Что такое хемосинтез кратко

Характеристики хемосинтеза: какие вещества образуются, роль и значение

По способу получения энергии все живые организмы делятся на гетеротрофные и автотрофные. Первые из них питаются уже готовыми органическими веществами, а вторые синтезируют органические соединения из неорганических. Для обеспечения процессов биосинтеза большинство автотрофных организмов используют энергию солнечного света (фотосинтетики, фототрофы). Значительно меньшая группа относится к хемосинтетикам (хемотрофам).

Что такое хемосинтез

Хемосинтез – самый древний способ питания, который появился значительно раньше фотосинтеза. При нем получение энергии живыми организмами происходит за счет химической реакции окисления неорганических веществ.

Хемосинтез рассматривается в биологии как уникальное явление. Хемотрофы ни напрямую, ни косвенно не зависят от солнечного света. Единственным исключением являются нитрофицирующие бактерии, так как они окисляют аммиак, образующийся в процессе гниения органических соединений.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Автором открытия явления хемосинтеза (1887 г.) является известный русский микробиолог Виноградский С. Н. Ему удалось выделить из почвы некоторые микроорганизмы, которые для построения органических соединений используют углекислый газ, а энергию получают в результате химических реакций по окислению молекулярного водорода, неорганических соединений сурьмы, железа, азота или серы. Это совершенно иной тип живых организмов, которые Виноградский назвал «хемолитоавтотрофными», а тип их жизнедеятельности – «минеральным дыханием». В настоящее время этот процесс называется хемосинтезом.

Для кого характерен такой тип питания

Хемосинтез используется только некоторыми прокариотами. Практически все они обитают в местах недоступных для жизни других организмов, куда не проникают кванты света и где отсутствует кислород. Например, они живут на дне глубоких разломов земной коры и на большой глубине (3-4 км) океанов.

К хемотрофным организмам относятся:

Особенности процесса

Для синтеза органических соединений из неорганических и получения энергии бактерии-хемотрофы имеют специальный ферментный аппарат.

Нитрофицирующие азотофиксирующие бактерии окисляют аммиак до азотной кислоты, которая в дальнейшем вступает во взаимодействие с минералами почвы с образованием нитратов. Химический процесс протекает в две стадии:

Серобактерии получают энергию за счет реакции окисления сероводорода до молекулярной серы:

Если реакция протекает в условиях недостатка сероводорода, то молекулярная сера подвергается дальнейшему окислению:

Железобактерии преобразуют двухвалентное железо в трехвалентное:

Хемосинтетики являются типичными автотрофами, способными получать энергию при окислении неорганических веществ и использующими ее для синтеза органических соединений.

Образующаяся энергия накапливается в бактериальных клетках в виде молекул АТФ. Они в дальнейшем используются для образования из углекислого газа глюкозы и других органических веществ. Процесс аналогичен темновой фазе фотосинтеза и описывается следующим уравнением химической реакции:

\(6CO_2 + 24H+ + AТФ ‎‎→ C_6H_<12>O_6 + 6H_2O\)

Отличие от фотосинтеза

И хемосинтез, и фотосинтез являются способами автотрофного питания. Их сходство заключается в образовании энергии, накоплении ее в виде молекул АТФ и последующем использовании для синтеза органических соединений.

Но эти два процесса имеют и свои различия. Хемосинтез характерен только для небольшой группы архей и бактерий. Если при фотосинтезе источником энергии выступают кванты света, то при хемосинтезе – энергия, выделяющаяся в ходе различных окислительно-восстановительных реакций. Признаком хемотрофиков является отсутствие хлорофилла, который обязательно присутствует у фототропиков.

При осуществлении синтеза органики фотосинтетики используют в качестве источника углерода исключительно углекислый газ. В отличии от них хемосинтетики способны усваивать углерод и из других соединений: уксусной кислоты, карбонатов, метанола, муравьиной кислоты, угарного газа.

Роль и значение в круговороте веществ

Процесс хемосинтеза играет огромную роль во многих экологических процессах:

Источник

Хемосинтез: определение и механизмы, представители живого с хемосинтезом

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?

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.

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

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.

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.

После этого азотистая кислота превращается в азотную.

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

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

Железобактерии участвуют в преобразовании закиси железа в окись железа.

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.

Источник

Хемосинтез

Хемосинтез — древнейший тип автотрофного питания, который в процессе эволюции мог 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 ряда прокариот. Многие хемосинтетики обитают в недоступных для других организмов местах: на огромных глубинах, в бескислородных условиях.

Хемосинтез в каком-то смысле уникальное явление. Хемосинтезирующие организмы не зависят от энергии солнечного света ни напрямую как растения, ни косвенно как животные. Исключением являются бактерии, окисляющие аммиак, т. к. последний выделяется в результате гниения органики.

Сходство хемосинтеза с фотосинтезом:

энергия запасается в АТФ и потом используется для синтеза органических веществ.

источник энергии – различные окислительно-восстановительные химические реакции,

характерен только для ряда бактерий и архей;

клетки не содержат хлорофилла;

в качестве источника углерода для синтеза органики используется не только CO₂, но также окись углерода (CO), муравьиная кислота (HCOOH), метанол (CH₃OH), уксусная кислота (CH₃COOH), карбонаты.

Хемосинтетики получают энергию при окислении серы, сероводорода, водорода, железа, марганца, аммиака, нитрита и др. Как видно, используются неорганические вещества.

В зависимости от окисляемого субстрата для получения энергии хемосинтетиков делят на группы: железобактерии, серобактерии, метанообразующие археи, нитрифицирующие бактерии и др.

У аэробных хемосинтезирующих организмов акцептором электронов и водорода служит кислород, т. е. он выступает в роли окислителя.

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

Железобактерии

Представители железобактерий: нитчатые и железоокисляющие лептотриксы, сферотиллюсы, галлионеллы, металлогениумы.

Распространены в пресных и морских водоемах. Образуют отложения железных руд.

Окисляют двухвалентное железо до трехвалентного:

Кроме энергии в этой реакции получается углекислый газ, который связывается в органические вещества.

Кроме бактерий окисляющих железо, существуют бактерии окисляющие марганец.

Серобактерии

Серобактерии также называются тиобактериями. Это достаточно разнообразная группа микроорганизмов. Есть представители получающие энергию как от солнца (фототрофы), так и путем окисления соединений с восстановленной серой – пурпурные и зеленые серобактерии, некоторые цианеи.

В анаэробных условиях в качестве акцептора водорода используют нитрат.

Бесцветные серобактерии (беггиаты, тиотриксы, ахроматиумы, макромонасы, акваспириллюмы) обитают в содержащих сероводород водоемах. Они 100%-ые хемосинтетики. Окисляют сероводород:

Образующаяся в результате реакции сера накапливается в бактериях или выделяется в окружающую среду в виде хлопьев. Если сероводорода недостаточно, что эта сера может также окисляться (до серной кислоты, см. реакцию выше).

Вместо сероводорода могут также окисляться сульфиды и др.

Нитрифицирующие бактерии

Типичные представители: азотобактер, нитрозомонас, нитрозоспира.

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

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

Другая группа бактерий окисляет азотистую кислоту до азотной:

Две реакции не равноценны по выделению энернгии. Если при окислении аммиака выделяется более 600 кДж, то при окислении азотистой кислоты – только около 150 кДж.

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

Водородные бактерии

В основном распространены в почве. Окисляют водород, образующийся при анаэробном разложении органики микроорганизмами.

Данная реакция катализируется ферментом гидрогеназой.

Метанобразующие археи и бактерии

Типичные представители: метанобактерии, метаносарцины, метанококки.

Археи строгие анаэробы, обитают в бескислородной среде.

Хемосинтез идет без участия кислорода. Чаще всего восстанавливают углекислый газ до метана водородом:

Источник

Хемосинтез – уникальный процесс питания бактерий

Содержание:

Процесс хемосинтеза в биологии представляет собой в некотором смысле уникальное явление, ведь это необычный тип питания бактерий, основанный на усвоении углекислого газа СО₂ благодаря окислению неорганических соединений. Причем что интересно, по мнению ученых, хемосинтез это древнейший тип автотрофного питания (такого питания, когда организм сам синтезирует органические вещества из неорганических), который мог появиться даже раньше нежели фотосинтез.

История открытия

Как биологическое явление хемосинтез бактерий был открыт русским биологом С. Н. Виноградским в 1888 году. Ученый доказал способность некоторых бактерий выделять углеводы используя химическую энергию. Им же был выделен ряд особых хемосинтизирующих бактерий, среди которых наиболее заметными являются серобактерии, железобактерии и нитрифицирующие бактерии.

Сходства и различия с фотосинтезом

Давайте теперь разберем в чем сходство хемосинтеза и фотосинтеза, а в чем различия между ними.

Отличие фотосинтеза от хемосинтеза:

Энергия хемосинтеза

Свою энергию бактерии хемосинтетики получают благодаря окислению водорода, марганца, железа, серы, аммиака и т. д. В зависимости от окисляемого субстрата упомянутые нами выше бактерии и получили свои названия: железобактерии, серобактерии, метанобразующие археи, нитрифицирующие бактерии, ну и так далее.

Значение в природе

Хемотрофы – организмы, получающие жизненную энергию благодаря хемосинтезу, играют важную роль в круговороте веществ, особенно азота, в частности они поддерживают плодородность почв. Также благодаря деятельности бактерий-хемосинтетиков в природных условиях накапливаются большие запасы руды и селитры.

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.

Видео

И в завершение образовательное видео о сути хемосинтеза.

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту pavelchaika1983@gmail.com или в Фейсбук, с уважением автор.

Эта статья доступна на английском языке – Chemosynthesis.

Источник

Процесс реакции

Организмы, способные проводить такие реакции, — хемоавтотрофы. Это эволюционно более первичный тип, что уступил место фотосинтезу из-за его меньшей производительности и ограниченного доступа к энергетическим ресурсам. Он имеет значение в биогеохимических циклах биологически важных элементов, а его участие в производстве первичной биомассы незначительно.

Явление хемосинтеза было открыто в Париже в 1887 году, когда Сергей Виноградский наблюдал бактерии Beggiatoa, растущие в условиях отсутствия органического вещества. Хемосинтез можно разделить на 2 этапа:

Хемосинтезирующие бактерии

Хемолитотрофы используют в качестве источника энергии неорганические субстраты: соединения серы, азота, железа и водорода. Серные бактерии присутствуют в солёных и морских водах, богатых серными соединениями, в источниках или донных осадках и водах канализации. Субстратами для них являются сероводород, тиосульфат и в зависимости от этого возникает различное количество энергии:

Бактерии, которые используют сероводород, например, Thiothrix или Beggiatoa окисляются сначала до молекул серы в соответствии с реакцией: H2S + ½O2 → S0 + H2O + 210 кдж∙моль-1.

Водородные бактерии встречаются в почве и могут использовать экологический воздух для получения энергии, необходимой жизненным процессам. Сюда относятся 2 группы организмов:

Ион Fe2+ проявляет стойкость в присутствии воздуха только в кислой среде. В pH проходит до Fe3+, который истребляет из раствора в виде Fe (OH)3. По этой причине ферритовые бактерии встречаются в подкисленных средах, где ионы железа демонстрируют большую стабильность.

Бактерии нитрифицирующие встречаются в почве и водоёмах, а энергию для жизненных процессов получают из окисления азота в форме NO3 — или NO2-.

Другие виды

Бактерии этих видов окисляют аммиак до нитрита уравнением: NH3 + 11/2O2 → NO2- + H+ + H2O + 271 кдж∙моль-1. Аммиак превращается в промежуточный продукт — гидроксиламин (NH2OH) с участием фермента монооксигеназы аммиака, а этот окисляется в нитрит оксидоредуктазой гидроксиламина.

На следующем этапе бактерии из рода Nitobacter окисляют нитрит до нитрата: NO2- + ½O2 → + NO3- + 77 кдж∙моль-1. Бактерии нитрифицирующие играют особенно большую роль в круговороте азота в природе и являются важным фактором в экономике сельского хозяйства. Преобразуют характерный основной аммиак, что появляется при разложении органических веществ в нелетучие нитраты, и обогащают почву дефицитными соединениями азота.

Метилтрофы в качестве источника углерода могут использовать метанол или формальдегид, в которых углерод находится на низкой степени окисления, чем в CO2 (в связи с этим не могут ассимилировать). Это не относится к отличию классических автотрофов. Исключением является Pseudomonas oxalaticus, что окисляет формиат с CO2, который используется затем в качестве источника углерода для синтеза собственных органических соединений.

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.

Особенности превращения

Рассмотрение функции процесса хемосинтеза через составление окислительных реакций помогает определить, как организмы могут жить без использования энергии солнечного света и других способов питания. А также это позволяет понять, как происходит превращение неорганических молекул в органику, неживой материи в живую. Хемотрофы — организмы, получающие энергию в результате хемосинтеза.

Сегодня реакция может заключаться в активности и используется микробами, живущими в глубоких океанах, куда не проникает солнечный свет, но также и некими организмами, живущими в солнечной среде, такими как почвенные бактерии. Некоторые учёные считают, что хемосинтез может быть использован жизненными формами в бессолнечной внеземной среде, такой как океаны Европы или подземные почвы на Марсе.

Значение хемосинтеза трудно переоценить — возможно, он был первичной частью метаболизма на Земле, с фотосинтезом и клеточным дыханием, эволюционирующими позже, когда формы жизни стали более сложными. Нельзя узнать наверняка так ли это, но некоторые учёные считают интересным открыть и рассмотреть, был ли солнечный свет или химическая энергия первым запуском жизни на Земле.

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. Вторым типом по важности характеристики являются серные бактерии окисляющие соединения в сульфаты, доступные для питания растений.

Значение в молекулярной нанотехнологии

Хотя термин «хемосинтез» в биологии чаще всего применяется к биологическим системам, его можно использовать более широко для описания любой формы химического синтеза, вызванного случайным тепловым движением реагентов. Напротив, механическое манипулирование молекулами для управления их реакцией называется «механосинтезом».

Источник