Всему живому на Земле нужен азот. Без азота никакой жизни на Земле не будет. Но это не проблема, ведь земная жизнь и не возникла бы такой азот-зависимой, если бы азота не было в достаточном количестве. И в самом деле, мы можем брать азот из атмосферы, где его очень много — примерно 78%. Азот в атмосфере находится в молекулярной форме — N2. Отлично, бери, потребляй сколько душе угодно, ведь берем же мы кислород из той же атмосферы в виде похожих молекул O2. Однако…
Кислород мы берем, да. А азот — не можем.
И с первого взгляда это выглядит как огромная проблема: жить без азота мы не можем, азота полно в атмосфере, но из атмосферы мы его забрать не в состоянии. Почему это так, и почему это не проблема — это мы сейчас и рассмотрим.
Молекула азота N2 в самом деле выглядит очень похожей на молекулу кислорода O2. И там и там — два атома, соединенных между собой в одну двухатомную молекулу. Атомы кислорода и азота и по размеру почти идентичные. Но эта внешняя схожесть чрезвычайно обманчива.
Между атомами кислорода и азота есть огромная разница, которая оказывает грандиозное влияние на то, как устроено все живое на Земле. Дело в том, что разные атомы обладают разной способностью вступать в химическое взаимодействие с другими атомами. Эта их способность зависит от устройства электронных оболочек.
Пока что, не вдаваясь в подробности, скажем, что атом кислорода может создавать две общие электронные пары с другими атомами, а атом азота — три. Поэтому в молекуле кислорода О2 два атома кислорода связаны двойной связью, а в молекуле азота — тройной! И это меняет всё, причем самым драматическим образом.
Дело в том, что тройная связь намного прочнее двойной, а нам для построения биомолекул требуется не молекула N2, а только атомарный азот N. Так что прежде, чем мы смогли бы использовать азот, нам пришлось бы разорвать молекулу N2 на две части. И вот это очень непросто. Настолько непросто, что ни животные, ни растения на это попросту неспособны. Зато — слава великому мутагенезу! — на это способны специальные бактерии — АЗОТФИКСАТОРЫ. И как только в результате эволюции на древней Земле такие бактерии и археи появились, все вокруг вздохнули с облегчением, пожали друг другу псевдоподии и пошли спокойно мутировать и развиваться дальше. Ведь теперь непреодолимая, казалось бы, проблема азотфиксации была решена.
АЗОТФИКСАЦИЯ — это и есть усвоение молекулярного атмосферного азота. То есть — переработка его с помощью разрывания прочнейшей тройной связи и включение получившихся отдельных атомов азота в состав своей биомассы. Это и делают некоторые прокариотные микроорганизмы — они фиксируют, то есть усваивают, азот, а другие организмы их затем поедают, таким образом получая азот для постройки своих тел, а их в свою очередь поедают другие, и таким образом атомарный азот включается в цепочку построения всего живого на Земле.
Азотфиксаторы — своего рода Шварценеггеры бактериального и архейного мира, потому что имеют достаточно энергии, чтобы разрывать тройную связь. Для обработки одной молекулы азота им требуется не менее 12 молекул АТФ (АТФ — это молекула, работающая как универсальный источник энергии в клетке). Живут азотфиксаторы в основном в почве, ведь почва — это не просто плотный комок земли. Это очень сложная система, в которую атмосферный воздух проникает довольно глубоко. Состав атмосферного воздуха постоянен, а почвенный воздух непрерывно изменяется, и обычно содержание кислорода в нем значительно меньше, чем в атмосфере, так как им дышат корни растений.
Азотфиксаторы находятся в очень тесном симбиозе (точнее — в мутуализме) с растениями. Бактерии дают растениям азот, а взамен получают питательные вещества.
Для того, чтобы разорвать молекулу азота и включить ее в состав органических соединений, которые могут легко быть усвоены растениями, бактерии и археи используют целую серию ферментов, важнейшим из которых является НИТРОГЕНАЗА. За её синтез ответственны NIF-ГЕНЫ, широко распространенные у прокариот, но не встречающиеся у эукариот, что в общем понятно — зачем нам эти гены? Зачем нам самим заниматься сложнейшим процессом азотфиксации, когда вокруг столько еды — лишь протяни руку, и рядом растет банан и пробегает мамонт, в которых полно азота в нужной нам форме. Мы отдали азотфиксацию на аутсорсинг, и нас это вполне устраивает.
Эти одноклеточные Шварценеггеры должны трудиться поглубже в почве еще и потому, что молекулярный кислород, которым насыщена атмосфера, блокирует нитрогеназу. Конечно, ряд аэробных бактерий выработал свои механизмы защиты нитрогеназы о
т блокирования, но все равно им приятнее жить там, где кислорода поменьше.