Без кейворду

Фотосинтез і рифовий акваріум, частина І: джерела вуглецю

Фотосинтез – це процес, за допомогою якого організми поглинають світлову енергію і перетворюють її в корисну хімічну енергію. Це надзвичайно важливий процес у більшості рифових акваріумів, але більшість акваріумістів приділяють йому мало уваги, окрім загальновизнаної важливості належного освітлення. Ця стаття є першою в серії, яка розглядає фотосинтез в рифових акваріумах з хімічної точки зору. Такі хімічні питання, наприклад, включають в себе те, як організми отримують сировину для фотосинтезу, чи потрібно акваріумістам “доповнювати” цю сировину, як організми усувають “відпрацьовані” продукти фотосинтезу, які хімічні наслідки занадто великого або занадто малого освітлення, як кальцифікація в коралах і молюсках пов’язана з ефективністю фотосинтезу, який біохімічний механізм збору світла і перетворення його в енергію, і як організми еволюціонували в цих процесах по відношенню до своїх природних середовищ існування.

Відповіді на ці питання можуть мати важливий вплив на практику утримання таким чином, що рифові акваріумісти, можливо, не враховували їх. Зокрема, в цій статті розглядаються питання про те, чи може рівень рН або лужність акваріума або рефугіуму впливати на швидкість фотосинтезу, а також про те, чи повинні акваріумісти враховувати доступність вуглекислого газу для фотосинтезуючих організмів.

Найбільш спрощене хімічне рівняння, що описує фотосинтез, має вигляд:

вуглекислий газ + вода + світло � вуглеводи плюс кисень

або у вигляді хімічної формули:

Ця стаття присвячена, насамперед, першому реагенту в цьому рівнянні – вуглекислому газу. Процеси, що призводять до поглинання вуглекислого газу фотосинтезуючими морськими організмами, є активним напрямком досліджень, причому більшість відповідних публікацій в цій області вийшли тільки в останні п’ять років. Виявляється, що симбіотичні динофлагеляти (зооксантелли) всередині коралів і молюсків 1 є особливим випадком з точки зору поглинання вуглекислого газу за рахунок оточуючої тварини-хазяїна, а також значної кількості кальцифікації, що відбувається в цьому ж організмі. Оскільки фотосинтез і кальцифікація можуть бути хімічно взаємопов’язані, особливі аспекти фотосинтезу в симбіотичних і кальцифікуючих організмах будуть детально розглянуті в одній з наступних статей.

Прісноводні акваріумісти, які доглядають за яскраво освітленими акваріумами з рослинами, давно знають про важливість CO₂і часто додають вуглекислий газ безпосередньо в акваріумну воду тим чи іншим способом, щоб задовольнити значну потребу цих акваріумів у цьому матеріалі. З іншого боку, рифові акваріумісти можуть мати такий самий або навіть більший фотосинтез, але рідко турбуються про додавання вуглекислого газу. Чому? Це одна з тем, яка буде детально розглянута в наступних розділах цієї статті. Відповідь не в тому, що морська вода містить більше CO₂ ніж у прісній воді, а скоріше в тому, що морська вода містить інші хімічні речовини, які в деяких випадках можуть бути використані для постачання вуглекислого газу.

Зміст цієї статті такий:

• Вступ
• Вуглекислий газ у морській воді
• Отримання вуглекислого газу у вигляді діоксиду вуглецю: Пасивне поглинання
• Отримання діоксиду вуглецю: Механізми концентрування
• Отримання вуглекислого газу у вигляді діоксиду вуглецю: Активний транспорт
• Отримання вуглекислого газу з бікарбонату: Вуглекислий газ: карбоангідраза
• Отримання діоксиду вуглецю з бікарбонату: Пряме поглинання
• Отримання вуглекислого газу з бікарбонату: Перекачування протонів
• Фотосинтез макроводоростей як функція рН
• Фотосинтез водоростей по відношенню до їх природного середовища
• Фотосинтез водоростей при безперервному освітленні в порівнянні з циклами світло/темрява
• Наслідки для рифового акваріумістики
• Висновки
• Список використаної літератури

Багато організмів у рифовому акваріумі покладаються на фотосинтез, щоб вижити. До них відносяться діатомові водорості, зелені водорості, ціанобактерії, макроводорості, молюски Tridacna і більшість коралів і анемони, які утримують акваріумісти. У випадку з молюсками, коралами та анемонами цей фотосинтез фактично здійснюється симбіотичними організмами (зооксанталами), які живуть в тканинах тварини-господаря. Однак у кожному випадку клітини, які фотосинтезують, повинні якимось чином поглинати вуглекислий газ, і вони виділяють кисень.

Іноді отримання достатньої кількості вуглекислого газу для фотосинтезуючих організмів є легким, а іноді – складним, що вимагає від них вироблення спеціальних механізмів для його досить швидкого отримання. Для того, щоб зрозуміти, як це відбувається в рифовому акваріумі, спочатку необхідно розібратися, що відбувається з вуглекислим газом, коли він розчиняється в морській воді.

Вуглекислий газ в морській воді

Вуглекислий газ – цікава молекула. Коли він розчиняється у воді, він може приймати різні форми. Навіть швидкість, з якою він може переходити між деякими з цих форм, впливає на те, як організми повинні розвивати спеціальні механізми, щоб мати можливість поглинати достатню кількість під час швидкого фотосинтезу.

Вуглекислий газ присутній у звичайному повітрі на рівні 350 ppm. У минулому його вміст був нижчим, і протягом останніх 100 років він неухильно зростав, в основному через спалювання викопного палива. Літр повітря важить близько 1,3 грама, тому при вмісті вуглекислого газу 350 проміле, цей літр повітря містить близько 0,00046 грама (0,5 мг) вуглекислого газу. Ця дуже низька кількість у поєднанні з кінетичними проблемами (тобто повільністю) надходження вуглекислого газу в морську воду пояснює, чому часто важко підтримувати достатню аерацію води в рифових акваріумах, щоб запобігти підвищенню рівня pH, коли такі процеси, як фотосинтез або додавання вапняної води, споживають вуглекислий газ.

Коли молекула вуглекислого газу з газової фази потрапляє у воду, вона спочатку гідратується до вугільної кислоти:

Цей процес гідратації відбувається напрочуд повільно, оскільки це справжня хімічна реакція, як показано схематично нижче:

Час, необхідний для того, щоб половина CO₂молекули, доданої до води, гідратується за 23 секунди. Ця швидкість є досить повільною, тому багато організмів виробили ферменти для її прискорення. Наприклад, карбоангідраза каталізує гідратацію і зворотну реакцію (дегідратацію), що дозволяє організмам швидше переробляти вуглекислий газ. Вона використовується широким спектром організмів, від водоростей до людей. У людей вона важлива для того, щоб дозволити вуглекислому газу виводитися з легень. Без нього вугільна кислота в легеневих тканинах не могла б достатньо швидко перетворюватися на газоподібний CO₂ щоб дозволити йому адекватно виводитися при диханні.

Вугільна кислота, яка утворюється при гідратації вуглекислого газу, може потім дуже швидко врівноважуватися в карбонатній буферній системі води, перетворюючись як на бікарбонат, так і на карбонат, вивільняючи протони (H+ ):

Перетворення між вугільною кислотою, бікарбонатом і карбонатом відбуваються набагато швидше, ніж гідратація вуглекислого газу, і для більшості цілей можуть вважатися миттєвими. Отже, вугільна кислота, бікарбонат і карбонат знаходяться в рівновазі один з одним в будь-який момент часу. Основним фактором, який визначає відносну кількість кожного виду, що знаходиться в рівновазі в морській воді, є рН, з невеликим впливом температури.

Для того, щоб оцінити, чи може організм, який потребує CO₂ може отримати користь від будь-якої іншої форми, окрім самого CO₂ корисно зрозуміти, скільки кожної з них присутня в морській воді. Морська вода містить приблизно в 670 разів більше негідратованого вуглекислого газу, ніж гідратованого (вугільна кислота). Однак при більшості значень рН, що досягаються в рифовому акваріумі, бікарбонат набагато переважає вуглекислий газ, ніж вуглекислий газ.

Використовуючи відомі значення pKa для вугільної кислоти та бікарбонату в морській воді, ми можемо точно визначити, скільки кожної форми присутня в морській воді в залежності від pH. Відповідні хімічні рівняння та значення pKa наведені нижче:

Ці значення pKa означають, що морська вода з рН 5,85 містить рівні концентрації вуглекислого газу та бікарбонату, а морська вода з рН 8,92 містить рівні концентрації бікарбонату та карбонату. На рисунку 1 показані дані, розраховані для всіх трьох видів в залежності від рН морської води. З цього графіка видно, що якщо отримання самого вуглекислого газу обмежується при рН 8,2, то більш ефективним може бути отримання його з бікарбонату, оскільки його присутня набагато більша кількість. Насправді, приблизно в 200 разів більше бікарбонату, ніж вуглекислого газу, присутнє в морській воді при рН 8,2. У більшості рифових акваріумів бікарбонат присутній у концентрації від 2 до 4 мМ (мілімоляр = мекв/л), або приблизно від 122 до 244 мг/л бікарбонату. Для порівняння, вміст вуглекислого газу набагато нижчий, порядку 0,01 мМ (0,5) мг/л при рН 8,2. Цікаво, що це значення 0,5 мг/л для вуглекислого газу в морській воді майже точно відповідає концентрації вуглекислого газу в повітрі.

Рисунок 1. Відносна частка вуглекислого газу та вугільної кислоти (чорний колір), бікарбонату (білий колір) і карбонату (червоний колір) в морській воді в залежності від рН.

Отримання вуглекислого газу у вигляді діоксиду вуглецю: Пасивне поглинання

Вуглекислий газ здатний проникати через клітинні мембрани, оскільки є невеликою незарядженою молекулою з достатньою розчинністю в органічних матеріалах. Отже, організми, які поглинають вуглекислий газ, можуть робити це пасивно (не витрачаючи жодної енергії) і без спеціальних механізмів (таких як білки, призначені для прискорення цього процесу). Багато морських водоростей та інших організмів поглинають деяку вимірювану частину вуглекислого газу, який вони поглинають під час фотосинтезу, за допомогою цього процесу.

Однак у більшості випадків цей процес може задовольнити лише частину потреби у вуглекислому газі. Швидкість, з якою вуглекислий газ використовується організмами, що швидко фотосинтезують, є досить високою, щоб організми могли виснажувати вуглекислий газ у навколишній морській воді швидше, ніж він може бути замінений дифузією та іншими механізмами транспортування через морську воду. Виснаження легко спостерігається за рівнем рН в приповерхневих областях цих організмів, де рН підвищується через втрату вуглекислого газу. З цієї причини багато морських організмів розробили інші способи отримання вуглекислого газу, включаючи процеси за участю бікарбонату. 2

Прісноводні водорості, з іншого боку, іноді можуть отримувати весь необхідний їм вуглекислий газ шляхом пасивного поглинання. 3 Хоча огляд такої літератури не є необхідним в цій статті, я наведу один приклад. Прісноводна водорость хризофіт, Mallomonas papillosa, як було показано, не має жодного з більш складних механізмів поглинання вуглекислого газу, які описані далі в цій статті, і покладається на просте пасивне поглинання. З цієї причини було показано, що вона найбільш ефективно фотосинтезує там, де концентрація вуглекислого газу висока, при рН 5-7. 4

Отримання вуглекислого газу: Механізми концентрування

Як зазначалося вище, було показано, що лише деякі морські організми покладаються виключно на пасивне поглинання вуглекислого газу, але механізми концентрації вуглекислого газу часто невідомі. Як зазначено в оглядовій статті 5 у 2005 році, морські діатомові водорості фіксують понад 10 мільярдів тонн вуглецю шляхом фотосинтезу щороку, але “все ще існує ряд фундаментальних невирішених аспектів асиміляції неорганічного вуглецю морськими діатомовими водоростями. Незрозуміло, як функціонує механізм концентрування вуглецю”.

Отримання вуглекислого газу у вигляді діоксиду вуглецю: Активне транспортування

Вуглекислий газ може активно транспортуватися через клітинні мембрани за допомогою білкових транспортерів. Цей процес не вирішує проблему низького рівня доступного вуглекислого газу в навколишній морській воді, але він може гарантувати, що саме поглинання не є обмежуючим фактором, і може бути особливо корисним у середовищах, де вуглекислого газу багато (мається на увазі середовище з низьким рівнем рН у морській воді).

Дві морські динофлагеляти, Amphidinium carterae Hulburt та Heterocapsa oceanica Stein, демонструють активне поглинання вуглекислого газу (або вугільної кислоти), але не бікарбонату. 6 Оскільки цей механізм є принципово обмеженим у своїй ефективності, було висловлено припущення, що ці організми можуть бути обмежені в поглинанні вуглекислого газу в своєму природному середовищі.₂-в їхньому природному середовищі. 7

Два морські гаптофіти, Isochrysis galbana Parke та Dicrateria inornata Parke, демонструють активне поглинання як вуглекислого газу (або вугільної кислоти), так і бікарбонату (описано нижче). 6,8

Було показано, що морська діатомова водорость Skeletonema costatum 9 має незначну здатність використовувати бікарбонат для отримання вуглекислого газу. Однак вона демонструє активні механізми поглинання вуглекислого газу, і ця здатність залежить від рівня освітленості. При більш високих рівнях освітлення діатомова водорость демонструє більш високу спорідненість до вуглекислого газу. Ця здатність може бути досягнута протягом двох годин після впливу високого рівня освітлення і повільно згасає протягом приблизно 10 годин при поверненні до низького рівня освітлення (де потрібно менше поглинання вуглекислого газу). Імовірно, організм виробляє білок, що транспортує вуглекислий газ, коли рівень освітлення високий і вуглекислий газ потрібен у великих кількостях, і припиняє його виробництво (що дозволяє популяції транспортерів повільно зменшуватися), коли в них немає потреби. Високий рівень вуглекислого газу в навколишньому середовищі також пригнічує вираження його високої спорідненості до поглинання вуглекислого газу. Очевидно, ця діатомова водорость витрачає енергію на активне поглинання вуглекислого газу лише тоді, коли це дійсно необхідно, і покладається на дифузію, коли це можливо.

Отримання вуглекислого газу з бікарбонату: Вугільна ангідраза

Якщо організм повинен отримати вуглекислий газ з бікарбонату, існує кілька потенційних процесів, і різні організми використовують різні підходи. У багатьох випадках точні механізми не встановлені. Набагато легше показати, що бікарбонат є джерелом вуглекислого газу для морських організмів, ніж показати, як саме вони його поглинають. Бікарбонат-іон, будучи зарядженим і нерозчинним в органічних фазах, не може легко дифундувати через клітинні мембрани, тому потрібні інші механізми.

Така невизначеність механізму має місце, наприклад, для Ulva lactuca. Було показано, що вона здатна фотосинтезувати, перебуваючи поза водою (скажімо, під час відпливу), поглинаючи безпосередньо вуглекислий газ, а також у воді, поглинаючи бікарбонат. 10 Але точний механізм використання бікарбонату для отримання вуглекислого газу у цього виду не відомий.

Одним з поширених способів використання бікарбонату є використання клітинами, що піддаються впливу морської води, позаклітинної карбоангідрази на своїй поверхні. Як згадувалося вище, фермент карбоангідраза каталізує гідратацію і дегідратацію вуглекислого газу і вугільної кислоти відповідно. Ці організми виділяють цей фермент у морську воду, багату на бікарбонат, що їх оточує. Оскільки бікарбонат природно знаходиться у швидкій рівновазі з вугільною кислотою, а вугільна ангідраза підтримує вугільну кислоту у швидкій рівновазі з негідратованим вуглекислим газом, бікарбонат використовується як готовий пул для постачання вуглекислого газу, який пасивно перетинає клітинні мембрани і поглинається (схематично показано нижче).

Показано, що агарофіт Gracilaria lemaneiformis 11 поглинає вуглець таким чином. Він має карбоангідразу як всередині організму, так і зовні. Інгібування будь-якого з цих типів карбоангідрази значно знижує фотосинтез, але додавання інгібітора транспорту аніонів не впливає на нього. Додавання буферу TRIS до позаклітинної рідини (морської води) також не має ефекту (мета якого обговорюється в наступному розділі, що стосується протонної накачки як можливого механізму).

Фотосинтез у цьому організмі значно знижується при підвищенні рН (зниження на 73% при переході від рН 8,0 до 9,0), імовірно тому, що схильність бікарбонату до утворення вугільної кислоти знижується при більш високому рН.

Бурі водорості, Hizikia fusiforme (Sargassaceae), 12 з Південно-Китайського моря, також демонструють активність карбоангідрази, як всередині, так і зовні, і не здатні активно і безпосередньо транспортувати бікарбонат. Отже, його концентрація вуглекислого газу, ймовірно, діє за механізмом, показаним вище.

Два види морських примнезіофітів (Dicrateria inornata та Ochrosphaera neapolitana) 13 показали, що завдяки використанню різних інгібіторів вугільної ангідрази, вони використовують позаклітинну вугільну ангідразу для збору вуглекислого газу з бікарбонату навколишнього середовища. Вони також використовують енергозалежний процес поглинання самого вуглекислого газу. Зростання в середовищах з високим вмістом вуглекислого газу пригнічує експресію активної для цих видів карбоангідрази, але не зменшує активне поглинання вуглекислого газу.

Отримання вуглекислого газу з бікарбонату: Пряме поглинання

Альтернативний спосіб отримання двоокису вуглецю через бікарбонат морської води полягає в тому, що бікарбонат поглинається білковими транспортними механізмами через клітинні мембрани, а потім всередині клітин, де він необхідний, карбоангідраза перетворює його на двоокис вуглецю та іон гідроксиду. Потім гідроксид викачується, або Н+ закачується, для досягнення балансу рН.

Транспортування іонів через клітинні мембрани за допомогою білкових транспортерів є широко розповсюдженим механізмом, за допомогою якого організми можуть отримувати необхідні іони через мембрану, через яку вони зазвичай не дифундують. Деякі з них є активними транспортерами, що використовують хімічну енергію для “витягування” іонів з позаклітинної рідини (ми виштовхуємо їх, коли це необхідно), а інші транспортери просто дозволяють певним іонам переходити від високої концентрації з одного боку до більш низької концентрації з іншого боку.

Доведено, що морська червона водорость Gracilaria conferta має активний механізм поглинання бікарбонату. 14 Три морські динофлагеляти, що утворюють цвітіння (червоні припливи), Prorocentrum minimum, Heterocapsa triquetra та Ceratium lineatum, 15 показали, що вони безпосередньо поглинають бікарбонат. Вони демонструють незначну активність карбоангідрази, проте на бікарбонат припадає приблизно 80% вуглекислого газу, який вони використовують у фотосинтезі. Вважається, що ці динофлагеляти не обмежені вуглецем у фотосинтезі завдяки ефективним механізмам прямого поглинання бікарбонату.

Морська діатомова водорость Phaeodactylum tricornutum 16 не тільки має активний механізм поглинання бікарбонату, але й виявила щонайменше два різних механізми. Зокрема, вони показали, що частина поглинання залежить від наявності позаклітинного калію, і ця частина загального поглинання вуглекислого газу усувається, коли калій відсутній у середовищі. Другий механізм прямого поглинання бікарбонату не залежав від калію, що вказує на наявність принаймні двох різних шляхів транспортування бікарбонату в цьому організмі.

Отримання вуглекислого газу з бікарбонату: Протонна відкачка

Інший спосіб отримання вуглекислого газу через бікарбонат морської води полягає у викачуванні Н+ з клітин у позаклітинну рідину (морську воду біля клітин) або в спеціальну порожнину, де присутній бікарбонат. 17 Цей низький рівень рН призводить до того, що бікарбонат стає протонованим і перетворюється на вугільну кислоту. Вугільна кислота потім може перетворюватися на вуглекислий газ і проходити через клітинні мембрани.

Наприклад, було показано, що морська трава Zostera noltii Hornem 18 використовує протонне перекачування для збору бікарбонату у вигляді вугільної кислоти з води. Вона не містить позаклітинної карбоангідрази, а використовує АТФ (аденозинтрифосфат, основна валюта хімічної енергії в більшості організмів) для виведення Н+. Докази цього механізму були знайдені шляхом додавання буферу до морської води (TRIS) без зміни рН. Цей буфер підтримує постійний рівень рН біля поверхні клітини, протидіючи корисному ефекту протонної помпи в зниженні рН і перетворенні бікарбонату в вугільну кислоту. Проста присутність у воді буферу, що не поглинається, може знизити швидкість фотосинтезу в цьому організмі майже на 80%.

Цікаво, що ті зразки морської трави, які були акліматизовані до високого освітлення (де високі темпи фотосинтезу і, відповідно, поглинання бікарбонату були б найвищими), показали найбільшу здатність до активного поглинання бікарбонату. В експериментах з високим освітленням було показано, що ці раніше акліматизовані до високого освітлення зразки були обмежені лише світлом, тоді як тіньові організми були обмежені як світлом, так і вуглецем, коли їх помістили на високе освітлення. 18 Було показано, що інші види морської трави (наприклад, Z. mulleri та Z. marina) мають зовнішню карбоангідразу, і тому можуть мати різні механізми поглинання. 18

Фотосинтез макроводоростей як функція рН

Одним з побічних ефектів необхідності поглинання вуглекислого газу для фотосинтезу є те, що рН може впливати на швидкість фотосинтезу, оскільки кількість вуглекислого газу (у вигляді CO₂ або H₂CO₃) у воді змінюється залежно від рН. Припускаючи постійну карбонатну лужність, ефект є досить сильним. Падіння на 0,3 одиниці рН означає подвоєння концентрації вуглекислого газу. Наприклад, рифовий акваріум при рН 8,5 має одну четверту вуглекислого газу від рифового акваріума при рН 7,9, припускаючи, що карбонатна лужність однакова.

Акваріумісти можуть справедливо задатися питанням, чи здатні організми ефективно фотосинтезувати при підвищенні рН. Відповідь неоднозначна. Деякі можуть, а деякі не можуть. Ті організми, які покладаються виключно на вуглекислий газ, не можуть. Ті, які покладаються як на вуглекислий газ, так і на бікарбонат, мають більше шансів зберегти ефективність при більш високому рівні pH, оскільки присутня набагато більша кількість бікарбонату, і вона не змінюється так швидко зі зміною pH в діапазоні, що цікавить акваріумістів.

У таблиці 1 показана реакція різних макроводоростей з точки зору їх здатності до фотосинтезу при рН 8,1 і 8,7. У морській воді з постійною карбонатною лужністю при рН 8,7 міститься на 20% більше вуглекислого газу, ніж при рН 8,1, тому організм, що живиться лише вуглекислим газом, може відчути значне падіння швидкості фотосинтезу в цьому діапазоні. Очевидно, що реакція залежить від виду. Зокрема, Chaetomorpha aerea може становити значний інтерес для акваріумістів. Це не обов’язково саме той вид, який багато хто вирощує в рефугіумах (який не ідентифікований, наскільки я можу судити), але цей вид Chaetomorpha демонструє 25% падіння фотосинтезу при впливі більш високого рН. Це падіння не таке велике, як у деяких інших видів, але все одно може бути важливим, і воно більше, ніж у багатьох інших видів макроводоростей.

Звичайно, швидкість фотосинтезу не обов’язково відображається на швидкості росту. Якщо інші поживні речовини обмежують ріст (азот, фосфор, залізо і т.д.), то може бути неважливо, чи знижується швидкість фотосинтезу при більш високому рН. Але оскільки ці поживні речовини часто присутні в надлишку в рифових акваріумах, цілком можливо, що в деяких випадках поглинання вуглецю є лімітуючим, і в таких випадках акваріумісти можуть отримати вигоду від забезпечення не надто високого рівня рН.

Source: reefkeeping.com