tinh của chúng ta. Sau khi tất cả, các hóa thạch còn lại được biết đến đầu tiên của các sinh vật sống (tuổi của chúng là khoảng 3,5 tỷ năm) giống như vi khuẩn đơn bào gần với Synechococcus.

Các vi sinh vật hóa thạch lâu đời nhất ở độ tuổi 3,5 tỷ năm từ Nam Phi giống với vi khuẩn đơn bào (hình ảnh từ macroevolution.narod.ru)

Nguồn gốc của: Vi khuẩn nóng mùa xuân Lật chuyển đổi chuyển hóa.

Xem thêm:
B. V. Gromov. Cyanobacteria trong sinh quyển.
Vi khuẩn hóa thạch.
Nguồn gốc của cuộc sống. Sinh quyển Prokaryotic.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Trả lời

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: