Фотоавтотрофы — это организмы , которые могут использовать световую энергию солнечного света и элементы (такие как углерод ) из неорганических соединений для производства органических материалов , необходимых для поддержания их собственного метаболизма (т. е. автотрофии ). Такая биологическая деятельность известна как фотосинтез , и примеры таких организмов включают растения , водоросли и цианобактерии .
Эукариотические фотоавтотрофы поглощают фотонную энергию посредством фотопигмента хлорофилла ( производного порфирина ) в своих эндосимбионтных хлоропластах , тогда как прокариотические фотоавтотрофы используют хлорофиллы и бактериохлорофиллы, присутствующие в свободно плавающих цитоплазматических тилакоидах или, в редких случаях, мембраносвязанных производных сетчатки , таких как бактериородопсин . Подавляющее большинство известных фотоавтотрофов осуществляют фотосинтез, который производит кислород в качестве побочного продукта , в то время как небольшое меньшинство (например, галоархеи и сероредуцирующие бактерии ) осуществляет аноксигенный фотосинтез .
Химические и геологические данные указывают на то, что фотосинтезирующие цианобактерии существовали около 2,6 миллиардов лет назад, а аноксигенный фотосинтез имел место еще за миллиард лет до этого. [1] Кислородный фотосинтез был основным источником свободного кислорода и привел к Великому событию окисления примерно 2,4–2,1 миллиарда лет назад на границе неоархея и палеопротерозоя . [2] Хотя конец Великого события окисления ознаменовался значительным снижением валовой первичной продуктивности , которое затмило события вымирания, [3] развитие аэробного дыхания сделало возможным более энергичный метаболизм органических молекул, что привело к симбиогенезу и эволюции эукариот . и позволит диверсифицировать сложную жизнь на Земле.
К прокариотическим фотоавтотрофам относятся Cyanobacteria , Pseudomonadota , Chloroflexota , Acidobacteriota , Chlorobiota , Bacillota , Gemmatimonadota и Eremiobacterota. [4]
Цианобактерии — единственная группа прокариот, осуществляющая оксигенный фотосинтез . Аноксигенные фотосинтезирующие бактерии используют PSI- и PSII -подобные фотосистемы , которые представляют собой пигментно-белковые комплексы для улавливания света. [5] Обе эти фотосистемы используют бактериохлорофилл . Существует множество гипотез о том, как развился кислородный фотосинтез. Гипотеза потери утверждает, что PSI и PSII присутствовали в аноксигенных предках цианобактерий, от которых произошли различные ветви аноксигенных бактерий. [5] Гипотеза слияния утверждает, что фотосистемы слились позже посредством горизонтального переноса генов . [5] Самая последняя гипотеза предполагает, что PSI и PSII произошли от неизвестного общего предка с белковым комплексом, который кодировался одним геном. Эти фотосистемы затем специализировались на те, которые встречаются сегодня. [4]
К эукариотическим фотоавтотрофам относятся красные водоросли , гаптофиты , страменопилы , криптофиты , хлорофиты и наземные растения . [6] Эти организмы осуществляют фотосинтез посредством органелл, называемых хлоропластами, и, как полагают, возникли около 2 миллиардов лет назад. [1] Сравнение генов хлоропластов и цианобактерий убедительно свидетельствует о том, что хлоропласты возникли в результате эндосимбиоза с цианобактериями , которые постепенно утратили гены, необходимые для свободного существования. Однако трудно определить, произошли ли все хлоропласты в результате одного первичного эндосимбиотического события или нескольких независимых событий. [1] Некоторые брахиоподы ( Gigantoproductus ) и двустворчатые моллюски ( Tridacna ) также развили фотоавтотрофию. [7]