Краткое содержание: Параграф § 20 / Биология 10 класс

Хемосинтез: Общий Обзор

Хемосинтез — это процесс, при котором определённые организмы получают энергию для фиксации углекислого газа и синтеза органических веществ не за счёт солнечного света (как при фотосинтезе), а путём окисления различных неорганических соединений. Этот процесс был открыт русским микробиологом Сергеем Николаевичем Виноградским в 1887 году.

Все организмы, использующие хемосинтез, называются хемосинтетиками. Они, как правило, являются бактериями и представляют собой автотрофные организмы, способные создавать органическое вещество из неорганического. Реакции окисления неорганических веществ, которые выделяют энергию, служат источником энергии для этого синтеза.

В клетках хемосинтезирующих организмов, таких как бактерии, процессы хемосинтеза происходят на специализированных мембранных структурах — мезосомах, которые являются выростами плазматической мембраны.

Источником водорода, необходимого для синтеза, в этих окислительно-восстановительных реакциях могут быть не только вода, но и другие неорганические вещества, такие как сероводород (\( \mathrm{H}_{2}\mathrm{S} \)) и водород (\( \mathrm{H}_{2} \)). Углерод для построения органических молекул извлекается из углекислого газа.

Типы Хемосинтезирующих Бактерий и Их Реакции

В зависимости от того, какое неорганическое вещество окисляется для получения энергии, различают несколько групп хемосинтезирующих бактерий:

• Нитрифицирующие бактерии: К ним относятся, например, нитрозомонас и нитробактер. Они играют важную роль в азотном цикле, улучшая плодородие почвы. Процесс окисления аммиака (\( \mathrm{NH}_{3} \)), который образуется при гниении органических остатков, до солей азотной кислоты проходит в два этапа:
  1. На первом этапе образуются соли азотистой кислоты (нитриты) в результате окисления аммиака:

     \( 2\mathrm{NH}_{3} + 3\mathrm{O}_{2} \to 2\mathrm{HNO}_{2} + 2\mathrm{H}_{2}\mathrm{O} + \mathrm{E} \) (\(\mathrm{E}\) — энергия)

  2. На втором этапе нитриты окисляются до солей азотной кислоты (нитратов):

     \( 2\mathrm{HNO}_{2} + \mathrm{O}_{2} \to 2\mathrm{HNO}_{3} + \mathrm{E} \)

• Железобактерии: Представители, такие как кренототрикс и лептотрикс, окисляют двухвалентное железо (\( \mathrm{Fe}^{2+} \)) до трёхвалентного (\( \mathrm{Fe}^{3+} \)). Этот процесс сопровождается выделением энергии. В результате химической реакции образуется гидроксид железа, который осаждается, формируя так называемую болотную железную руду:

  \( 4\mathrm{FeCO}_{3} + \mathrm{O}_{2} + 6\mathrm{H}_{2}\mathrm{O} \to 4\mathrm{Fe}(\mathrm{OH})_{3} + 4\mathrm{CO}_{2} + \mathrm{E} \)

• Серобактерии: К ним относятся, например, беггиатоа и тиотрикс. Они обитают в водоёмах с высоким содержанием сероводорода (\( \mathrm{H}_{2}\mathrm{S} \)), например, в Чёрном море. Серобактерии используют сероводород в качестве источника энергии, окисляя его сначала до свободной кристаллической серы, а затем окисляют серу до серной кислоты:

  \( 2\mathrm{H}_{2}\mathrm{S} + \mathrm{O}_{2} \to 2\mathrm{H}_{2}\mathrm{O} + 2\mathrm{S} + \mathrm{E} \)

  \( 2\mathrm{S} + 3\mathrm{O}_{2} + 2\mathrm{H}_{2}\mathrm{O} \to 2\mathrm{H}_{2}\mathrm{SO}_{4} + \mathrm{E} \)

• Водородные бактерии: Эти бактерии широко распространены в почве. Они окисляют водород (\( \mathrm{H}_{2} \)), который постоянно образуется при анаэробном (бескислородном) разложении органических остатков, до воды:

  \( 2\mathrm{H}_{2} + \mathrm{O}_{2} \to 2\mathrm{H}_{2}\mathrm{O} + \mathrm{E} \)

Биологическое Значение Хемосинтеза

Все перечисленные хемосинтезирующие бактерии являются аэробами (нуждаются в кислороде) и анаэробами (те, которые восстанавливают сульфаты и извлекают из них водород). В результате окисления неорганических веществ в присутствии кислорода, высвобождающаяся энергия запасается в форме молекул аденозинтрифосфата (АТФ). Затем эта энергия используется для синтеза органических веществ из \(\mathrm{CO}_{2}\).

Хемосинтез и хемосинтезирующие организмы играют важную роль в природе и жизни человека:

• Круговорот веществ: Нитрифицирующие и денитрифицирующие бактерии участвуют в круговороте азота, повышая плодородие почв.
• Сельское хозяйство: В сельском хозяйстве нитрифицирующие бактерии используются для повышения урожая путём внесения удобрений.
• Геология: Железобактерии участвовали в образовании залежей железных и марганцевых руд на планете в геологические эпохи.
• Промышленность и экология: Водородные бактерии могут быть использованы для получения пищевого и кормового белка, а также для регенерации атмосферы в замкнутых пространствах и для биологической очистки воды на водоочистных станциях.