Откуда живые существа берут энергию: живучие бактерии, драгоценный кислород и много углеводов
1592
10 минут на чтение
Мы со школьной скамьи знаем, что все животные дышат кислородом, окисляют с его помощью потребляемые извне углеводы и получают энергию, чтобы жить, двигаться и размножаться. Мы также знаем, что растения выбрали другой способ получения энергии — фотосинтез, при котором углеводы создаются «с нуля» из углекислого газа и солнечного света. Это, впрочем, не означает, что растения не дышат кислородом — дышат, совсем как мы, да ещё как! Так что всё живое так или иначе живёт на кислороде.
Или нет?

Читайте также

Если бы люди приспосабливались к среде физически

Игорь Край

11.10.2017

16306

Люди считаются существами неприспособленными: ни когтей, ни шерсти, ни чешуи… Можно ли сделать человеческое тело более эффективным?
А. Кудряшева
Не думай о микробах свысока, Ты знаешь каждой клеткой эпителия, Что в каждой крошке хлеба и песка Бактерии, бактерии, бактерии.

Поле экспериментов

Теорий о том, как зародилась жизнь, множество. Кто-то думает, что её занесло к нам из космоса, кто-то — что клетки создали себя сами из молекул путём проб и ошибок. Мы не будем заострять внимание на этих теориях, а остановимся на одном моменте: природа действительно склонна к экспериментам.
На планете сейчас живут миллионы видов, и чтобы всё это многообразие создать, природе нужно было на ком-то экспериментировать. И что может подойти для этого лучше, чем бактерии? Они быстро размножаются, очень просто устроены, а главное — распространены повсеместно в феноменально огромных количествах. Бактерии есть у чёрных курильщиков в океане и на мелководье, они живут в лесах и городах, спокойно себя чувствуют внутри других, более крупных организмов и без каких-то особенных страстей выживают в космосе, создавая колонии на обшивках космических кораблей.
Благодаря тому, что бактерии живут везде, природе удалось создать из них огромную экспериментальную установку. Что будет, если добавить в зону их проживания мышьяк? А если вместо воды оставить сероводород? Бактерии за счёт своей живучести приспосабливаются ко всему, и в результате выходят невероятные вещи.

У таких чёрных курильщиков, возможно, зародилась жизнь / P. Rona / OAR / National Undersea Research Program / NOAA

Бактерии долгие годы жили в тени: люди не знали ни об их существовании, ни о том, какое влияние микроорганизмы оказывают на мир в целом, ни тем более об их физиологии и биохимии. С изобретением микроскопа в науке начался стремительный забег на поле микробиологии; с каждым годом учёные открывали всё новые и новые особенности этих маленьких, но таких преуспевающих существ. Первое время научный мир отрицал то, что бактерии как-либо влияют на мир; казалось бы, что они могут ему предложить? Постепенно открытий становилось всё больше, и вот уже микробиология нашла грамотное объяснение большинству инфекционных заболеваний. А затем оказалось, что бактерии — даром что они маленькие — крайне важны для стабильности всей биосферы нашей планеты. Но обо всём по порядку.
Одним из первых откровений при исследовании бактерий стало то, что отнюдь не все они нуждаются в кислороде. Разумеется, некоторым из них кислород жизненно необходим: их назвали аэробными, что в переводе с греческого означает «воздушная жизнь». Противоположным лагерем встали анаэробы — бактерии, получающие энергию без помощи кислорода вообще. Открыл такое разделение небезызвестный Луи Пастер, который проводил исследования на бактериях, вызывающих маслянокислое брожение. Уже потом, много позже, оказалось, что анаэробными могут быть и другие организмы — в первую очередь грибы и даже некоторые животные, например паразитарные черви. Кроме того, существуют также отдельные анаэробные биохимические пути. Они встречаются и у человека, например в мышцах: в условиях активной мышечной работы и гипоксии (недостатка кислорода) вырабатывается молочная кислота — та самая, что даёт после физических упражнений неприятную тянущую боль.

Огромный вклад в микробиологию сделал знаменитый Луи Пастер. Именно он доказал, что у брожения биологическая, а не химическая природа / Paul Nadar / Wellcome Collection gallery [CC BY 4.0]

При этом некоторые анаэробные бактерии вполне толерантны к кислороду, а часть из них даже могут использовать его в качестве окислителя — такие анаэробы называются факультативными; у них есть, условно говоря, тумблер для переключения между двумя типами окисления. Некоторые же не выдерживают даже малейшего присутствия кислорода и погибают — такие бактерии называются облигатными. Деление на анаэробов и аэробов — важная характеристика микробных штаммов.
Итак, мы узнали, что существуют анаэробы, а главное — анаэробы облигатные; им нужно как-то жить и получать энергию, не используя кислород вообще. Возникает вопрос: как же они это делают?

Универсальный работник

Бактерии — и анаэробные, и аэробные — «работают» симбионтами, обеспечивают непрерывность круговорота ионов и соединений, помогают искать новые лекарственные препараты. Но кроме того, их применяют ещё и в промышленности. Об очистке сточных вод и загрязнений вы наверняка слышали, а вот что насчёт выработки металлов при помощи бактерий? Это достижение последних лет, и оно пока масштабно не используется. Бактерии вида Desulfovibrio desulfuricans разрушают отходы, «ищут» в них соединения металла палладия и восстанавливают его до металлических наночастиц (Mudhoo A. et al, Removal of heavy metals by biosorption // Environmental Chemistry Letters, 2012).

Живёт как дышит

Как и любые другие живые существа (за исключением вирусов; впрочем, можно ли их называть «живыми», до сих пор неясно, слишком сильно это царство отличается от всех остальных), бактерии делятся на тех, кто сам синтезирует питательные вещества, и тех, кто потребляет их извне, а потом химически обрабатывает и разрушает, получая из них энергию. Если с фотосинтезом всё понятно, то на втором способе нужно задержаться.
Для начала стоит немного разобраться в понятиях. Простыми словами наш с вами метаболизм можно описать так: мы съедаем сладкую булку, полную глюкозы, затем булка переваривается, и глюкоза уже в виде отдельных молекул всасывается клетками кишечника. Там она претерпевает ряд превращений и в конце концов становится углекислым газом, который мы выдыхаем. Зачем все это нужно? Затем, чтобы в процессе «сжигания» глюкозы образовалось много специальных молекул. Эти молекулы потом, оказавшись в митохондрии (энергетической станции клетки), нагнетают на её мембранах потенциал из протонов — атомов водорода, от которых оторвали электрон. Протоны гонятся через специальную машину, синтезирующую энергию. А вот куда девать электроны? Их-то как раз и сбрасывают на кислород. В итоге кислород восстанавливается до воды.
Дыхание на самом деле процесс довольно опасный, он часто идёт не так, как нужно, — и образуются активные формы кислорода (АФК). Самая известная из всего семейства АФК — перекись водорода. АФК окисляют белки, липиды и углеводы, вносят ошибки в строение органелл и даже ДНК. Для защиты от их разрушающего воздействия у клетки даже есть специальные системы из молекул-камикадзе, принимающих удар на себя.

Митохондрия (красные нити) — энергетическая станция клетки / NICHD / U. Manor [CC BY 2.0]

Вернёмся к анаэробам. Перед ними дилемма: кислород им не нужен, но нужно как-то окислять субстрат. Бактерии, в зависимости от штамма, нашли множество решений этой проблемы. Вспомним таблицу Менделеева и посмотрим на кислород. Рядом с ним мы найдём несколько других распространенных соединений: азот, фтор, хлор, серу и так далее. Кислород хороший окислитель, он используется при аэробном дыхании для сброса на него «лишних» электронов и водорода с образованием воды. Если же вспомнить о сероводороде, эта молекула отличается от воды лишь тем, что вместо кислорода там сера, — нетрудно будет предположить, что возможен похожий механизм, но с участием серы. Действительно, сера находится совсем близко, в том же ряду, и, хотя она уступает кислороду по «силе», в реакции с водородом работает как неплохой окислитель. И механизм, при котором главную роль в окислении «еды» играет сера, действительно существует.
«Дышат» серой сульфатредуцирующие и сероредуцирующие бактерии. Они совершенно не нуждаются в кислороде: его роль полностью взяла на себя сера, и в итоге такого дыхания образуется сероводород. Причём этот механизм довольно древний: считается, что он появился не меньше 3 миллиардов лет назад. Живут такие любители серы там, где в земной коре есть разломы: через неё поднимается сероводород, который, окисляясь, и даёт серу, а затем под действием бактерий снова становится сероводородом. Примером такого разлома можно назвать знаменитый Йеллоустонский парк. Вы наверняка видели фотографии из этого парка: яркие, раскрашенные в самые разные оттенки горячие озёра, которые создают впечатление инопланетного ландшафта.
В таких геотермальных источниках живут археи; ближайшие родственники бактерий, они тем не менее образуют отдельный таксон. Долгое время их считали просто необычными бактериями, но филогенетические и биохимические исследования позволили указать на раннее расхождение предков тех и других. Теперь археи считаются одним из трёх мегацарств живого — вместе с бактериями и эукариотами (ядерными организмами, к которым относимся и мы с вами). Археи — чемпионы по странностям: они, например, прекрасно живут в местах с невероятной температурой (в тех же гейзерах, где вода иногда буквально кипит). Именно среди архей есть множество любителей серного дыхания.

Большой призматический источник (Йеллоустонский парк): все переливы цветов по краям чаши — результат жизни бактерий в богатой минералами среде / Carsten Steger [CC BY-SA 4.0]

Кстати, открытие архей и методов их культивации — огромное достижение для науки. Именно благодаря археям, например, удалось поставить на поток процедуру полимеразной цепной реакции — ПЦР, которую используют теперь повсеместно: и в криминалистике, и для установления родства, и для определения патогена при инфекции. Дело в том, что при проведении ПЦР время от времени требуется повышенная температура, и «стандартные» ферменты, например человеческие, разрушаются (обычные белки денатурируют уже при температуре выше 40 °C). В современном же протоколе ПЦР используется термофильная полимераза — катализатор, выделенный из архей и способный выдерживать высокие температуры. Ещё бы — ведь они живут в горячих источниках!
Что же, с серой всё понятно. А что насчёт азота? Азотное дыхание тоже существует и называется денитрификацией. При ней различные соединения азота (например, нитраты) восстанавливаются в итоге до молекулярного азота. В противовес денитрификации существует процесс азотфиксации, очень важный для всей биосферы Земли; при нём бактерии захватывают азот из воздуха и превращают его в соединения азота (чаще всего в аммоний NH3), которые могут потреблять другие живые организмы. Часто такие бактерии селятся прямо на клубнях корней растений как симбионты, тогда они называются клубеньковыми. В этих растительных клубнях располагается целая азотфиксирующая фабрика. К клубеньковым относятся фасоль, горох и другие бобовые.
Серой и азотом многообразие источников некислородного дыхания не ограничивается. Бактерии могут дышать даже… железом! Такие организмы называются железоредукторами; там происходит тот же процесс, что и с кислородом, серой, азотом. С железом бактериям сложно: в обычном состоянии оно не растворяется в воде. Поэтому для переноса ионов нужны специальные хелатирующие (то есть связывающие) молекулы — сидерофоры. Есть и другая проблема: железо редко находится в нужном для дыхания двухвалентном состоянии, потому что хорошо окисляется до трёхвалентного железа. Но и здесь микроорганизмы нашли выход: они умеют его предварительно восстанавливать. Железное дыхание, по всей видимости, тоже очень древнее; некоторые учёные даже предполагают, что оно намного опередило кислородное. Также существуют бактерии, дышащие марганцем и кобальтом.

В таких источниках и живут археи — ближайшие родственники бактерий. Это, кстати, один из гейзеров в том же Йеллоустонском парке / Wing-Chi Poon [CC BY-SA 2.5]

Есть ещё один любопытный вариант дыхания — карбонатное. Здесь конечным акцептором электронов выступает углекислый или угарный газ, а на выходе получается метан. Микроорганизмы, которые пользуются таким типом дыхания, называются метаногенными, и среди них тоже немало архей. Судя по всему, помимо газов они могут использовать и некоторые другие соединения — например, метанол, — но точные энергетические механизмы пока что неизвестны.
Итак, существует множество самых разных вариантов дыхания. Но эволюция упрямая и довольно простая вещь: из всех вариантов получает распространение лучший. Лучшими из хордовых оказались позвоночные — а бесчерепные и оболочники остались в стороне от основной линии развития. Лучшими из позвоночных оказались челюстноротые, а круглоротые стали тупиковой ветвью, представленной всего двумя видами. С кислородом получилась та же самая ситуация: его очень много, и он доступен, в отличие от металлов или серы. При его восстановлении получается абсолютно безвредная вода — куда там сероводороду или метану. В итоге кислородное дыхание заняло главенствующую позицию по отношению ко всем другим типам.
При этом не стоит забывать, что бактерии маленькие да удаленькие: многие из них научились перестраиваться с кислородного дыхания на какое-то другое. Например, некоторые представители Pseudomonas fluorescens умеют переключаться на нитраты в том случае, если кислорода по какой-то причине не хватает.

Обходные пути

Ладно, со способами дыхания и окисления разобрались. А что вообще можно окислять? Понятно, что в первую очередь мы с вами окисляем углеводы: в основном глюкозу, но ещё фруктозу и множество других соединений на «-оза». Основой окислительного процесса у нас служит гликолиз — последовательный процесс анаэробного расщепления глюкозы (шестиуглеродного сахара) до пирувата (кислоты, содержащей три атома углерода, — то есть из одной глюкозы получается два пирувата). Этот пируват, по сути, универсальная молекула: в неё можно превратить и углевод, и жир, и аминокислоту — все вещества и циклы в организме взаимосвязаны, и мы без особых проблем расщепляем и белки, и жиры. После получения пирувата тот отправляется в цикл Кребса, где после множества превращений образуется углекислый газ и ряд соединений, используемых в дальнейшем для синтеза аденозинтрифосфорной кислоты, или АТФ, — универсального источника энергии. Именно в этом конечном процессе — синтезе АТФ — и нужен акцептор электронов, роль которого у нас играет кислород, а у бактерий и кислород, и сера, и железо…
Гликолиз в целом очень распространён: множество бактерий с его помощью получают тот самый пируват. Причём бактерии, в отличие от человека и других живых существ, имеют гораздо больше возможных субстратов. Например, они умеют разлагать целлюлозу — полимер растений, который для нас с вами абсолютно бесполезен в качестве источника энергии.
Кстати, умение бактерий расщеплять целлюлозу крайне ценно для травоядных животных. Вспомним коров, с большим удовольствием жующих траву. Коровы млекопитающие, как и мы с вами, и не способны расщеплять целлюлозу самостоятельно. Зато у них уникальный четырёхкамерный желудок, где есть камера под названием рубец. Как раз в ней живут бактерии-симбионты, исправно выполняющие свои условия симбиотической сделки и разрушающие целлюлозу до веществ, которые животный организм уже может усваивать. В ответ бактерии получают отличные условия жизни и тот самый питательный материал.

Вот так выглядит наш универсальный источник энергии, АТФ — аденозинтрифосфорная кислота / Ben Mills

И вот бактерии получили пируват. Дальше вариантов масса. Часть анаэробных бактерий разрушают пируват до этанола, получая вещества, которые необходимы для синтеза АТФ. Это спиртовое брожение — мы его знаем по дрожжам (они, хоть это и не бактерии, а грибы, тоже его любят). Кроме спиртового, есть и другие типы брожения: маслянокислое, пропионовокислое, метановое (при котором в процессе разложения образуется настоящий метан), молочнокислое и так далее, и так далее.
С углеводами мы кратко разобрались. Помимо них, некоторые бактерии научились использовать в качестве источника энергии белки и аминокислоты. Они разлагают их в процессе аммонификации, или, простыми словами, гниения. Это ферментативное разложение веществ, в процессе которого появляются такие продукты метаболизма, как, например, сероводород. Гнилостные бактерии — довольно неприятная штука, поскольку их размножение может приводить к инфекциям. При гниении некоторых бактерий и вовсе образуются яды. Они называются трупными и считаются довольно опасными, в том числе для человека (есть поверье, что можно отравиться при укусе варана — именно из-за трупных ядов). Жиры тоже окисляются бактериями, чаще всего это высокомолекулярные жирные кислоты, которые в результате метаболических путей превращаются в углекислый газ и воду.
Человек тоже может окислять белки и жиры. Энергии это даёт не так много, как окисление углеводов, а потому это скорее второстепенный источник (у белков ещё и функций в организме слишком много, чтобы можно было просто так растрачивать ценный ресурс). Вы наверняка слышали о модных кетодиетах, когда углеводы запрещены и человек ест только белки и жиры. Вот в таких случаях включаются «обходные» пути метаболизма. Продуктом их становятся кетоновые тела, энергетический материал для страдающего от голода мозга. Это не очень-то здоровый способ общения с собственным организмом, но механизмы добычи энергии без углеводов у нас действительно есть.

Одна из форм глюкозы. Из такой молекулы получаются две молекулы пировиноградной кислоты (ниже) / Ben Mills

Туда и обратно

Наш организм умеет не только превращать углеводы в другие молекулы, но и другие молекулы превращать в углеводы. Этот процесс называется глюконеогенез (дословно — «заново созданные углеводы»), и он довольно важен для поддержания общего гомеостаза и постоянного уровня глюкозы в крови. Глюконеогенез также важен и в том случае, когда организм подвергается чрезмерным нагрузкам: стрессу, голоданию или просто серьёзным физическим упражнениям. Протекает глюконеогенез в основном в печени, и зависит он напрямую от активности гликолиза. Если АТФ в клетке много, то гликолиз (разрушение углеводов) останавливается и запускается глюконеогенез (синтез углеводов — на будущее).
Глюконеогенез, как и гликолиз, универсальный и очень древний способ получения углеводов, поэтому он одинаков и для бактерий, и для грибов, и для растений, и для нас с вами.
Бактерии честно несут свой крест: живут там, где больше никто жить не может, и в тех условиях, которые для всех остальных были бы губительными. Среди них есть и симбионты, и абсолютно независимые жители горячих серных источников; есть и фотосинтезирующие автотрофы, и гетеротрофы, добывающие уже готовый продукт. Бактерии могут дышать серой, железом, кобальтом, угарным газом, азотом… Они зарождались и развивались тогда, когда кислорода в нашем мире не хватало, зато в избытке был азот, сероводород и металлы. Они приняли ту реальность и приспособились к ней. А когда кислорода стало много, они приспособились и к нему, и среди бактерий появились аэробы. Так, благодаря пробам, ошибкам и экспериментам, мир пришёл к той точке, в которой находимся мы, — к кислородному миру. Скажем спасибо бактериям!
А. Кудряшева
Бактерии возникли в миг, когда Огромный взрыв потряс господни прерии, Бог молвил: будет суша и вода, И там, и там окажутся бактерии.

Читайте также

Как появилась кровь и почему она такая

Зоя Андреева

20.01.2024

27688

Красная, синяя, зелёная вода жизни

Читайте также

Панспермия. Что, если нас создали пришельцы?

Дмитрий Злотницкий

20.05.2017

112098

Что, если жизнь на Земле появилась не случайно, а была занесена из космоса? А что, если намеренно? Какие есть тому доказательства и как это показано в фантастике?

Если вы нашли опечатку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Статьи

Наука

Секреты водного мира. Что будет искать миссия Europa Clipper

Наука

Терраформирование планет: возможны ли яблони на Марсе, города на Венере и лунные колонии
Как обустроить дом в сотнях световых лет от дома

Наука

Дзюндзи Ито: жизнь и страхи мастера хоррора
Как отыскать ужас в центре спирали

Наука

Трикстер и компания. Мифология коренных американцев
Тринадцать небесных и девять подземных миров на другой стороне света

Наука

История Starliner: хроника неудач «проклятого» корабля от Boeing
Трудная история корабля, который только теперь вернулся на Землю.

Наука

Дон Блут: гениальный неудачник, который едва не победил Disney
Жизнь и творчество классика двухмерной анимации

Наука

Проект SETI: как установить контакт с инопланетянами
Великое молчание Вселенной

Наука

Киану Ривз: нестареющий, избранный, потрясающий
И совсем не грустный!

Наука

Самые грандиозные инженерные конструкции в истории: корабль-гигант, трёхмачтовый самолёт и «Еловый гусь»
Огромные, дорогие, бесполезные

Наука

Билет в один конец: история программы «Вояджер»
Бледные голубые точки на границе Галактики
Показать ещё