В. ПРОИСХОЖДЕНИЕ ОРГАНИЗМОВ, ДЫШАЩИХ НИТРАТОМ

Каково эволюционное положение анаэробного дыхания? В соответствии с гипотезой конверсии предполагается, что анаэробно дышащие организмы возникли от других, способных переносить электроны вдоль мембран, если только они первыми стали использовать принцип потока электронов.

Рассмотрим сначала организмы, использующие для дыхания нитрат. Ясно, что они находятся в очень тесном родстве с организмами, дышащими только кислородом. По мнению некоторых авторов, нитратное дыхание было исходным этапом на пути к кислородному дыханию [531—533, 674, 780, 781, 782, 912, 1311, 1837, 2034, 2035, 2038].

Далее, японские авторы предполагают, что организмы, дышащие нитратом, произошли от особой группы так называемых «нитратных сбраживающих» бактерий.

Термин «нитратное брожение» [1612, 1837] используется для недостаточно изученной реакции, протекающей у некоторых анаэробных сбраживающих организмов, особенно с нитратом [2029]. Как и у всех клостридиев, у этого организма нет цитохромов, и все-таки он восстанавливает нитрат до нитрита, не ассимилируя азот. Описаны также другие «растворимые» нитратредуктазы [1312], используемые для энергетического метаболизма, например у выращиваемой в аэробных условиях Escherichia coli [1839] и у Spirillum itersonii [669]. Разумеется, всегда надо убедиться, что азот действительно не ассимилируется в системе [1945].

Вопрос, касающийся растворимости нитратных редуктаз, до сих пор еще недостаточно изучен. Полагают, что некоторые восстановительные ферментные системы очень сложны и частично связаны с плазматической мембраной [1436, 1437]. «Редуктазы» могут также представлять собой фрагменты дыхательных цепей, что позволило бы объяснить доказанное у некоторых из этих организмов, например присутствие цитохромов [136].

При нитратном брожении нитраты могут играть роль, сходную с ролью свободного кислорода, который используется для избавления от лишних восстановителей т. е. роль неглавного акцептора водорода; при этом не обязательно в результате восстановления происходит непосредственный синтез АТФ. Клюйвер [1013], Верховен [1922] и Николас [1326] рассматривали такие процессы как «случайное

восстановление нитрата в процессе диссимиляции», аналогичное, по-видимому, случайным восстановлениям

Эгами считает, что нитратное брожение предшествовало нитратному дыханию; предложенная им последовательность событий такова: обычное брожение нитратное брожение нитратное дыхание кислородное дыхание [532, 912]. Вряд ли можно согласиться с такой концепцией, потому что она не учитывает тесную связь между фотосинтезом и дыханием, в которой невозможно сомневаться и которая привела к гипотезе конверсии. Кроме того, очень сомнительно, могла ли первобытная анаэробная биосфера содержать хоть какое-то количество нитрата. Этот довод уже выдвинул Нэсон [1311], хотя он в общем очень благосклонно относился к идее происхождения аэробного дыхания от нитратного; его поддерживали Пек [1418] и де Ли [469, 470].

Холл [782] предположил, что в ранние времена нитрат мог образовываться в различных неравновесных процессах, например, синтез мог идти при разрядах молнии из и фотолитически высвобожденного О. Но даже если в результате этого процесса образовывались заметные количества нитрата, что весьма сомнительно, то возникает вопрос, что защищало этот нитрат от восстановителей, особенно двухвалентного железа и сульфидов. Удовлетворительных ответов пока не получено.

Но если бескислородная биосфера действительно не содержала нитрата, организмы, разумеется, могли начать использовать нитрат для брожения или дыхания только после появления свободного кислорода. Вполне понятно, что в аэробной биосфере нитратное дыхание стало возможным до того, как организмы приспособились использовать кислород для дыхания. Но более естественным кажется обратить этот порядок и предположить, что после появления кислорода первым возникло кислородное дыхание. Единственный известный процесс образования нитрата в биосфере — это хемолитотрофное окисление кислородом иными словами, необходимым условием для появления нитрата было существование какого-то рода аэробного дыхания.

Известные специалисты в области физической химии Льюис и Рэндолл [1140] указывали, что в биосфере было бы термодинамически возможным существование смеси азота с кислородом и водой. В стандартных условиях

Следовательно, при существующих давлениях этих газов реакция остается экзергоничной, пока концентрация азотной кислоты менее Как замечают Льюис и Рэндолл, к счастью, в природе не существует катализаторов этой реакции.

На самом деле ситуация более сложная, поскольку атмосферный азот все время ассимилируется, а получающиеся продукты в современной атмосфере окисляются до нитрата. Несомненно, скорость этого процесса такова, что равновесие могло бы установиться за сравнительно короткое время. Отсутствие такого равновесия должно объясняться расходованием нитрата на ассимилирование и дыхание. Эту проблему рассмотрел Силлен, правда скорее с химической, чем с биохимической точки зрения [1701—1703]. Не подлежит сомнению, что в данном случае мы имеем глобальный пример неравновесия, поддерживающегося постоянным поступлением свободной энергии Круговорот азота на Земле недавно обсуждался в работе Делвича [474].