Определение и примеры хемосинтеза

Разница между хемосинтезом и фотосинтезом

Источник энергии

Хемосинтез: Источником энергии хемосинтеза является химическая энергия, хранящаяся в неорганических химических веществах, таких как сероводород.

Фотосинтез: Источником энергии фотосинтеза является солнечный свет.

Преобразование энергии

Хемосинтез:Химическая энергия, хранящаяся в неорганических соединениях, сохраняется в органических соединениях во время хемосинтеза.

Фотосинтез: Энергия света преобразуется в химическую энергию во время фотосинтеза.

микроорганизмы

Хемосинтез: Хемосинтетические организмы все вместе называют хемотрофами.

Фотосинтез: Фотосинтетические организмы в совокупности называются фототрофами.

Вовлеченные пигменты

Хемосинтез: Никакие пигменты не участвуют в хемосинтезе.

Фотосинтез: Хлорофилл, каротиноиды и фикобилины являются пигментами, участвующими в фотосинтезе.

Пластиды вовлечены

Хемосинтез: Пластиды не участвуют в хемосинтезе.

Фотосинтез: Хлоропласты — это пластиды, найденные в растениях; реакции фотосинтеза сосредоточены в клетке.

Кислород как побочный продукт

Хемосинтез: Газообразный кислород не выделяется как побочный продукт.

Фотосинтез: Кислород выделяется в качестве побочного продукта во время фотосинтеза.

Вклад в общую биосферную энергию

Хемосинтез: Хемосинтез имеет меньший вклад в общую энергию биосферы.

Фотосинтез: Фотосинтез имеет более высокий вклад в общую энергию биосферы.

категории

Хемосинтез: Хемоорганотрофы и хемолитотрофы — это две категории хемотрофов.

Фотосинтез: Фотоавтотрофы и фотогетеротрофы — это две категории фототрофов.

Присутствие

Хемосинтез:Хемосинтез встречается у бактерий, таких как Acidithiobacillus ferrooxidans, Nitrosomonas, Nitrobacter, сероокисляющие протеобактерии, aquificaeles и археи, подобные метаногенным археям.

Фотосинтез: Фотосинтез обнаружен у зеленых растений, цианобактерий, водорослей и Rhodobactor как бактерии.

Заключение

Хемосинтез и фотосинтез являются двумя типами первичной продукции, обнаруживаемой среди организмов. Хемосинтез и фотосинтез питают все формы жизни на земле. Как большинство хемосинтетических, так и фотосинтетических организмов используют углекислый газ и воду для производства органических соединений в качестве пищи. Хемосинтез использует химическую энергию, хранящуюся в неорганических соединениях, чтобы производить простые сахара, такие как глюкоза. Это основной источник энергии для большинства животных, обнаруженных в гидротермальных жерлах в глубоком море, куда не может попасть солнечный свет. В отличие от фотосинтеза использует энергию света солнца для производства глюкозы. Хемосинтез в основном обнаруживается у бактерий, которые могут либо жить независимо от морского дна, либо симбионтов, живущих внутри животных, таких как трубчатые черви, заменяя их кишки. Наземные растения являются основными производителями большинства пищевых цепочек на земле. Однако основным отличием хемосинтеза от фотосинтеза является их источник энергии.

Ссылка: 1. Национальный исследовательский совет (США) Комитет по исследовательским возможностям в биологии. «Экология и экосистемы». Возможности в биологии. Национальная медицинская библиотека США, 01 января 1989 года. Интернет. 03 апреля 2017 г. 2. Национальный исследовательский совет (США) Совет по океанологическим исследованиям. «Достижения в биологической океанографии». 50 лет открытия океана: Национальный научный фонд 1950-2000. Национальная медицинская библиотека США, 1 января 1970 г. Веб. 03 апреля 2017 г. 3. Купер, Джеффри М. «Фотосинтез». Клетка: молекулярный подход. 2-е издание. Национальная медицинская библиотека США, 1 января 1970 г. Веб. 03 апреля 2017 г.

Изображение предоставлено: 1.

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.

4FeCO₃ + O₂ + 6H₂O → Fe(OH)₃ + 4CO₂ + 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 + 3O₂ + 2H₂O → 2H₂SO₄ + 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.

2NH₃ + 3O₂ → HNO₂ + 2H₂O + E

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

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

Ограничения для проверки

Эксперименты, проведенные для проверки теории хемосинтеза, смогли продемонстрировать, что возможно, что происхождение жизни было таким, как объяснили Опарин и Холдейн. Однако тот факт, что это происходило на протяжении миллиардов лет, нельзя игнорировать..

Из-за этого длительного периода времени, который охватывал процесс возникновения жизни на земле, невозможно воспроизвести ее полностью и с точностью в лабораториях..

Препятствие времени поставило ученых перед трудным сценарием, потому что, возможно, никогда не удастся точно узнать, как образовались первые организмы, населявшие планету..

Несмотря на этот недостаток, теория хемосинтеза позволила нам нарисовать изображение, достаточно близкое к тому, что могло бы стать генезисом жизни на Земле..

Сапрофиты

Если хемосинтетики используют энергию химических реакций неорганических соединений, то бактерии гниения (сапрофиты) питаются готовой органикой мертвых тканей. Они обитают на поверхности почвы: на останках животных, частях скошенной травы, упавших листьях и плодах. На фото пораженного яблока отчетливо виден результат деятельности микроорганизмов гниения. Как и почвенные микроорганизмы, бактерии гниения живут в ее верхнем слое: вокруг отмерших корней растений, умерших личинок и т.п.

В результате гниения ускоряется разложение мертвых тканей и их утилизация, почва обогащается питательными веществами, улучшающими ее плодородие. Одни виды этих микроорганизмов живут в присутствии атмосферного кислорода, другие обитают в бескислородных условиях. В силу специфики питания бактерии гниения – свободноживущие организмы, не вступающие в симбиотические группы.

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.

Распространение и экологические функции

Гигантские многощетинковые черви (Riftia pachyptila) имеют орган, содержащий хемосинтетических бактерий вместо пищеварительной системы.

Хемосинтезирующие организмы (например, серобактерии) могут жить в океанах на огромной глубине, в тех местах, где из разломов земной коры в воду выходит сероводород. Конечно же, кванты света не могут проникнуть в воду на глубину около 3—4 километров (на такой глубине находится большинство рифтовых зон океана). Таким образом, хемосинтетики — единственные организмы на Земле, не зависящие от энергии солнечного света и являющиеся продуцентами. Хемосинтетические организмы могут потребляться другими организмами в океане или образовывать симбиотические ассоциации с гетеротрофами. Гигантские многощетинковые черви используют бактерий в их трофосомах (англ.)русск. для связывания диоксида углерода (используя сероводород как источник энергии) продуцирования сахаров и аминокислот. В некоторых реакциях получается сера

12H₂S + 6CO₂ → C₆H₁₂O₆ (=углеводы) + 6H₂O + 12S:

Вместо высвобождения кислорода при фиксации углекислого газа во время фотосинтеза, из сероводорода в процессе хемосинтеза получаются водорастворимые глобулы серы. В бактериях способных к хемоавторофии в форме хемосинтеза, таких как пурпурные серные бактерии (англ.)русск., пурпурные глобулы серы окрашивают цитоплазму в соответствующий цвет.
Большие популяции животных могут поддерживаться за счет хемосинтезирующих бактерий и архей в белых и черных курильщиках, метановых клатратах, холодных просачиваниях (англ.)русск., трупах китов (англ.)русск., изолированных подземных водных пещерах.

С другой стороны, аммиак, который используется нитрифицирующими бактериями, выделяется в почву при гниении остатков растений или животных. В этом случае жизнедеятельность хемосинтетиков косвенно зависит от солнечного света, так как аммиак образуется при распаде органических соединений, полученных за счёт энергии Солнца.

Роль хемосинтетиков для всех живых существ очень велика, так как они являются непременным звеном природного круговорота важнейших элементов: серы, азота, железа и др. Хемосинтетики важны также в качестве природных потребителей таких ядовитых веществ, как аммиак и сероводород. Огромное значение имеют нитрифицирующие бактерии, которые обогащают почву нитратами и нитритами, — форма азота, преимущественно усваиваемая растениями. Некоторые хемосинтетики (в частности, серобактерии) используются для очистки сточных вод.

По современным оценкам, биомасса «подземной биосферы», которая находится, в частности, под морским дном и включает хемосинтезирующих анаэробных метанокисляющих архебактерий, может превышать биомассу остальной биосферы.

Была выдвинута гипотеза о том, что хемосинтез может поддерживать жизнь под поверхностью Марса, спутника Юпитера — Европы и других планет . Хемосинтез также может быть первым типом метаболизма, который возник на Земле, что привело позже к возникновению клеточного дыхания и фотосинтеза.

Болезнетворные бактерии

Болезнетворные бактерии – это симбионты-паразиты. Они питаются за счет другого организма, отравляя его продуктами своей жизнедеятельности. Они могут вызвать самые тяжелые заболевания:

• тиф;
• холеру;
• туберкулез;
• сибирскую язву;
• бруцеллез и другие.

Самое распространенная среда, где обитают болезнетворные микроорганизмы, – это слюна больного человека, посуда и другие предметы, которыми он пользовался, застоявшийся воздух помещений. Они могут содержаться в пище, воде и практически на всех поверхностях, особенно в условиях антисанитарии. Заразиться можно и от больных животных, так как некоторые болезнетворные для них бактерии опасны и для человека.

Болезнетворные бактерии могут поражать растения и их плоды. Это легко определить визуально, что подтверждает фото зараженных плодов. Поэтому надо быть внимательным к употребляемым в пищу фруктам и овощам, особенно дикорастущим. Лучшей профилактикой может служить соблюдение личной гигиены и регулярное проветривание помещения.

Кроме рассмотренных самых распространенных мест проживания, бактерии обитают и в совершенно, казалось бы, непригодных для жизни условиях. Это и полярные льды, и горячие источники, и условия сильного давления или очень разреженного воздуха. Нет такого места на Земле, где бы не были обнаружены эти мельчайшие организмы.

Сергей Николаевич Виноградский

Рис. 1. С.Н. Ви­но­град­ский

Сер­гей Ни­ко­ла­е­вич Ви­но­град­ский (см. Рис. 1) ро­дил­ся в Киеве 1 сен­тяб­ря 1856 года в семье со­сто­я­тель­но­го юри­ста. После окон­ча­ния в 1873 г. 2-й Ки­ев­ской гим­на­зии  (с зо­ло­той ме­да­лью) Ви­но­град­ский  изу­ча­ет юрис­пру­ден­цию, есте­ствен­ные науки, му­зы­ку. В но­яб­ре 1877 года он по­сту­па­ет на 2 курс есте­ствен­но­го от­де­ле­ния Пе­тер­бург­ско­го уни­вер­си­те­та, где осо­бое вни­ма­ние уде­ля­ет химии. После окон­ча­ния уни­вер­си­те­та Ви­но­град­ский оста­ет­ся ра­бо­тать на ка­фед­ре бо­та­ни­ки в ла­бо­ра­то­рии фи­зио­ло­гии рас­те­ний под ру­ко­вод­ством из­вест­но­го рус­ско­го уче­но­го А.С. Фа­мин­цы­на. Его се­рьез­ным увле­че­ни­ем стала мик­ро­био­ло­гия. Для углуб­ле­ния своих зна­ний Сер­гей Ни­ко­ла­е­вич от­прав­ля­ет­ся на ста­жи­ров­ку в Страс­бург­ский уни­вер­си­тет, где на­чи­на­ет изу­чать мор­фо­ло­гию и фи­зио­ло­гию же­ле­зо- и се­ро­со­дер­жа­щих бак­те­рий, при­ме­нив к ним раз­ра­бо­тан­ный метод элек­тив­ных сред. Он об­на­ру­жил, что се­робак­те­рии могут по­лу­чать энер­гию при окис­ле­нии неор­га­ни­че­ских со­еди­не­ний, в част­но­сти при окис­ле­нии вос­ста­нов­лен­ных со­еди­не­ний серы, таких как се­ро­во­до­род, до сер­ной кис­ло­ты.

Таким об­ра­зом, Ви­но­град­ский от­крыл новый ис­точ­ник энер­гии, ко­то­рый воз­ни­ка­ет при окис­ле­нии неор­га­ни­че­ских со­еди­не­ний. Это яв­ле­ние он на­звал хе­мо­син­те­зом.

Далее уче­ный при­сту­пил к ис­сле­до­ва­нию про­цес­са нит­ри­фи­ка­ции и его роли в поч­во­об­ра­зо­ва­нии. Он вы­де­лил бак­те­рии-нит­ри­фи­ка­то­ры, а также под­твер­дил, что про­цесс нит­ри­фи­ка­ции со­сто­ит из двух ста­дий. На пер­вой ста­дии про­ис­хо­дит окис­ле­ние ам­ми­а­ка до нит­ри­тов, а на вто­рой ста­дии – окис­ле­ние нит­ри­тов до нит­ра­тов.

После этого Ви­но­град­ский увлек­ся изу­че­ни­ем бак­те­рий, ко­то­рые спо­соб­ны были фик­си­ро­вать мо­ле­ку­ляр­ный азот, то есть ис­поль­зо­вать азот из воз­ду­ха. В связи с этим он вы­де­лил азот­фик­си­ру­ю­щую бак­те­рию, ко­то­рую на­звал в честь Па­сте­ра – Clostridium pasteurianum.

С.Н. Ви­но­град­ский стал ос­но­во­по­лож­ни­ком эко­ло­го-фи­зио­ло­ги­че­ско­го на­прав­ле­ния мик­ро­био­ло­гии.

Хемосинтез в природе

Глубоко в океане есть трубообразные образования, известные как гидротермальные источники. Эти вентиляционные отверстия в океаническом дне выбрасывают сероводород. Этот газ токсичен для людей, но не для всей жизни. На самом деле, среди гидротермальных источников живут организмы, называемые гигантскими трубчатыми червями.

Эти черви полагаются на процесс хемосинтеза, чтобы выжить. В кишечнике трубчатых червей живут хемосинтетические бактерии. Эти бактерии используют неорганические молекулы сероводорода для производства углеводов и аминокислот, которые служат источником энергии для трубчатых червей, так же как пища для людей. На самом деле, это может быть даже один и тот же тип углеводов, с той лишь разницей, как он был произведен. Углеводы на вашем кухонном столе, вероятно, были произведены растениями с помощью фотосинтеза, в то время как углеводы в трубчатых червях синтезировали бактерии с помощью хемосинтеза.

В этом случае сероводород плюс углекислый газ получается углеводы, вода и сернистый газ. Химическое уравнение хемосинтеза таково:

12H₂S + 6CO₂ → C₆H₁₂O₆ (=углеводы) + 6H₂O + 12S

Эта реакция лишь немного отличается от фотосинтеза, где солнечный свет сочетается с углекислым газом и водой, чтобы произвести углеводы и кислород. Заметьте, что отличительной чертой хемосинтеза является использование сероводорода, а не солнечного света, который действует как драйвер для реакции.

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.

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.

• Процесс реакции
• Хемосинтезирующие бактерии
• Другие виды
• Экосистемы и кислотность воды
• Особенности превращения
• Роль в природе
• Значение в молекулярной нанотехнологии

Открытие [ править ]

У гигантских трубчатых червей ( Riftia pachyptila ) вместо кишечника есть орган, содержащий хемосинтезирующие бактерии.

В 1890 году Сергей Виноградский предложил новый тип жизненного процесса под названием «аноргоксидант». Его открытие показало, что некоторые микробы могут жить исключительно на неорганической материи, и появилось во время его физиологических исследований серных, железных и азотных бактерий в 1880-х годах в Страсбурге и Цюрихе .

В 1897 году Вильгельм Пфеффер ввел термин «хемосинтез» для производства энергии путем окисления неорганических веществ в сочетании с автотрофной ассимиляцией углекислого газа — то, что сегодня назвали бы хемолитоавтотрофией. Позже этот термин будет расширен, чтобы включить также хемоорганоавтотрофов, которые представляют собой организмы, которые используют органические энергетические субстраты для ассимиляции диоксида углерода. Таким образом, хемосинтез можно рассматривать как синоним хемоавтотрофии .

Термин « хемотрофия », менее ограничительный, будет введен в 1940-х годах Андре Львоффом для получения энергии путем окисления доноров электронов, органических или нет, связанных с ауто- или гетеротрофией.

Гидротермальные источники править

Предположение Виноградского подтвердилось почти 90 лет спустя, когда в 1970-х годах было предсказано существование гидротермальных океанических жерл. Горячие источники и странные существа были обнаружены Элвином , первым в мире глубоководным аппаратом для погружения в воду, в 1977 году в Галапагосском разломе . Примерно в то же время тогдашняя аспирантка Коллин Кавано предложила хемосинтетические бактерии, которые окисляют сульфиды или элементарную серу, в качестве механизма, с помощью которого трубчатые черви могут выжить вблизи гидротермальных источников. Позже Кавано удалось подтвердить, что это действительно был метод, с помощью которого черви могли процветать, и ему обычно приписывают открытие хемосинтеза.

В телесериале 2004 года, который вел Билл Най, хемосинтез был назван одним из 100 величайших научных открытий всех времен.

Океаническая кора править

В 2013 году исследователи сообщили об открытии бактерий, обитающих в породах океанической коры под толстыми слоями отложений и помимо гидротермальных жерл, образующихся по краям тектонических плит . По предварительным данным, эти бактерии питаются водородом, образующимся в результате химического восстановления оливина морской водой, циркулирующей в небольших жилах, пронизывающих базальт , составляющий океаническую кору. Бактерии синтезируют метан, соединяя водород и углекислый газ.

Бактерии-гетеротрофы и автотрофы, а также сапрофиты, хемосинтетики и хемотрофы

Бактерии, которые еще называются гетеротрофы, – это микроорганизмы, использующие в качестве источника энергии химические соединения, содержащие углерод. Этим они отличаются от автотрофных организмов, ведь гетеротрофы не могут существовать без внешнего источника питания.

Гетеротрофные организмы: что это

Гетеротрофные микроорганизмы не могут синтезировать органические соединения у себя внутри путем фотосинтеза или хемосинтеза. В первом случае органические соединения синтезируются при наличии солнечного света. Хемосинтетики же образуют питательные соединения путем переработки некоторых органических веществ.

Все бактерии, будь то гетеротрофы или автотрофы, непременно питаются определенными источниками. Граница между такими формами жизни условная, так как наука знает примеры организмов, имеющих переходную форму питания. Их называют миксотрофными.

Как питаются гетеро-организмы

Гетеротрофы и автотрофы тесно связаны между собой. Ведь выживание этих микроорганизмов напрямую связано с наличием автотрофных существ. В эту категорию входят и хемотрофы. Выходит, эти прожорливые микросущества потребляют то, что произвели для них автотрофы.

Все гетеротрофы делятся на такие виды.

1. Плесень и дрожжи, питающиеся готовой пищей. Это наиболее четко отличает такие бактерии – автотрофы это или гетеротрофы.
2. Бактерии, которые называются гетеротрофы сапрофиты, питаются мертвой пищей.
3. Гетеротрофы, питание которых происходит за счет живых существ. Они являются болезнетворными.

Некоторые виды бактерий-гетеротрофов имеют похожее питание, что и хемосинтетики. Так, они окисляют органические соединения без усвоения кислоты. Такое питание является промежуточным. Однако особенности таких переходных типов организмов, питающихся так же, как и хемотрофы, находят свое применение в различных видах хозяйственной деятельности человека.

Роль гетеротрофных микробов в природе

Гетеротрофы перерабатывают готовые органические соединения, добывая из них углерод и окисляя его. Благодаря этим микросуществам, до 90 процентов углекислого газа попадает в атмосферу именно благодаря гетеротрофам.

Гетеротрофы и хемотрофы способствуют образованию плодородной почвы. В одном грамме почвы содержится такое колоссальное количество микробов, что позволяет говорить о ней как о живой системе.

Отметим также, что гетеротрофы сапрофиты способствуют переработке органического материала. Если бы не эти бактерии, то планета покрылась бы толстым слоем опавшей листвы, веток, а также погибших животных. Проще говоря, сапрофиты «поедают» органические отходы.

Благодаря деятельности, которую выполняют гетеротрофы или автотрофы, происходит самоочищение водоемов. Что такое самоочищение, знает каждый школьник: без этого процесса вся вода на планете очень скоро превратилась бы в полностью непригодную для употребления и жизни.

Без сапрофитов невозможна переработка органических веществ. Сапрофиты способствуют поддержанию постоянного количества биомассы.

Аэробные и анаэробные гетеротрофные организмы

Анаэробы живут в местах, где нет кислорода. Для них этот элемент, как ни странно, является токсичным. Поэтому они получают энергию для жизни путем так называемого фосфорилирования. Этот процесс происходит путем распада аминокислот и белков.

Путем брожения расщепляется глюкоза и другие глюкозообразные вещества. Известные нам процессы – молочнокислое, спиртовое, а также метановое брожение – являются анаэробными.

Аэробные формы жизни гетеротрофного типа живут только за счет кислорода. Все эти бактерии имеют достаточно разнообразную дыхательную цепь. Она помогает им приспосабливаться к разным концентрациям кислорода в воздухе.

Гетеротрофы получают энергию путем окисления АТФ (аденозинтрифосфата – важнейшего белкового соединения), для чего им и нужен кислород. Однако большое количество кислорода не означает, что в такой атмосфере смогут существовать микроорганизмы.

Экспериментально доказано, что если количество свободного О2 в атмосфере достигнет половины общего объема, то развитие практически всех известных бактерий прекратится.

А в атмосфере чистого 100-процентного кислорода не может развиваться ни один простейший организм, даже прокариот.

Хемосинтез

Что такое хемосинтез как биохимический процесс

Известно деление всех живых организмов, населяющих планету, по способу получения ими энергии на 2 типа: автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофы — это организмы, которые могут синтезировать органические соединения из неорганических при помощи различных источников энергии. Почти все автотрофные организмы — это фотосинтетики. К ним принадлежит группа организмов, которые используют для обеспечения процессов биосинтеза энергию солнечного света.

Еще одна группа живых организмов — хемотрофы или хемосинтетики: для обеспечения реакций синтеза они используют энергию, освобожденную во время окисления органических соединений.

Что такое хемосинтез?

Определение 1

Хемосинтез — это отдельный тип питания, в ходе которого происходит синтез органических соединений из неорганических при помощи энергии химических реакций.

Организмы с хемосинтезом

Какие организмы отличаются непривычным для нас типом питания? Стоит отметить, что процесс хемосинтеза в живых организмах изучается учеными достаточно долго. Хемосинтез был открыт российским микробиологом С. Н. Виноградским — произошло это в 1887 году.

Замечание 1

Хемосинтетики — это также отдельные группы бактерий, включая нитрифицирующие, железобактерии, бесцветные серобактерии и др.

Нужна помощь преподавателя?
Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

В процессе биохимических реакций нитрифицирующие бактерии осуществляют последовательное окисление аммиака до нитритов (позже — до нитратов). Серобактерии, в свою очередь, окисляют сероводород и прочие соединения серы до серной кислоты. Железобактерии получают энергию в результате окисления соединений двухвалентного железа до трехвалентного.

В процессах превращения химических элементов в биохимическом круговороте веществ хемосинтетикам принадлежит ключевая роль. Почти все процессы превращения химических элементов в биосфере осуществляется только при участии живых организмов.

Механизм хемосинтеза

Остановимся на процессе хемосинтеза подробнее. Бактерии, у которых хлорофилл отсутствует, также получили возможность питаться автотрофным типом питания. При этом, необходимую для реакций синтеза энергию они получают по-другому, чем растительные клетки. Еще раз напомним, что открытие этого типа обмена принадлежит российскому ученому С. Н. Виноградскому (1887).

Для синтеза бактериями используется энергия химических реакций. У них есть специальный ферментный аппарат, с помощью которого они превращают энергию химических реакций в химическую энергию соединений — именно они и синтезируются.

Среди хемосинтетиков особенно стоит выделить азотфиксирующие и нитрифицирующие бактерии. Они находятся в почве и окисляют аммиак, который появляется в результате гниения органических остатков до азотной кислоты.

Замечание 2

Эта кислота вступает в реакцию с минеральными соединениями почвы и трансформируется в соли азотной кислоты. Это двухфазный процесс.

Первая фаза — окисление аммиака до азотистой кислоты.

2NH₃+3O₂→2HNO₂+2H₂O+158 ккал.

После этого азотистая кислота превращается в азотную.

2HNO₂+O2→2HNO₃+38 ккал.

Если говорить о серобактериях, то у них осуществляется окисление сероводорода.

2H₂S+O2→2HNO₂+2S.

В некоторых случаях (при недостатке сероводорода) происходит окисление образованной серы до серной кислоты.

2S+3O2+2H₂O→2H₂SO₄+115 ккал.

Железобактерии участвуют в преобразовании закиси железа в окись железа.

4FeCO₃+O₂+6H₂O→4Fe(OH)₃+4CO₂+81 ккал.

Как видно из приведенных выше уравнений химических реакций, хемосинтетики — типичные автотрофы. Они способны самостоятельно синтезировать нужные органические вещества из неорганических соединений при помощи энергии, которая освобождается в ходе окислительных процессов.

Всё ещё сложно?
Наши эксперты помогут разобраться

Все услуги

Решение задач

от 1 дня / от 150 р.

Курсовая работа

от 5 дней / от 1800 р.

Реферат

от 1 дня / от 700 р.

Основные типы хемосинтетиков

Среди хемосинтезирующих бактерий выделяется несколько групп в зависимости от вещества, используемого в качестве источника углерода

Сероредуцирующие, или серобактерии

Абсолютно бесцветные микроорганизмы, которые получают энергию посредством окисления сероводорода (H2S) и образования свободной серы (S).

2H2S + O2 = 2H2O + S2 + 272 кДж

В случае недостаточного количества сероводорода они могут продолжить окислительный процесс окислением серы и получением серной кислоты (H2SO4):

S2 + 3O2 + 2H2O = 2H2SO4 + 483 кДж

Живут серобактерии в водоемах, насыщенных сероводородом. В Черном море количество таких бактерий просто огромно.

Образованная серная кислота медленно разрушает сооружения из металла и камня, горные породы, способствует выщелачиванию руды и месторождений серы.

Нитрифицирующие, или нитробактерии

Это одноклеточные бактерии, получающие энергию для протекания такого процесса, как хемосинтез, из реакции окисления аммиака (NH3) и азотистой кислоты (HNO2) при гнилостном разложении веществ органической природы.

Аммонийокисляющие микроорганизмы занимаются окислением аммиака:

2NH4 + 3O2 = 2HNO2 + 663 кДж

Нитритокисляющие бактерии продолжают окислительный процесс, окисляя нитритную кислоту до нитратной:

2HNO2 + O2 = 2HNO3 + 192 кДж

Средой обитания данного вида бактериальных микроорганизмов являются почвы и водоемы, где они комфортно себя чувствуют при температуре 25-30°С, а также уровне pH=7,5-8,0. Размножаются путем деления (кроме Nitrobacter).

Аммонийокисляющие бактерии во всем своем количестве являются облигатными автотрофами, то есть могут окислить метан (CH4) и диоксид углерода.

Нитрифицирующие микроорганизмы принадлежат к хемолитотрофным микробам, являющимся наиболее распространенными в естественных условиях. Из них самое широкое распространение получили аммонийокисляющие, благодаря возможности использовать еще один энергетический источник окисления метана.

Именно благодаря жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий образовалось столько ископаемой селитры в недрах земли. Человечество научилось использовать нитрифицирующих бактерий в процессах обогащения руд для получения чистого марганца и при добыче угля. Также их используют для преобразования сточных вод.

Железобактерии

Тип бактерий, которые способны окислять соединения железа (Fe), а также марганца (Mn). Средой обитания данного вида являются морские, пресные водоемы. Своей жизнедеятельностью они способствуют отложениям на дне водоемов руд, содержащих марганец и железо.

4FeCO3 + O2 + 6H2O = 4Fe(OH)3 + 4CO2 + 324 кДж

Водородные бактерии, или водородобактерии

Хемосинтез водородных бактерий протекает за счет окисления молекул водорода (H2), образующегося за счет анаэробного (без применения кислорода) разложения на компоненты органического материала:

2H2 + O2 = 2H2O + 235 кДж

Водородных микроорганизмов применяют для продукции пищевых, а также кормовых белков, осуществления атмосферных регенеративных процессов в системе жизнеобеспечения замкнутого типа (в системе «Оазис-2» и других).