Evoluce fotosyntézy

Evolucí fotosyntézy se rozumí historická cesta vzniku a následného vývoje fotosyntézy nebo důsledné utváření a proměna procesu přeměny sluneční energie na chemickou energii pro syntézu cukrů z oxidu uhličitého s uvolňováním kyslíku jako vedlejší produkt.

V průběhu vývoje života na Zemi se poměrně brzy objevily první fotosyntetické organismy , které jako zdroje elektronů využívaly silná redukční činidla, jako je vodík nebo sirovodík [1] , takže zpočátku byla veškerá fotosyntéza anoxygenní . V průběhu evoluce se objevilo mnoho cest pro fixaci oxidu uhličitého (nyní zastoupeného pouze v bakteriích), včetně tří metabolických cest nejběžnějších v naší době: C 3 fotosyntéza , C 4 fotosyntéza a CAM fotosyntéza . Z těchto tří je C3 fotosyntéza nejstarší a nejrozšířenější formou.

Původ

Zdá se, že schopnost využívat vodu jako zdroj elektronů pro fotosyntézu se objevila kdysi u společného předka moderních sinic [2] . Geologický záznam naznačuje, že k této události došlo v raných fázích historie Země, nejméně před 2450-2320 miliony let, a jak se někteří badatelé domnívají, možná i mnohem dříve [3] [4] . Geobiologické studie archeanských sedimentárních hornin (>2500 Ma) naznačují, že život existoval 3500 Ma, ale otázka, kdy začala kyslíková fotosyntéza, zůstává nezodpovězena. První fosílie, o nichž se předpokládá, že vtiskly vláknité fotosyntetické organismy, byly datovány do 3,4 Ga [5] [6] . Jasné paleontologické okno evoluce sinic se datuje do doby asi 2 000 mil. let pro rozmanitou biotu modrozelených řas. Sinice zůstaly hlavními primárními producenty během celého proterozoického eonu (2500-543 Ma), což bylo částečně umožněno jejich schopností vázat dusík. Na konci proterozoika se zelené řasy připojily k sinicím , které se rychle staly hlavními producenty na kontinentálních šelfech , ale pouze z druhohor (251-265 mil . primární produkce v mořských šelfových vodách přišla na svou moderní mysl. Sinice jsou stále extrémně důležité pro mořské ekosystémy jako primární producenti oceánu, fixátory atmosférického dusíku a v pozměněné formě jako plastidy z mořských řas [7] .

První fotosyntetické organismy, zelené a fialové sirné bakterie a zelené a fialové nesírové bakterie , prováděly anoxygenní fotosyntézu pomocí různých organických a anorganických molekul jako dárců elektronů . Zelené a fialové sirné bakterie používají vodík , síru nebo sirovodík , zatímco zelené nesírové bakterie používají H2S, H2 , cukry , aminokyseliny a organické kyseliny jako donory elektronů. Fialové nesirné bakterie využívají H 2 S, síru nebo různé organické látky.

Hlavním zdrojem kyslíku v atmosféře je kyslíková fotosyntéza; jeho vzhled vedl k zániku většiny anaerobní fauny starověké Země, což je událost známá jako kyslíková katastrofa . Geologické důkazy naznačují, že kyslíková fotosyntéza dosáhla významné intenzity během paleoproterozoické éry asi před 2 miliardami let.

Symbióza a původ chloroplastů

Přinejmenším několik skupin zvířat vytvořilo symbiotické vztahy s fotosyntetickými řasami. Patří mezi ně korály , houby a mořské sasanky . Předpokládá se, že je to způsobeno jednoduchým půdorysem stavby a velkým povrchem těchto zvířat v porovnání s jejich objemem [8] . Kromě toho několik mořských měkkýšů Elysia viridis a Elysia chlorotica vstupuje do symbiotických vztahů s chloroplasty, které zachycují z řas, které jedí, a ukládají je do svých těl. To jim umožňuje několik měsíců přežít pouze na fotosyntéze [9] [10] . Některé geny řas potřebné pro fotosyntézu se dokonce dostaly do buněčného jádra těchto slimáků [11] .

Předpokládá se, že chloroplasty vznikly právě jako výsledek takové symbiózy. Sdílejí mnoho podobností s fotosyntetickými bakteriemi , včetně kruhového chromozomu , ribozomů prokaryotického typu a podobných proteinů fotosyntetických reakčních center [12] [13] . Endosymbiotická teorie předpokládá, že chloroplasty vznikly endocytózou fotosyntetických bakterií starověkými eukaryoty , což má za následek vznik prvních rostlinných buněk. Stejně jako mitochondrie mají chloroplasty svou vlastní DNA nezávislou na jaderné DNA jejich hostitelských buněk. Geny chloroplastové DNA se podobají genům sinic [14] . Předpokládá se, že DNA v chloroplastech kóduje primárně redoxní proteiny, jako jsou reakční centra fotosystémů. Tato hypotéza se nazývá hypotéza CoPP nebo společná lokalizace nezbytná pro regulaci P edox R.

V roce 2010 vědci z Tel Avivské univerzity zjistili, že sršeň orientální ( Vespa orientalis ) přeměňuje sluneční světlo na elektrickou energii pomocí pigmentu xanthopterinu . Jde o první vědecký důkaz, že zástupce živočišné říše je schopen samostatné fotosyntézy [15] .

Vývoj cest fixace uhlíku

Fotosyntéza není jen reakce vody a CO2 za vzniku cukru a kyslíku. Celková reakce fotosyntézy probíhá po složité chemické dráze, která zahrnuje řadu enzymů a koenzymů. Enzym Rubisco je zodpovědný za fixaci CO 2  – to znamená, že jej naváže na molekulu uhlíku a vytvoří tříuhlíkový cukr, který může rostlina využít. Je však známo, že tento enzym je neúčinný a nespecificky interaguje s O2 . Produkty této vedlejší reakce se likvidují procesem známým jako fotorespirace . Jedná se o energeticky náročný proces, protože rostlina musí vynaložit energii na přeměnu produktů reakce O 2 a molekul akceptoru CO 2 zpět do formy, která může reagovat s CO 2 .

Koncentrace uhlíku[ termín neznámý ]

Fotosyntéza C4 je relativně nedávnou a cennou evoluční akvizicí u rostlin. Jde o komplexní soubor adaptivních změn ve fyziologii a genové expresi [16] . Cestu C4 využívá k fixaci uhlíku asi 7600 druhů rostlin , což jsou asi 3 % všech druhů suchozemských rostlin. Všech těchto 7 600 druhů jsou krytosemenné rostliny .

V průběhu evoluce C4 -rostliny získaly mechanismus koncentrace uhlíku. Funguje tak, že zvyšuje koncentraci CO 2 v blízkosti Rubisco, čímž přispívá ke stimulaci fotosyntézy a potlačení fotorespirace. Proces koncentrace CO2 je energeticky náročný, ale za určitých podmínek – vysoká teplota (>25 °C) a nízká koncentrace CO2 nebo vysoká koncentrace kyslíku – se vyplatí ve smyslu snížení ztráty cukru fotorespirací.

Dalším mechanismem koncentrace uhlíku je fotosyntéza CAM, která se u některých rostlin vyvinula jako adaptace na aridní podmínky [17] [18] . Nejdůležitější výhodou CAM fotosyntézy je schopnost udržet většinu listových průduchů během dne zavřené. To snižuje ztráty vody v důsledku pocení. Průduchy se v noci otevírají, aby sbíraly CO2 , který se ukládá ve vakuolách jako čtyřuhlíková organická kyselina malát a pak se přes den používá při fotosyntéze . Předshromážděný CO 2 se koncentruje kolem enzymu Rubisco , což vede ke zvýšení účinnosti fotosyntézy.

Fotosyntéza CAM opakovaně vznikala v různých skupinách rostlin a vyvíjela se cestou konvergentní evoluce [19] . Tento typ fotosyntézy byl zaznamenán u 16 000 druhů (asi 7 % všech rostlin) patřících k více než 300 rodům ze 40 čeledí , ale skutečný počet je považován za mnohem vyšší [20] . Fotosyntéza CAM se nachází v rodu Isoetes (příbuzní Lycianidae ), kapradinách a nahosemenných rostlinách , ale velká většina rostlin s fotosyntézou CAM jsou krytosemenné rostliny .

Evoluční kronika

Oba mechanismy pro zvýšení koncentrace oxidu uhličitého u Rubisco se vyvíjely nezávisle a vyvstaly opakovaně v průběhu evoluce. C 4 tedy vznikl asi 62krát v 18 různých rodinách rostlin . Ke vzniku dráhy C4 přispěla řada preadaptací, která v důsledku toho často vznikala v určitých kladech: nejčastěji se jednalo o rostliny, které již měly takové vlastnosti, jako je například rozsáhlá výstelka vodivého svazku [21]. . Studie ukazují, že existuje několik možných cest pro rozvoj C4 - fotosyntézy, což bylo potvrzeno pomocí Bayesovské inference [16] .

C4 - fotosyntéza je nejvíce zastoupena u trav a CAM fotosyntéza - u sukulentů , včetně kaktusů . Tento rys se zjevně objevil během období oligocénu , asi před 25 až 32 miliony let [22] , nicméně ekologicky významný nebyl až do miocénu , před 6–7 miliony let [23] . Je pozoruhodné, že některé uhelné fosilie vykazují Kranzovu anatomii s neporušeným obalem svazku, což jasně ukazuje na přítomnost metabolismu C4.

Kdy je C4  výhodou?

Ačkoli C 4 zlepšuje účinnost Rubisco, koncentrace uhlíku je energeticky náročná. To znamená, že rostliny C4 mají výhodu oproti C3 pouze za určitých podmínek: jmenovitě vysoká teplota a nízké srážky. C 4 rostliny také potřebují vysoké úrovně slunečního světla [24] . Modely ukazují, že bez požárů, které odstranily stínící stromy a keře, by prostě nebyly podmínky pro růst rostlin C 4 [25] . Lesní požáry však trvají již téměř 400 milionů let – proč se tehdy neobjevila fotosyntéza C 4 a pak najednou došlo k jejímu opakovanému výskytu? Karbon (před ~ 300 miliony let ) měl extrémně vysoké hladiny kyslíku – téměř dost na to, aby způsobil samovznícení  – a velmi nízké hladiny CO 2 , ale žádný izotopový znak C 4 . To znamená, že tento faktor nebyl příčinou náhlého vzniku rostlin C 4 v miocénu.

Během miocénu byla atmosféra a klima relativně stabilní. Množství CO 2 se postupně zvyšovalo před 14 až 9 miliony letpřed stabilizací na úrovni charakteristické pro holocén [26] . To naznačuje, že nehrál klíčovou roli ve vzcházení rostlin C4 [22] . Trávy (skupina, ve které nejčastěji probíhala fotosyntéza C 4 ) existují již 60 milionů let nebo déle, takže měly dostatek času na rozvoj dráhy C 4 [27] [28] , která je v každém případě přítomna v různé skupiny, a proto se vyvíjely nezávisle. V jižní Asii existuje silný signál změny klimatu [22] a nárůstu suchosti – tedy rostoucí frekvence a intenzity požárů – což by mohlo vést ke zvýšení významu pastvin [29] . To je však obtížné sladit s geologickým záznamem Severní Ameriky. [22] . Je možné, že signál je zcela biologický, způsobený požáry a býložravci [30] , kteří urychlili evoluci trávy. Tráva zase zvýšením zvětrávání a zvýšením ukládání uhlíku snížila atmosférickou hladinu CO 2 [30] . Konečně existují důkazy, že začátek fotosyntézy C 4 před 9 až 7 miliony let - jedná se o nejednoznačný signál, který platí pouze pro Severní Ameriku, odkud pochází většina vzorků; existuje stále více důkazů, že pastviny se staly dominantním biomem v Jižní Americe nejméně o 15 milionů let dříve.

Viz také

Poznámky

  1. Olson JM Fotosyntéza v archejské éře  //  Drogy. - Adis International , 2006. - Květen ( roč. 88 , č. 2 ). - str. 109-117 . - doi : 10.1007/s11120-006-9040-5 . — PMID 16453059 .
  2. Cardona T., Murray JW, Rutherford, A.W. Původ a vývoj oxidace vody před posledním společným předkem sinic  //  Molekulární biologie a evoluce : deník. - Oxford University Press , 2015. - Květen ( roč. 32 , č. 5 ). - S. 1310-1328 . - doi : 10.1093/molbev/msv024 . — PMID 25657330 .
  3. Akiko Tomitani. Evoluční diverzifikace sinic: Molekulárně-fylogenetické a paleontologické perspektivy  (anglicky)  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal. - 2006. - Duben ( roč. 103 , č. 14 ). - S. 5442-5447 . - doi : 10.1073/pnas.0600999103 . - . — PMID 16569695 .
  4. Sinice: Fosilní záznam (nedostupný odkaz) . ucmp.berkeley.edu. Datum přístupu: 26. srpna 2010. Archivováno z originálu 24. srpna 2010. 
  5. Fotosyntéza začala opravdu brzy , New Scientist, 2. října 2004
  6. Odhalení úsvitu fotosyntézy , New Scientist, 19. srpna 2006
  7. Herrero A., Flores E. Cyanobacteria : Molekulární biologie, genomika a evoluce  . — 1. – Caister Academic Press, 2008. - ISBN 978-1-904455-15-8 .
  8. Venn AA, Loram JE, Douglas AE Fotosyntetické symbiózy u zvířat  //  Journal of Experimental Botany  : journal. - Oxford University Press , 2008. - Vol. 59 , č. 5 . - S. 1069-1080 . doi : 10.1093 / jxb/erm328 . — PMID 18267943 .
  9. Rumpho ME, Summer EJ, Manhart JR Mořští slimáci na solární pohon. Symbióza chloroplastů měkkýšů a řas  (anglicky)  // Fyziologie rostlin  : časopis. - American Society of Plant Biologists , 2000. - Květen ( roč. 123 , č. 1 ). - str. 29-38 . - doi : 10.1104/pp.123.1.29 . — PMID 10806222 .
  10. Muscatine L., Greene RW Chloroplasty a řasy jako symbionti u měkkýšů   // Int . Rev. Cytol. : deník. - 1973. - Sv. International Review of Cytology . - S. 137-169 . — ISBN 9780123643360 . - doi : 10.1016/S0074-7696(08)60217-X . — PMID 4587388 .
  11. Rumpho ME, Worful JM, Lee J., Kannan K., Tyler MS, Bhattacharya D., Moustafa A., Manhart JR Horizontální genový přenos jaderného genu řasy psbO do fotosyntetického mořského slimáka Elysia   chlorotica // Proceedings of the National Akademie věd Spojených států amerických  : časopis. - 2008. - Listopad ( roč. 105 , č. 46 ). - S. 17867-17871 . - doi : 10.1073/pnas.0804968105 . - . — PMID 19004808 .
  12. Douglas SE Vývoj plastidů: původ, rozmanitost, trendy  (neurčité)  // Curr. Opin. Genet. Dev.. - 1998. - prosinec ( 8. díl , č. 6. ). - S. 655-661 . - doi : 10.1016/S0959-437X(98)80033-6 . — PMID 9914199 .
  13. Reyes-Prieto A., Weber AP, Bhattacharya D. Vznik a usazení plastidu v řasách a rostlinách  (anglicky)  // Annu. Rev. Genet.  : deník. - 2007. - Sv. 41 . - S. 147-168 . - doi : 10.1146/annurev.genet.41.110306.130134 . — PMID 17600460 .
  14. Raven JA, Allen JF Genomika a evoluce chloroplastů: co udělaly sinice pro rostliny? (anglicky)  // Genome Biol. : deník. - 2003. - Sv. 4 , ne. 3 . — S. 209 . - doi : 10.1186/cz-2003-4-3-209 . — PMID 12620099 .
  15. Plotkin, M.; Hod, I.; Zaban, A.; Boden, S.A.; Bagnall, D.M.; Galushko, D.; Bergman, DJ Sběr sluneční energie v epikutikule orientálního sršně (Vespa orientalis)  (anglicky)  // Naturwissenschaften : deník. - 2010. - Sv. 97 , č. 12 . - S. 1067-1076 . - doi : 10.1007/s00114-010-0728-1 . - . — PMID 21052618 .
  16. 1 2 Williams BP, Johnston IG, Covshoff S., Hibberd JM Fenotypová inference krajiny odhaluje několik evolučních cest k C₄ fotosyntéze  // eLife  :  journal. - 2013. - Září ( vol. 2 ). — P.e00961 . - doi : 10.7554/eLife.00961 . — PMID 24082995 .
  17. C.Michael Hogan. 2011. Dýchání . Encyklopedie Země. Eds. Mark McGinley a CJcleveland. Národní rada pro vědu a životní prostředí. Washington DC.
  18. Herrera, A. (2008), Metabolismus kyseliny Crassulacean a fitness při stresu z nedostatku vody: k čemu je fakultativní CAM dobrá, pokud ne pro zisk uhlíku? , Annals of Botany vol. 103 (4): 645–653 , doi 10.1093/aob/mcn145 
  19. Keeley Jon E. Rundel Philip W. Evolution of CAM and C4 Carbon-Concentrating Mechanisms  // International Journal of Plant Sciences  :  journal. - 2003. - Sv. 164 , č. S3 . — P.S55 . - doi : 10.1086/374192 .
  20. Dodd AN Borland AM Haslam RP Griffiths H. Maxwell K. Metabolismus kyselin Crassulacean: plastický, fantastický  //  Journal of Experimental Botany  : journal. - Oxford University Press , 2002. - Sv. 53 , č. 369 . - S. 569-580 . doi : 10.1093 / jexbot/53.369.569 . — PMID 11886877 .
  21. Christin, P.-A.; Osborne, C. P.; Chatelet, D.S.; Columbus, JT; Besnard, G.; Hodkinson, TR; Garrison, L.M.; Voroncovová, MS; Edwards, EJ Anatomické faktory a evoluce fotosyntézy C4 v trávách  // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America  : journal  . - 2012. - Sv. 110 , č. 4 . - S. 1381-1386 . - doi : 10.1073/pnas.1216777110 . - .
  22. 1 2 3 4 Osborne, CP; Beerling, DJ Posouzení. Zelená revoluce přírody: pozoruhodný evoluční vzestup rostlin C 4  (anglicky)  // Philosophical Transactions of the Royal Society B  : journal. - 2006. - Sv. 361 , č.p. 1465 . - S. 173-194 . - doi : 10.1098/rstb.2005.1737 . — PMID 16553316 .  (nedostupný odkaz)
  23. Thomasson, JR; Nelson, M.E.; Zakrzewski, RJ Fosilní tráva (Gramineae: Chloridoideae) z miocénu s Kranzovou anatomií  (anglicky)  // Science : journal. - 1986. - Sv. 233 , č.p. 4766 . - S. 876-878 . - doi : 10.1126/science.233.4766.876 . - . — PMID 17752216 .
  24. Osborne, P.; Freckleton, P.; Osborne; Freckleton. Ekologické selekční tlaky pro fotosyntézu C4 v travách   // Sborník . Biologické vědy / Královská společnost  : časopis. - 2009. - únor ( roč. 276 , č. 1663 ). - S. 1753-1760 . — ISSN 0962-8452 . - doi : 10.1098/rspb.2008.1762 . — PMID 19324795 .
  25. Bond, WJ; Woodward, F.I.; Midgley, GF Globální distribuce ekosystémů ve světě bez ohně  // New  Phytologist : deník. - 2005. - Sv. 165 , č.p. 2 . - str. 525-538 . - doi : 10.1111/j.1469-8137.2004.01252.x . — PMID 15720663 .
  26. Pagani, M.; Zachos, JC; Freeman, KH; Tipple, B.; Bohatý, S. Marked Decline in Atmospheric Carbon Dioxide Concentrations during the Paleogene  //  Science : journal. - 2005. - Sv. 309 , č.p. 5734 . - str. 600-603 . - doi : 10.1126/science.1110063 . — PMID 15961630 .
  27. Piperno, D. R. Sues, HD dinosauři večeřeli na trávě   // Věda . - 2005. - Sv. 310 , č.p. 5751 . - S. 1126-1128 . - doi : 10.1126/science.1121020 . — PMID 16293745 .
  28. Prasad, V.; Stroemberg, CAE; Alimohammadian, H.; Sahni, A. Dinosaur Coprolites and the Early Evolution of Grasses and Grazers  (anglicky)  // Science (Washington): journal. - 2005. - Sv. 310 , č.p. 5751 . - S. 1177-1180 . - doi : 10.1126/science.1118806 . - . — PMID 16293759 .
  29. Keeley, JE Rundel, PW Fire a miocenní expanze pastvin C4   // Ecology Letters : deník. - 2005. - Sv. 8 , č. 7 . - S. 683-690 . - doi : 10.1111/j.1461-0248.2005.00767.x .
  30. 1 2 Retallack, GJ kenozoická expanze pastvin a klimatické chlazení  // The  Journal of Geology : deník. - 2001. - Sv. 109 , č. 4 . - str. 407-426 . - doi : 10.1086/320791 . - .