Хотя люди, наряду с другими позвоночными и беспозвоночными организмами, не занимаются фотосинтезом, мы, безусловно, являемся бенефициарами тех форм жизни, которые им занимаются. Фототрофные организмы, находящиеся в самом низу пищевой цепи, преобразуют обильный солнечный свет в энергию, которая в конечном итоге питает все остальные живые организмы.

Две метаболические системы для получения световой энергии принципиально различны. Наиболее известная - это фотосинтез на основе хлорофилла, с помощью которого растения используют свет для преобразования углекислого газа и воды в сахара и крахмал; другая система состоит из родопсинов, перекачивающих протоны.

Микробные родопсины, ретиналь-связывающие белки, обеспечивают ионный транспорт под действием света (и, кстати, сенсорные функции). Это семейство включает в себя управляемые светом протонные насосы, ионные насосы, ионные каналы и световые сенсоры. Микробные родопсины встречаются у архей, бактерий и эукариот и широко распространены в океанах и пресноводных озерах.

В целом, виды, как правило, выбирают одну или другую метаболическую систему - дихотомию PC/Mac фототрофных организмов. Однако теперь группа молекулярных биологов из нескольких институтов сообщает об обнаружении бактерии из горного озера, которая использует как фотосинтетические комплексы на основе бактериохлорофилла, так и родопсины с протонной накачкой. Их исследование опубликовано в журнале PNAS.

На основе измерений фотолиза при вспышке авторы сообщают, что обе системы фотохимически активны в Sphingomonas glacialis AAP5, обнаруженной в высокогорном озере Госсенкёллезее, расположенном в Тирольских Альпах. В частности, в условиях низкой освещенности при температуре от 4 до 22 градусов Цельсия бактерия экспрессирует бактериохлорофилл, а в условиях освещенности при температуре ниже 16 градусов Цельсия - ксанторходопсин, протонный насос.

S. glacialis использует собранный свет для синтеза АТФ и стимуляции роста. Авторы пишут: "Это указывает на то, что использование двух систем для сбора света может представлять собой эволюционную адаптацию к специфическим условиям окружающей среды, существующим в горных озерах и других аналогичных экосистемах", а именно ответ на значительные сезонные изменения температуры и освещенности.

Как отмечают авторы, системы на основе бактериохлорофилла - большие, сложные и пигментные, требующие сложного молекулярного механизма для синтеза, сборки и регуляции. Но после сборки они представляют собой систему "установил и забыл", которая функционирует даже в условиях низкой освещенности. Родопсины, с другой стороны, гораздо проще и дешевле в экспрессии; их недостаток в том, что они собираются и функционируют только при более высоких уровнях освещенности.

Эти фотогетеротрофные маленькие парни, оснащенные всем генетическим оборудованием для хлорофототрофии и ретинальфототрофии, имеют пониженную потребность в аэробном дыхании и поэтому могут использовать доступный углерод для роста, дефицитный товар в среде горных озер, которые они называют своим домом.

Задавшись вопросом о существовании подобных адаптирующихся организмов "пояса и подпруги" в других средах с большими сезонными изменениями температуры и колебаниями доступности света, исследователи изучили 215 874 бактериальных генома и выявили оба набора генов у 55 бактерий; почти половина из них происходила из альпийской среды. Они отмечают, что один вид был недавно идентифицирован в источниках Йеллоустоуна - значительно отличающейся физико-химической среде, но еще одной среде, в которой экологические экстремумы имеют высокую дельту.

Бактериохлорофилловые системы передаются преимущественно вертикально; однако гены родопсина недороги и часто приобретаются горизонтально. Таким образом, пишут авторы, "этот процесс мог происходить неоднократно в ходе эволюции". Однако сохранят ли эти виды полученный ген родопсина и будут ли они его экспрессировать, будет зависеть от того, насколько новые гены обеспечивают конкурентное преимущество в конкретной среде. Таким образом, двойная фототрофия может быть выгодна и в других средах с высокодинамичными физико-химическими условиями с экстремальными значениями, благоприятствующими одной системе над другой".