§12. Фотосинтез және хемосинтез үдерістерін салыстыру
Бұл тақырыптың оқу мақсаты: фотосинтез және хемосинтез үдерістерінің ерекшеліктерін салыстыру.
Биосферамызда энергия алудың қандай әдістері бар? Ол үшін қандай жағдайлар қажет және қандай ағзаларға тән? Осы үдерістер барысында ағзалар қандай өнімдер бөліп шығарады және сіңіреді? Биосферада тыныс алу және фотосинтез үдерістері қалай өзара байланысты?
Тақырыпты табысты меңгеру үшін 7-сыныпқа арналған оқулықтың 23-параграфын, 8-сыныпқа арналған оқулықтың 54-параграфын қайталау керек.
Биосферадағы энергетикалық үдерістер және элементтер айналымы. Биосферамызда ағзалардың әртүрлі топтары бірге тіршілік етеді. Олар бір-бірінен құрылысы, шығу тегі, тіршілік жағдайы әртүрлі болуына байланысты энергия алуында айырмашылық жасайды. Ғылым энергия алудың бар-жоғы үш әдісін бөліп көрсетеді: 1) жарықтан энергия алу – фотосинтез; 2) бейорганикалық заттардың химиялық реакциялары барысында энергия алу – хемосинтез; 3) органикалық заттар ыдыраған кезде (тотығуы) гетеротрофтылық (бейорганикалық қосылыстардың бір бөлігін айналады. Кейін энергия алу – оттекті және оттексіз тыныс алу).
Әртүрлі ағзаларға тән осы үдерістердің барлығы өзара байланысты. Егер тыныс алу және фотосинтез формулаларына мұқият қарасаңдар, бұл үдерістердің бір-бірін толықтыратынын көресіңдер. Фотосинтез кезінде оттек бөлінеді де глюкоза түзіледі. Ал тыныс алу кезінде олар сіңіріледі.
Жалпы биосферада бұл үдерістер бір-бірін теңестіреді. Бұл фотосинтетиктерге – өсімдіктер мен цианобактерияларға және гетеротрофтарға – жануарлар, саңырауқұлақтар, паразитті және сапрофитті бактерияларға бірге тіршілік етуге мүмкіндік береді. Егер ғаламшарымызда жануарлар немесе өсімдіктер жойылып кететін болса, онда ағзалардың басқа топтары өз тіршілігін тоқтатады. Оттексіз жануарлар мен басқа аэробтар өз тіршілігін тез жояды.
Фотосинтетиктер биосфераға басты энергия тасымалдаушылар болып табылады. Бірақ хемосинтетиктер де жанды және жансыз табиғат арасындағы кейбір маңызды химиялық элементтердің айналымы үдерісінде басты рөл атқарады. Нәруыздар мен нуклеин қышқылдары азотсыз синтезделмейтіні естеріңде болар. Жануарлар азотты қоректен – шөпқоректі немесе өсімдікқоректі жануарлардан алады. Бірақ бактериялар сияқты алуан түрлер болмаса, азот өсімдік ағзасы үшін де қолжетімсіз болар еді. Тіршілігін жойған ағзалардың заттарының түрленуі барысында алдымен сапрофиттер (бактериялар, саңырауқұлақтар, жануарлар) көмегімен азот атмосфераға түседі. Азот хемосинтетиктердің әртүрлі топтарына байланысты өсімдіктер үшін де қолжетімді болады.
Демек, биосфера фотосинтетиктер болмаса, үнемі энергия жетіспеушілігінен, ал хемосинтетиктерсіз қолжетімді химиялық элементтерсіз дамымайтын еді.
Хемосинтез бен фотосинтездің ұқсастығы бірінші кезекте – автотрофтылығы. Хемотрофтар да, фототрофтар да бейорганикалық заттардан өздігінен органикалық заттарды түзуге қабілетті. Осыған байланысты олар продуценттер болып табылады. Бірақ фотосинтез үдерісі едәуір тиімді және бірқалыпты, барлық фотосинтездеуші ағзалар продуценттер болады. Фотосинтетиктер арасында қандай айырмашылықтар болса да, фотосинтездің химиялық нәтижелері іс жүзінде айырмашылық жасамайды. Барлық фотосинтетиктер жарық энергиясы, су мен көмірсуды көмірқышқыл газы түрінде сіңіреді, ал органикалық зат – глюкозаны синтездейді.
Хемосинтез бен фотосинтездің айырмашылығы. Хемосинтезге бактериялардың өте алуан түрлі топтары кіреді. Олардың химиялық үдерістерінде едәуір айырмашылықтар болады. Хемосинтетиктердің әртүрлі топтары пайдаланатын және бөлінетін заттар мүлде алуан түрлі. Міне, сондықтан көптеген хемосинтетиктер продуценттер ретінде айтарлықтай «танымал» емес. Себебі суқойма түбінде және оттексіз ортада, тіпті ыстық су көздерінде де тіршілік ететін хемобактериялар бар. Ол жерде осындай продуценттермен қоректенетін консументтер тіршілік етпейді.
Екінші бір айырмашылығы – хемосинтетиктер эукариоттар емес, олардың барлығы – 100% прокариоттар. Ал фотосинтетиктердің негізгі массасы өсімдіктер – эукариоттық ағзалар. Дегенмен қазіргі кезде де биосферада тіршілік ететін алғашқы фотосинтетиктер цианобактериялар болды. Олар өсімдіктер сияқты маңызды рөл атқармайды.
Үшінші маңызды айырмашылығы – үдеріс атауынан көрініп тұр. Фотосинтетиктер энергия көзі ретінде жарықты, ал хемосинтетиктер химиялық реакцияларды пайдаланады. Осы тұрғыдан олар энергияны органикалық заттар, ал хемотрофтар – бейорганикалық заттар тотыққан кезде алатын гетеротрофтарға жақын. Сондықтан кейбір ғалымдар хемогетеротрофтар деген термин енгізіп, барлық жануарлар мен саңырауқұлақтарды автотрофты емес бактериялар деп атады. Оған қарама-қарсы термин – хемоавтотрофтар хемотрофты бактерияларды білдіреді.
Биосфера, өзін-өзі реттеу, хемогетеротрофтар, хемоавтотрофтар.
Білу және түсіну:
1. Фототрофтар мен хемотрофтардың энергия алу ұқсастықтарын қалай түсінесіңдер?
2. Фототрофтар мен хемотрофтардағы пластикалық материалды алу ұқсастығын атаңдар.
Қолдану:
1. Кестені толтырыңдар. Хемосинтез, фотосинтез бен тыныс алуды гетеротрофтардың энергия алуының негізгі әдісі ретінде салыстырыңдар. Егер аталған ағзалар тобының тек бір бөлігі 1–8 пунктіне (қандай бөлігі екенін көрсетіңдер) жауап бермейтін болса, сәйкес бағандарға «+», «–» белгілерін қойыңдар.
Талдау:
1. Хемосинтез бен фотосинтездің биосфералық өзара байланысын сызба түрінде бейнелеңдер.
2. Эволюция барысында хемосинтез бен фотосинтездің ұқсастықтары мен айырмашылықтарының қалыптасу себептері туралы пікірлеріңді айтыңдар.
Синтез:
1. Неліктен ғаламшарымызда барлық фототрофтар жойылған жағдайда барлық гетеротрофтар (хемотрофтар неге ұшырайтын еді) жойылуы мүмкін екені туралы талқылаңдар.
2. Егер: 1) хемосинтез эволюцияда пайда болмаса; 2) фотосинтез эволюцияда пайда болмаса эволюциялық жағдай қалай дамитын еді? Талқылаңдар.
Бағалау:
1. Хемосинтетиктердің практикада пайдаланылуы туралы реферат жазыңдар.
2. Биосфера үшін энергия алудың жаңа жолдарының пайда болуының салдарын бағалаңдар. Нәруызды тіршілік үшін мүмкін элементтер мен энергия алудың басқа шынайы жолдарын болжауға бола ма?
«Қоректену» бөлімі бойынша қорытынды
Өз тіршілігін қамтамасыз ету үшін барлық тірі ағзалар қажетті химиялық заттар мен энергияны қоршаған ортадан алады.
Дайын органикалық заттармен қоректенетін (бейорганикалық заттардан өздігінен синтездей алмайтын) барлық ағзалар гетеротрофтар деп аталады. Олар автотрофтар (өсімдіктер) немесе басқа гетеротрофтармен (жыртқыштар, паразиттер) қоректенеді.
Автотрофтар – нәруыздар, майлар мен көмірсуларды қарапайым бейорганикалық заттардан өздігінен синтездей алатын ағзалар.
Барлық автотрофтар энергияны күн жарығынан фотосинтез есебінен немесе хемосинтез арқылы бейорганикалық заттардан алады.
Фототрофтарға немесе фотосинтетиктерге барлық жасыл өсімдіктер мен цианобактериялар жатады. Пластидтердің бір түрі – хлоропластар фотосинтез органоидтері болып табылады. Өсімдік жасушалары пластидтерінің үш типі болады: жасыл хлоропластар фотосинтезді жүзеге асырады; түссіз лейкопластар крахмалды қорға жинайды; қызыл (сары) хромопластар жасыл түстен басқа пигменттерді (қызыл, сары және қызғылт сары каротиноидтер) жинақтайды. Жабықтұқымды өсімдіктерде олар жемістері мен гүлдерін, сондай-ақ күзгі жапырақтарын бояйды. Төменгі сатыдағыларда – балдырларға басқа да пигменттер тән.
Пластидтер (митохондриялар сияқты) жартылай автономды органоидтер болып табылады. Олардың құрамында өздерінің ДНҚ-сы, РНҚ-сы, рибосомалары болады; органоид ішінде нәруыздарды синтездейді. Пластидтер мен митохондриялар жасушалар көбейген соң өздігінен екі еселенуге қабілетті. Ықтимал дербес прокариотты жасушалар болған болуы мүмкін, өйткені көптеген ұқсас белгілері сақталған.
Хлоропластардың ішкі мембраналарының қатпарлары немесе қабаттары – граналар (гран тилакоидтары) функционалды маңызды болып табылады. Граналарда Күн энергиясы хлорофилге байланысты АТФ химиялық байланыс энергиясына түрленеді. Фотосинтез жарық және қараңғы фазада жүреді. Жарық фазасында АДФ-ке фосфат қосылады да, АТФ синтезделеді. Бұл үдеріс фотофосфорилдеу деп аталады. Жарықпен әрекеттесіп хлорофилл электроны алатын энергия есебінен ол пигменттен шығып, электроннан энергияны алып, оны АТФ синтезіне пайдаланатын тасымалдаушы-молекулалар тізбегіне түседі. Сонымен қатар жарық фазасында фотолиз – судың жарық әсерінен ыдырауы жүреді. Нәтижесінде су молекуласы 3 құрамбөлікке ыдырайды: 1) сутек протоны – Н+; 2) бос электрон – қалпына келтіретін хлорофилл және 3) атмосфераға жанама өнім ретінде бөлінетін оттек. Н+ НАДФ молекуласымен қосылғаннан кейін, электронға энергия берген соң НАДФ · Н түзіледі. Жарық фазасы тек жарықта жүруі мүмкін.
Қараңғы фазасында атмосферадағы СО2-ден көміртекті глюкоза түзілгенше қосу (фиксация) реакциясы жүреді. Ол үшін жарық фазасынан түскен АТФ және НАДФ·Н қолданылады. НАДФ·Н-тегі сутекпен СО2-нің С6Н12О6-ге дейін қосылуы бір химиялық реакциямен жүрмейді. Сондықтан үдеріс циклді, СО2-нің фосфорилденген С5 заттарға қосылуы арқылы жүреді және реакцияның бірінші өнімі С3 қосылысы болып табылады. Көміртектің 6 молекуласының қосылуы нәтижесінде циклден 1 глюкоза молекуласы «шығады». Фотосинтездің қараңғы фазасында жүретін реакциялары басқаша фотокарбоксилдеу, Кальвин циклі (оны ашқан ғалымның фамилиясы бойынша) немесе С3-фотосинтез (бірінші реакция өнімі бойынша¹) деп аталады. Барлық қажетті жағдай болғанда қараңғы фаза үнемі, күндіз де, түнде де жүреді. Қараңғы фазасында жүретін реакциялар барысында түзілген глюкозаны өсімдік жасушалары басқа органикалық заттар – көмірсулар (крахмал, целлюлоза, сахароза және т.б.), майлар мен нәруыздар синтезі үшін пайдаланады.
Фотосинтез үдерісінің жылдамдығы мен тиімділігіне әртүрлі факторлар әсер етеді. Сыртқы факторларға жарық, көмірқышқыл газының мөлшері, қоршаған орта температурасы, өсімдікке жеткілікті су жатады. Мөлшерін өзгертіп, сол сәтте фотосинтез қарқындылығын арттыра алатын фактор шектеуші фактор деп аталады. Яғни сол фактор шектеуші болып табылады.
Хемотрофтарға немесе хемосинтетиктерге тек хемотрофты бактериялар жатады. Хемосинтетиктер энергияны көбінесе бейорганикалық заттар тотыққан кезде түрлену реакцияларынан алады. Олардың атаулары бейорганикалық субстрат деп аталады. Мысалы, азотобактериялар атмосфералық азотты пайдаланады. Хемосинтетиктерсіз биосфераның тіршілігі қиынға соғар еді. Олар жанды және жансыз табиғат арасындағы химиялық элементтердің айналымын қамтамасыз етеді. Естеріңе сала кетейік, нәруыздар мен нуклеин қышқылдарының синтезі үшін азот керек. Саңырауқұлақтар да, өсімдіктер де, жануарлар да ауадағы азотты сіңіруге қабілетті емес. Әртүрлі хемобактериялар тобына байланысты өсімдіктер азотты қолжетімді формада, топырақтың минералды заттары түрінде алады. Хемосинтез үдерісін С.Н. Виноградский ашты.
¹ С3 көміртек фиксациясының бірден-бір биохимиялық жолы емес. Кейбір өсімдіктер көміртекті басқа – бұл С4-фотосинтетиктер және САМ-метаболиттер деп аталатын «айналма» жол арқылы қорға жинауға бейімделді. Осылай өсімдіктер фототыныс алудан шығынды азайтады және ыстық климат жағдайында ылғалды үнемдейді.