Процес хемосинтезу в біології є в певному сенсі унікальним явищем, адже це незвичайний тип живлення бактерій, заснований на засвоєнні вуглекислого газу 2 завдяки окисленню неорганічних сполук. Причому цікаво, на думку вчених, хемосинтез це найдавніший тип автотрофного харчування (такого харчування, коли організм сам синтезує органічні речовини з неорганічних), який міг з'явитися навіть раніше, ніж .
Історія відкриття хемосинтезу
Як біологічне явище хемосинтез бактерій було відкрито російським біологом З. М. Виноградським у 1888 року. Вчений довів здатність деяких бактерій виділяти вуглеводи, використовуючи хімічну енергію. Їм же було виділено ряд особливих хемосинтизуючих бактерій, серед яких найбільш помітними є серобактерії, залізобактерії та бактерії, що нітрифікують.
Хемосинтез та фотосинтез: подібності та відмінності
Давайте тепер розберемо в чомусь подібність хемосинтезу і фотосинтезу, а в чому відмінності між ними.
Подібність:
- Як хемосинтез, і фотосинтез є типами автотрофного харчування, коли організм виділяє органічні речовини з неорганічних.
- Енергія такої реакції запасається в аденозинтрифосфорній кислоті (скорочено АТФ) та згодом використовується для синтезу органічних речовин.
Відмінність фотосинтезу від хемосинтезу:
- У них різне джерело енергії, і як наслідок різні окислювально-відновлювальні реакції. При хемосинтезі первинним джерелом енергії не сонячне світло, а, по окисленню певних речовин.
- Хемосинтез характерний виключно для бактерій та арів.
- При хемосинтезі клітини бактерій містять хлорофілу, при фотосинтезі навпаки – містять.
- Джерелом вуглецю для синтезу органіки при хемосинтезі може бути не тільки вуглекислий газ, але і окис вуглецю (СО), мурашина кислота, оцтова кислота, метанол і карбонати.
Енергія хемосинтезу
Свою енергію бактерії хемосинтетики отримують завдяки окисленню , марганцю, заліза, сірки, аміаку і т. д. Залежно від субстрату, що окислюється, згадані нами вище бактерії і отримали свої назви: залізобактерії, серобактерії, метанообразующие археї, нітрифікуючі.
Значення хемосинтезу у природі
Хемотрофи - організми, які отримують життєву енергію завдяки хемосинтезу, відіграють важливу роль у кругообігу речовин, особливо азоту, зокрема вони підтримують родючість ґрунтів. Також завдяки діяльності бактерій-хемосинтетиків у природних умовах накопичуються великі запаси руди та селітри.
Реакції хемосинтезу
Тепер давайте детальніше розберемо існуючі реакції хемосинтезу, всі вони відрізняються залежно від бактерій-хемосинтетиків.
Залізобактерії
До них відносяться нитчасті та залізоокисні лептотрикси, сферотилюси, галіонели, металогеніуми. Мешкають вони у прісних та морських водоймах. Завдяки реакції хемосинтезу утворюють відкладення залізних руд шляхом окислення двовалентного заліза у тривалентне.
4FeCO 3 + O 2 + 6H 2 O → Fe(OH) 3 + 4CO 2 + E (енергія)
Крім енергії у цій реакції утворюється вуглекислий газ. Також крім бактерій, що окислюють залізо, є бактерії, що окислюють марганець.
Серобактерії
Інша їхня назва – тіобактерії, є дуже великою групою мікроорганізмів. Як це випливає з їхньої назви, ці бактерії одержують енергію шляхом окислення сполук з відновленою сіркою.
2S + 3O 2 + 2H 2 O → 2H 2 SO 4 + E
Отримана в результаті реакції сірка може накопичуватися в самих бактеріях, так і виділяться в навколишнє середовище у вигляді пластівців.
Нітрифікуючі бактерії
Ці бактерії, що мешкають у землі та воді, свою енергію отримують за рахунок аміаку та азотистої кислоти, саме вони відіграють дуже важливу роль у кругообігу азоту.
2NH 3 + 3O 2 → HNO 2 + 2H 2 O + E
Азотиста кислота, отримана при такій реакції, утворює у землі солі та нітрати, що сприяють її родючості.
Хемосинтез, відео
І на завершення освітнє відео про суть хемосинтезу.
Ця стаття доступна англійською мовою.
Фотосинтез – це процес, який виробляється деякими бактеріями, мікроорганізмами та зеленими частинами рослин, для хімічного перетворення органічних речовин з неорганічних речовин за допомогою впливу енергії світла. У процесі фотосинтезу виділяється кисень із вуглеводу, поглиненого з атмосфери. Фотосинтез у різних організмів відбувається по-різному і має свої особливості. Так, вищі рослини використовують пігмент – хлорофіл, а бактерії – бактеріохлорофіл.
Фотосинтез у рослин відбувається так: фотони, які випромінюються сонцем, потрапляють у пігмент листа – молекулу хлорофілу Крім того, необхідно знати, що фотосинтез проходить у дві стадії – світлову та темну.
Опис хемосинтезу
Хемосинтез – це процес вироблення органічних речовин з неорганічних речовин рахунок енергії, отриманої результаті хімічної реакції окислення таких сполук, як: сірководень, водень, аміак тощо. Виготовляється він бактеріями, які містять хлорофиллы. Цей спосіб одержання енергії - свого роду пристосування у тих місцях, де сонячне світло, а значить і сонячна енергія, недоступні.
Відмінності та властивості фотосинтезу та хемосинтезу
Відмінною особливістю хемосинтезу і фотосинтезу є той факт, що в останнього головним «важелем» для роботи є світло, і енергія, що виділяється. Чинним стимулом для процесу хемосинтезу є хімічні реакції з речовин, що знаходяться в навколишньому середовищі.
Фотосинтез та хемосинтез дуже важливі для кругообігу природи. З їхньою допомогою одні речовини не поглинаються іншими і зникають. Без процесу фотосинтезу атмосфера не оновлювалася б киснем, без якого не може жити жодна жива істота на планеті. Хемосинтез надає своє воістину «казкове» впливом геть середовище залежно від цього, які сполуки беруться у обробку тими чи іншими бактеріями.
21. Метаболізм лише на рівні організму.
За характером асиміляції розрізняють автотрофні, гетеротрофні та міксотрофні організми.
Автотрофні, або організми, що саможивляться, - це організми, здатні синтезувати органічні сполуки з неорганічних. автотрофи класифікують на фотосинтезуючі та хемосинтезуючі організми.
Гетеротрофні організми - це організми, які потребують готових органічних сполук. Ними є тварини, і навіть мікроорганізми. Гетеротрофні організми отримують енергію шляхом окислення органічних сполук Для тварин характерний спосіб гетеротрофного харчування, що полягає у споживанні їжі у вигляді твердих частинок з подальшою її механічною та хімічною переробкою.
Навпаки, для мікроорганізмів характерний осмотичний метод гетеротрофного харчування. При цьому способі харчування відбувається розчиненими поживними речовинами шляхом поглинання їх усієї поверхні тіла.
Міксотрофні (від лат. mixtus – змішаний) організми – це організми, здатні як до синтезу органічних речовин, так і до використання їх у готовому вигляді.
За характером дисиміляції розрізняють аеробні та анаеробні організми.
Аеробні (від грец. aer – повітря) організми для дихання (окислення) використовують вільний кисень. Аеробами є більшість організмів, що нині живуть. Навпаки, анаероби окислюють субстрати, наприклад, цукру без кисню, отже, для них диханням є бродіння.
Анаеробами є багато мікроорганізмів, гельмінтів. Наприклад, динитри-фицирующие анаеробні бактерії окислюють органічні сполуки, використовуючи нітрити, які є неорганічним окислювачем.
Автотрофи і гетеротрофи пов'язані між собою харчуванням (харчовими ланцюгами) та енергетично, внаслідок чого існування одних залежить від інших і навпаки.
Життєдіяльність організмів із різними типами харчування створює круговороти речовин у природі.
Всі живі істоти потребують їжі та поживних речовин. Живлячись, вони використовують енергію, запасену, насамперед, в органічних сполуках – білках, жирах, вуглеводах. Гетеротрофні організми використовують їжу рослинного та тваринного походження, що вже містить органічні сполуки. Рослини створюють органічні речовини в процесі фотосинтезу.
Дослідження у сфері фотосинтезу розпочалися 1630 р. експериментами голландця ван Гельмонта. Він довів, що рослини одержують органічні речовини не з ґрунту, а створюють їх самостійно.
Джозеф Прістлі 1771 р. довів «виправлення» повітря рослинами. Поміщені під скляний ковпак вони поглинали вуглекислий газ, що виділяється тліючою лучиною.
Наразі встановлено, що – це процес утворення органічних сполук із СО2 та води з використанням енергії світла і проходить у хлоропластах зелених рослин та зелених пігментах деяких фотосинтезуючих бактерій.
Хлоропласти та складки цитоплазматичної мембрани прокаріотів містять зелений пігмент. хлорофіл , молекула якого здатна збуджуватися під впливом сонячного світла, віддавати свої електрони і переміщати в більш високі енергетичні рівні. Цей процес можна порівняти з підкинутим догори м'ячем. Піднімаючись, м'яч запасається потенційною енергією; падаючи, він втрачає її. Електрони не падають назад, а підхоплюються переносниками електронів (НАДФ+ – нікотину-міддіфосфат). У цьому енергія, накопичена ними раніше, частково витрачається освіту АТФ. Продовжуючи порівняння з підкинутим м'ячем, можна сказати, що м'яч, падаючи, нагріває навколишній простір, а частина енергії електронів, що падають, запасається у вигляді АТФ. Процес фотосинтезу поділяється на реакції, що викликаються світлом, та реакції, пов'язані з фіксацією вуглецю: світловуі темнуфази.
Світлова фаза- Це етап, на якому поглинена хлорофілом енергія світла перетворюється на електрохімічну енергію в ланцюзі переносу електронів. Здійснюється на світлі, у мембранах гран за участю білків – переносників та АТФ-синтетази.
Реакції, що викликаються світлом, відбуваються на фотосинтетичних мембранах гран хлоропластів:
1) збудження електронів хлорофілу квантами світла та його перехід більш високий енергетичний рівень;
2) відновлення акцепторів електронів – НАДФ+ до НАДФ Н
2Н+ + 4е-+ НАДФ+ → НАДФ Н;
3) фотоліз води: 2Н2О → 4Н + + 4е + О2.
Цей процес відбувається всередині тилакоидов – складок внутрішньої мембрани хлоропластів, у тому числі формуються грани – стоси мембран.
Результатисвітлових реакцій:
- фотоліз води з утворенням вільного кисню, синтез АТФ,
- Відновлення НАДФ + до НАДФ Н.
Темнова фаза– процес перетворення СО2 у глюкозу у стромі (просторі між гранами) хлоропластів з використанням енергії АТФ та НАДФ Н.
Результаттемнових реакцій: перетворення вуглекислого газу на глюкозу, а потім на крохмаль. Крім молекул глюкози у стромі відбувається утворення, амінокислот, нуклеотидів, спиртів.
Сумарне рівняння фотосинтезу
6CO 2 + 6H 2O → C 6H 12O 6 + 6O 2
Значення фотосинтезу:
утворюється вільний кисень, який необхідний для дихання організмів та утворення захисного озонового екрану (що захищає організми від шкідливого впливу ультрафіолетового випромінювання); виробництво вихідних органічних речовин – їжі для всіх живих істот; зниження концентрації діоксиду вуглецю в атмосфері
Хемосинтез – утворення органічних сполук з неорганічних за рахунок енергії окисно-відновних реакцій сполук водню, азоту, заліза, сірки .
Роль хемосинтезу: бактерії – хемосинтетики руйнують гірські породи, очищають стічні води, беруть участь у освіті з корисними копалинами.
Хемосинтез - найдавніший тип автотрофного харчування, який у процесі еволюції міг виникнути раніше фотосинтезу. На відміну від фотосинтезу при хемосинтезі первинним джерелом енергії є сонячне світло, а хімічні реакції окислення речовин , зазвичай неорганічних.
Хемосинтез спостерігається лише у ряду прокаріотів. Багато хемосинтетики живуть у недоступних інших організмів місцях: на величезних глибинах, в безкисневих умовах.
Хемосинтез у певному сенсі унікальне явище. Хемосинтезують організми не залежать від енергії сонячного світла ні безпосередньо як рослини, ні опосередковано як тварини. Винятком є бактерії, що окислюють аміак, тому що останній виділяється в результаті гниття органіки.
Подібність хемосинтезу з фотосинтезом:
автотрофне харчування,
Енергія запасається в АТФ і потім використовується для синтезу органічних речовин.
Відмінності хемосинтезу:
джерело енергії – різні окислювально-відновні хімічні реакції,
характерний лише для низки бактерій та архей;
як джерело вуглецю для синтезу органіки використовується не тільки CO 2 але також окис вуглецю (CO), мурашина кислота (HCOOH), метанол (CH 3 OH), оцтова кислота (CH 3 COOH), карбонати.
Хемосинтетики отримують енергію при окисленні сірки, сірководню, водню, заліза, марганцю, аміаку, нітриту та ін. Як бачимо, використовуються неорганічні речовини.
Залежно від субстрату, що окислюється, для отримання енергії хемосинтетиків ділять на групи: залізобактерії, серобактерії, метанообразующие археї, нітрифікуючі бактерії та ін.
У аеробних хемосинтезирующих організмів акцептором електронів і водню служить кисень, т. е. виступає у ролі окислювача.
Хемотрофи відіграють важливу роль у кругообігу речовин, особливо азоту, підтримують родючість ґрунтів.
Залізобактерії
Представники залізобактерій: нитчасті та залізоокисні лептотрикси, сферотилюси, галіонели, металогеніуми.
Поширені у прісних та морських водоймах. Утворюють відкладення залізняку.
Окислюють двовалентне залізо до тривалентного:
4FeCO 3 + O 2 + 6H 2 O → Fe(OH) 3 + 4CO 2 + E (енергія)
Крім енергії цієї реакції виходить вуглекислий газ, який зв'язується в органічні речовини.
Крім бактерій, що окислюють залізо, існують бактерії, що окислюють марганець.
Серобактерії
Серобактерії також називають тіобактеріями. Це досить різноманітна група мікроорганізмів. Є представники, що отримують енергію як від сонця (фототрофи), так і шляхом окислення сполук з відновленою сіркою – пурпурні та зелені серобактерії, деякі ціанеї.
2S + 3O 2 + 2H 2 O → 2H 2 SO 4 + E
В анаеробних умовах як акцептор водню використовують нітрат.
Безбарвні серобактерії (беггіати, тіотрикси, ахроматіуми, макромонаси, акваспірилюми) мешкають у водоймах, що містять сірководень. Вони 100% хемосинтетики. Окислюють сірководень:
2H 2 S + O 2 → 2H 2 O + 2S + E
Сірка, що утворюється в результаті реакції, накопичується в бактеріях або виділяється в навколишнє середовище у вигляді пластівців. Якщо сірководню недостатньо, що ця сірка може окислюватися (до сірчаної кислоти, див. реакцію вище).
Замість сірководню можуть окислюватися сульфіди та ін.
Нітрифікуючі бактерії
Типові представники: азотобактер, нітрозомонас, нітрозоспір.
Нітрифікуючі бактерії живуть у ґрунті та водоймах. Енергію отримують за рахунок окислення аміаку та азотистої кислоти, тому відіграють важливу роль у кругообігу азоту.
Аміак утворюється при гниття білків. Окислення бактеріями аміаку призводить до утворення азотистої кислоти:
2NH 3 + 3O 2 → HNO 2 + 2H 2 O + E
Інша група бактерій окислює азотисту кислоту до азотної:
2HNO 2 + O 2 → 2HNO 3 + E
Дві реакції не рівноцінні щодо виділення енергії. Якщо за окисленні аміаку виділяється понад 600 кДж, то за окисленні азотистої кислоти – лише близько 150 кДж.
Азотна кислота у ґрунті утворює солі – нітрати, які забезпечують родючість ґрунту.
Водневі бактерії
В основному поширені у ґрунті. Окислюють водень, що утворюється при анаеробному розкладанні органіки мікроорганізмами.
2H 2 + O 2 → 2H 2 O + E
Ця реакція каталізується ферментом гідрогеназою.
Метанутворюючі археї та бактерії
Типові представники: метанобактерії, метаносарцини, метанококі.
Археї суворі анаероби, мешкають у безкисневому середовищі.
Хемосинтез йде без кисню. Найчастіше відновлюють вуглекислий газ до метану воднем:
CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O + E