Хемосинтез, значение в биологии, суть процесса, виды и признаки

Хемосинтез

Хемосинтез — древнейший тип автотрофного питания, который в процессе эволюции мог появиться раньше фотосинтеза. В отличие от фотосинтеза при хемосинтезе первичным источником энергии является не солнечный свет, а химические реакции окисления веществ, обычно неорганических.

Хемосинтез наблюдается только у ряда прокариот. Многие хемосинтетики обитают в недоступных для других организмов местах: на огромных глубинах, в бескислородных условиях.

Хемосинтез в каком-то смысле уникальное явление. Хемосинтезирующие организмы не зависят от энергии солнечного света ни напрямую как растения, ни косвенно как животные. Исключением являются бактерии, окисляющие аммиак, т. к. последний выделяется в результате гниения органики.

Сходство хемосинтеза с фотосинтезом:

энергия запасается в АТФ и потом используется для синтеза органических веществ.

источник энергии – различные окислительно-восстановительные химические реакции,

характерен только для ряда бактерий и архей;

клетки не содержат хлорофилла;

в качестве источника углерода для синтеза органики используется не только CO2, но также окись углерода (CO), муравьиная кислота (HCOOH), метанол (CH3OH), уксусная кислота (CH3COOH), карбонаты.

Хемосинтетики получают энергию при окислении серы, сероводорода, водорода, железа, марганца, аммиака, нитрита и др. Как видно, используются неорганические вещества.

В зависимости от окисляемого субстрата для получения энергии хемосинтетиков делят на группы: железобактерии, серобактерии, метанообразующие археи, нитрифицирующие бактерии и др.

У аэробных хемосинтезирующих организмов акцептором электронов и водорода служит кислород, т. е. он выступает в роли окислителя.

Хемотрофы играют важную роль в круговороте веществ, особенно азота, поддерживают плодородие почв.

Железобактерии

Представители железобактерий: нитчатые и железоокисляющие лептотриксы, сферотиллюсы, галлионеллы, металлогениумы.

Распространены в пресных и морских водоемах. Образуют отложения железных руд.

Окисляют двухвалентное железо до трехвалентного:

Кроме энергии в этой реакции получается углекислый газ, который связывается в органические вещества.

Кроме бактерий окисляющих железо, существуют бактерии окисляющие марганец.

Серобактерии

Серобактерии также называются тиобактериями. Это достаточно разнообразная группа микроорганизмов. Есть представители получающие энергию как от солнца (фототрофы), так и путем окисления соединений с восстановленной серой – пурпурные и зеленые серобактерии, некоторые цианеи.

В анаэробных условиях в качестве акцептора водорода используют нитрат.

Бесцветные серобактерии (беггиаты, тиотриксы, ахроматиумы, макромонасы, акваспириллюмы) обитают в содержащих сероводород водоемах. Они 100%-ые хемосинтетики. Окисляют сероводород:

Образующаяся в результате реакции сера накапливается в бактериях или выделяется в окружающую среду в виде хлопьев. Если сероводорода недостаточно, что эта сера может также окисляться (до серной кислоты, см. реакцию выше).

Вместо сероводорода могут также окисляться сульфиды и др.

Нитрифицирующие бактерии

Типичные представители: азотобактер, нитрозомонас, нитрозоспира.

Нитрифицирующие бактерии обитают в почве и водоемах. Энергию получают за счет окисления аммиака и азотистой кислоты, поэтому играют важную роль в круговороте азота.

Аммиак образуется при гниении белков. Окисление бактериями аммиака приводит к образованию азотистой кислоты:

Другая группа бактерий окисляет азотистую кислоту до азотной:

Две реакции не равноценны по выделению энернгии. Если при окислении аммиака выделяется более 600 кДж, то при окислении азотистой кислоты – только около 150 кДж.

Азотная кислота в почве образует соли — нитраты, которые обеспечивают плодородие почвы.

Водородные бактерии

В основном распространены в почве. Окисляют водород, образующийся при анаэробном разложении органики микроорганизмами.

Данная реакция катализируется ферментом гидрогеназой.

Метанобразующие археи и бактерии

Типичные представители: метанобактерии, метаносарцины, метанококки.

Археи строгие анаэробы, обитают в бескислородной среде.

Хемосинтез идет без участия кислорода. Чаще всего восстанавливают углекислый газ до метана водородом:

Характеристики хемосинтеза: какие вещества образуются, роль и значение

  • Что такое хемосинтез
  • Для кого характерен такой тип питания
  • Особенности процесса
  • Отличие от фотосинтеза
  • Роль и значение в круговороте веществ

По способу получения энергии все живые организмы делятся на гетеротрофные и автотрофные. Первые из них питаются уже готовыми органическими веществами, а вторые синтезируют органические соединения из неорганических. Для обеспечения процессов биосинтеза большинство автотрофных организмов используют энергию солнечного света (фотосинтетики, фототрофы). Значительно меньшая группа относится к хемосинтетикам (хемотрофам).

Читайте также:
Синтез АТФ - структура, функции и пути образования

Что такое хемосинтез

Хемосинтез – самый древний способ питания, который появился значительно раньше фотосинтеза. При нем получение энергии живыми организмами происходит за счет химической реакции окисления неорганических веществ.

Хемосинтез рассматривается в биологии как уникальное явление. Хемотрофы ни напрямую, ни косвенно не зависят от солнечного света. Единственным исключением являются нитрофицирующие бактерии, так как они окисляют аммиак, образующийся в процессе гниения органических соединений.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Автором открытия явления хемосинтеза (1887 г.) является известный русский микробиолог Виноградский С. Н. Ему удалось выделить из почвы некоторые микроорганизмы, которые для построения органических соединений используют углекислый газ, а энергию получают в результате химических реакций по окислению молекулярного водорода, неорганических соединений сурьмы, железа, азота или серы. Это совершенно иной тип живых организмов, которые Виноградский назвал «хемолитоавтотрофными», а тип их жизнедеятельности – «минеральным дыханием». В настоящее время этот процесс называется хемосинтезом.

Для кого характерен такой тип питания

Хемосинтез используется только некоторыми прокариотами. Практически все они обитают в местах недоступных для жизни других организмов, куда не проникают кванты света и где отсутствует кислород. Например, они живут на дне глубоких разломов земной коры и на большой глубине (3-4 км) океанов.

К хемотрофным организмам относятся:

  1. Тионовые бактерии. Обладают способностью окислять молекулярную серу, сульфиды, сульфиты и тиосульфаты до серной кислоты. Внутри клеток отложение серы не наблюдается. Практически все представители тионовых бактерий способны выживать в экстремально кислой среде с pH до 3 и менее. Они способны осуществлять окисление двухвалентного и металлического железа, выщелачивать из руд тяжелые металлы и выдерживать их высокие концентрации.
  2. Водородные бактерии. Энергию получают за счет окисления молекулярного водорода. Являются умеренными термофилами и способны выживать при температуре 50-60° С.
  3. Нитрифицирующие бактерии. Способны окислять остающийся в результате гниения аммиак до азотистой и азотной кислот. Последние вступают в реакции с минералами почвы, в результате которых образуются нитраты и нитриты.
  4. Серобактерии. Получают энергию за счет окисления сероводорода до молекулярной серы или сульфатов. В отличии от тионовых способны накапливать серу внутри своих клеток.
  5. Железобактерии. Их жизнедеятельность напрямую связана с реакцией окисления двухвалентного железа до трехвалентного.

Особенности процесса

Для синтеза органических соединений из неорганических и получения энергии бактерии-хемотрофы имеют специальный ферментный аппарат.

Нитрофицирующие азотофиксирующие бактерии окисляют аммиак до азотной кислоты, которая в дальнейшем вступает во взаимодействие с минералами почвы с образованием нитратов. Химический процесс протекает в две стадии:

  1. (2NH_3+3O_3→2HNO_2+2H_2O+158) ккал.
  2. (2HNO_2+O_2→2HNO_3+38) ккал.

Серобактерии получают энергию за счет реакции окисления сероводорода до молекулярной серы:

Если реакция протекает в условиях недостатка сероводорода, то молекулярная сера подвергается дальнейшему окислению:

Железобактерии преобразуют двухвалентное железо в трехвалентное:

Хемосинтетики являются типичными автотрофами, способными получать энергию при окислении неорганических веществ и использующими ее для синтеза органических соединений.

Образующаяся энергия накапливается в бактериальных клетках в виде молекул АТФ. Они в дальнейшем используются для образования из углекислого газа глюкозы и других органических веществ. Процесс аналогичен темновой фазе фотосинтеза и описывается следующим уравнением химической реакции:

(6CO_2 + 24H+ + AТФ ‎‎→ C_6H_<12>O_6 + 6H_2O)

Отличие от фотосинтеза

И хемосинтез, и фотосинтез являются способами автотрофного питания. Их сходство заключается в образовании энергии, накоплении ее в виде молекул АТФ и последующем использовании для синтеза органических соединений.

Но эти два процесса имеют и свои различия. Хемосинтез характерен только для небольшой группы архей и бактерий. Если при фотосинтезе источником энергии выступают кванты света, то при хемосинтезе – энергия, выделяющаяся в ходе различных окислительно-восстановительных реакций. Признаком хемотрофиков является отсутствие хлорофилла, который обязательно присутствует у фототропиков.

Читайте также:
Транспирация - описание метаболизма растений и вывода влаги

При осуществлении синтеза органики фотосинтетики используют в качестве источника углерода исключительно углекислый газ. В отличии от них хемосинтетики способны усваивать углерод и из других соединений: уксусной кислоты, карбонатов, метанола, муравьиной кислоты, угарного газа.

Роль и значение в круговороте веществ

Процесс хемосинтеза играет огромную роль во многих экологических процессах:

  • серобактерии образуют серные месторождения, а за счет образования серной кислоты выщелачивают руды, ускоряют разрушение горных пород; также находят применение на очистных сооружениях, очищая промышленные стоки от серы;
  • нитрофицирующие бактерии осуществляют круговорот азота в биосфере, повышают урожайность сельскохозяйственных культур;
  • железобактерии образуют отложения болотных железных руд;
  • водородные бактерии окисляют водород, накапливающийся в почве результате жизнедеятельности некоторых микроорганизмов, в народном хозяйстве их используют для получения кормового и пищевого белка.

Фотосинтез

Типы питания

По типу питания живые организмы делятся на автотрофы, гетеротрофы и миксотрофы. Автотрофы (греч. αὐτός — сам + τροφ – пища) – организмы, которые самостоятельно способны синтезировать органические вещества из неорганических. Гетеротрофы (греч. ἕτερος – иной + τροφή – пища) – организмы, использующие для питания готовые органические вещества.

Наконец, миксотрофы (греч. μῖξις – смешение + τροφή – пища) – организмы, которые могут использовать как гетеротрофный, так и автотрофный способ питания. К примеру, эвглена зеленая на свету начинает фотосинтезировать, а в темноте питается гетеротрофно.

Фотосинтез

Фотосинтез (греч. φῶς – свет и σύνθεσις – синтез) – сложный химический процесс преобразования энергии квантов света в энергию химических связей. В результате фотосинтеза происходит синтез органических веществ из неорганических.

Этот процесс уникален и происходит только в растительных клетках, а также у некоторых бактерий. Фотосинтез осуществляется при участии хлорофилла (греч. χλωρός – зелёный и φύλλον – лист) – зеленого пигмента, окрашивающего органы растений в зеленый цвет. Существуют и другие вспомогательные пигменты, которые вместе с хлорофиллом выполняют светособирающую или светозащитную функции.

Ниже вы увидите сравнение строения хлорофилла и гемоглобина. Обратите внимание, что в центре молекулы хлорофилла находится ион Mg.

В высшей степени гениально значение процесса фотосинтеза подчеркнул русский ученый К.А. Тимирязев: “Все органические вещества, как бы они ни были разнообразны, где бы они ни встречались, в растении ли, в животном или человеке, прошли через лист, произошли от веществ, выработанных листом. Вне листа или, вернее, вне хлорофиллового зерна в природе не существует лаборатории, где бы выделялось органическое вещество. Во всех других органах и организмах оно превращается, преобразуется, только здесь оно образуется вновь из вещества неорганического”

Более подробно мы обсудим значение фотосинтеза в завершение этой статьи. Фотосинтез состоит из двух фаз: светозависимой (световой) и светонезависимой (темновой). Я рекомендую использовать названия светозависимая и светонезависимая, так как они способствуют более глубокому (и правильному!) пониманию фотосинтеза.

Светозависимая фаза (световая)

Эта фаза происходит только на свету на мембранах тилакоидов в хлоропластах. В ней принимают участие различные ферменты, белки-переносчики, молекулы АТФ-синтетазы и зеленый пигмент хлорофилл.

Хлорофилл выполняет две функции: поглощения и передачи энергии. При воздействии кванта света хлорофилл теряет электрон, переходя в возбужденное состояние. С помощью переносчиков электроны скапливаются с наружной поверхности мембраны тилакоидов, тем временем внутри тилакоида происходит фотолиз воды (разложение под действием света):

Гидроксид-ионы отдают лишний электрон, превращаясь в реакционно способные радикалы OH, которые собираются вместе и образуют молекулу воды и свободный кислород (это побочный продукт, который в дальнейшем удаляется в ходе газообмена).

Образовавшиеся при фотолизе воды протоны (H + ) скапливаются с внутренней стороны мембраны тилакоидов, а электроны – с внешней. В результате по обе стороны мембраны накапливаются противоположные заряды.

При достижении критической разницы, часть протонов проталкивается на внешнюю сторону мембраны через канал АТФ-синтетазы. В результате этого выделяется энергия, которая может быть использована для фосфорилирования молекул АДФ:

Читайте также:
Грибы паразиты - описание, виды, строение и размножение

Протоны, попав на поверхность мембраны тилакоидов, соединяются с электронами и образуют атомарный водород, который используется для восстановления молекулы-переносчика НАДФ (никотинамиддинуклеотидфосфат). Благодаря этому окисленная форма – НАФД + превращается в восстановленную – НАДФ∗H2.

Предлагаю создать квинтэссенцию из полученных нами знаний. Итак, в результате светозависимой фазы фотосинтеза образуются:

  • Свободный кислород O2 – в результате фотолиза воды
  • АТФ – универсальный источник энергии
  • НАДФ∗H2 – форма запасания атомов водорода

Кислород удаляется из клетки как побочный продукт фотосинтеза, он совершенно не нужен растению. АТФ и НАДФ∗H2 в дальнейшем оказываются более полезны: они транспортируются в строму хлоропласта и принимают участие в светонезависимой фазе фотосинтеза.

Светонезависимая (темновая) фаза

Светонезависимая фаза происходит в строме (матриксе) хлоропласта постоянно: и днем, и ночью – вне зависимости от освещения.

При участии АТФ и НАДФ∗H2 происходит восстановление CO2 до глюкозы C6H12O6. В светонезависимой фазе происходит цикл Кальвина, в ходе которого и образуется глюкоза. Для образования одной молекулы глюкозы требуется 6 молекул CO2, 12 НАДФ∗H2 и 18 АТФ.

Таким образом, в результате темновой (светонезависимой) фазы фотосинтеза образуется глюкоза, которая в дальнейшем может быть преобразована в крахмал, служащий для запасания питательных веществ у растений.

Значение фотосинтеза

Значение фотосинтеза невозможно переоценить. Уверенно утверждаю: именно благодаря этому процессу жизнь на Земле приобрела такие чудесные и изумительные формы, какие мы видим вокруг себя: удивительные растения, прекрасные цветы и самые разнообразные животные.

В разделе эволюции мы уже обсуждали, что изначально в составе атмосферы Земли не было кислорода: миллиарды лет назад его начали вырабатывать первые фотосинтезирующие бактерии – сине-зеленые водоросли (цианобактерии). Постепенно кислород накапливался, и со временем на Земле стало возможно аэробное (кислородное) дыхание. Возник озоновый слой, защищающий все живое на нашей планете от губительного ультрафиолета.

Говоря о роли фотосинтеза, выделим следующие функции, объединяющиеся в так называемую космическую роль растений. Итак, растения за счет фотосинтеза:

  • Синтезируют органические вещества, являющиеся пищей для всего живого на планете
  • Преобразуют энергию света в энергию химических связей, создают органическую массу
  • Растения поддерживают определенный процент содержания O2 в атмосфере, очищают ее от избытка CO2
  • Способствуют образованию защитного озонового экрана, поглощающего губительное для жизни ультрафиолетовое излучение

Хемосинтез (греч. chemeia – химия + synthesis – синтез)

Хемосинтез – автотрофный тип питания, который характерен для некоторых микроорганизмов, способных создавать органические вещества из неорганических. Это осуществляется за счет энергии, получаемой при окислении других неорганических соединений (железо- , азото-, серосодержащих веществ).

Хемосинтез был открыт русским микробиологом С.Н. Виноградским в 1888 году. Большинство хемосинтезирующих бактерий относится к аэробам, для жизни им необходим кислород.

При окислении неорганических веществ выделяется энергия, которую организмы запасают в виде энергии химических связей. Так нитрифицирующие бактерии последовательно окисляют аммиак до нитрита, а затем – нитрата. Нитраты могут быть усвоены растениями и служат удобрением.

Помимо нитрифицирующих бактерий, встречаются:

  • Серобактерии – окисляют H2S –> S 0 –> (S +4 O3) 2- –> (S +6 O4) 2-
  • Железобактерии – окисляют Fe +2 –>Fe +3
  • Водородные бактерии – окисляют H2 –> H +1 2O
  • Карбоксидобактерии – окисляют CO до CO2
Значение хемосинтеза

Хемосинтезирующие бактерии являются неотъемлемым звеном круговорота в природе таких элементов как: азот, сера, железо.

Нитрифицирующие бактерии обеспечивают переработку (нейтрализацию) ядовитого вещества – аммиака. Они также обогащают почву нитратами, которые очень важны для нормального роста и развития растений.

Усвоение нитратов происходит за счет клубеньковых бактерий на корнях бобовых растений, однако важно помнить, что клубеньковые (азотфиксирующие) бактерии, в отличие от нитрифицирующих бактерий, питаются гетеротрофно.

© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Читайте также:
Рыбы - виды, строение, память, внутренние органы, размножение

Хемосинтез, значение в биологии, суть процесса, виды и признаки

Раздел ЕГЭ: 2.5. Обмен веществ и превращения энергии — свойства живых организмов. Энергетический обмен и пластический обмен, их взаимосвязь. Стадии энергетического обмена. Брожение и дыхание. Фотосинтез, его значение, космическая роль. Фазы фотосинтеза. Световые и темновые реакции фотосинтеза, их взаимосвязь. Хемосинтез. Роль хемосинтезирующих бактерий на Земле.

Фотосинтез

Фотосинтез — это процесс преобразования энергии света в энергию химических связей органических соединений с участием хлорофилла. В фотосинтезе различают световые и темновые реакции.

Световая фаза фотосинтеза протекает на мембранах тилакоидов, несущих несколько типов белковых комплексов, основными из которых являются фотосистемы I и II, а также АТФ-синтаза. В состав фотосистем входят пигментные комплексы, в которых, кроме хлорофилла, присутствуют и каротиноиды.

Кроме пигментных комплексов, фотосистемы включают и ряд белков-акцепторов электронов, которые последовательно передают друг другу электроны от молекул хлорифилла. Последовательность этих белков называется электронтранспортной цепью хлоропластов. С фотосистемой II также ассоциирован кислородвыделяющий белковый комплекс.

В световой фазе кванты света, или фотоны, попадающие на молекулы хлорофилла, расположенные на мембранах тилакоидов, переводят их в возбужденное состояние, характеризующееся более высокой энергией электронов. При этом возбужденные электроны от хлорофилла фотосистемы I передаются через цепь посредников на переносчик водорода НАДФ, присоединяющий при этом протоны водорода, всегда имеющиеся в водном растворе:

Электроны от хлорофилла фотосистемы II также передаются по электронтранспортной цепи, однако они заполняют «электронные дырки» хлорофилла фотосистемы I. Недостаток электронов в хлорофилле фотосистемы II заполняется за счет отнимания у молекул воды, которое происходит с участием уже упоминавшегося выше кислород-выделяющего комплекса. В результате разложения молекул воды, которое называется фотолизом, образуются протоны водорода и выделяется молекулярный кислород, являющийся побочным продуктом фотосинтеза:

Протоны водорода, накопившиеся в полости тилакоида в результате фотолиза воды и нагнетания при переносе электронов по электронтранспортной цепи, вытекают из тилакоида через канал в мембранном белке — АТФ-синтазе, при этом из АДФ синтезируется АТФ. Данный процесс называется фотофосфорилированием. Образовавшаяся в световых реакциях АТФ впоследствии будет использована в темновых реакциях.

Суммарное уравнение реакций световой фазы фотосинтеза можно записать следующим образом:

В ходе темновых реакций фотосинтеза происходит связывание молекул СО2 в виде углеводов, на которое расходуются молекулы АТФ и НАДФН + Н + , синтезированные в световых реакциях:

Процесс связывания углекислого газа является сложной цепью превращений, названий циклом Кальвина в честь его первооткрывателя. Темновые реакции протекают в строме хлоропластов. Для их протекания необходим постоянный приток углекислого газа извне.

Таким образом, в процессе фотосинтеза энергия солнечного света преобразуется в энергию химических связей сложных органических соединений не без участия хлорофилла. Суммарное уравнение фотосинтеза можно записать следующим образом:

Реакции световой и темновой фаз фотосинтеза взаимосвязаны, так как увеличение скорости лишь одной группы реакций влияет на интенсивность всего процесса фотосинтеза только до определенного момента, пока вторая группа реакций не выступит в роли лимитирующего фактора, и возникает потребность в ускорении реакций второй группы для того, чтобы первые происходили без ограничений.

В результате фотосинтеза образуется примерно 150 млрд тонн органического вещества и приблизительно 200 млрд тонн кислорода ежегодно. Этот процесс обеспечивает круговорот углерода в биосфере, не давая накапливаться углекислому газу и препятствуя тем самым возникновению парникового эффекта и перегреву Земли. Образующиеся в результате фотосинтеза органические вещества не расходуются другими организмами полностью, значительная их часть в течение миллионов лет образовала залежи полезных ископаемых (каменного и бурого угля, нефти). Из кислорода под действием электрических разрядов образуется озон, который формирует озоновый экран, защищающий все живое на Земле от губительного действия ультрафиолетовых лучей.

Читайте также:
Паукообразные в природе и жизни человека - строение и многообразие

Наш соотечественник, выдающийся физиолог растений К. А. Тимирязев (1843—1920) назвал роль фотосинтеза «космической», поскольку он связывает Землю с Солнцем (космосом), обеспечивая приток энергии на планету.

Хемосинтез

Хемосинтез — это процесс синтеза органических соединений за счет химической энергии неорганических соединений. Этот процесс был открыт выдающимся русским ученым С. Н. Виноградским в 1887 году.

К группе хемосинтетиков (хемотрофов) относятся в основном бактерии: нитрифицирующие, серобактерии, железобактерии и др. Они используют энергию окисления соединений азота, серы, ионов железа соответственно. При этом донором электронов выступает не вода, а другие неорганические вещества.

Так, нитрифицирующие бактерии окисляют образованный из атмосферного азота азотфиксирующими бактериями аммиак до нитритов и нитратов:

Серобактерии окисляют сероводород до серы, а в некоторых случаях — и до серной кислоты:

H2S + O2 → 2H2O + 2S + 272 кДж,

Железобактерии окисляют соли железа:

Водородные бактерии способны окислять молекулярный водород:

Источником углерода для синтеза органических соединений у всех автотрофных бактерий выступает углекислый газ.

Хемосинтезирующие бактерии наиболее значительную роль играют в биогеохимических циклах химических элементов в биосфере, так как в процессе их жизнедеятельности образовались залежи многих полезных ископаемых. Кроме того, они являются источниками органического вещества на планете, то есть продуцентами, а также делают доступным целый ряд неорганических веществ и для растений, и для других организмов.

Это конспект для 10-11 классов по теме «Фотосинтез и хемосинтез».
Читайте также другие конспекты, относящиеся к разделу ЕГЭ 2.5:

Хемосинтез – определение, уравнение и викторина

Определение хемосинтеза

Хемосинтез – это превращение неорганических углеродсодержащих соединений в органические вещества, такие как сахара и аминокислоты, Хемосинтез использует энергию неорганических химических веществ для выполнения этой задачи.

Неорганический «источник энергии» обычно молекула у которого есть запасные электроны, такие как газообразный водород, сероводород, аммиак или двухвалентное железо. подобно фотосинтез а также клеточное дыхание Хемосинтез использует цепь переноса электронов синтезировать АТФ.

После прохождения электронов через цепь переноса электронов источник химического топлива появляется в другой форме. Газообразный сероводород, например, превращается в твердую элементарную серу плюс воду.

Термин «хемосинтез» происходит от корневых слов «химический» для «химического» и «синтез» для «сделать». Его функция аналогична функции фотосинтеза, который также превращает неорганическое вещество в органическое вещество – но использует для этого энергию солнечного света, а не химическую энергию.

Сегодня хемосинтез используется микробами, такими как бактерии и археи. Поскольку один только хемосинтез менее эффективен, чем фотосинтез или клеточное дыхание, его нельзя использовать для питания комплекса многоклеточный организмы.

Несколько многоклеточных организмов живут в симбиотических отношениях с хемосинтетическими бактериями, что делает их частичным источником энергии. Гигантские трубчатые черви, например, содержат хемосинтетические бактерии, которые снабжают их сахарами и аминокислотами.

Однако эти трубчатые черви частично зависят от фотосинтеза, потому что они используют кислород (продукт фотосинтезирующих организмов), чтобы сделать их хемосинтез более эффективным.

Уравнение хемосинтеза

Есть много разных способов достижения хемосинтеза. Уравнение для хемосинтеза будет выглядеть по-разному в зависимости от того, какой химический источник энергии используется. Однако все уравнения для хемосинтеза обычно включают в себя:

  • Углеродсодержащее неорганическое соединение, такое как диоксид углерода или метан. Это будет источником углерода в органической молекуле в конце процесса.
  • Химический источник энергии, такой как газообразный водород, сероводород или двухвалентное железо.
  • Органическое соединение, такое как сахар или аминокислота.
  • Преобразованная версия источника энергии, такая как элементарная сера или трехвалентное железо.

Обычно используемый пример уравнения для хемосинтеза показывает превращение диоксида углерода в сахар с помощью сероводорода:

12H2S + 6CO2 → C6H12O6 (молекула сахара) + 6H2O + 12S

Это уравнение иногда сводится к простейшему соотношению ингредиентов. Это показывает относительные пропорции каждого ингредиента, необходимого для реакции, хотя он не улавливает полное количество сероводорода и диоксида углерода, необходимое для создания одной молекулы сахара.

Читайте также:
Инфузория-туфелька строение, размножение, чем питается, среда обитания

Сокращенная версия выглядит так:

2H2S + CO2 → CH2O (молекула сахара) + H2O + 2S

Функция хемосинтеза

Хемосинтез позволяет организмам жить, не используя энергию солнечного света и не полагаясь на другие организмы в пищу.

Подобно хемосинтезу, он позволяет живым существам делать больше самих себя. Превращая неорганические молекулы в органические молекулы, процессы хемосинтеза превращают неживую материю в живую материю.

Сегодня он используется микробами, живущими в глубоких океанах, где солнечный свет не проникает; но он также используется некоторыми организмами, живущими в солнечной среде, такими как железные бактерии и некоторые почвенные бактерии.

Некоторые ученые считают, что хемосинтез может использоваться жизненными формами в бесснежных внеземных средах, таких как океаны Европы или подземные среды на Марсе.

Было высказано предположение, что хемосинтез, возможно, на самом деле был первой формой метаболизма на Земле, причем фотосинтез и клеточное дыхание развивались позднее, когда формы жизни становились более сложными. Возможно, мы никогда не узнаем наверняка, так ли это, но некоторые ученые считают, что интересно рассмотреть вопрос о том, был ли солнечный свет или химическая энергия первым источником энергии для жизни на Земле.

Типы Хемосинтетических Бактерий

Серные бактерии

Приведенный выше пример уравнения для хемосинтеза показывает, что бактерии используют соединение серы в качестве источника энергии.

Бактерии в этом уравнении потребляют газообразный сероводород (12H2S), а затем образуют твердую элементарную серу в качестве отходов (12S).

Некоторые бактерии, использующие хемосинтез, используют вместо элементарного сероводорода элементарную серу или более сложные соединения серы в качестве источников топлива.

Металлические ионные бактерии

Наиболее известным типом бактерий, которые используют ионы металлов для хемосинтеза, являются железные бактерии.

Железные бактерии могут на самом деле представлять проблему для систем водоснабжения в богатых железом средах, поскольку они поглощают растворенные ионы металлов в почве и воде – и образуют нерастворимые комки железообразного трехвалентного железа, которые могут испачкать сантехнику и даже забить их.

Однако железные бактерии – не единственные организмы, которые используют ионы металлов в качестве источника энергии для хемосинтеза. Другие типы бактерий используют мышьяк, марганец или даже уран в качестве источников электронов для своих цепей переноса электронов!

Азот Бактерии

Азотные бактерии – это любые бактерии, которые используют соединения азота в своем метаболическом процессе. В то время как все эти бактерии используют электроны из соединений азота для создания органических соединений, они могут оказывать очень различное влияние на их экосистема в зависимости от того, какие соединения они используют.

Азотные бактерии обычно можно разделить на три класса:

1. Нитрифицирующие бактерии:

Нитрифицирующие бактерии растут в почвах, содержащих аммиак. Аммиак является неорганическим азотным соединением, токсичным для большинства растений и животных, но нитрифицирующие бактерии могут использовать его в пищу и даже превратить в полезное вещество.

Нитрифицирующие бактерии забирают электроны из аммиака и превращают аммиак в нитриты и, в конечном итоге, нитраты. Нитраты необходимы для многих экосистем, потому что большинство растений нуждаются в них для производства незаменимые аминокислоты.

Нитрификация часто представляет собой двухэтапный процесс: одна бактерия преобразует аммиак в нитрит, а затем другая бактерия вид превратит этот нитрит в нитрат.

Нитрифицирующие бактерии могут превратить иные враждебные почвы в плодородную почву для растений, а затем и для животных.

2. Денитрифицирующие бактерии:

Денитрифицирующие бактерии используют нитратные соединения в качестве источника энергии. В процессе они разлагают эти соединения на формы, которые растения и животные не могут использовать.

Это означает, что денитрифицирующие бактерии могут быть очень большой проблемой для растений и животных – большинство растение виды нуждаются в нитратах в почве, чтобы производить необходимые белки для себя и для животных, которые их едят.

Денитрифицирующие бактерии конкурируют за эти соединения и могут истощать почву, что приводит к ограниченной способности растений расти.

Читайте также:
Лягушка строение, чем питаются, как размножаются, последовательность развития, виды лягушек фото и названия, интересные факты, среда обитания, пищеварительная система

3. Азотфиксирующие бактерии:

Эти бактерии очень полезны для экосистем, в том числе для сельского хозяйства человека. Они могут превращать газообразный азот – который составляет большую часть нашей атмосферы – в нитраты, которые растения могут использовать для производства основных белков.

Исторически проблемы с плодородием и даже голод возникали, когда почва истощалась от нитратов из-за естественных процессов или чрезмерного использования сельскохозяйственных угодий.

Многие культуры научились сохранять плодородие почвы, чередуя азотосодержащие культуры с азотфиксирующими культурами.

Секрет азотфиксирующих культур заключается в том, что сами растения не фиксируют азот: вместо этого они имеют симбиотические отношения с азотфиксирующими бактериями. Эти бактерии часто растут в колониях вокруг корней растений, выделяя нитраты в окружающую почву.

На рисунке ниже показаны корни «азотфиксирующего растения» – обратите внимание на круглые клубеньки, которые на самом деле являются колониями азотфиксирующих хемосинтетических бактерий:

Современные удобрения часто изготавливаются из искусственных нитратов, как и те соединения, которые образуются азотфиксирующими бактериями.

Methanobacteria

Метанобактерии на самом деле являются археабактериями, но ученые начали изучать их задолго до того, как они полностью поняли разницу между археабактериями и «настоящими бактериями».

Как археабактерии, так и настоящие бактерии являются одноклеточными прокариотами, что означает, что они выглядят очень похоже под микроскопом. Но современные методы генетического и биохимического анализа показали, что между ними существуют важные химические различия: археабактерии используют много химических соединений и обладают многими генами, которых нет в бактериях. царство.

Одной из способностей, обнаруживаемых у археабактерий, которых нет у «настоящих бактерий», является метаболический процесс, который создает метан. Только виды археабактерий могут комбинировать углекислый газ и водород для производства метана.

Метанобактерии живут в различных средах, в том числе в вашем собственном теле! Метанобактерии обнаруживаются на дне океана, в болотах и ​​заболоченных землях, в желудках коров – и даже в желудках человека, где они расщепляют некоторые сахара, которые мы не можем переварить, чтобы произвести метан и энергию.

  • Archaeabacteria – древняя родословная прокариот. Современный анализ, который когда-то считался подтипом бактерий, показал, что археабактерии – это совершенно другое происхождение от современных бактерий.
  • бактерии – Современное королевство прокариот. Сегодня их иногда называют «эубактерий »Или« настоящие бактерии », чтобы отличать их от археабактерий.
  • Электронная транспортная цепь – Принцип, часто используемый клетками для сбора энергии из окружающей среды. Электроны пропускаются через серию белков, которые собирают энергию для производства жизненно важных молекул, таких как АТФ.

викторина

1. Что из следующего НЕ относится к хемосинтезу?A. Это процесс использования энергии химических веществ для создания органических соединений.B. Это не может быть завершено без энергии солнечного света.C. Он использует цепь переноса электронов для извлечения энергии из электронов.D. Это требует как исходного соединения углерода, так и источника химической энергии.

Ответ на вопрос № 1

В верно. Хемосинтез НЕ требует энергии от солнечного света. По этой причине его могут использовать организмы в бессветовых экосистемах, таких как дно океана.

2. Что из следующего НЕ верно для уравнения хемосинтеза?A. Это требует углеродсодержащего неорганического соединения, такого как диоксид углерода, на стороне реагента.B. Это требует источника химической энергии на стороне реагента.C. Это заканчивается органической молекулой, такой как сахар, на стороне продукта.D. Это заканчивается преобразованной версией химического источника энергии на стороне продукта.E. Ни один из вышеперечисленных.

Ответ на вопрос № 2

Е верно. Все вышеперечисленное является особенностями уравнения хемосинтеза.

3. Что из перечисленного НЕ является типом хемосинтетических бактерий?A. Железные бактерииB. Метан-продуцирующие бактерииC. Серные бактерииD. Азотфиксирующие бактерииE. Ни один из вышеперечисленных.

Ответ на вопрос № 3

Е верно. Все вышеперечисленное относится к типам хемосинтетических бактерий.

Читайте также:
Генетика основные понятия и определения, основоположник науки о наследственности и изменчивости организмов, виды, функции, законы и методы исследований, типы скрещиваний

Хемосинтез – уникальный процесс питания бактерий

Содержание:

Процесс хемосинтеза в биологии представляет собой в некотором смысле уникальное явление, ведь это необычный тип питания бактерий, основанный на усвоении углекислого газа СО2 благодаря окислению неорганических соединений. Причем что интересно, по мнению ученых, хемосинтез это древнейший тип автотрофного питания (такого питания, когда организм сам синтезирует органические вещества из неорганических), который мог появиться даже раньше нежели фотосинтез.

История открытия

Как биологическое явление хемосинтез бактерий был открыт русским биологом С. Н. Виноградским в 1888 году. Ученый доказал способность некоторых бактерий выделять углеводы используя химическую энергию. Им же был выделен ряд особых хемосинтизирующих бактерий, среди которых наиболее заметными являются серобактерии, железобактерии и нитрифицирующие бактерии.

Сходства и различия с фотосинтезом

Давайте теперь разберем в чем сходство хемосинтеза и фотосинтеза, а в чем различия между ними.

  • Как хемосинтез, так и фотосинтез являются типами автотрофного питания, когда организм выделяет органические вещества из неорганических.
  • Энергия такой реакции запасается в аденозинтрифосфорной кислоте (сокращено АТФ) и впоследствии используется для синтеза органических веществ.

Отличие фотосинтеза от хемосинтеза:

  • У них разный источник энергии, и как следствие разные окислительно-восстановительных реакции. При хемосинтезе первичным источником энергии является не солнечный свет, а химические реакции по окислению определенных веществ.
  • Хемосинтез характерен исключительно для бактерий и арей.
  • При хемосинтезе клетки бактерий не содержат хлорофилла, при фотосинтезе наоборот – содержат.
  • Источником углерода для синтеза органики при хемосинтезе может быть не только лишь углекислый газ, но и окись углерода (СО), муравьиная кислота, уксусная кислота, метанол и карбонаты.

Энергия хемосинтеза

Свою энергию бактерии хемосинтетики получают благодаря окислению водорода, марганца, железа, серы, аммиака и т. д. В зависимости от окисляемого субстрата упомянутые нами выше бактерии и получили свои названия: железобактерии, серобактерии, метанобразующие археи, нитрифицирующие бактерии, ну и так далее.

Значение в природе

Хемотрофы – организмы, получающие жизненную энергию благодаря хемосинтезу, играют важную роль в круговороте веществ, особенно азота, в частности они поддерживают плодородность почв. Также благодаря деятельности бактерий-хемосинтетиков в природных условиях накапливаются большие запасы руды и селитры.

Реакции

Теперь давайте более детально разберем существующие реакции хемосинтеза, все они отличаются в зависимости от бактерий-хемосинтетиков.

Железобактерии

К ним относятся нитчатые и железоокисляющие лептотриксы, сферотиллюсы, галлионеллы, металлогениумы. Обитают они в пресных и морских водоемах. Благодаря реакции хемосинтеза образуют отложения железных руд путем окисления двухвалентного железа в трехвалентное.

Помимо энергии в этой реакции образуется углекислый газ. Также помимо бактерий окисляющих железо, есть бактерии окисляющие марганец.

Серобактерии

Иное их название – тиобактерии, представляют собой весьма большую группу микроорганизмов. Как это следует из их названия, эти бактерии получают энергию путем окисления соединений с восстановленной серой.

Полученная в результате реакции сера может, как накапливаться в самих бактериях, так и выделятся в окружающую среду в виде хлопьев.

Нитрифицирующие бактерии

Эти бактерии, обитающие в земле и воде, свою энергию получают за счет аммиака и азотистой кислоты, именно они играют очень важную роль в кругообороте азота.

Азотистая кислота, полученная при такой реакции, образует в земле соли и нитраты, способствующие ее плодородию.

Видео

И в завершение образовательное видео о сути хемосинтеза.

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.

Эта статья доступна на английском языке – Chemosynthesis.

Хемосинтез в биологии — определение, виды, основные процессы, значение

Большая часть жизни на Земле зависит от фотосинтеза — процесса, посредством которого растения производят энергию из солнечного света. Однако на гидротермальных жерлах в глубоководных районах океана в отсутствие солнечного света сложилась уникальная экосистема, и источник её энергии хемосинтез — процесс получения органических веществ из углекислого газа и воды с использованием химической энергии, выделяющейся при окислении неорганических веществ.

Читайте также:
Детритная пищевая цепь типы, примеры звеньев и компонентов в природе

Процесс реакции

Организмы, способные проводить такие реакции, — хемоавтотрофы. Это эволюционно более первичный тип, что уступил место фотосинтезу из-за его меньшей производительности и ограниченного доступа к энергетическим ресурсам. Он имеет значение в биогеохимических циклах биологически важных элементов, а его участие в производстве первичной биомассы незначительно.

Явление хемосинтеза было открыто в Париже в 1887 году, когда Сергей Виноградский наблюдал бактерии Beggiatoa, растущие в условиях отсутствия органического вещества. Хемосинтез можно разделить на 2 этапа:

  • Преобразование энергии в результате окисления субстратов, содержащихся в окружающей среде с помощью атмосферного кислорода и использование его для создания силы, направленной в виде NADH и АТФ.
  • Этап усвоения и понижения выбросов СО2.

    Хемосинтезирующие бактерии

    Хемолитотрофы используют в качестве источника энергии неорганические субстраты: соединения серы, азота, железа и водорода. Серные бактерии присутствуют в солёных и морских водах, богатых серными соединениями, в источниках или донных осадках и водах канализации. Субстратами для них являются сероводород, тиосульфат и в зависимости от этого возникает различное количество энергии:

    • H2S + 2O2 → 2H+ + SO42- + 789 кдж∙моль-1.
    • S0 + H2O + 11/2O2 → 2H+ + SO42- + 587 кдж∙моль-1.
    • Na2S2O3 + H2O + 2O2 → 2H+ + 2в+ + 2SO42- + 411 кдж∙моль-1.

    Бактерии, которые используют сероводород, например, Thiothrix или Beggiatoa окисляются сначала до молекул серы в соответствии с реакцией: H2S + ½O2 → S0 + H2O + 210 кдж∙моль-1.

    Водородные бактерии встречаются в почве и могут использовать экологический воздух для получения энергии, необходимой жизненным процессам. Сюда относятся 2 группы организмов:

  • Первая включает в себя виды, акцептором которых является кислород, а конечным продуктом окисления — вода. Примеры: Hydrogenomonas, Mycobacterium и Nocardia. Реакции проходят в соответствии со следующим уравнением: H2 + ½O2 → H2O + 237 кдж∙моль-1.
  • Ко второй группе относятся виды, живущие в анаэробных условиях, использующие в качестве приёмника электронов соединения, отличные от кислорода, например, Micrococcus denitrificans, который использует нитраты. Железистые бактерии энергию для жизненных процессов приобретают через окисления ионов Fe2+ до Fe3+: 4FeCO3 + O2 + 6H2O → 4Fe (OH)3 + 4CO2 + 11 кдж∙моль-1.

    Ион Fe2+ проявляет стойкость в присутствии воздуха только в кислой среде. В pH проходит до Fe3+, который истребляет из раствора в виде Fe (OH)3. По этой причине ферритовые бактерии встречаются в подкисленных средах, где ионы железа демонстрируют большую стабильность.

    Бактерии нитрифицирующие встречаются в почве и водоёмах, а энергию для жизненных процессов получают из окисления азота в форме NO3 — или NO2-.

    Другие виды

    Бактерии этих видов окисляют аммиак до нитрита уравнением: NH3 + 11/2O2 → NO2- + H+ + H2O + 271 кдж∙моль-1. Аммиак превращается в промежуточный продукт — гидроксиламин (NH2OH) с участием фермента монооксигеназы аммиака, а этот окисляется в нитрит оксидоредуктазой гидроксиламина.

    На следующем этапе бактерии из рода Nitobacter окисляют нитрит до нитрата: NO2- + ½O2 → + NO3- + 77 кдж∙моль-1. Бактерии нитрифицирующие играют особенно большую роль в круговороте азота в природе и являются важным фактором в экономике сельского хозяйства. Преобразуют характерный основной аммиак, что появляется при разложении органических веществ в нелетучие нитраты, и обогащают почву дефицитными соединениями азота.

    Хемоорганотрофы — бактерии, которые получают энергию от окисления простых моноуглеродных органических соединений: метана, метанола, с использованием атмосферного кислорода в качестве акцептора электронов. К этой группе относятся: Methylobacter, Methylocystis или Methanomonas. Поскольку они являются обязательными аэробами, то встречаются в среде, где присутствуют источники углерода и кислорода. Одной из групп побочных метилтрофов являются метанотрофы, окисляющие метан в углекислый газ. Эта реакция протекает постепенно, в соответствии с уравнениями:

    • CH4 + ½O2 → CH3OH → CHOH + 2H + 77.
    • CHOH + H2O → HCOOH + 2H HCOOH → CO2 + 2H + 77.
    Читайте также:
    Лягушка строение, чем питаются, как размножаются, последовательность развития, виды лягушек фото и названия, интересные факты, среда обитания, пищеварительная система

    Метилтрофы в качестве источника углерода могут использовать метанол или формальдегид, в которых углерод находится на низкой степени окисления, чем в CO2 (в связи с этим не могут ассимилировать). Это не относится к отличию классических автотрофов. Исключением является Pseudomonas oxalaticus, что окисляет формиат с CO2, который используется затем в качестве источника углерода для синтеза собственных органических соединений.

    Экосистемы и кислотность воды

    Наблюдения фаз хемосинтеза начались в 1977 году возле Галапагосских Островов, во время исследования вулканических явлений в зоне распространения океанических плит. Учёный Джек Корлисс на глубине нескольких тысяч метров в условиях вечного мороза и температуры 2 °C увидел ранее неизвестных моллюсков, улиток и множество видов хемотрофов.

    Оказалось, что сероводород, переполняющий гидротермальные воды, является источником серы для медленно живущих хемосинетических бактерий. Затем было обнаружено сходство и ряд организмов, обитающих вокруг гидротермальных источников, что содержат в своих тканях симбиотические бактерии. В 1984 году описаны группы животных, живущих вокруг источников. Температура такой воды близка к океанской, а хемосинтетические полосы представлены другими видами животных, хотя и связаны с обитателями гидротермальных источников.

    В последующие годы были исследованы скелеты китообразных, найденные по обе стороны северной части Тихого океана, у берегов Новой Зеландии и на дне Атлантического океана. Оказалось, что они были покрыты многочисленными моллюсками, а кости пахли сероводородом. Пример хемосинтеза — деревянные борта кораблей массово производят экскременты, содержащие соединения серы, тем самым создавая субстрат для функционирования хемосимбиотических организмов.

    Особенности превращения

    Рассмотрение функции процесса хемосинтеза через составление окислительных реакций помогает определить, как организмы могут жить без использования энергии солнечного света и других способов питания. А также это позволяет понять, как происходит превращение неорганических молекул в органику, неживой материи в живую. Хемотрофы — организмы, получающие энергию в результате хемосинтеза.

    Сегодня реакция может заключаться в активности и используется микробами, живущими в глубоких океанах, куда не проникает солнечный свет, но также и некими организмами, живущими в солнечной среде, такими как почвенные бактерии. Некоторые учёные считают, что хемосинтез может быть использован жизненными формами в бессолнечной внеземной среде, такой как океаны Европы или подземные почвы на Марсе.

    Значение хемосинтеза трудно переоценить — возможно, он был первичной частью метаболизма на Земле, с фотосинтезом и клеточным дыханием, эволюционирующими позже, когда формы жизни стали более сложными. Нельзя узнать наверняка так ли это, но некоторые учёные считают интересным открыть и рассмотреть, был ли солнечный свет или химическая энергия первым запуском жизни на Земле.

    Роль в природе

    Этот процесс происходит как фотосинтез, и он не играет большой роли в производстве органических соединений из-за возникновения большинства бактерий в эконишах. Однако понятно, что он имеет большое значение в циркуляции элементов и превращении неорганических соединений в усваиваемые формы для других организмов, особенно растений.

    Важную роль выполняют нитрифицирующие бактерии продуценты из рода Nitrosomonas и Nitrobacter, присутствующие в почве и окисляющие аммиак до нитратов. Вторым типом по важности характеристики являются серные бактерии окисляющие соединения в сульфаты, доступные для питания растений.

    Значение в молекулярной нанотехнологии

    Хотя термин «хемосинтез» в биологии чаще всего применяется к биологическим системам, его можно использовать более широко для описания любой формы химического синтеза, вызванного случайным тепловым движением реагентов. Напротив, механическое манипулирование молекулами для управления их реакцией называется «механосинтезом».

  • Рейтинг
    ( Пока оценок нет )
    Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
    Добавить комментарий

    ;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: