1. Моя освіта – реферати, конспекти, доповіді
  2. Біологія
  3. Хемосинтез в біології — визначення, види, процеси

Хемосинтез в біології — визначення, види, процеси

Велика частина життя на Землі залежить від фотосинтезу – процесу, за допомогою якого рослини виробляють енергію з сонячного світла. Однак на гідротермальних жерлах в глибоководних районах океану за відсутності сонячного світла склалася унікальна екосистема, і джерело її енергії хемосинтез — процес отримання органічних речовин з вуглекислого газу і води з використанням хімічної енергії, що виділяється при окисленні неорганічних речовин.

Процес реакції

Організми, здатні проводити такі реакції, – хемоавтотрофи. Це еволюційно більш Первинний тип, що поступився місцем фотосинтезу через його меншу продуктивність і обмеженого доступу до енергетичних ресурсів. Він має значення в біогеохімічних циклах біологічно важливих елементів, а його участь у виробництві первинної біомаси незначно.

Явище хемосинтезу було відкрито в Парижі в 1887 році, коли Сергій Виноградський спостерігав бактерії Beggiatoa, що ростуть в умовах відсутності органічної речовини. Хемосинтез можна розділити на 2 етапи:

  • Перетворення енергії в результаті окислення субстратів, що містяться в навколишньому середовищі за допомогою атмосферного кисню і використання його для створення сили, спрямованої у вигляді NADH і АТФ.
  • Етап засвоєння і зниження викидів СО2.

Хемосинтезуючі бактерії

  • Хемолітотрофи використовують як джерело енергії неорганічні субстрати: сполуки сірки, азоту, заліза і водню. Сірчані бактерії присутні в солоних і морських водах, багатих сірчаними сполуками, в джерелах або донних опадах і водах каналізації. Субстратами для них є сірководень, тіосульфат і в залежності від цього виникає різна кількість енергії:
  • 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.

Нитчасті бактерії

Бактерії, які використовують сірководень, наприклад, Thiothrix або Beggiatoa окислюються спочатку до молекул сірки відповідно до реакції: H2S + ½O2 → S0 + H2O + 210 кДж∙моль-1.

Водневі бактерії зустрічаються в грунті і можуть використовувати екологічне повітря для отримання енергії, необхідної життєвим процесам. Сюди відносяться 2 групи організмів:

  • Перша включає в себе види, акцептором яких є кисень, а кінцевим продуктом окислення — вода. Приклади: Hydrogenomonas, Mycobacterium і Nocardia. Реакції проходять відповідно до наступного рівняння: H2 + ½O2 → H2O + 237 кДж∙моль-1.
  • До другої групи належать види, що живуть в анаеробних умовах, що використовують в якості приймача електронів сполуки, відмінні від кисню, наприклад, Micrococcus denitrificans, який використовує нітрати. Залізисті бактерії енергію для життєвих процесів набувають через окислення іонів Fe2+ до Fe3+: 4feco3 + O2 + 6H2O → 4FE (OH)3 + 4co2 + 11 кДж∙моль-1.

Іон Fe2 + проявляє стійкість в присутності повітря тільки в кислому середовищі. У pH проходить до Fe3+, який винищує з розчину у вигляді Fe (OH)3. З цієї причини феритові бактерії зустрічаються в підкислених середовищах, де іони заліза демонструють більшу стабільність.

Бактерії нітрифікуючі зустрічаються в грунті і водоймах, а енергію для життєвих процесів отримують з окислення азоту в формі NO3 — або NO2-.

Інші види

Бактерії цих видів окислюють аміак до нітриту рівнянням: NH3 + 11 / 2O2 → NO2- + H+ + H2O + 271 кДж∙моль-1. Аміак перетворюється в проміжний продукт-гідроксиламін (NH2OH) за участю ферменту монооксигенази аміаку, а цей окислюється в нітрит оксидоредуктазой гідроксиламіну.

Бактерії з роду Nitobacter

На наступному етапі бактерії з роду Nitobacter окислюють нітрит до нітрату: NO2 – + ½O2 → + NO3 – + 77 кдж∙моль-1. Бактерії нітрифікуючі відіграють особливо велику роль в кругообігу азоту в природі і є важливим фактором в економіці сільського господарства. Перетворюють характерний основний аміак, що з’являється при розкладанні органічних речовин в нелеткі нітрати, і збагачують грунт дефіцитними сполуками азоту.

Хемоорганотрофи – бактерії, які отримують енергію від окислення простих моновуглецевих органічних сполук: метану, метанолу, з використанням атмосферного кисню в якості акцептора електронів. До цієї групи належать: Methylobacter, Methylocystis або Methanomonas. Оскільки вони є обов’язковими аеробами, то зустрічаються в середовищі, де присутні джерела вуглецю і кисню. Однією з груп побічних метилтрофів є метанотрофи, що окислюють метан у вуглекислий газ. Ця реакція протікає поступово, відповідно до рівнянь:

  • CH4 + ½O2 → CH3OH → CHOH + 2H + 77.
  • CHOH + H2O → HCOOH + 2H HCOOH → CO2 + 2H + 77.

Метилтрофи в якості джерела вуглецю можуть використовувати метанол або формальдегід, в яких вуглець знаходиться на низькому ступені окислення, ніж в CO2 (у зв’язку з цим не можуть асимілювати). Це не відноситься до відмінності класичних автотрофів. Винятком є Pseudomonas oxalaticus, що окисляє форміат з CO2, який використовується потім в якості джерела вуглецю для синтезу власних органічних сполук.

Екосистеми і кислотність води

Спостереження фаз хемосинтезу почалися в 1977 році біля Галапагоських островів, під час дослідження вулканічних явищ в зоні поширення океанічних плит. Вчений Джек Корлісс на глибині декількох тисяч метрів в умовах вічного морозу і температури 2 °C побачив раніше невідомих молюсків, равликів і безліч видів хемотрофів.

Виявилося, що сірководень, що переповнює гідротермальні води, є джерелом сірки для повільно живуть хемосинетичних бактерій. Потім було виявлено схожість і ряд організмів, що мешкають навколо гідротермальних джерел, що містять в своїх тканинах симбіотичні бактерії. У 1984 році описані групи тварин, що живуть навколо джерел. Температура такої води близька до океанської, а хемосинтетичні смуги представлені іншими видами тварин, хоча і пов’язані з мешканцями гідротермальних джерел.

У наступні роки були досліджені скелети китоподібних, знайдені по обидві сторони північної частини Тихого океану, біля берегів Нової Зеландії і на дні Атлантичного океану. Виявилося, що вони були покриті численними молюсками, а кістки пахли сірководнем. Приклад хемосинтезу-дерев’яні борти кораблів масово виробляють екскременти, що містять сполуки сірки, тим самим створюючи субстрат для функціонування хемосимбіотичних організмів.

Особливості перетворення

Розгляд функції процесу хемосинтезу через складання окислювальних реакцій допомагає визначити, як організми можуть жити без використання енергії сонячного світла та інших способів харчування. А також це дозволяє зрозуміти, як відбувається перетворення неорганічних молекул в органіку, неживої матерії в живу. Хемотрофи-організми, які отримують енергію в результаті хемосинтезу.

Сьогодні реакція може полягати в активності і використовується мікробами, що живуть в глибоких океанах, куди не проникає сонячне світло, але також і якимись організмами, що живуть в сонячному середовищі, такими як грунтові бактерії. Деякі вчені вважають, що хемосинтез може бути використаний життєвими формами в безсолнечной позаземному середовищі, такий як океани Європи або підземні грунти на Марсі.

Значення хемосинтезу важко переоцінити – можливо, він був первинною частиною метаболізму на Землі, з фотосинтезом і клітинним диханням, що еволюціонують пізніше, коли форми життя стали більш складними. Не можна дізнатися напевно так це, але деякі вчені вважають цікавим відкрити і розглянути, чи було сонячне світло або хімічна енергія першим запуском життя на Землі.

Роль у природі

Цей процес відбувається як фотосинтез, і він не відіграє великої ролі у виробництві органічних сполук через виникнення більшості бактерій в еконішах. Однак зрозуміло, що він має велике значення в циркуляції елементів і перетворенні неорганічних сполук в засвоювані форми для інших організмів, особливо рослин.

Важливу роль виконують нітрифікуючі бактерії продуценти з роду Nitrosomonas і Nitrobacter, присутні в грунті і окислюють аміак до нітратів. Другим типом за важливістю характеристики є сірчані бактерії окислюють сполуки в сульфати, доступні для живлення рослин.

Значення в молекулярній нанотехнології

Хоча термін “хемосинтез” в біології найчастіше застосовується до біологічних систем, його можна використовувати більш широко для опису будь-якої форми хімічного синтезу, викликаного випадковим тепловим рухом реагентів. Навпаки, механічне маніпулювання молекулами для управління їх реакцією називається “механосинтезом”.

ПОДІЛИТИСЯ: