Бактерии альпийского озера используют две системы улавливания света
Фототрофные организмы преобразуют солнечный свет в энергию, которая в конечном итоге питает всю остальную жизнь. Существует два принципиально разных метаболических пути для сбора световой энергии:
- Знакомая хлорофилл-зависимая фотосинтезирующая система растений.
- Система протон-перекачивающих родопсинов.
Микробные родопсины — это семейство светозависимых белков, выполняющих функции ионных насосов, каналов или сенсоров. Обычно виды выбирают одну из этих систем. Однако международная команда молекулярных биологов обнаружила бактерию в альпийском озере, которая использует оба типа: фотосинтетические комплексы на основе бактериохлорофилла и протон-перекачивающие родопсины. Исследование опубликовано в PNAS.
Двойная система в действии
Бактерия Sphingomonas glacialis AAP5 из альпийского озера Госсенкёллезе (Тирольские Альпы) проявляет активность обеих систем в зависимости от условий:
- При низкой освещенности и температуре от 4 до 22 °C она экспрессирует бактериохлорофилл.
- При световых условиях и температуре ниже 16 °C она экспрессирует протонный насос ксантородопсин.
Обе системы используются для синтеза АТФ и стимуляции роста. Это указывает на эволюционную адаптацию к специфическим условиям альпийских озёр с их резкими сезонными изменениями температуры и света.
Эволюционные преимущества и компромиссы
- Бактериохлорофилловые системы — крупные, сложные, но работают даже при слабом свете («установил и забыл»).
- Родопсины — проще и «дешевле» в производстве, но требуют для работы более высокой освещенности.
Обладая генетическим аппаратом для обоих типов фотогетеротрофии, эти бактерии меньше зависят от аэробного дыхания и могут направлять доступный углерод на рост — дефицитный ресурс в их среде обитания.
Распространенность двойной стратегии
Учёные проанализировали 215 874 бактериальных генома и обнаружили гены обеих систем у 55 бактерий. Почти половина из них происходит из альпийских сред. Один вид был недавно найден в источниках Йеллоустоуна — другой экстремальной среде с высокой вариативностью условий.
Гены бактериохлорофилла передаются в основном по вертикали (от предка к потомку), а гены родопсинов часто и легко приобретаются по горизонтали (между неродственными клетками). Авторы предполагают, что такое дублирование систем могло возникать в эволюции неоднократно. Сохранение и использование обеих систем дает конкурентное преимущество в средах с высокодинамичными и экстремальными физико-химическими условиями.