Что такое хемосинтез? В чем его сходство с фотосинтезом? Хемосинтез – уникальный процесс питания бактерий Что такое фотосинтез и хемосинтез
Фотосинтез и хемосинтез – два закономерных природных процесса преобразования энергии. На них стоит фундамент жизнедеятельности окружающей среды, включающей живые организмы и микроорганизмы.
Описание фотосинтеза
Фотосинтез – это процесс, производимый некоторыми бактериями, микроорганизмами и зелёными частями растений, для химического преобразования органических веществ из неорганических веществ с помощью воздействия энергии света. В процессе фотосинтеза выделяется кислород из углевода, поглощённого из атмосферы. Сам процесс фотосинтеза впервые был обнаружен в 1770 году Джозефом Пристли. Своё название этот термина получил из двух древнегреческих слов, означающих «свет» и «совмещение». Фотосинтез у разных организмов проходит по-разному и имеет свои особенности. Так, высшие растения используют пигмент – хлорофилл, а бактерии – бактериохлорофилл. Причём у растений при данном преобразовании выделяется кислород, который затем попадает в атмосферу.
Фотосинтез у растений происходит так: фотоны, которые излучаются солнцем, попадают в пигмент листа – молекулу хлорофилла. Далее процесс распределяется на разделённые кластеры, находящиеся в свою очередь в молекулах. Условно кластеры принято называть фотосистемой 1 и 2. В них проходят определённые процессы, скачкообразно возрастает энергия и передаётся молекулам хлорофилла. Кроме того, необходимо знать, что фотосинтез проходит в две стадии – световую и темновую. В результате проходящих химических реакций теряется несколько электронов хлорофилла и расщепляется вода. Электроны водорода из расщеплённой воды становятся на место потерянных электронов. После этого происходит перекидывание электронов по молекулярной цепочке с дальнейшим преобразованием. В конце концов, энергия, содержащаяся в двух кластерах, запасается в молекулах и дополнительно появляется одна молекула кислорода.
Описание хемосинтеза
Хемосинтез – это процесс выработки органических веществ из неорганических веществ за счёт энергии, полученной в результате химической реакции окисления таких соединений, как: сероводород, водород, аммиак и т.д. Производится он бактериями, не содержащими хлорофиллы. Этот способ получения энергии - своего рода приспособление в тех местах, где солнечный свет, а значит и солнечная энергия, недоступны. Например, проявление хемосинтеза наблюдается на дне водоёма. Хемосинтез был открыт в 1887 году С.Н. Виноградским.
Различия и свойства фотосинтеза и хемосинтеза
Отличительной особенностью хемосинтеза и фотосинтеза является тот факт, что у последнего главным «рычагом» для работы является свет, и выделяемая им энергия. Действующим же стимулом для процесса хемосинтеза являются химические реакции из веществ, находящихся в окружающей среде.
Фотосинтез и хемосинтез очень важны для круговорота природы. С их помощью одни вещества не поглощаются другими и не исчезают. Без процесса фотосинтеза атмосфера не обновлялась бы кислородом, без которого не может жить ни одно живое существо на нашей планете. Процесс фотосинтеза активно влияет на сельскохозяйственные культуры. При его нарушении или недостаточности, спровоцированной отсутствием солнца, существенно падает урожай. Хемосинтез оказывает своё поистине «сказочное» влияние на среду в зависимости от того, какие соединения берутся в обработку теми или иными бактериями. От состава соединений зависит эффект и результат процесса. Так, бактерии могут очистить водоём при условии, что там есть соединения серы и сероводород. Бактерии, использующие соединения аммиака и азотной кислоты для хемосинтеза, являются главной причиной плодородия почвы. Бактерии, окисляющие железные соединения, способствуют отложению полезных руд и металлов.
Кто из нас не помнит определение «фотосинтез» из уроков ботаники в школе? «Процесс образования органического вещества из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов». Зная назубок это лаконичное определение, мало кто из нас задавался вопросом, а что же оно скрывает за собой?
По-существу, фотосинтез - это химическая реакция, в результате которой шесть молекул СО2 соединяются с шестью молекулами воды и формируется одна молекула глюкозы - строительный кирпичик нашего органического вещества. Образующийся в ходе фотосинтеза молекулярный кислород является всего лишь побочным продуктом. Однако этот самый «побочный продукт» является одним из основных источников атмосферного кислорода, столь необходимого для высших организмов.
Казалось бы, все очень просто: клетка фотосинтезирующего организма является своего рода «колбочкой» для химической реакции двух компонентов. Но на поверку механизм реакции оказывается куда более сложным. Оказывается, процесс состоит из двух реакций: «световой» и «темновой». Первая связана с расщеплением молекулы воды на водород и кислород при помощи энергии света. Солнечный свет поглощается специальным светопоглощающим пигментом клетки хлорофиллом (окрашен в зеленый цвет). Далее происходит перевод энергии в молекулы АТФ, которые высвобождают полученную энергию на второй стадии фотосинтеза - «темновой» реакции. «Темновая» реакция является непосредственно реакцией между углекислым газом и водородом с образованием глюкозы.
Фотосинтез могут осуществлять растения, водоросли и некоторые виды микроорганизмов. Благодаря их жизнедеятельности, становится возможным существование, например, животных, питание которых состоит из органических веществ. Но является ли фотосинтез единственной формой перевода углекислого газа в органическое вещество? Нет. Оказывается, природой предусмотрен и другой, альтернативный, путь образования органических веществ из СО2 - хемосинтез .
Отличием хемосинтеза от фотосинтеза является отсутствие «световой» реакции. В качестве источника энергии, клетки хемосинтезирующих организмов используют энергию не солнечного света, а энергию химических реакций. Каких именно? Реакции окисления водорода, окиси углерода, восстановления серы, железа, аммиака, нитрита, сурьмы.
Конечно, каждый хемосинтезирующий организм использует свою собственную химическую реакцию как источник энергии. Например, водородные бактерии окисляют водород, нитрифицирующие бактерии переводят аммиак в нитратную форму и т.д. Однако все они накапливают энергию, высвобождающуюся в процессе химической реакции, в виде молекул АТФ. Далее процесс протекает по типу реакций темновой стадии фотосинтеза.
Способностью к хемосинтезу обладают только некоторые виды бактерий. Роль их в природе колоссальна. Они не «производят» атмосферный кислород, не накапливают больших количеств органического вещества. Однако химические реакции, которые они используют в ходе своей жизнедеятельности, играют ключевую роль в биогеохимии, обеспечивая, в том числе, круговорот азота, серы и других элементов в природе.
В нашей статье мы рассмотрим, у каких организмов происходит хемосинтез. Это один из способов питания живых организмов, который встречается в природе у некоторых бактерий.
Способы питания организмов
Чтобы разобраться, что такое хемосинтез, необходимо сначала вспомнить, какие способы питания используют различные организмы. По данному признаку различают две группы существ: гетеро- и автотрофы. Первые способны питаться только готовыми органическими веществами. Белки, жиры и углеводы они поглощают и преобразуют с помощью специализированных вакуолей или органов пищеварительной системы. Гетеротрофами являются животные, грибы, некоторые бактерии.
Виды автотрофов
Сами синтезируют органические вещества, которые в дальнейшем используют для осуществления различных процессов жизнедеятельности. В зависимости от источника энергии, который при этом используется, различают еще две группы организмов. Это фото- и хемотрофы. Представителями первой из них являются растения. Они синтезируют углевод в глюкозу в ходе фотосинтеза. Этот процесс происходит только в зеленых пластидах хлоропластах при наличии солнечного света, воды и углекислого газа. Хемотрофами являются некоторые бактерии. Для синтеза органики им необходимы различные химические соединения, которые они окисляют. Сходства фотосинтеза и хемосинтеза заключаются в способности организмов самостоятельно образовывать необходимые им вещества, получая из окружающей среды углерод, воду и минеральные соли.
Хемосинтез: определение понятия и история открытия
Давайте разберемся подробнее. Что такое один из способов автотрофного питания, при котором происходит процесс окисления минеральных соединений для синтеза органических. Теперь выясним, у каких организмов происходит хемосинтез. Такой уникальной способностью в природе обладают только некоторые виды прокариот. Этот процесс был открыт в конце 19 века русским микробиологом Сергеем Николаевичем Виноградским. Работая в страсбургской лаборатории Антона де Бари, он осуществил опыт по получению энергии за счет окисления серы. Организмы, которые способны осуществлять этот химический процесс, он назвал аноргоксидантами. В ходе своих исследований ученому удалось открыть и До открытия процесса хемосинтеза к автотрофным организмам относили только фотосинтезирующие растения и сине-зеленые водоросли.
Отличия и сходства фотосинтеза и хемосинтеза
Оба вида автотрофного питания представляют собой пластический обмен, или ассимиляцию. Это значит, что в ходе этих процессов происходит образование органических веществ и газообмен. При этом исходными реагентами являются минеральные соединения. Фото- и хемосинтез являются путями осуществления круговорота веществ в биосфере. Все виды автотрофов обеспечивают необходимыми для жизнедеятельности условиями не только себя, но и другие организмы. К примеру, в ходе фотосинтеза выделяется кислород. Он необходим всему живому для дыхания. А хемотрофные преобразуют атмосферный азот в состояние, в котором он может усваиваться растениями.
Но между данными типами питания есть и ряд отличий. Хемосинтез происходит в которые не содержат зеленого пигмента хлорофилла. Причем для окисления они используют соединения только некоторых веществ: серы, азота, водорода или железа. Особенно важен этот способ питания в тех местах, где солнечный свет недоступен. Так, на большой глубине могут обитать только хемотрофы. Для процесса фотосинтеза обязательным условием является солнечная энергия. Причем у растений данный процесс происходит только в специализированных клетках, содержащих зеленый пигмент хлорофилл. Еще одним обязательным условием фототрофного питания является наличие углекислого газа.
Железобактерии
Что такое хемосинтез, можно рассмотреть на примере бактерий, которые преобразуют Их открытие также принадлежит С. Н. Виноградскому. В природе они широко распространены в пресных и соленых водоемах. Суть их хемосинтеза заключается в изменении валентности железа с двух до трех. При этом выделяется небольшое количество энергии. Поэтому железобактериям приходится осуществлять этот процесс очень интенсивно.
Поскольку бактерии являются одними из самых древних организмов, в результате их жизнедеятельности на планете образовались крупные залежи железных и марганцевых руд. В промышленности данные прокариоты используют для получения чистой меди.
Серобактерии
Данные прокариоты восстанавливают На исследовании именно этих организмов был открыт процесс хемосинтеза. Для окисления этот вид бактерий использует сероводород, сульфиды, сульфаты, политионаты и другие вещества. А некоторые прокариоты этой группы в ходе хемосинтеза накапливают элементарную серу. Это может происходить как в клетках, так и вне их. Эта способность используется в решении проблемы дополнительной аэрации и закисления почв.
Природной средой обитания серобактерий являются пресные и соленые водоемы. Известны случаи образования симбиозов этих организмов с трубчатыми червями и моллюсками, которые обитают в иле и придонной зоне.
Азотфиксирующие бактерии
Важное значение хемосинтеза в природе во многом определяется и деятельностью азотфиксирующих прокариот. Большинство из них обитают на корнях бобовых и злаковых растений. Их сожительство является взаимовыгодным. Растения обеспечивают прокариоты углеводами, которые были синтезированы в ходе фотосинтеза. А бактерии продуцируют азот, необходимый для полноценного развития корневой системы.
До открытия ценных свойств этого вида считалось, что уникальной способностью обладают листья бобовых. Позже выяснилось, что растения непосредственно не участвуют в процессе азотфиксации, а процесс осуществляют бактерии, обитающие в их корнях.
Этот вид прокариот осуществляет два вида химических реакций. В результате первой происходит превращение аммиака в нитраты. Растворы этих веществ поступают в растение с помощью корневой системы. Такие бактерии называются нитрифицирующими. Другая группа подобных прокариот превращает нитраты в газообразный азот. Они называются денитрификаторами. В результате их совокупной деятельности происходит непрерывный круговорот этого химического элемента в природе.
Азотфиксирующие бактерии проникают в корни растений в местах повреждения покровных тканей или через волоски зоны всасывания. Оказавшись внутри, прокариотические клетки начинают активно делиться, вследствие чего образуются многочисленные выпячивания. Они видны невооруженным глазом. Человек использует свойство азотфиксирующих бактерий для обеспечения почвы естественными нитратами, что приводит к повышению урожайности.
Природа и хемосинтез
Роль хемосинтеза в природе сложно переоценить. Процесс окисления неорганических соединений в природе является важной составляющей общего круговорота веществ в биосфере. Относительная независимость хемотрофов от энергии солнечного света делает их единственными обитателями глубоководных впадин и рифтовых зон океана.
Аммиак и сероводород, которые перерабатываются данными прокариотами, являются ядовитыми веществами. В этом случае значение хемосинтеза заключается в нейтрализации данных соединений. В науке известен такой термин, как "подземная биосфера". Ее формируют исключительно организмы, которым для жизни не нужны ни свет, ни кислород. Этим уникальным свойством обладают анаэробные бактерии.
Итак, в статье мы разобрались, что такое хемосинтез. Суть этого процесса заключается в окислении неорганических соединений. Хемосинтезирующими организмами являются некоторые виды прокариот: серо-, железобактерии и азотфиксирующие.
Процесс хемосинтеза в биологии представляет собой в некотором смысле уникальное явление, ведь это необычный тип питания бактерий, основанный на усвоении углекислого газа СО 2 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 .
История открытия хемосинтеза
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.
Хемосинтез и фотосинтез: сходства и различия
Давайте теперь разберем в чем сходство хемосинтеза и фотосинтеза, а в чем различия между ними.
Сходство:
- 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 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 , 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 хемосинтеза 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 хемосинтеза
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.
4FeCO 3 + O 2 + 6H 2 O → Fe(OH) 3 + 4CO 2 + E (энергия)
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.
2S + 3O 2 + 2H 2 O → 2H 2 SO 4 + E
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.
2NH 3 + 3O 2 → HNO 2 + 2H 2 O + E
Азотистая кислота, полученная при такой реакции, образует в земле соли и нитраты, способствующие ее плодородию.
Хемосинтез, видео
И в завершение образовательное видео о сути хемосинтеза.
Эта статья доступна на английском языке — .
– это процесс синтеза органических веществ из неорганических за счет энергии света. Фотосинтез в растительных клетках идет в хлоропластах. Суммарная формула фотосинтеза:
6СО2 + 6Н2О + СВЕТ = С6Н2О6 + 6О2
Световая фаза фотосинтеза идет только на свету: квант света выбивает электрон из молекулы хлорофилла, лежащей во внутренней мембране тилакоида; выбитый электрон либо возвращается обратно, либо попадает на цепь окисляющихся друг друга ферментов. Цепь ферментов передает электрон на внешнюю сторону мембраны тилакоида к переносчику электронов. Мембрана заряжается отрицательно с наружной стороны.
Положительно заряженная молекула хлорофилла, лежащая в центре мембраны, окисляет ферменты, содержащие ионы марганца, лежащие на внутренней стороне мембраны. Эти ферменты участвуют в реакциях фотосинтеза воды, в результате которых образуется Н+; протоны выбрасываются на внутреннюю поверхность мембраны тилакоида, и на этой поверхности появляется положительный заряд. Когда разность потенциалов на мембране тилакоидов достигает 200 мВ, через АТФ – синтетазы начинают проскакивать протоны, за счет энергии движения которых синтезируется АТФ.
В темновую фазу из СО2 и атомарного водорода, связанного с переносчиками, синтезируется глюкоза за счет энергии АТФ. СО2 связывается с помощью фермента с рибулозодифосфатом, который превращается после этого в трехуглеродный сахар. Синтез глюкозы идет в матриксе тилакоидов. Суммарное уравнение темновой стадии.
6СО2 + 24Н = С6Н2О6 + 6Н2О
Тилакоид – вырост внутренней мембраны хлоропласта. Для темновых реакций в хлоропласт непрерывно поступают исходные вещества и энергия. Оксид углерода поступает в лист из окружающей атмосферы, водород образуется в световую фазу фотосинтеза в результате расщепления воды. Источником энергии служит АТФ, которая синтезируется в световую фазу фотосинтеза. Все эти вещества транспортируются в хлоропласт, где и осуществляется синтез углеводов.
Хемосинтез – синтез органических соединений за счет энергии реакций окисления неорганических соединений. Используется некоторыми группами бактерий. Способ, с помощью которого они мобилизуют энергию для синтетических реакций, принципиально иной, нежели у растительных клеток.
Этот тип обмена был открыт русским ученым микробиологом С. Н. . Бактрии обладают специальным ферментным аппаратом, позволяющим им преобразовывать энергию химических реакций, в частности энергию реакций окисления неорганических веществ, в энергию синтезируемых органических соединений. Из микроорганизмов, осуществляющих хемосинтез, важны азотфиксирующие и нитрифицирующие бактерии. Источником энергии у одной группы этих бактерий сложит реакция окисления аммиака в азотную кислоту. Другая группа использует энергию, выделяющуюся при окислении азотистой кислоты в азотную. Хемосинтез свойственен также для железобактерий и серобактерий. Первые из них используют энергию, освобождающуюся при окислении двухвалентного железа в трехвалентное; вторые окисляют сероводород до серной кислоты. Микроорганизмы очень важны, например, для повышения урожайности сельскохозяйственных культур, так как в результате жизнедеятельности этих бактерий азот (N2), находится в воздухе, недоступный для усвоения растениями, превращается в аммиак (NH3), который хорошо ими усваивается.