Кіріспе
Жарықты энергия үшін пайдаланатын, бірақ басқа жерден қоректік заттар алатын организмдер фотогетеротрофтар (гр. фото = жарық, гетеро = басқа, троф = қоректену) – гетеротрофты фототрофтар, яғни олар жарықты энергия алу үшін пайдаланады, бірақ көмірқышқыл газын жалғыз көміртек көзі ретінде қолдана алмайды. Сондықтан, олар көміртегі қажеттіліктерін өтеу үшін қоршаған ортадан органикалық қосылыстарды пайдаланады; оларға көмірсулар, май қышқылдары және спирттер жатады. Фотогетеротрофты организмдерге қызғылт күкіртсіз бактериялар, жасыл күкіртсіз бактериялар және гелиобактериялар кіреді. Бұл микроорганизмдер су ортасында кең таралған, ерекше экологиялық нишаларды иеленеді және жаһандық биогеохимиялық айналымға үлес қосады. Жақындағы зерттеулер шығыс шошқасы мен кейбір құмырсқалар энергияны толықтыру үшін жарықты пайдалана алатынын көрсетті.
Photoheterotrophs (Gk: photo = light, hetero = (an)other, troph = nourishment) are heterotrophic phototrophs—that is, they are organisms that use light for energy, but cannot use carbon dioxide as their sole carbon source. Consequently, they use organic compounds from the environment to satisfy their carbon requirements; these compounds include carbohydrates, fatty acids, and alcohols. Examples of photoheterotrophic organisms include purple non sulfur bacteria, green non sulfur bacteria, and heliobacteria. These microorganisms are ubiquitous in aquatic habitats, occupy unique niche spaces, and contribute to global biogeochemical cycling. Recent research has also indicated that the oriental hornet and some aphids may be able to use light to supplement their energy supply.
Зерттеу
Зерттеулер көрсеткендей, сүтқоректілердің митохондриялары хлорофиллдің жарық сіңіретін метаболиті – феофорбидпен қосылғанда жарықты сіңіріп, АТФ синтездей алады. Зерттеулер сондай-ақ, осы метаболитті Caenorhabditis elegans құртына қоректендіргенде жарыққа ұшыраған кезде АТФ синтезінің артуына және өмір сүру ұзақтығының ұлғаюына алып келетінін көрсетті. Бұдан әрі, егу тәжірибелері миксотрофты Ochromonas danica (яғни алтын балдырлар) және оған ұқсас эукариоттардың, қоректік заттарға кедей (олиготрофты) су ортасында фотогетеротрофияға бейімделетінін көрсетеді. Бұл бейімделу, карбонаттық емес көміртегіні байланыстыруға жұмсалатын энергияны азайту арқылы энергияны тиімді пайдалануға және өсуге көмектеседі (мысалы, RuBisCo және PSII сияқты автотрофтық механизмдерді жасау).
Метаболизм
Фотогетеротрофтар АТФ-ны жарық көмегімен екі жолмен өндіреді: бактериохлорофиллге негізделген реакциялық орталықты немесе бактериородопсинды пайдаланады. Хлорофиллге негізделген механизм фотосинтездегідей, онда жарық реакциялық орталықтағы молекулаларды белсендіреді және электрондық тасымалдау тізбегі (ЭТТ) арқылы электрондардың ағынын тудырады. Протеиндер арқылы электрондардың өтуі мембрана арқылы сутегі иондарының сорылуына себеп болады. Бұл протондық градиентте жиналған энергия АТФ синтезін қамтамасыз етеді. Фотоавтотрофтардан айырмашылығы, электрондар тек циклдық жолмен өтеді: реакциялық орталықтан босатылған электрондар ЭТТ арқылы өтіп, қайтадан реакциялық орталыққа оралады. Олар ешқандай органикалық қосылыстарды тотықтыруға пайдаланылмайды. Қызғылт күкіртсіз бактериялар, жасыл күкіртсіз бактериялар және гелиобактериялар – бұл фотогетеротрофияның схемасын жүзеге асыратын бактериялардың мысалдары. Басқа организмдер, соның ішінде галобактериялар, флавобактериялар және вибриондар энергияларын толықтыру үшін қызғылт родопсинге негізделген протондық сорғыларды пайдаланады. Археялық нұсқасы бактериородопсин, ал эубактериялық нұсқасы протеородопсин деп аталады. Сорғы А витаминінің туындысы – ретинальға байланысқан бір ғана ақуызды құрайды. Сорғымен бірге қосымша пигменттер (мысалы, каротиноидтар) байланысты болуы мүмкін. Ретиналь молекуласы жарықты сіңіргенде, молекула изомерленеді. Бұл ақуыздың пішінін өзгертуге және протонды мембрана арқылы соруға итермелейді. Сутегі иондарының градиентін АТФ өндіруге, ерітінділерді мембрана арқылы тасымалдауға немесе қамшылы моторды қоздыруға пайдалануға болады. Бір түрлі флавобактерия жарық көмегімен көмірқышқыл газын тотықтыра алмайды, бірақ родопсин жүйесінен алатын энергияны анаплеротикалық бекіту арқылы көмірқышқыл газын бекітуге пайдаланады. Мұхиттың фототикалық аймақтарында бактериялық жасушалардың 10%-ға дейін ААП-қа қабілетті, ал теңіз микроорганизмдерінің 50%-дан астамы PR-ды қамтиды, жағалау биомдарында бұл көрсеткіш 90%-ға жетеді. Инокуляциялық тәжірибелер көрсеткендей, фотогетеротрофия бұл планктондық микробаларға бәсекелестік артықшылықтар береді: 1) қоректік заттарға кедей (олиготрофты) ортадағы химиогетеротрофтарға қарағанда қоректік заттарды тиімдірек пайдалану (яғни, органикалық көмір биосинтез үшін отын ретінде қызмет етеді, энергия өндірісінен гөрі) және 2) физиологиялық тұрғыдан қымбат автотрофты ферменттерге/кешендерге (RuBisCo және PSII) инвестиция жасау қажеттілігін жою. Сонымен қатар, Арктика мұхиттарында ААП және PR фотогетеротрофтары қысқы уақытта мұзбен жабылған аймақтарда жарықтың жетіспеуіне байланысты кең таралған. Соңында, теңіздегі ААП-ларда маусымдық айналым байқалады, себебі экотиптер (әртүрлі функционалдық белгілері және/немесе экологиялық қалаулары бар генетикалық жақын таксондар) уақытша нишаларға бөлінеді. Қабатталған (эуксиндік) көлдерде фотогетеротрофтар (басқа оттегісіз фототрофтармен бірге, мысалы, көк-жасыл күкірт бактериялары, темір, сульфид және сутек газы сияқты электрон донорлары арқылы көмірқышқыл газын бекітеді) су бағанасындағы және/немесе шөгінділердегі химиоклиндіні көбінесе мекендейді. Бұл аймақта еріген оттегінің мөлшері төмендейді, жарық толқын ұзындығы шектеулі (мысалы, қызыл және инфрақызыл), осыны оттегі фототрофтары (мысалы, цианобактериялар) қалдырады, ал анаэробтық метаболизмдер (оттегі болмаған жағдайда жүретін процестер) сульфидтер мен биожетімді қоректік заттарды (мысалы, органикалық көміртек, фосфат және аммиак) жоғары қарай диффузия арқылы енгізе бастайды. Гелиобактериялар – күріш алқаптарында негізінен орналасқан міндетті анаэробтар, онда сульфидтің төмен концентрациясы қызғылт/жасыл күкірт бактерияларының бәсекеге қабілеттілігін болдырмайды. Сулы орталар гелиобактериялар мен күріш өсімдіктері арасындағы симбиотикалық қарым-қатынасты жеңілдетуі мүмкін, себебі бұрынғылардан алынған тұрақты азот, көміртегіге бай тамыр эксудаттарымен алмастырылады. Байқау зерттеулері фотогетеротрофтарды (мысалы, хлорофлекси және ААП сияқты жасыл күкіртсіз бактериялар) экстремальды ортадағы фотосинтездік кілемшелерде (мысалы, ыстық бұлақтар мен гиперсалынды лагуналар) сипаттады. Атап айтқанда, Йеллоустоун ұлттық паркінің геотермальдық нысандарында температура мен рН оттегісіз фототрофтар қауымдастығының құрамын анықтайды. Сондықтан, жарық энергиясын пайдаланғанда, көмір микробалық циклде тыныс алуға сәйкес келмейтін (яғни, энергия өндірісі үшін DOC тотыққанда көмірқышқыл газы атмосфераға шығарылмайды) күйде сақталады. Бұл байланыстың жоқтығы, факультативті фотогетеротрофтардың (мысалы, энергия көздері икемді ААП) табылуы және бұрынғы қараңғыда алынған өлшемдер (фотототығу, ультракүлгін сәулелену және оттегі фотосинтезінен туындаған бұрмаланған оттегі тұтыну мәндерін болдырмау үшін) су экожүйесіндегі шығарылымдардың жоғары бағалануына әкеледі. Мысалы, Чехиядағы Цеп көліндегі қауымдық тыныс алудың 15,2%-ға төмендеуі, глюкоза мен пируватты қалаушылықпен бірге, күндізгі уақытта жарық энергиясын қалаушы факультативті фотогетеротрофтарға байланысты деп есептеледі, бұл бұрын айтылған артықшылықтарды ескере отырып.