Способность к хемосинтезу: какие процессы происходят в клетках бактерий

Содержание
  1. Водородные бактерии
  2. Значение в молекулярной нанотехнологии
  3. Сходства и различия с фотосинтезом
  4. Типы Хемосинтетических Бактерий
  5. Серные бактерии
  6. Металлические ионные бактерии
  7. Азот Бактерии
  8. Methanobacteria
  9. Тионовые бактерии
  10. Хемосинтез
  11. Организмы, которым свойственен хемосинтез
  12. Механизм хемосинтеза
  13. Нитрифицирующие бактерии
  14. Хемосинтез, примеры хемосинтетических бактерий
  15. Энергия хемосинтеза
  16. Функция хемосинтеза
  17. Значение в природе
  18. Уравнение хемосинтеза
  19. Бактерии хемосинтезирующие: среда обитания
  20. Хемосинтез. Роль хемосинтезирующих бактерий
  21. Метанобразующие археи и бактерии
  22. Другие виды
  23. Особенности превращения
  24. Энергетический и пластический обмен, их взаимосвязь
  25. Экосистемы и кислотность воды
  26. Световая и темновая фазы фотосинтеза. Их взаимосвязь.
  27. Реакции
  28. Железобактерии
  29. Серобактерии
  30. Нитрифицирующие бактерии
  31. Суть автотрофного питания

Водородные бактерии

В основном распространяется в почве. Водород, образующийся при анаэробном разложении органического вещества микроорганизмами, окисляется.

2H2 + O2 → 2H2O + E

Эта реакция катализируется ферментом гидрогеназой.

Значение в молекулярной нанотехнологии

Хотя термин «хемосинтез» в биологии чаще всего применяется к биологическим системам, его можно использовать в более широком смысле для описания любой формы химического синтеза, вызванного случайным тепловым движением реагентов. И наоборот, механическое манипулирование молекулами для управления их реакциями называется «механосинтез».

Сходства и различия с фотосинтезом

Давайте теперь проанализируем, в чем сходство между хемосинтезом и фотосинтезом, и в чем разница между ними.

Сходство:

  • И хемосинтез, и фотосинтез — это типы автотрофного питания, когда организм отделяет органическое от неорганического вещества.
  • Энергия этой реакции хранится в трифосфорной аденозиновой кислоте (сокращенно АТФ) и впоследствии используется для синтеза органических веществ.

Разница между фотосинтезом и хемосинтезом:

  • У них другой источник энергии и, следовательно, разные окислительно-восстановительные реакции. В хемосинтезе основным источником энергии является не солнечный свет, а химические реакции по окислению определенных веществ.
  • Хемосинтез характерен исключительно для бактерий и растений.
  • Во время хемосинтеза бактериальные клетки не содержат хлорофилла; во время фотосинтеза, наоборот, содержат его.
  • Источником углерода для синтеза органических веществ при хемосинтезе может быть не только диоксид углерода, но также оксид углерода (СО), муравьиная кислота, уксусная кислота, метанол и карбонаты.

Фотосинтез и хемосинтез

Типы Хемосинтетических Бактерий

Серные бактерии

Приведенный выше пример уравнения хемосинтеза показывает, что бактерии используют соединение серы в качестве источника энергии.

Бактерии в этом уравнении потребляют газообразный сероводород (12H2S) и, таким образом, образуют твердую элементарную серу в виде отходов (12S).

Некоторые бактерии, использующие хемосинтез, используют элементарную серу или более сложные соединения серы вместо элементарного сероводорода в качестве источников топлива.

Металлические ионные бактерии

Самым известным типом бактерий, использующих ионы металлов для хемосинтеза, являются железобактерии.

Железные бактерии могут представлять проблему для водных систем в богатой железом среде, поскольку они поглощают растворенные ионы металлов в почве и воде и образуют нерастворимые комки железа, которые могут испачкать и даже засорить водопроводные системы.

Однако железобактерии — не единственные организмы, которые используют ионы металлов в качестве источника энергии для хемосинтеза. Другие типы бактерий используют мышьяк, марганец или даже уран в качестве источников электронов для своих цепей переноса электронов!

Азот Бактерии

Азотные бактерии — это все бактерии, которые используют соединения азота в своем метаболическом процессе. Хотя все эти бактерии используют электроны соединений азота для создания органических соединений, они могут по-разному влиять на свою экосистему в зависимости от соединений, которые они используют.

Азотные бактерии можно разделить на три класса:

1. Нитрифицирующие бактерии:

Нитрифицирующие бактерии растут на почвах, содержащих аммиак. Аммиак — это неорганическое соединение азота, которое токсично для большинства растений и животных, но нитрифицирующие бактерии могут использовать его в пищу и даже превращать в полезное вещество.

Нитрифицирующие бактерии берут электроны у аммиака и превращают аммиак в нитрит и, в конечном итоге, в нитрат. Нитраты необходимы для многих экосистем, поскольку они необходимы большинству растений для производства незаменимых аминокислот.

Нитрификация часто представляет собой двухэтапный процесс: одна бактерия превращает аммиак в нитрит, а другой вид бактерий превращает этот нитрит в нитрат.

Нитрифицирующие бактерии могут превратить другие враждебные почвы в питательную среду для растений, а затем и для животных.

2. Денитрифицирующие бактерии:

Денитрифицирующие бактерии используют нитратные соединения в качестве источника энергии. В процессе они расщепляют эти соединения до форм, которые растения и животные не могут использовать.

Это означает, что денитрифицирующие бактерии могут быть большой проблемой для растений и животных — большинству видов растений нужны нитраты в почве, чтобы производить белки, необходимые для них самих и животных, которые их едят.

Денитрифицирующие бактерии конкурируют за эти соединения и могут истощать почву, что приводит к ограниченному росту растений.

3. Азотфиксирующие бактерии:

Эти бактерии очень полезны для экосистем, включая сельское хозяйство человека. Они могут преобразовывать газообразный азот, который составляет большую часть нашей атмосферы, в нитраты, которые растения могут использовать для производства необходимых белков.

Исторически проблемы плодородия и даже голод возникали, когда почва истощалась от нитратов из-за естественных процессов или чрезмерного использования сельскохозяйственных земель.

Многие культуры научились поддерживать плодородие почвы за счет чередования азотсодержащих культур с азотфиксирующими культурами.

Секрет азотфиксирующих культур заключается в том, что сами растения не фиксируют азот: вместо этого они находятся в симбиотических отношениях с азотфиксирующими бактериями. Эти бактерии часто растут колониями вокруг корней растений, выделяя нитраты в окружающую почву.

На изображении ниже показаны корни «азотфиксирующего растения» — обратите внимание на круглые клубеньки, которые на самом деле являются колониями азотфиксирующих хемосинтетических бактерий:

Современные удобрения часто состоят из искусственных нитратов, точно так же, как те соединения, которые образуются азотфиксирующими бактериями.

Methanobacteria

Метанобактерии — это на самом деле археи, но ученые начали их изучать задолго до того, как полностью осознали разницу между археями и «настоящими бактериями».

И археи, и настоящие бактерии — одноклеточные прокариоты, а это значит, что под микроскопом они очень похожи. Но современные методы генетического и биохимического анализа показали, что между ними есть важные химические различия: археи используют множество химических соединений и обладают множеством генов, которых нет в царстве бактерий.

Одна из способностей архей, которых нет у «настоящих бактерий», — это метаболический процесс, в результате которого образуется метан. Только бактерии архей могут объединять углекислый газ и водород с образованием метана.

Метанобактерии обитают в самых разных средах, включая ваше собственное тело! Метанобактерии встречаются на дне океана, в болотах и ​​заболоченных территориях, в желудке коров и даже в желудке человека, где они расщепляют некоторые сахара, которые мы не можем переварить, с образованием метана и энергии.

  • Археи — древняя линия прокариот. Современный анализ, который когда-то считался подтипом бактерий, показал, что археи — это совершенно другая линия, отличная от современных бактерий.
  • бактерии — современное царство прокариот. Сегодня их иногда называют «эубактериями» или «настоящими бактериями», чтобы отличить их от архей.
  • Электронная транспортная цепь — принцип, часто используемый клетками для сбора энергии из окружающей среды. Электроны проходят через серию белков, которые собирают энергию для производства жизненно важных молекул, таких как АТФ.

Тионовые бактерии

Тионовые прокариоты также являются хемосинтезирующими бактериями. Их источником энергии являются различные соединения серы. Этот тип бактерий превращает их в серную кислоту. Эта реакция сопровождается значительным снижением pH среды. Тионовые бактерии относятся к ацидофильной группе. К ним относятся организмы, способные выжить в условиях повышенной кислотности. Такие условия типичны для болот. Вместе с тиановыми в эту группу входят молочнокислые и уксусные бактерии, жгутики и коловратки.

Хемосинтез

Все живые организмы, как известно, делятся на автотрофов и гетеротрофов по способу получения энергии. Автотрофные организмы обладают способностью синтезировать органические соединения из неорганических. Для этого используются различные источники энергии.
Большинство автотрофных организмов относятся к фотосинтетикам.

Это группа организмов, которые могут использовать энергию солнечного света для поддержки биосинтетических процессов.

Но есть также группа организмов, которые используют энергию, которая выделяется при окислении органических соединений, для проведения реакций синтеза. Эта группа живых организмов называется хемотрофами или хемосинтетиками.

Что такое хемосинтез?

Определение 1

Хемосинтез — это вид питания, при котором органические соединения синтезируются из неорганических с использованием энергии химических реакций.

Организмы, которым свойственен хемосинтез

Что это за организмы, питание которых так непривычно для нас? Процесс хемосинтеза в живых организмах изучается давно. Честь открытия этого процесса принадлежит российскому микробиологу С.Н.

Виноградский. Именно он открыл процесс хемосинтеза в 1887 г. Некоторые группы бактерий относятся к хемосинтетикам: нитрифицирующие бактерии, железобактерии, бесцветные серные бактерии и др.

Нитрифицирующие бактерии в ходе биохимических реакций последовательно окисляют аммиак до нитритов и впоследствии до нитратов, серобактерии — сероводорода и других соединений серы до серной кислоты. Железные бактерии получают энергию за счет окисления двухвалентных соединений железа в трехвалентное железо.

Хемосинтетики играют важную роль в преобразовании химических элементов в биогеохимическом круговороте веществ.
Кроме того, большая часть процессов трансформации химических элементов в биосфере происходит только с участием живых организмов.

Механизм хемосинтеза

Рассмотрим механизм хемосинтеза более подробно. Бактерии, лишенные хлорофилла, также могут питаться автотрофами. То, как они получают энергию для своих реакций синтеза, коренным образом отличается от того, как у растительных клеток. Как уже упоминалось выше, этот вид обмена был открыт и описан русским ученым С. Н. Виноградским в 1887 г.

Бактерии используют энергию химических реакций для синтеза. У них есть специальный ферментативный аппарат, который позволяет им преобразовывать энергию химических реакций в химическую энергию синтезируемых соединений.

Среди хемосинтетиков очень важны азотфиксирующие и нитрифицирующие бактерии. Они живут в почве и осуществляют окисление аммиака, который образуется при распаде органических остатков до азотной кислоты. Последний, вступая в реакцию с минеральными соединениями почвы, превращается в соли азотной кислоты. Этот процесс проходит в два этапа. Сначала аммиак окисляется до азотистой кислоты.

$ 2NH_3 + 3O_2 → 2HNO_2 + 2H_2O + 158 $ ккал

Затем азотистая кислота превращается в азотную кислоту.

$ 2HNO_2 + O2 → 2HNO_3 + 38 $ ккал

Сероводород окисляется в серобактериях.

$ 2H_2S + O2 → 2H_2O + 2S$

При определенных условиях (отсутствие сероводорода) образовавшаяся сера окисляется до серной кислоты.

$ 2S + 3_O2 + 2H_2O → 2H_2SO_4 + 115 $ ккал

Под действием железобактерий оксид железа превращается в оксид железа.

$ 4FeCO_3 + O_2 + 6H_2O → 4Fe (OH) _3 + 4CO_2 + 81 $ ккал

Наблюдение 1

Как видно из уравнений химических реакций, хемосинтетики являются типичными автотрофами, самостоятельно синтезирующими необходимые органические вещества из неорганических соединений с использованием энергии, выделяющейся при окислительных процессах.

Нитрифицирующие бактерии

Типичные представители: азотобактеры, нитрозомонады, нитрозоспира.

Нитрифицирующие бактерии обитают в почве и водоемах. Энергия получается за счет окисления аммиака и азотистой кислоты, поэтому они играют важную роль в круговороте азота.

Аммиак образуется при распаде белков. Окисление аммиака бактериями приводит к образованию азотистой кислоты:

2NH3 + 3O2 → HNO2 + 2H2O + E

Другая группа бактерий окисляет азотистую кислоту до азотной кислоты:

2HNO2 + O2 → 2HNO3 + E

Эти две реакции не эквивалентны с точки зрения выделения энергии. Если при окислении аммиака выделяется более 600 кДж, то при окислении азотистой кислоты это всего около 150 кДж.

Азотная кислота в почве образует соли — нитраты, обеспечивающие плодородие почвы.

Хемосинтез, примеры хемосинтетических бактерий

Другая группа автотрофных организмов — хемосинтезирующие бактерии, которые используют энергию ORR в качестве источника энергии для синтеза органических соединений из неорганических.

Хемосинтез был открыт в 1889-1890 гг. Русский микробиолог С. Н. Виноградский.

Суть процесса в том, что хемосинтетические бактерии окисляют различные неорганические вещества (водород, сероводород, аммиак, оксид железа и др.), А выделяемая при этом энергия сохраняется в виде АТФ.

Примеры хемосинтетических бактерий:

  1. Бесцветные серные бактерии обитают в водоемах, богатых сероводородом.

Они извлекают энергию, необходимую для синтеза органических веществ, окисляя сероводород:

2H2S + O2 → 2H2O + 2S + E↑

  • Освободившаяся сера накапливается в клетках бактерий. Если сероводорода недостаточно, бесцветные серные бактерии могут окислить свободную серу до серной кислоты:

2S + 3O2 + 2H2O → 2H2SO4 + E↑

  • Нитрифицирующие бактерии широко распространены в почве и водоемах.

Они окисляют аммиак и азотистую кислоту до азотной кислоты.

Бактерии, окисляющие аммиак, выделяющийся при распаде белков, в азотистую кислоту, называются нитрозомонадами:

2NH3 + 3O2 → 2HNO2 + 2H2O + E↑

  • Другая группа нитрифицирующих бактерий (nitrobacter) окисляет азотистую кислоту до азотной кислоты:

2HNO2 + O2 → 2HNO3 + E↑

  • Обильные железобактерии, обитающие в болотной воде, окисляют двухвалентное железо до трехвалентного железа.

Этот процесс важен для образования железных руд.

4FeO + 3O2 → 2Fe2O3 + E

Хемосинтезирующие бактерии играют важную роль в круговороте веществ в биосфере.

Азотфиксирующие бактерии — единственные организмы на Земле, которые усваивают свободный азот из атмосферы и вовлекают его в круговорот веществ. Примером таких бактерий являются клубеньковые бактерии, обитающие в клубеньках на корнях бобовых. Нитрифицирующие бактерии также имеют большое значение в круговороте азота. Бактерии, окисляющие соединения железа и марганца, важны для отложения минералов железа и марганца.

Хемосинтез — древнейший вид автотрофного питания, который в процессе эволюции может появиться раньше фотосинтеза. В отличие от фотосинтеза, при хемосинтезе первичным источником энергии является не солнечный свет, а химические реакции окисления веществ, обычно неорганических.

Хемосинтез наблюдается только у определенного количества прокариот.

Многие хемосинтетики обитают в местах, недоступных для других организмов: на больших глубинах, в бескислородных условиях.

Хемосинтез — в каком-то смысле уникальное явление. Хемосинтезирующие организмы не зависят от энергии солнечного света прямо как растения или опосредованно как животные. Исключение составляют бактерии, окисляющие аммиак, так как аммиак выделяется в результате органического разложения.

Сходства между хемосинтезом и фотосинтезом:

  • автотрофное питание,
  • энергия хранится в АТФ, а затем используется для синтеза органических веществ.

Различия в хемосинтезе:

  • источник энергии — различные окислительно-восстановительные химические реакции,
  • характерен только для определенного количества бактерий и архей;
  • клетки не содержат хлорофилла;
  • в качестве источника углерода для синтеза органических веществ используется не только СО2, но и оксид углерода (СО), муравьиная кислота (НСООН), метанол (СН3ОН), уксусная кислота (СН3СООН), карбонаты.

Хемосинтетики получают энергию от окисления серы, сероводорода, водорода, железа, марганца, аммиака, нитрита и т.д.

Как видите, используются неорганические вещества.

В зависимости от окисляемого субстрата хемосинтетики для получения энергии делятся на группы: железобактерии, серобактерии, метаногенные археи, нитрифицирующие бактерии и т.д.

В аэробных хемосинтезирующих организмах кислород действует как акцептор электронов и водорода, то есть действует как окислитель.

Хемотрофы играют важную роль в круговороте веществ, особенно азота, и поддерживают плодородие почвы.

Энергия хемосинтеза

Хемосинтезирующие бактерии получают энергию за счет окисления водорода, марганца, железа, серы, аммиака и т.д. В зависимости от окисляемого субстрата названные выше бактерии получили свои названия: железобактерии, серобактерии, метанообразующие археи, нитрифицирующие бактерии и т.д.

Функция хемосинтеза

Хемосинтез позволяет организмам жить, не используя энергию солнечного света и не полагаясь на другие организмы в качестве пищи.

Как и хемосинтез, он позволяет живым существам делать больше самостоятельно. Превращая неорганические молекулы в органические, процессы хемосинтеза превращают неодушевленную материю в живую.

Сегодня его используют микробы, обитающие в глубоких океанах, куда не проникает солнечный свет; но он также используется некоторыми организмами, живущими в солнечной среде, такими как железобактерии и некоторые почвенные бактерии.

Некоторые ученые считают, что хемосинтез может использоваться формами жизни в бесснежных внеземных средах, таких как океаны Европы или подземные среды Марса.

было высказано предположение, что хемосинтез действительно мог быть самой ранней формой метаболизма на Земле, при этом фотосинтез и клеточное дыхание развивались позже, когда формы жизни стали более сложными. Возможно, мы никогда не узнаем наверняка, так ли это, но некоторым ученым интересно подумать, был ли солнечный свет или химическая энергия основным источником энергии для жизни на Земле.

Значение в природе

Хемотрофы — организмы, которые получают жизненную энергию посредством хемосинтеза, играют важную роль в круговороте веществ, особенно азота, в частности, поддерживают плодородие почвы. Кроме того, благодаря активности хемосинтетических бактерий в естественных условиях накапливаются большие запасы минералов и нитратов.

Уравнение хемосинтеза

Есть много разных способов достичь хемосинтеза. Уравнение хемосинтеза будет выглядеть по-разному в зависимости от используемого источника химической энергии. Однако все уравнения хемосинтеза обычно включают:

Реагенты:

  • Неорганическое соединение, содержащее углерод, такое как диоксид углерода или метан. Это будет источник углерода в органической молекуле в конце процесса.
  • Источник химической энергии, например газообразный водород, сероводород или двухвалентное железо.

Продукты:

  • Органическое соединение, такое как сахар или аминокислота.
  • Преобразованная версия источника энергии, например элементарной серы или трехвалентного железа.

Обычно используемый пример уравнения хемосинтеза показывает превращение диоксида углерода в сахар с использованием сероводорода:

12H2S + 6CO2 → C6H12O6 (молекула сахара) + 6H2O + 12S

Это уравнение иногда сводится к простейшему соотношению ингредиентов. Это показывает относительные пропорции каждого ингредиента, необходимого для реакции, хотя он не захватывает полное количество сероводорода и диоксида углерода, необходимое для создания молекулы сахара.

Укороченный вариант выглядит так:

2H2S + CO2 → CH2O (молекула сахара) + H2O + 2S

Бактерии хемосинтезирующие: среда обитания

Поскольку жизнь хемотрофов не зависит от наличия солнечного света, диапазон их распространения довольно велик. Например, серные бактерии могут жить на больших глубинах, иногда являясь там единственными представителями живых существ. Средой обитания этих прокариот часто является почва, сточные воды и субстраты, богатые определенными химическими соединениями.

Хемосинтез. Роль хемосинтезирующих бактерий

Хемосинтез — древнейший тип автотрофного питания, сформировавшийся в процессе эволюции до фотосинтеза. В отличие от фотосинтеза при хемосинтезе основным источником энергии является не солнечный свет, а химические реакции окисления веществ, обычно неорганических.

Хемосинтез наблюдается только у определенного количества прокариот. Многие хемосинтезирующие бактерии обитают в местах, недоступных для других организмов: на больших глубинах, в бескислородных условиях.

Хемосинтезирующие организмы не зависят от энергии солнечного света, как растения или животные. Исключение составляют бактерии, окисляющие аммиак, так как аммиак выделяется из-за разложения органических веществ.

Сходства между хемосинтезом и фотосинтезом:

  • автотрофное питание,
  • энергия хранится в АТФ, а затем используется для синтеза органических веществ.

Различия в хемосинтезе:

  • источник энергии — различные окислительно-восстановительные химические реакции;
  • характерен только для определенного количества бактерий и архей;
  • клетки не содержат хлорофилла;
  • в качестве источника углерода для синтеза органических веществ используется не только СО2, но также окись углерода (СО), муравьиная кислота (НСООН), метанол (СН3ОН), уксусная кислота (СН3СООН) и карбонаты.

Хемосинтезирующие организмы вырабатывают энергию, окисляя серу, сероводород, водород, железо, марганец, аммиак, нитрит и т.д. Как видите, используются неорганические вещества.

Хемосинтетические вещества делятся на группы в зависимости от окисляемого субстрата для производства энергии: железобактерии, серобактерии, метанообразующие археи, нитрифицирующие бактерии и т.д.

В аэробных хемосинтезирующих организмах кислород является акцептором электронов и водорода, т.е действует как окислитель.

Хемосинтезирующие организмы играют важную роль в круговороте веществ, особенно азота, и способствуют плодородию почвы.

В группу хемосинтетических (хемотрофных) организмов в основном входят бактерии: нитрифицирующие, сернистые, черные и др., использующие энергию окисления ионов азота, серы и железа. В этом случае донором электронов выступает не вода, а другие неорганические вещества.

Таким образом, нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак, образующийся из атмосферного азота, от азотфиксирующих бактерий до нитритов и нитратов:

  • 2NH3 + 3О2 → 2HNO2 + 2Н2О + 663 кДж,
  • 2HNО2 + О2 → 2HNО3 + 192 кДж.

Серные бактерии окисляют сероводород до серы и, в некоторых случаях, до серной кислоты:

  • H2S + О2 → 2Н2О + 2S + 272 кДж,
  • 2S + 3О2 + Н2О → H2SO4 + 483 кДж.

Железные бактерии производят окисление солей железа:

  • 4FeCО3 + О2 + 6Н2О → 4Fe (OH) 3 + 4СО2 + 324 кДж.

Водородные бактерии обладают способностью окислять молекулярный водород:

  • 2H2 + O2 → 2H2O + 235 кДж.

Углекислый газ служит источником углерода для синтеза органических соединений у всех автотрофных бактерий.

Хемосинтезирующие бактерии играют наиболее важную роль в биогеохимических круговоротах химических элементов в биосфере, поскольку за время их жизни сформировались отложения многих минералов. Кроме того, они являются источниками органического вещества на планете, то есть производителями, а также делают ряд неорганических веществ доступными для растений и других организмов.

Метанобразующие археи и бактерии

Типичные представители: метанобактерии, метаносарцины, метанококки.

Археи — строгие анаэробы, живущие в бескислородной среде.

Хемосинтез протекает без участия кислорода.

Чаще всего диоксид углерода восстанавливается до метана водородом:

СО2 + 4Н2 → СН4 + 2Н2О + Э

Другие виды

Бактерии этих видов окисляют аммиак до нитрита по уравнению: NH3 + 11 / 2O2 → NO2- + H + + H2O + 271 кДж ∙ моль-1. Аммиак при участии фермента аммиачной монооксигеназы превращается в промежуточный продукт — гидроксиламин (NH2OH), который окисляется гидроксиламиноксидоредуктазой до нитрита.

Бактерии рода Nitobacter

На следующем этапе бактерии рода Nitobacter окисляют нитрит до нитрата: NO2- + ½O2 → + NO3- + 77 кДж ∙ моль-1. Нитрифицирующие бактерии играют особенно важную роль в круговороте азота в природе и являются важным фактором сельскохозяйственной экономики. Они преобразуют характерный основной аммиак, который появляется при разложении органических веществ на нелетучие нитраты, и обогащают почву дефицитными соединениями азота.

Хемоорганотрофы — это бактерии, которые получают энергию от окисления простых органических моноуглеродных соединений: метана, метанола, используя кислород воздуха в качестве акцептора электронов. В эту группу входят: Methylobacter, Methylocystis или Methanomonas. Поскольку они являются обязательными аэробами, они встречаются в средах, где присутствуют источники углерода и кислорода. Одной из побочных групп метилтрофии являются метанотрофы, которые окисляют метан до диоксида углерода. Эта реакция протекает постепенно, согласно уравнениям:

  • СН4 + ½O2 → СН3ОН → СНОН + 2Н + 77.
  • СНОН + Н2О → НСООН + 2Н НСООН → СО2 + 2Н + 77.

Метилтрофы могут использовать метанол или формальдегид в качестве источника углерода, в котором углерод находится в более низкой степени окисления, чем CO2 (и поэтому не может быть ассимилирован). Это не относится к различию между классическими автотрофами. Исключением является Pseudomonas oxalaticus, который окисляет формиат с помощью CO2, который затем используется в качестве источника углерода для синтеза собственных органических соединений.

Особенности превращения

Изучение функции процесса хемосинтеза путем компиляции окислительных реакций помогает определить, как организмы могут жить без использования энергии солнечного света и других методов питания. Это также позволяет нам понять, как происходит преобразование неорганических молекул в органическое вещество, неодушевленного вещества в живое. Хемотрофы — это организмы, которые получают энергию в результате хемосинтеза.

Микробы, обитающие в глубоких океанах

Сегодня ответ может заключаться в активности, и он используется микробами, живущими в глубоких океанах, куда не может проникать солнечный свет, а также некоторыми организмами, живущими в солнечной среде, такими как почвенные бактерии. Некоторые ученые полагают, что хемосинтез может использоваться формами жизни в безсолнечной внеземной среде, такой как океаны Европы или подземная почва Марса.

Важность хемосинтеза трудно переоценить — возможно, он был основной частью метаболизма на Земле, при этом фотосинтез и клеточное дыхание позже развивались по мере того, как формы жизни становились более сложными. Невозможно узнать наверняка, так ли это, но некоторым ученым интересно выяснить и рассмотреть, был ли солнечный свет или химическая энергия первым запуском жизни на Землю.

Энергетический и пластический обмен, их взаимосвязь

Если сероводорода недостаточно, эта сера также может быть окислена (до серной кислоты, см. Реакцию выше).

Вместо сероводорода могут быть окислены сульфиды и т.д.

Экосистемы и кислотность воды

Хемотрофные бактерии

Наблюдения за фазами хемосинтеза начались в 1977 г у Галапагосских островов, при изучении вулканических явлений в зоне распространения океанических плит. Ученый Джек Корлисс на глубине нескольких тысяч метров при постоянных морозах и температуре 2 ° C видел моллюсков, улиток и множество ранее неизвестных видов хемотрофов.

Вытекающий из гидротермальных вод сероводород является источником серы для медленно живущих хемосинетических бактерий. Затем сходство было обнаружено и рядом организмов, живущих вокруг гидротермальных источников, которые содержат в своих тканях симбиотические бактерии. В 1984 г были описаны группы животных, обитающих вокруг источников. Температура этой воды близка к температуре океана, а хемосинтетические полосы представлены другими видами животных, хотя они связаны с обитателями гидротермальных источников.

В последующие годы были исследованы скелеты китообразных, найденные по обе стороны северной части Тихого океана, у побережья Новой Зеландии и на дне Атлантического океана. Оказалось, что они были покрыты многочисленными ракообразными, а кости пахли сероводородом. Пример хемосинтеза: деревянные стенки сосудов массово выделяют фекалии, содержащие соединения серы, тем самым создавая субстрат для функционирования хемосимбиотических организмов.

Световая и темновая фазы фотосинтеза. Их взаимосвязь.

В 1905 году английский физиолог Ф. Блэкман обнаружил, что скорость фотосинтеза не может увеличиваться бесконечно, есть факторы, которые ее ограничивают. Исходя из этого, он предложил два этапа фотосинтеза:

  1. Светлый;
  2. Темно..

В условиях низкой освещенности скорость световых реакций увеличивается пропорционально увеличению интенсивности света, и, кроме того, эти реакции не зависят от температуры, поскольку для их протекания не требуются ферменты. Реакции на свет происходят на мембранах тилакоидов.

И наоборот, скорость реакции в темноте увеличивается с повышением температуры; однако при достижении температурного порога 30 ° C этот рост прекращается, что указывает на ферментативный характер этих превращений, происходящих в строме. Также важно отметить, что свет также оказывает некоторое влияние на темные реакции, несмотря на свое название.

Легкая фаза фотосинтеза происходит на тилакоидных мембранах, которые несут несколько типов белковых комплексов, основными из которых являются фотосистемы I и II, а также АТФ-синтаза. Фотосистемы содержат пигментные комплексы, которые, помимо хлорофилла, также содержат каротиноиды. Каротиноиды улавливают свет в тех областях спектра, где хлорофилл отсутствует, и, кроме того, защищают хлорофилл от повреждений, вызванных ярким светом.

Помимо пигментных комплексов, фотосистемы также включают ряд акцепторных белков, которые последовательно переносят электроны от молекул хлорофилла друг к другу. Последовательность этих белковых молекул называется цепью переноса электронов хлоропласта.

Особый белковый комплекс напрямую связан с фотосистемой II, которая обеспечивает кислородом такой процесс, как фотосинтез. Этот комплекс выделения кислорода содержит ионы марганца и хлора.

В световой фазе кванты или фотоны света, падающие на молекулы хлорофилла, которые находятся на тилакоидных мембранах, переводят их в состояние возбуждения, характеризующееся большей энергией электронов. В этом случае электроны, возбужденные хлорофиллом фотосистемы I, передаются через цепочку посредников водородному переносчику НАДФ, который атакует протоны водорода, постоянно находящиеся в водном растворе:

  • НАДФ + 2e− + 2H + → НАДФН + H+.

Восстановленный НАДФН + Н + затем используется в темноте. Электроны от хлорофилла фотосистемы II также переносятся по цепи переноса электронов, но они заполняют «электронные дыры» хлорофилла фотосистемы I. Недостаток электронов в хлорофилле фотосистемы II происходит из-за сжатия молекул воды с участием перечисленных выше факторов кислородный комплекс развивается и пополняется. При распаде молекул воды, называемом фотолизом, образуются протоны водорода и молекулярного кислорода, который является побочным продуктом фотосинтеза:

  • H2O → 2H + + 2e− + ½ O2↑.

Темная фаза — это процесс превращения углекислого газа в глюкозу в строме (пространстве между зернами) хлоропластов с участием энергии АТФ и НАДФ • H.

Результат непонятных реакций: превращение углекислого газа в глюкозу, а затем в крахмал. Помимо стромальных молекул глюкозы образуются аминокислоты, нуклеотиды и спирты.

6СО2 + 6Н2О → C6H12O6 + 6O2

Реакции

Теперь давайте более подробно рассмотрим существующие реакции хемосинтеза, все они различаются в зависимости от хемосинтезирующих бактерий.

Железобактерии

К ним относятся нитчатые и окисляющие железо лептотрисы, сферотиллусы, гурнарды, металлогены. Они живут в пресной и морской воде. Из-за реакции хемосинтеза месторождения железной руды образуются в результате окисления двухвалентного железа до трехвалентного.

4FeCO3 + O2 + 6H2O → Fe (OH) 3 + 4CO2 + E (энергия)

Помимо энергии, в этой реакции образуется углекислый газ. Также, помимо бактерий, окисляющих железо, существуют бактерии, окисляющие марганец.

Серобактерии

Другое их название — тиобактерии, очень большая группа микроорганизмов. Как следует из названия, эти бактерии получают энергию, окисляя соединения с пониженным содержанием серы.

2S + 3O2 + 2H2O → 2H2SO4 + E

Сера, полученная в результате реакции, может накапливаться как в самих бактериях, так и выбрасываться в окружающую среду в виде хлопьев.

Нитрифицирующие бактерии

Эти бактерии, обитающие на суше и в воде, получают свою энергию из аммиака и азотистой кислоты и играют очень важную роль в круговороте азота.

2NH3 + 3O2 → HNO2 + 2H2O + E

Азотистая кислота, полученная в этой реакции, образует в земле соли и нитраты, которые способствуют ее плодородию.

Суть автотрофного питания

Хемосинтетические бактерии, примеры которых будут рассмотрены в нашей статье, самостоятельно продуцируют органическое вещество. Они автотрофны, как растения. Однако последние используют для этого энергию солнечного света. Наличие зеленых пластид хлоропластов позволяет им осуществлять процесс фотосинтеза. Его суть заключается в образовании углеводов глюкозы из неорганических веществ — воды и углекислого газа. Кислород — еще один продукт этой химической реакции. Бактерии тоже автотрофны. Но для получения энергии им не нужен солнечный свет. Они выполняют другой процесс: хемосинтез.

Оцените статью
Блог про химию