Без кейворда

Фотосинтез и рифовый аквариум, часть I: Источники углерода

Фотосинтез – это процесс, в ходе которого организмы получают световую энергию и преобразуют ее в полезную химическую энергию. Это критически важный процесс в большинстве рифовых аквариумов, но большинство аквариумистов уделяют ему мало внимания, не считая признанной важности соответствующего освещения. Эта статья – первая в серии, в которой фотосинтез в рифовых аквариумах рассматривается с химической точки зрения. К таким химическим вопросам, например, относятся: как организмы получают сырье для фотосинтеза, нужно ли аквариумистам “дополнять” его, как организмы устраняют “отходы” фотосинтеза, каковы химические последствия слишком большого или слишком малого количества света, как кальцификация кораллов и моллюсков связана с эффективностью фотосинтеза, каков биохимический механизм для сбора света и преобразования его в энергию, и как организмы развивали эти процессы в зависимости от их естественной среды обитания.

Ответы на эти вопросы могут оказать важное влияние на практику содержания рифовых аквариумов, о чем рифовые аквариумисты, возможно, даже не задумывались. В частности, в данной статье рассматривается вопрос о том, может ли pH или щелочность аквариума или рефугиума влиять на скорость фотосинтеза, и следует ли аквариумистам учитывать доступность углекислого газа для фотосинтезирующих организмов.

Наиболее упрощенное химическое уравнение, описывающее фотосинтез, выглядит следующим образом:

углекислый газ + вода + свет � углевод плюс кислород

или в химической формуле:

Данная статья посвящена в первую очередь первому реактиву в этом уравнении – углекислому газу. Процессы, приводящие к поглощению углекислого газа фотосинтезирующими морскими организмами, являются активной областью исследований, причем большинство соответствующих публикаций в этой области появилось только за последние пять лет. Оказывается, симбиотические динофлагелляты (зооксантеллы) внутри кораллов и моллюсков 1 представляют собой особый случай с точки зрения поглощения углекислого газа благодаря окружающему животному-хозяину, а также значительному количеству кальцификации, происходящей в одном и том же организме. Поскольку фотосинтез и кальцификация могут быть химически взаимосвязаны, особые аспекты фотосинтеза в симбиотических и кальцифицирующих организмах будут подробно рассмотрены в одной из следующих статей.

Пресноводные аквариумисты, ухаживающие за ярко освещенными аквариумами с растениями, давно знают о важности CO₂и часто добавляют углекислый газ непосредственно в аквариумную воду тем или иным способом, чтобы обеспечить существенную потребность этих аквариумов в этом веществе. С другой стороны, у рифовых аквариумов может происходить столько же или даже больше фотосинтеза, но они редко беспокоятся о добавлении углекислого газа. Почему? Это одна из тем, которая будет подробно рассмотрена в последующих разделах данной статьи. Ответ заключается не в том, что морская вода содержит больше CO₂ чем пресная, а скорее в том, что морская вода содержит другие химические вещества, которые в некоторых случаях могут быть использованы для подачи углекислого газа.

Содержание этой статьи следующее:

• Введение
• Диоксид углерода в морской воде
• Получение диоксида углерода в виде двуокиси углерода: Пассивное поглощение
• Получение двуокиси углерода: Механизмы концентрирования
• Получение диоксида углерода в виде двуокиси углерода: Активный транспорт
• Получение диоксида углерода из бикарбоната: Карбоновая ангидраза
• Получение диоксида углерода из бикарбоната: Прямое поглощение
• Получение диоксида углерода из бикарбоната: Перекачка протонов
• Фотосинтез макроводорослей в зависимости от рН
• Фотосинтез водорослей относительно их естественного окружения
• Фотосинтез водорослей при непрерывном освещении по сравнению с циклами свет/темнота
• Последствия для содержания рифовых аквариумов
• Резюме
• Ссылка

Все организмы в рифовом аквариуме для своего выживания полагаются на фотосинтез. К ним относятся диатомовые водоросли, зеленые водоросли, цианобактерии, макроводоросли, моллюски Tridacna и большинство кораллов и анемонов, которые содержат аквариумисты. В случае с моллюсками, кораллами и анемонами фотосинтез осуществляется симбиотическими организмами (зооксанталлами), которые живут в тканях животного-хозяина. Однако в каждом случае клетки, осуществляющие фотосинтез, должны каким-то образом получать углекислый газ и выделять кислород.

Иногда фотосинтезирующим организмам легко получить достаточное количество углекислого газа, а иногда это сложно, что требует от них разработки специальных механизмов для его быстрого получения. Чтобы понять, как это происходит в рифовом аквариуме, сначала необходимо понять, что происходит с углекислым газом, когда он растворяется в морской воде.

Диоксид углерода в морской воде

Диоксид углерода – интересная молекула. Когда он растворяется в воде, он может принимать различные формы. Даже скорость, с которой он может переходить из одной формы в другую, влияет на то, как организмы должны развивать специальные механизмы, чтобы иметь возможность поглощать достаточное количество во время быстрого фотосинтеза.

В обычном воздухе двуокись углерода присутствует в количестве около 350 частей на миллион. В прошлом его содержание было ниже, а в последние 100 лет или около того оно неуклонно растет, в основном из-за сжигания ископаемого топлива. Литр воздуха весит около 1,3 грамма, поэтому при 350 промилле углекислого газа в литре воздуха содержится около 0,00046 грамма (0,5 мг) углекислого газа. Это очень малое количество, в сочетании с кинетическими проблемами (т.е. медленностью) проникновения углекислого газа в морскую воду, объясняет, почему часто трудно поддерживать воду в рифовых аквариумах достаточно аэрированной, чтобы рН не повышался, когда такие процессы, как фотосинтез или добавление известковой воды, потребляют углекислый газ.

Когда молекула углекислого газа из газовой фазы попадает в воду, она сначала гидратируется до углекислоты:

Этот процесс гидратации происходит на удивление медленно, потому что это настоящая химическая реакция, как показано схематически ниже:

Время, в течение которого половина CO₂молекул, добавленных в воду для гидратации, составляет порядка 23 секунд. Эта скорость достаточно медленная, поэтому многие организмы разработали ферменты для ее ускорения. Например, карбоновая ангидраза катализирует гидратацию и обратную реакцию (дегидратацию), позволяя организмам быстрее перерабатывать углекислый газ. Она используется широким спектром организмов, от водорослей до людей. У людей она играет важную роль в обеспечении выведения углекислого газа из легких. Без него углекислота в легочных тканях недостаточно быстро превращается в газообразный CO₂ для адекватного выведения его при дыхании.

Карбоновая кислота, образующаяся при гидратации углекислого газа, может затем очень быстро уравновеситься в карбонатной буферной системе воды, превращаясь в бикарбонат и карбонат путем высвобождения протонов (H + ):

Превращения между карбоновой кислотой, бикарбонатом и карбонатом происходят гораздо быстрее, чем гидратация углекислого газа, и для большинства целей могут считаться мгновенными. Следовательно, карбоновая кислота, бикарбонат и карбонат находятся в равновесии друг с другом в любой момент времени. Основным фактором, определяющим относительное количество каждого вида, находящегося в равновесии в морской воде, является pH, а также небольшое влияние температуры.

Для того чтобы оценить, может ли организм, нуждающийся в CO₂ может получить пользу от любой из форм, помимо самого CO₂ полезно понять, сколько каждой из них присутствует в морской воде. Морская вода содержит примерно в 670 раз больше негидратированного диоксида углерода, чем его гидратированной версии (угольной кислоты). Однако при большинстве значений pH, достигаемых в рифовом аквариуме, бикарбонат гораздо более распространен, чем углекислый газ.

Используя известные значения pKa для углекислоты и бикарбоната в морской воде, мы можем определить, сколько именно каждой формы присутствует в морской воде в зависимости от pH. Соответствующие химические уравнения и значения pKa следующие:

Эти значения pKa означают, что морская вода при pH 5,85 содержит равные концентрации диоксида углерода и бикарбоната, а морская вода при pH 8,92 содержит равные концентрации бикарбоната и карбоната. На рисунке 1 показаны данные, рассчитанные для всех трех видов как функция pH в морской воде. Из этого графика видно, что если при pH 8,2 получение углекислого газа само по себе является лимитирующим фактором, то более эффективным может быть получение его из бикарбоната, поскольку в нем содержится гораздо больше углекислого газа. На самом деле, при pH 8,2 в морской воде присутствует примерно в 200 раз больше бикарбоната, чем двуокиси углерода. В большинстве рифовых аквариумов бикарбонат присутствует в концентрации от 2 до 4 мМ (миллимоль = мэкв/л), или примерно от 122 до 244 мг/л бикарбоната. Для сравнения, содержание углекислого газа намного ниже, порядка 0,01 мМ (0,5) мг/л при pH 8,2. Интересно, что значение 0,5 мг/л для диоксида углерода в морской воде почти полностью совпадает с концентрацией диоксида углерода в воздухе.

Рисунок 1. Относительная доля двуокиси углерода и угольной кислоты (черный), бикарбоната (белый) и карбоната (красный) в морской воде в зависимости от pH.

Получение двуокиси углерода в виде углекислого газа: Пассивное поглощение

Диоксид углерода способен преодолевать клеточные мембраны, поскольку это маленькая незаряженная молекула с разумной растворимостью в органических материалах. Следовательно, организмы, поглощающие углекислый газ, могут делать это пассивно (без затрат энергии) и без специальных механизмов (таких как белки, предназначенные для ускорения этого процесса). Многие морские водоросли и другие организмы поглощают с помощью этого процесса некоторую измеримую часть углекислого газа, который они получают в процессе фотосинтеза.

Однако в большинстве случаев этот процесс может обеспечить лишь часть потребности в углекислом газе. Скорость, с которой углекислый газ используется быстро фотосинтезирующими организмами, достаточно высока, чтобы организмы могли истощить запасы углекислого газа в окружающей морской воде быстрее, чем он может быть восполнен за счет диффузии и других механизмов переноса через морскую воду. Это истощение легко заметить по рН в приповерхностных областях этих организмов, где рН повышается из-за потери углекислого газа. По этой причине многие морские организмы разработали другие способы получения углекислого газа, включая процессы с участием бикарбоната. 2

Пресноводные водоросли, с другой стороны, иногда могут получать весь необходимый им углекислый газ путем пассивного поглощения. 3 Хотя обзор подобной литературы в данной статье излишен, я приведу один пример. Пресноводная хризофитовая водоросль Mallomonas papillosa не имеет ни одного из более сложных механизмов поглощения углекислого газа, описанных далее в этой статье, и полагается на простое пассивное поглощение. По этой причине было показано, что фотосинтез наиболее эффективен там, где концентрация углекислого газа высока, при pH 5-7. 4

Получение двуокиси углерода: Механизмы концентрирования

Как упоминалось выше, было показано, что немногие морские организмы полагаются исключительно на пассивное поглощение углекислого газа, но механизмы концентрирования углекислого газа часто остаются неизвестными. Как говорится в обзорной статье 5, опубликованной в 2005 году, морские диатомовые водоросли ежегодно фиксируют более 10 миллиардов тонн углерода путем фотосинтеза, но “остается ряд фундаментальных нерешенных аспектов усвоения неорганического углерода морскими диатомовыми водорослями. Неясно, как функционирует механизм концентрации углерода”.

Получение углекислого газа в виде двуокиси углерода: Активный транспорт

Диоксид углерода может активно транспортироваться через клеточные мембраны с помощью белковых транспортеров. Этот процесс не решает проблему низкого уровня доступного диоксида углерода в окружающей морской воде, но он может гарантировать, что само поглощение не является ограничивающим фактором, и может быть особенно полезен в среде, где диоксида углерода много (подразумевается среда с низким уровнем pH в морской воде).

Два морских динофлагеллята, Amphidinium carterae Hulburt и Heterocapsa oceanica Stein, демонстрируют активное поглощение углекислого газа (или угольной кислоты), но не бикарбоната. 6 Поскольку этот механизм принципиально ограничен в своей эффективности, было высказано предположение, что эти организмы могут быть CO₂-ограниченными в своей естественной среде. 7

Два морских гаптофита, Isochrysis galbana Parke и Dicrateria inornata Parke, демонстрируют активное поглощение как углекислого газа (или углекислоты), так и бикарбоната (описано ниже). 6,8

Было показано, что морская диатомовая водоросль Skeletonema costatum 9 не способна использовать бикарбонат для получения углекислого газа. Однако она демонстрирует активные механизмы поглощения углекислого газа, и эта способность зависит от уровня освещенности. При более высоких уровнях освещенности диатомовые демонстрируют более высокое сродство к двуокиси углерода. Эта способность может быть достигнута в течение двух часов после воздействия сильного света и медленно исчезает в течение примерно 10 часов после возвращения к низкому уровню освещенности (где требуется меньшее поглощение углекислого газа). Предположительно, организм вырабатывает белок-переносчик углекислого газа, когда уровень освещенности высок и углекислый газ необходим в больших количествах, и прекращает это производство (позволяя транспортерам медленно уменьшаться в популяции), когда они не нужны. Высокие уровни углекислого газа в окружающей среде также подавляют экспрессию его высокого сродства к поглощению углекислого газа. По-видимому, эта диатомовая тратит энергию на активное поглощение углекислого газа только тогда, когда это действительно необходимо, и полагается на диффузию, когда это возможно.

Получение двуокиси углерода из бикарбоната: Карбоновая ангидраза

Если организму необходимо получить углекислый газ из бикарбоната, существует несколько потенциальных процессов, и разные организмы используют разные подходы. Во многих случаях точные механизмы не установлены. Гораздо проще показать, что бикарбонат является источником углекислого газа для морских организмов, чем показать, как именно они его получают. Бикарбонат-ион, будучи заряженным и нерастворимым в органических фазах, не может легко диффундировать через клеточные мембраны, поэтому необходимы другие механизмы.

Такая неопределенность механизма имеет место, например, в случае с Ulva lactuca. Было показано, что она может фотосинтезировать, находясь вне воды (скажем, во время отлива), поглощая углекислый газ напрямую, а также находясь в воде, поглощая бикарбонат10 . 10 Но точный механизм использования бикарбоната для получения углекислого газа у этого вида не известен.

Один из распространенных способов использования бикарбоната заключается в том, что клетки, подверженные воздействию морской воды, используют внеклеточную карбоновую ангидразу на своей поверхности. Как упоминалось выше, фермент карбоновая ангидраза катализирует гидратацию и дегидратацию углекислого газа и углекислоты, соответственно. Эти организмы выделяют данный фермент в окружающую их морскую воду, богатую бикарбонатом. Поскольку бикарбонат естественным образом находится в быстром равновесии с углекислотой, а карбоновая ангидраза поддерживает углекислоту в быстром равновесии с негидратированным диоксидом углерода, бикарбонат используется как готовый резервуар для подачи диоксида углерода, чтобы пассивно пересечь клеточные мембраны и быть поглощенным (схематично показано ниже).

Было показано, что агарофит Gracilaria lemaneiformis 11 может поглощать углерод таким образом. У него есть углекислотная ангидраза как внутри организма, так и снаружи. Ингибирование любого из этих типов карбоновой ангидразы значительно снижает фотосинтез, а добавление ингибитора анионного транспорта – нет. Добавление TRIS-буфера во внеклеточную жидкость (морскую воду) также не оказывает никакого эффекта (цель которого обсуждается в следующем разделе, касающемся прокачки протонов как возможного механизма).

Фотосинтез в этом организме значительно снижается при повышении pH (снижение на 73% при переходе от pH 8,0 к 9,0), предположительно потому, что склонность бикарбоната к образованию угольной кислоты снижается при более высоком pH.

Бурая водоросль Hizikia fusiforme (Sargassaceae), 12 из Южно-Китайского моря, также проявляет активность карбоновой ангидразы, как внутри, так и снаружи, и, как было показано, не способна активно и непосредственно переносить бикарбонат. Следовательно, концентрация углекислого газа в нем, скорее всего, регулируется механизмом, показанным выше.

Два вида морских примнезиофитов (Dicrateria inornata и Ochrosphaera neapolitana)13 , как было показано с помощью различных ингибиторов карбоновой ангидразы, используют внеклеточную карбоновую ангидразу для сбора углекислого газа из окружающего бикарбоната. Они также используют энергозависимый процесс поглощения углекислого газа. Рост в среде с высоким содержанием углекислого газа подавляет экспрессию карбоновой ангидразы, активной у этих видов, но не снижает активное поглощение углекислого газа.

Получение диоксида углерода из бикарбоната: Прямое поглощение

Альтернативным способом получения углекислого газа через бикарбонат морской воды является поглощение бикарбоната с помощью белковых транспортных механизмов через клеточные мембраны, а затем внутри клеток, где он необходим, карбоновая ангидраза превращает его в углекислый газ и гидроксид-ион. Затем гидроксид выкачивается, а H+ вводится в клетку для достижения баланса pH.

Перенос ионов через клеточные мембраны с помощью белковых транспортеров – широко распространенный механизм, с помощью которого организмы могут доставлять необходимые ионы через мембрану, через которую они обычно не диффундируют. Некоторые из них являются активными транспортерами, использующими химическую энергию для “вытягивания” ионов из внеклеточной жидкости (при необходимости мы их выталкиваем), а другие транспортеры просто позволяют определенным ионам проходить от высокой концентрации на одной стороне к более низкой концентрации на другой стороне.

Было показано, что морская красная водоросль Gracilaria conferta обладает активным механизмом поглощения бикарбоната. 14 Было показано, что три морские динофлагелляты, образующие цветение (красный прилив), Prorocentrum minimum, Heterocapsa triquetra и Ceratium lineatum, 15 поглощают бикарбонат напрямую. Они проявляют незначительную активность углекислой ангидразы, однако на долю бикарбоната приходится около 80% углекислого газа, используемого ими в процессе фотосинтеза. Считается, что эти динофлагелляты не ограничены по углероду в фотосинтезе благодаря эффективным механизмам прямого поглощения бикарбоната.

Было установлено, что морская диатомовая водоросль Phaeodactylum tricornutum 16 не только обладает активным механизмом поглощения бикарбоната, но исследователи выявили как минимум два различных механизма. В частности, они показали, что часть поглощения зависит от присутствия внеклеточного калия, и эта часть общего поглощения углекислого газа исчезает при отсутствии калия в среде. Второй механизм прямого поглощения бикарбоната не зависел от калия, что указывает на наличие как минимум двух различных путей транспортировки бикарбоната в этом организме.

Получение двуокиси углерода из бикарбоната: Протонная накачка

Еще один способ получения двуокиси углерода через бикарбонат морской воды заключается в откачке H+ из клеток во внеклеточную жидкость (морская вода рядом с клетками) или в специальную полость, где присутствует бикарбонат. 17 При низком pH бикарбонат протонируется и превращается в угольную кислоту. Затем угольная кислота может превратиться в углекислый газ и пройти через клеточные мембраны.

Например, было показано, что морская трава Zostera noltii Hornem 18 использует протонную накачку для сбора бикарбоната в форме углекислоты из воды. Она не содержит внеклеточной карбоновой ангидразы, а использует АТФ (аденозинтрифосфат, основную валюту химической энергии в большинстве организмов), чтобы стимулировать экспорт H + . Доказательство этого механизма можно найти, добавив в морскую воду буфер (TRIS) без изменения рН. Этот буфер поддерживает постоянный рН вблизи поверхности клетки, противодействуя благотворному влиянию протонной накачки на понижение рН и преобразование бикарбоната в угольную кислоту. Простое присутствие в воде непоглощенного буфера может снизить скорость фотосинтеза в этом организме почти на 80%.

Интересно, что особи морской травы, акклиматизированные к высокой освещенности (где скорость фотосинтеза и, соответственно, поглощения бикарбоната была бы самой высокой), показали наибольшую способность активно поглощать бикарбонат. В экспериментах с высокой освещенностью было показано, что эти ранее акклиматизированные к высокой освещенности образцы были ограничены только светом, в то время как акклиматизированные к тени организмы были ограничены и светом, и углеродом, когда были помещены в условия высокой освещенности. 18 Другие виды морских трав (например, Z. mulleri и Z. marina), как было показано, имеют внешнюю углекислотную ангидразу, и поэтому могут иметь другие механизмы поглощения углерода. 18

Фотосинтез макроводорослей в зависимости от рН

Одним из побочных эффектов необходимости поглощения углекислого газа для фотосинтеза является то, что pH может влиять на скорость фотосинтеза, поскольку количество углекислого газа (в виде CO₂ или H₂CO₃) в воде изменяется в зависимости от pH. Если предположить постоянную карбонатную щелочность, то эффект будет довольно сильным. Снижение pH на 0,3 единицы означает удвоение концентрации углекислого газа. Например, в рифовом аквариуме при pH 8,5 содержится на одну четверть больше углекислого газа, чем в рифовом аквариуме при pH 7,9, при условии, что карбонатная щелочность остается неизменной.

Аквариумисты могут справедливо задаться вопросом, способны ли организмы эффективно фотосинтезировать при повышении рН. Ответ неоднозначен. Некоторые могут, а некоторые нет. Те организмы, которые полагаются исключительно на углекислый газ, не могут. Те организмы, которые полагаются как на углекислый газ, так и на бикарбонат, имеют больше шансов сохранить эффективность при более высоком pH, поскольку присутствует гораздо большее количество бикарбоната, и он не так быстро меняется с pH в диапазоне, интересующем аквариумистов.

В таблице 1 показана реакция различных макроводорослей с точки зрения их способности к фотосинтезу при pH 8,1 и 8,7. В морской воде с постоянной карбонатной щелочностью при pH 8,7 содержится на 20% больше углекислого газа, чем при pH 8,1, поэтому организм, полагающийся только на углекислый газ, может испытать значительное снижение скорости фотосинтеза в этом диапазоне. Очевидно, что реакция варьируется в зависимости от вида. В частности, Chaetomorpha aerea может представлять значительный интерес для аквариумистов. Это не обязательно именно тот вид, который многие выращивают в рефугиумах (насколько я могу судить, он не идентифицирован), но этот вид Chaetomorpha демонстрирует 25-процентное падение фотосинтеза при воздействии более высокого pH. Это падение не такое большое, как у некоторых других видов, но все же может быть важным, и оно больше, чем у многих других видов макроводорослей.

Конечно, скорость фотосинтеза не обязательно отражается на скорости роста. Если другие питательные вещества ограничивают рост (азот, фосфор, железо и т.д.), то может не иметь значения, если скорость фотосинтеза снижается при более высоком pH. Но поскольку эти питательные вещества часто присутствуют в избытке в рифовых аквариумах, вполне возможно, что в некоторых случаях поглощение углерода ограничивается, и в таких случаях аквариумистам будет полезно убедиться, что pH не слишком высок.

Source: reefkeeping.com