Хемосинтез способ автотрофного питания при котором источником энергии

10 класс. Биология. Автотрофное питание. Хемосинтез

10 класс. Биология. Автотрофное питание. Хемосинтез

Вопросы

Задай свой вопрос по этому материалу!

Поделись с друзьями

Комментарии преподавателя

Хемосинтез и хемотрофы

Энер­гия су­ще­ству­ет во мно­гих фор­мах, но для живых ор­га­низ­мов под­хо­дят всего две из них – это све­то­вая и хи­ми­че­ская энер­гия.

Те ор­га­низ­мы, ко­то­рые ис­поль­зу­ют для син­те­за соб­ствен­ных ор­га­ни­че­ских ве­ществ энер­гию сол­неч­но­го света, на­зы­ва­ютфо­то­тро­фа­ми.

Ор­га­низ­мы, ко­то­рые ис­поль­зу­ют для син­те­за соб­ствен­ных ор­га­ни­че­ских ве­ществ хи­ми­че­скую энер­гию, – это хе­мот­ро­фы.

Хе­мо­син­тез – спо­соб ав­то­троф­но­го пи­та­ния, при ко­то­ром ис­точ­ни­ком пи­та­ния для син­те­за соб­ствен­ных ор­га­ни­че­ских ве­ществ слу­жит ре­ак­ция окис­ле­ния неор­га­ни­че­ских со­еди­не­ний.

Хе­мо­син­тез свой­стве­нен и най­ден у бак­те­рий. От­крыл хе­мо­син­тез как яв­ле­ние рус­ский уче­ный С.Н. Ви­но­град­ский.

Вы­де­ля­ют несколь­ко групп хе­мот­роф­ных бак­те­рий:

1. Же­ле­зо­бак­те­рии. Окис­ля­ют двух­ва­лент­ное же­ле­зо до трех­ва­лент­но­го.

2. Се­робак­те­рии. Окис­ля­ют се­ро­во­до­род до серы или до сер­ной кис­ло­ты.

3. Нит­ри­фи­ци­ру­ю­щие бак­те­рии. Окис­ля­ют ам­ми­ак до азот­ной или азо­ти­стой кис­ло­ты, ко­то­рая при вза­и­мо­дей­ствии с ми­не­ра­ла­ми об­ра­зу­ет нит­ра­ты и нит­ри­ты.

Вы­де­ля­ю­ща­я­ся в про­цес­се окис­ле­ния неор­га­ни­че­ских со­еди­не­ний энер­гия не может быть сразу из­рас­хо­до­ва­на на син­тез ор­га­ни­че­ских со­еди­не­ний. Она вна­ча­ле пе­ре­во­дит­ся в энер­гию хи­ми­че­ских свя­зей мо­ле­ку­лы АТФ и толь­ко после этого рас­хо­ду­ет­ся на био­син­те­ти­че­ские про­цес­сы в клет­ке.

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.

Железобактерии

У же­ле­зо­бак­те­рий энер­гия вы­де­ля­ет­ся при окис­ле­нии двух­ва­лент­но­го же­ле­за (см. Рис. 2).

Рис. 2. Же­ле­зо­бак­те­рии

Такие мик­ро­ор­га­низ­мы легко об­на­ру­жи­ва­ют­ся в при­род­ных во­до­е­мах в виде об­рас­та­ний ниж­ней части вод­ных рас­те­ний. Же­ле­зо­бак­те­рии часто встре­ча­ют­ся в хо­ро­шо аэ­ри­ру­е­мых ру­чьях при вы­хо­де под­зем­ных вод на по­верх­ность.

Же­ле­зо­бак­те­рии (см. Рис. 3) спо­соб­ны раз­ру­шать ор­га­ни­че­ские ком­плек­сы же­ле­за, труд­но раз­ру­ша­е­мые в хи­ми­че­ских окис­ли­тель­ных про­цес­сах. Об­ра­зу­ю­щий­ся в ре­зуль­та­те этого гид­рок­сид же­ле­за от­кла­ды­ва­ет­ся на по­верх­но­сти кле­ток.

Рис. 3. Же­ле­зо­бак­те­рии

Раз­ви­тие же­ле­зо­бак­те­рий в тру­бах при­во­дит к их за­би­ва­нию сли­зью и гид­рок­си­дом же­ле­за (III). В усло­ви­ях ма­ло­го про­то­ка воды через пол­го­да экс­плу­а­та­ции во­до­про­во­да на внут­рен­ней по­верх­но­сти труб же­ле­зо­бак­те­рии об­ра­зу­ют об­рас­та­ния в виде буг­ров вы­со­той до 10 мм (см. Рис. 4). В таких от­ло­же­ни­ях на­хо­дят бла­го­при­ят­ные усло­вия для жиз­не­де­я­тель­но­сти ки­шеч­ная па­лоч­ка, гни­лост­ные бак­те­рии и раз­лич­ные черви.

Рис. 4. Об­рас­та­ния на внут­рен­ней по­верх­но­сти труб

Серобактерии

Боль­шое число бак­те­рий спо­соб­ны окис­лять вос­ста­нов­лен­ные со­еди­не­ния серы (см. Рис. 5). Эти мик­ро­ор­га­низ­мы при­ни­ма­ют уча­стие в гло­баль­ном кру­го­во­ро­те серы в при­ро­де.

Се­робак­те­рии делят на две груп­пы:

1. Бак­те­рии, ко­то­рые спо­соб­ны от­кла­ды­вать серу внут­ри клет­ки.

2. Бак­те­рии, ко­то­рые не спо­соб­ны от­кла­ды­вать серу ни при каких усло­ви­ях.

Рис. 5. Се­робак­те­рии

Бесцветные серобактерии

Давно из­вест­но, что в се­ро­во­до­род­ных ис­точ­ни­ках встре­ча­ют­ся неокра­шен­ные мик­ро­ор­га­низ­мы, ко­то­рые на­кап­ли­ва­ют в себе серу.

В тех ис­точ­ни­ках, где се­ро­во­до­ро­да немно­го, такие мик­ро­ор­га­низ­мы на­блю­да­ют­ся в виде белых пле­нок (см. Рис. 6).

Рис. 6. Белые плен­ки из се­робак­те­рий

Ви­но­град­ский по­ка­зал, что у одних видов неокра­шен­ных се­робак­те­рий сера об­ра­зу­ет­ся в ре­зуль­та­те окис­ле­ния се­ро­во­до­ро­да. Таким об­ра­зом, бес­цвет­ные се­робак­те­рии иг­ра­ют боль­шую роль в де­ток­си­ка­ции воды (очист­ка воды от се­ро­во­до­ро­да).

Нитрифицирующие бактерии

Нит­ри­фи­ци­ру­ю­щие бак­те­рии окис­ля­ют ам­ми­ак до нит­ри­тов и нит­ра­тов.

Био­ло­ги­че­ская при­ро­да пре­вра­ще­ния ам­ми­а­ка в нит­ра­ты была из­вест­на давно, и в Ев­ро­пе это ис­поль­зо­ва­ли для по­лу­че­ния се­лит­ры при из­го­тов­ле­нии по­ро­ха.

С.Н. Ви­но­град­ский вы­де­лил чи­стые куль­ту­ры нит­ри­фи­ка­то­ров. Вы­яс­ни­лось, что про­цесс нит­ри­фи­ка­ции идет в две ста­дии (см. Рис. 7).

Рис. 7. Нит­ри­фи­ци­ру­ю­щая бак­те­рия и две ста­дии про­цес­са нит­ри­фи­ка­ции

Нит­ри­фи­ци­ру­ю­щие бак­те­рии иг­ра­ют в при­ро­де важ­ную роль, осу­ществ­ляя один из эта­пов кру­го­во­ро­та азота (см. Рис. 8).

Рис. 8. Кру­го­во­рот азота

Распад органического материала и нитрификация

Рас­те­ния по­лу­ча­ют азот в виде нит­ра­та из почвы, а жи­вот­ные по­лу­ча­ют азот от рас­те­ний.

На ри­сун­ке 9 по­ка­за­но, как са­про­фит­ные бак­те­рии и грибы воз­вра­ща­ют азот бел­ков, со­дер­жа­щих­ся в мерт­вых рас­те­ни­ях и жи­вот­ных, в общий кру­го­во­рот в форме нит­ра­тов. Такое пре­вра­ще­ние про­ис­хо­дит в ре­зуль­та­те по­сле­до­ва­тель­но­го окис­ле­ния азо­ти­стых со­еди­не­ний, а для этого нужны аэроб­ные бак­те­рии и кис­ло­род. После ги­бе­ли жи­во­го ор­га­низ­ма его белки раз­ла­га­ют­ся до ами­но­кис­лот, а затем до ам­ми­а­ка. Точно так же рас­щеп­ля­ют­ся и азо­ти­стые со­еди­не­ния экс­кре­мен­тов и раз­лич­ных вы­де­ле­ний жи­вот­ных. Затем хе­мо­син­те­зи­ру­ю­щие бак­те­рии окис­ля­ют ам­ми­ак до нит­ра­та. Этот про­цесс на­зы­ва­ет­ся нит­ри­фи­ка­ци­ей.

Рис. 9. Кру­го­во­рот азот

Де­нит­ри­фи­ци­ру­ю­щие бак­те­рии осу­ществ­ля­ют про­цесс, об­рат­ный нит­ри­фи­ка­ции, – де­нит­ри­фи­ка­цию, ко­то­рая может умень­шать пло­до­ро­дие почвы. Де­нит­ри­фи­ка­ция про­ис­хо­дит толь­ко в анаэ­роб­ных усло­ви­ях, когда бак­те­рии ис­поль­зу­ют нит­рат как окис­ли­тель (ак­цеп­тор элек­тро­нов), за­ме­ня­ю­щий кис­ло­род в ре­ак­ци­ях окис­ле­ния ор­га­ни­че­ских ве­ществ. Сам нит­рат при этом вос­ста­нав­ли­ва­ет­ся. Такие бак­те­рии от­но­сят­ся к фа­куль­та­тив­ным анаэ­ро­бам. Не сле­ду­ет ду­мать, что де­нит­ри­фи­ци­ру­ю­щие бак­те­рии ста­вят под угро­зу су­ще­ство­ва­ние жизни на Земле. Как по­ла­га­ют, не будь про­цес­сов де­нит­ри­фи­ка­ции, боль­шая часть ат­мо­сфер­но­го азота на­хо­ди­лась в свя­зан­ном со­сто­я­нии в земле.

Роль хемосинтетиков

Роль хе­мо­син­те­ти­ков для всех живых ор­га­низ­мов на нашей пла­не­те чрез­вы­чай­но ве­ли­ка, так как они яв­ля­ют­ся зве­ном в кру­го­во­ро­те важ­ней­ших эле­мен­тов (азота, серы). Таким об­ра­зом, су­ще­ство­ва­ние жизни невоз­мож­но без де­я­тель­но­сти хе­мо­син­те­зи­ру­ю­щих ор­га­низ­мов.

Хе­мо­син­те­ти­ки также важны в ка­че­стве при­род­ных по­тре­би­те­лей таких ядо­ви­тых ве­ществ, как ам­ми­ак и се­ро­во­до­род.

Нит­ри­фи­ци­ру­ю­щие бак­те­рии на­сы­ща­ют почву нит­ра­та­ми, ко­то­рые хо­ро­шо усва­и­ва­ют­ся рас­те­ни­я­ми.

Неко­то­рые нит­ри­фи­ци­ру­ю­щие бак­те­рии ис­поль­зу­ют для очист­ки сточ­ных вод (се­робак­те­рии).

Источник

Автотрофное питание. Фотосинтез. Хемосинтез

Урок 23. Общая биология 10 класс (ФГОС)

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Автотрофное питание. Фотосинтез. Хемосинтез»

Автотрофы могут сами синтезировать необходимые им органические вещества, получая из окружающей среды углерод в виде углекислого газа, воду и минеральные вещества.

Все автотрофы делятся на: фотосинтезирующие автотрофы и хемосинтезирующие автотрофы.

У фотосинтезирующих автотрофов источником энергии служит солнечный свет.

Хемосинтезирующие автотрофы получают энергию при окислении неорганических соединений.

Фотосинтез — это процесс преобразования энергии света в энергию химических связей органических веществ на свету фотоавтотрофами при участии фотосинтетических пигментов.

Фотосинтезирующими органоидами зелёных растений являются хлоропласты. Структурной и функциональной единицей хлоропластов являются тилакоиды – плоские мембранные мешочки, уложенные в стопки (граны).

Внутреннее пространство тилакоида называется люменом.

Пространство между оболочкой хлоропласта и тилакоидами называется стромой.

Мембрана тилакоида собственно и является тем местом, где протекают светозависимые реакции фотосинтеза при участии хлорофилла.

Аналогично митохондриальной электроннотранспортной цепи, цепь переноса электронов фотосинтеза состоит из многих белковых комплексов и молекул перенощиков.

В цепи перенощиков выделяют следующие комплексы: фотосистему 2, цитохром Б шесть ЭФ -комплекс, фотосистему 1, фермент редоксин НАДФ редуктазу и АТФ-синтазу.

Фотосинтез происходит в две фазы – световую и темновую.

В световую фазу протекают реакции, которым необходим солнечный свет, в частности фотоны света. Поэтому эти реакции ещё называют светозависимыми реакциями фотосинтеза.

В темновую фазу фатоны светы не нужны. Однако эти реакции протекают как в светлое, так и в тёмное время суток.

Процесс фотосинтеза начинается с того что квант света ударяет молекулу хлорофилла (а II), которая находиться в фотосистеме 2.

Существует несколько видов молекул хлорофилла, которые различаются по длине волны улавливаемых квантов.

Основными «ловцами» световых частиц являются хлорофиллы а-1 (с длинной волны улавливаемых квантов 700 нм), который находится в фотоситеме 1 и хлорофилл а II (с длинной волны улавливаемых квантов 680 нм), который находится в фотосистеме 2.

Итак, после удара квантом света молекула хлорофилла приходят в возбуждённое состояние.

Что значит возбуждённое состояние?

(Согласно квантовой теории Эйнштейна свет состоит из мельчайших частиц, несущих порции энергии и обладающих импульсом — фотонов. Если фотон, с определённым количеством энергии столкнётся с электроном, то электрон может перейти на новый энергетический уровень. В результате чего молекула и оказывается в возбуждённом состоянии.

Эта энергия быстро мигрирует по светособирающей молекуле хлорофилла к реакционному центру фотосистемы.

(Реакционный центр — это комплекс белков, взаимодействие которых обеспечивает реакцию превращения энергии света в химическую при фотосинтезе.

После поглощения энергии, хлорофиллы испускают пару электронов. Которые передаются на перенощик пластохинон.

Теперь в молекуле хлорофилла недостает 2 электрона. Эти 2 электрона хлорофилл отбирает у молекулы воды, которая находиться во (внутритилакоидном) пространстве.

При этом происходит фотолиз (расщепление) молекул воды.

То есть молекула воды распадается отдаёт 2 электрона молекуле хлорофилла.

Посмотрим на реакции данного процесса (Фотолиза воды).

Благодаря фотонам света, молекула воды расщепляется на два иона (протон водорода и гидроксид-ион).

Ионы гидроксида отдают свои электроны, превращаясь в реакционноспособные радикалы OH.

Несколько радикалов объединяются, образуя воду и свободный кислород. Кислород при этом удаляется во внешнюю среду. Таким образом кислород, которым мы дышим это продукт окисления воды.

О том, что растения в процессе своей жизнедеятельности выделяют кислород люди узнали уже давно.

В 1772 году химик Джозеф Пристли провёл цикл экспериментов с газами.

В одном из своих экспериментов Пристали зажёг свечу и поместил её под перевёрнутый сосуд. Через некоторое время свеча погасла. Так как под сосудом закончился кислород.

Далее он провёл аналогичный эксперимент с мышкой. Мышь умерла вскоре после того, как погасла свеча.

Пристли провёл ещё один опыт. Он поместил под перевёрнутый сосуд зелёное растение с мышью, предоставив им доступ к свету. Свеча горела долгое время. А мышь оставалась жива. Значит подумал Пристли благодаря растению под герметично перевёрнутым сосудом остаётся кислород. Таким образом наблюдение Пристли были одной из первых демонстраций деятельности фотохимических реакционных центров.

Результаты опытов не только определили характерные особенности жизнедеятельности растений, но и продемонстрировали тесную взаимосвязь между растениями и животными.

Вернёмся к фотолизу воды.

Суммарное уравнение фотолиза воды выглядит следующим образом.

Из которого видно, что при фотолизе воды образуются протоны водорода, электроны и свободный кислород. 2 электрона вернулось в молекулу хлорофилла.

Протоны водорода накапливаются внутри тилакоида.

В результате мембрана тилакоида с одной стороны за счёт протонов водорода заряжается положительно, с другой за счёт электронов — отрицательно.

Благодаря разности потенциалов между наружной и внутренней сторонами мембраны, протоны проталкиваются через каналы АТФ-синтетазы и происходит фосфорилирование АДФ до АТФ.

За одно и тоже время в хлоропластах образуется в 30 раз больше АТФ, чем в митохондриях.

А 2 протона водорода идут на восстановление специфического переносчика НАДФ+ до НАДФ·Н.

Суммарное уравнение реакций световой фазы выглядит следующим образом.

Таким образом, в световую фазу фатоны света вместе с водой используются для образования АТФ и востановления НАДФ+ до НАДФН.

АТФ и НАДФН транспортируются в строму хлоропласта и участвуют в процессах темновой фазы.

Темновая фаза фотосинтеза

Темновые реакции фотосинтеза происходят не только на свету, но и в темноте.

В темновой фазе образуются глюкоза и мономеры сложных органических соединений (аминокислоты, нуклеотиды, глицерин и жирные кислоты).

Источником углерода является углекислый газ, который поступает в растение через устьица.

Углекислый газ, который содержится в воздухе, захватывается специальным веществом- пятиуглеродным сахаром (рибулозобифосфатом).

Фермент катализирует эту реакцию. В результате образуется неустойчивое шестиуглеродное соединение, которое сразу же распадается на две молекулы фосфоглицериновой кислоты (ФГК).

Затем происходит цикл реакций, который называется (Циклом Кальвина) в которых через ряд промежуточных продуктов фосфоглицериновая кислота преобразуется в глюкозу.

В этих реакциях используются энергии АТФ и НАДФ·Н.

Итак, в световую фазу фотосинтеза происходит фотолиз воды, высвобождение кислорода, синтез АТФ и образование НАДФ·Н.

В темновую фазу образуется глюкоза и крахмал главные источники энергии на планете Земля, аминокислоты, нуклеотиды, глицерин и жирные кислоты.

Таким образом в результате фотосинтеза растения накапливают органические вещества и обеспечивают постоянство уровня углекислого газа и кислорода в атмосфере.

В процессе фотосинтеза одно и тоже крупное растение производит совсем не так уж много углеводов. Однако если посчитать, сколько энергии солнечного света улавливают и запасают все зелёные растения на Земле за год, то окажется что для получения того же количества энергии было бы необходимо 200 000 гидроэлектростанций.

В верхних слоях воздушной оболочки Земли (на высоте 15-20 км) из кислорода образуется озон. Озоновый слой защищает все живые организмы от опасных для жизни ультрафиолетовых лучей.

Таким образом при помощи солнечного света автотрофные организмы, которые называют фототрофами получают энергию.

А некоторые автотрофные организмы – хемотрофы, как мы уже говорили выше…получают энергию за счёт энергии окисления неорганических веществ. Такой процесс называется – хемосинтезом.

Хемосинтез – это способ автотрофного питания, при котором источником энергии для синтеза органических веществ служат реакции окисления неорганических соединений.

Подобный вариант получения энергии используется только бактериями.

К хемотрофам относятся серобактерии, окисляющие сероводород.

Нитрифицирующие бактерии, превращающие аммиак в нитриты, а затем в нитраты.

Железобактерии, окисляющие железо.

Водородные бактерии, окисляющие водород.

Необходимо отметить, что выделяющаяся в реакциях окисления неорганических соединений энергия не может быть непосредственно использована бактериями в процессах ассимиляции (то есть процессах синтеза). Сначала это энергия переводиться в энергию макроэргических связей АТФ и только затем тратиться на синтез органических соединений.

Хемосинтезирующие организмы (например, серобактерии) могут жить в океанах на огромной глубине, в тех местах, где из разломов земной коры, выделяется сероводород.

Хемосинтетики – единственные организмы на Земле, которые не зависят он энергии солнечного света. Роль хемосинтетиков для всех живых существ очень велика. Так как они являются непременным звеном природного круговорота важных элементов: серы, азоты, железа.

Источник