Azot znaczy życie, azot znaczy śmierć

Głównym składnikiem atmosfery jest azot. Gaz ten rozpuszcza się także w wodzie i należy do najważniejszych biogenów – wchodzi w skład organicznych związków azotowych, takich jak nukleotydy, alkaloidy czy aminokwasy. Te z kolei budują kwasy nukleinowe i białka, czyli związki, bez których życie, jakie znamy, nie byłoby możliwe.

Zwierzęta muszą przyjmować azot w związkach organicznych poprzez pożywienie, podczas gdy rośliny z reguły przyswajają nieorganiczne jony amonowe lub azotanowe i włączają je w struktury organiczne w ramach swojego metabolizmu. Podobnie jest z przyswajaniem węgla czy fosforu. Z naszej perspektywy, wielokomórkowych eukariontów, te strategie metaboliczne wydają się być ze sobą powiązane. W świecie mikrobiologii jednak sytuacja wygląda inaczej, a możliwe są w zasadzie dowolne kombinacje tych procesów.

Część jonów azotanowych i amonowych powstaje w wyniku związania azotu atmosferycznego odpowiednio z tlenem lub wodorem. Nie jest to jednak proste zadanie. Cząsteczki azotu są stabilne chemicznie i niechętnie wchodzą w reakcje. Aby je rozbić, potrzeba dużo energii. W naturze jej źródłem są burze – zarówno te klasyczne z piorunami, jak i magnetyczne z zorzą. Pewna ilość powstaje też podczas pożarów. W epoce antropocenu ważnym źródłem jest spalanie paliw, a tlenki azotu są głównym składnikiem jednego z rodzajów smogu. Wszystkie te źródła są jednak przypadkowe.

Od stu lat azot łączy się z wodorem w amoniak na skalę przemysłową metodą noszącą nazwę dwóch noblistów – Habera i Boscha. Energia nadal jest potrzebna, m.in. do uzyskania wysokiego ciśnienia gazów, ale jej zużycie jest zmniejszane dzięki odpowiednim katalizatorom opartym na żelazie.

Rośliny nie są w stanie ani dostarczyć wystarczającej ilości energii, ani żelaza. Prościej jest im zdobywać jony azotanowe i amonowe w konkurencyjnej walce z innymi organizmami. Niektóre bakterie i archeony wynalazły jednak lepszy katalizator – enzymy nitrogenazy. To białka zawierające żelazo, ale także inne metale.

Zdolność organizmów do syntezy jonów amonowych z gazowego azotu i wodoru bez machinerii Habera-Boscha nazywa się diazotrofią. Nawet z nitrogenazą proces ten jest kosztowny – wymaga dużej ilości cząsteczek ATP, czyli uniwersalnej waluty świata biochemii (rozbicie cząsteczki azotu i związanie go w jon amonowy pochłania zwykle 18-24 cząsteczki ATP). Jeżeli w środowisku nie brakuje prostszych do zdobycia form azotu, diazotrofia staje się zbędna. Jednak w razie ich niedoboru diazotrofia pozwala przetrwać – wystarczy dostęp do powietrza, także rozpuszczonego w wodzie.

Zwierzęta dostają rykoszetem

Dostęp do powietrza jako źródła azotu cząsteczkowego jest z jednej strony warunkiem niezbędnym, z drugiej jednak rodzi poważny problem. Nitrogenaza nie toleruje wolnego tlenu, dlatego organizmy diazotroficzne często są beztlenowe. Te, które potrzebują tlenu lub wręcz wytwarzają jego duże ilości, jak sinice, muszą wytwarzać struktury rozdzielające miejsca asymilacji azotu od oddychania czy fotosyntezy. Tym bardziej że dwutlenek węgla nie blokuje nitrogenazy, ale zmniejsza jej wydajność.

Taki podział w komórce to kompartmentacja. W przypadku sinic kolonijnych rozdział funkcji posunął się do tego stopnia, że niektóre komórki kolonii prowadzą życie tlenowe – zarówno zużywają tlen w oddychaniu, jak i wytwarzają go w fotosyntezie – podczas gdy inne, heterocyty, prowadzą życie beztlenowe, umożliwiając diazotrofię.

Wśród organizmów diazotroficznych wiele to kolonijne sinice, które potrafią żyć w wodzie o małej podaży innych form azotu. Niektóre, w razie niedoboru fosforu, wytwarzają substancje, które utrudniają innym glonom jego przyswajanie lub wręcz wywołują uwalnianie fosforanów już związanych w ich komórkach.

Przy okazji rykoszetem mogą oberwać zwierzęta, dla których te substancje są toksyczne. Nie każda jednak obecność diazotroficznej sinicy stanowi problem dla sąsiadów. Wiele z nich współżyje symbiotycznie z roślinami. W taki układ z azollą, wodną paprocią, wchodzi sinica Trichormus azollae. Azolla zapewnia sinicy dobre warunki życia, a sama przejmuje przyswajalne związki azotu. Dzięki temu jej tkanki są bogate w ten pierwiastek i stają się zielonym nawozem, np. na polach ryżowych.

Biomasa azolli potrafi bardzo intensywnie przyrastać. Jest to rodzaj roślin znany paleontologom, ponieważ pozostawił po sobie wiele śladów z końca eocenu. Jest też znany badaczom zmian klimatu, ponieważ uważa się, że olbrzymia biomasa azolli związała nie tylko azot, ale przede wszystkim dwutlenek węgla. Splot warunków hydrologicznych sprawił, że opadające na dno szczątki azolli nie rozłożyły się z powrotem, uwalniając dwutlenek węgla, a jego poziom w atmosferze spadł o 80 proc., co miało istotny wpływ na zakończenie jednego z najcieplejszych okresów w historii Ziemi.

Okres ten trwał niecały milion lat, ale trwale zmienił klimat Ziemi na przypominający dzisiejszy, z dwiema strefami lądolodów biegunowych. Geolodzy nie zdecydowali się na uznanie go za odrębną epokę, pozostając przy nazwie „wydarzenie (lub epizod) azolla”, podobnie jak w przypadku antropocenu.

Trzęsidła trują i żywią

Innym rodzajem diazotroficznych sinic nitkowatych jest Nostoc, znany po polsku jako trzęsidło. Jego kolonie są widoczne gołym okiem jako pływające w wodzie galaretki. Niektórym jego gatunkom wystarcza tylko trochę wilgoci, by żyć na lądzie.

Jeden z tych gatunków wszedł w układ symbiotyczny z sagowcami (Cycas micronesica) i bywa roboczo nazywany Nostoc cycadae. Wśród związków azotowych, które przekazuje swojemu gospodarzowi, znajduje się 3-metyloamino-L-alanina (BMAA). Jest to aminokwas, który normalnie nie wchodzi w skład białek. Jednak jeżeli trafi do organizmu człowieka, może wbudować się w łańcuch białka w miejscu seryny. Jeżeli pech sprawi, że nastąpi to w ważnym białku, skutki mogą być nieprzyjemne.

Ze względów etycznych nie można przeprowadzić eksperymentów, które jednoznacznie potwierdziłyby hipotezę mówiącą, że BMAA jest przyczyną chorób neurodegeneracyjnych przypominających parkinsonizm, na który cierpi wielu mieszkańców Pacyfiku. Poszlaki jednak na to wskazują. Ludzie nie muszą przy tym zjeść samej sinicy – toksyna znajduje się w mące z sagowca lub w mięsie nietoperzy żywiących się jego nasionami.

Nie wszystkie gatunki trzęsidła są tak groźne. Niektóre są zjadane na Syberii i Dalekim Wschodzie, w kuchniach znanych z doceniania wodorostów. Jedna z jego toksyn, nostocyna A, ma właściwości bakteriobójcze, choć stosowana na większą skalę jest do zwalczania słonecznicy orężówki, której gąsienice żerują na bawełnie czy kukurydzy. Inne mają właściwości przeciwwirusowe. Niestety, wśród nich zdarzają się też mikrocystyny, które uszkadzają wątrobę.

Rośliny sięgają po symbiozę

Ludzie najczęściej korzystają z diazotrofii przy okazji upraw roślin bobowatych, dawniej zwanych motylkowatymi. Rośliny te korzystają ze związków azotu dostarczanych im przez bakterie brodawkowe, głównie z kompleksu gatunków niegdyś znanych pod wspólną nazwą Rhizobium. Należą do nich rośliny strączkowe, takie jak soja, fasola, groch, soczewica czy ciecierzyca.

Wśród roślin paszowych to z kolei koniczyna i lucerna – rośliny niegdyś łąkowe, obecnie często uprawiane na kiszonki. Ich wartość doceniał już Homer, opisując je pod nazwą lotos. Niektóre z nich są lekko toksyczne, ale wysiewa się je na ściernisku, a potem przyoruje jako zielony nawóz. Bobowate to również rośliny miododajne, jak np. robinia, która weszła do polskiej kultury pod nazwą akacji. Prawdziwe akacje również należą do bobowatych i dzięki symbiozie mogą zasiedlać miejsca ubogie w glebowy azot.

Bakterie brodawkowe i rośliny motylkowate to podręcznikowy przykład symbiozy, ale tak naprawdę jest ona powszechniejsza. Akacje żyją w strefach gorących, a w strefach podbiegunowych występuje dębik (Dryas). Podobnie jak azolla, dębik również dał nazwę pewnym fazom klimatycznym, ponieważ jest wskaźnikiem ochłodzenia. Brodawki wytwarza też pospolita olsza. Szacuje się, że zdolność tę ma około 17-18 tys. gatunków z rodziny bobowatych i niewiele mniej z innych rodzin.

Istnieje również spora grupa bakterii, które działają tylko na własny rachunek, nie wchodząc w symbiozę, a związany przez nie azot może być wykorzystany przez inne organizmy dopiero pośrednio. Diazotrofię odkryto u Clostridium pasteurianum pod koniec XIX w., a u Azotobacter na początku XX w. Tę pierwszą znalazł Siergiej Winogradski w glebie i nazwą uhonorował Louisa Pasteura. Badając bakterie glebowe, odkrył nie tylko zjawisko diazotrofii, ale także chemosyntezę, czyli zdolność bakterii do asymilacji dwutlenku węgla bez fotosyntezy.

Morski plankton zaskakuje

W oceanach za główny rodzaj diazotroficzny do niedawna uważano sinicę Trichodesmium. Jest nitkowata, a jeden z jej gatunków tworzy czerwone zakwity. Dlatego przypisuje się jej nazwę Morza Czerwonego. Według niektórych szacunków gatunki Trichodesmium wiążą tyle samo azotu, co wszystkie diazotroficzne bakterie lądowe.

W drugiej połowie lat 90. ubiegłego wieku odkryto jednak, że diazotroficznych bakterii w morskim planktonie jest więcej i należą one do różnych grup taksonomicznych. Część z nich żyje wolno, część zasiedla ciała innych organizmów, choć nie musi to oznaczać symbiotycznej wymiany. Jelito widłonoga może być po prostu wygodnym miejscem do życia.

Kolejne badania wskazały, że pod względem skuteczności diazotrofii Trichodesmium ma dwoje konkurentów wśród jednokomórkowych sinic, nazwanych roboczo UCYN-A i UCYN-B. Drugi takson w miarę szybko zdiagnozowano i opisano jako nowy gatunek Crocosphaera watsonii.

Z identyfikacją UCYN-A był większy problem. Znano niektóre jej geny, ale nie udawało się znaleźć samych osobników. Zagadkowe było to, że najwyraźniej preferuje ona wody bogate w azotany, a więc takie, gdzie jej zdolności diazotroficzne nie są kluczowe. Okazało się też, że jej aparat fotosyntetyczny jest niesprawny i musi ona być cudzożywna. To doprowadziło do przypuszczenia, że nie żyje ona wolno, ale symbiotycznie z organizmem, który sam asymiluje azotany, a w zamian za organiczne źródło węgla, korzysta także z produktów UCYN-A.

Kolejne badania wydawały się to potwierdzać. Zaczęto również poznawać genom tego towarzysza, który wskazuje na jego przynależność do haptofitów, grupy jednokomórkowych uwicionych glonów niespokrewnionych bliżej z roślinami. Dla sinicy zaproponowano nazwę Atelocyanobacterium thalassa.

Początkowo badacze przypuszczali, że diazotroficzna sinica żyje na skorupkach haptofita. Było to trudne do zbadania, ponieważ nie udaje się go hodować w laboratorium. Jednak w miarę drążenia tematu okazało się, że żyje ona wewnątrz jego komórki, czyli jest endosymbiontem. Wtedy pojawiła się myśl, że jest to stadium pośrednie ewolucji, w którym endosymbiont tak bardzo integruje się z aparatem fizjologicznym komórki gospodarza, że staje się jej organellum. Kiedyś w podobny sposób inne sinice stały się chloroplastami.

Ukuto roboczo określenie „nitroplast”. Po dekadzie badań potwierdziło się, że stopień integracji symbiontów jest tak duży, że bardziej sensowne jest uznanie, iż nitroplast rzeczywiście jest organellum wykorzystywanym przez komórkę eukariotyczną do asymilacji azotu, niż że sinica UCYN-A jest odrębnym gatunkiem. Nazwa Atelocyanobacterium thalassa nigdy nie została opublikowana zgodnie ze standardami nomenklatorycznymi i prawdopodobnie nie zostanie wykorzystana. Do listy organizmów diazotroficznych należy za to dopisać pierwszy gatunek eukarionta – Braarudosphaera bigelowii.

Cykl się zamyka

Burze i pożary, a ostatnio też silniki spalinowe i fabryki amoniaku z jednej strony, bakterie diazotroficzne wolne lub symbiotyczne z drugiej. Azot wciąż jest pobierany z atmosfery. Czy kiedyś może go zabraknąć?

Nie ma obaw. W przyrodzie prawie wszystko jest wykorzystywane w metabolizmie na różne sposoby. Są bakterie, które zamiast tlenu atmosferycznego do oddychania używają tlenu z azotanów, co jest określane jako denitryfikacja. Produktem ubocznym… jest azot cząsteczkowy. Ulatuje do atmosfery – i cykl się zamyka.