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. автотрофия ). Такая биологическая активность известна как фотосинтез , и примерами таких организмов являются растения , водоросли и цианобактерии .
Эукариотические фотоавтотрофы поглощают фотонную энергию через фотопигмент хлорофилл ( производное порфирина ) в их эндосимбионтных хлоропластах , в то время как прокариотические фотоавтотрофы используют хлорофиллы и бактериохлорофиллы, присутствующие в свободно плавающих цитоплазматических тилакоидах или, в редких случаях, связанные с мембраной производные ретиналя, такие как бактериородопсин . Подавляющее большинство известных фотоавтотрофов осуществляют фотосинтез, который производит кислород в качестве побочного продукта , в то время как небольшое меньшинство (например, галоархеи и серовосстанавливающие бактерии ) осуществляют аноксигенный фотосинтез .
Химические и геологические данные указывают на то, что фотосинтетические цианобактерии существовали около 2,6 млрд лет назад, а аноксигенный фотосинтез имел место еще за миллиард лет до этого. [1] Оксигенный фотосинтез был основным источником свободного кислорода и привел к Великому окислительному событию примерно 2,4–2,1 млрд лет назад на границе неоархея и палеопротерозоя . [2] Хотя конец Великого окислительного события был отмечен значительным снижением общей первичной продуктивности , которое затмило события вымирания, [3] развитие аэробного дыхания обеспечило более энергичный метаболизм органических молекул, что привело к симбиогенезу и эволюции эукариот , а также позволило разнообразить сложную жизнь на Земле.
Прокариотические фотоавтотрофы включают Cyanobacteria , Pseudomonadota , Chloroflexota , Acidobacteriota , Chlorobiota , Bacillota , Gemmatimonadota и Eremiobacterota. [4]
Цианобактерии — единственная прокариотическая группа, которая осуществляет оксигенный фотосинтез . Аноксигенные фотосинтетические бактерии используют фотосистемы, подобные PSI и PSII , которые представляют собой комплексы пигментных белков для улавливания света. [5] Обе эти фотосистемы используют бактериохлорофилл . Существует несколько гипотез о том, как развился оксигенный фотосинтез. Гипотеза потери утверждает, что PSI и PSII присутствовали у аноксигенных предков цианобактерий, от которых произошли различные ветви аноксигенных бактерий. [5] Гипотеза слияния утверждает, что фотосистемы позже объединились 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. Затем эти фотосистемы специализировались в тех, которые существуют сегодня. [4]
Эукариотические фотоавтотрофы включают красные водоросли , гаптофиты , страменопилы , криптофиты , хлорофиты и наземные растения . [6] Эти организмы осуществляют фотосинтез с помощью органелл, называемых хлоропластами, и, как полагают, возникли около 2 миллиардов лет назад. [1] Сравнение генов хлоропластов и цианобактерий убедительно свидетельствует о том, что хлоропласты развились в результате эндосимбиоза с цианобактериями , которые постепенно утратили гены, необходимые для того, чтобы быть свободноживущими. Однако трудно определить, произошли ли все хлоропласты от одного первичного эндосимбиотического события или нескольких независимых событий. [1] Некоторые брахиоподы ( Gigantoproductus ) и двустворчатые моллюски ( Tridacna ) также развили фотоавтотрофию. [7]