§11. Хемосинтез

Цель изучения этой темы: объяснить процесс хемосинтеза.

Каковы конечные продукты – итоги фотосинтеза?

Что нужно повторить для успешного изучения темы? § 23 – учебник для 7 класса; § 4, 5 – учебник для 8 класса.

  Как вы помните, автотрофы – организмы, способные самостоятельно синтезировать белки, жиры и углеводы из простых неорганических веществ (СО2, Н2О и др.). Кроме фототрофов, к автотрофам относятся и хемосинтезирующие бактерии, или хемотрофы. Хемосинтез – это процесс получения энергии из неорганических веществ в ходе химических реакций. Организмами, способными к хемосинтезу, являются только (!) хемотрофные бактерии.
  Чаще всего под хемосинтезом понимают процесс окисления неорганических веществ с помощью ферментов, образованных в клетках бактерий-хемосинтетиков, которые при этом извлекают энергию (рис. 10). За счет полученной энергии они синтезируют собственную органику, используя в качестве источника углерода углекислый газ атмосферы. Иными словами, «пищей» для хемотрофных бактерий служат неорганические вещества, извлекаемые из земной коры. За это некоторые ученые называют хемотрофов литотрофами.
  Процесс хемосинтеза был открыт в 1887 г. микробиологом Сергеем Николаевичем Виноградским (1856–1953). Позднее им была открыта азотфиксация у бактерий – способность усваивать азот воздуха и переводить его в химически доступную для растений форму. Это очень важно, так как без азота невозможно строительство белков и нуклеиновых кислот, являющихся обязательными компонентами живого. Организм человека, как и всех гетеротрофов, синтезирует свои белки из компонентов белков пищи. Поэтому одним из важнейших показателей питательной ценности служит обилие в ней незаменимых аминокислот. Растения получают азот из азотсодержащих веществ почвы. Стремясь повысить урожайность, люди стали обогащать почву азотными удобрениями. Но без азотфиксирующих бактерий эукариотам пришлось бы искать другие источники азота. Сегодня не известна ни одна группа эукариот, способная усваивать азот из воздуха.

Рис. 10. Схема процесса хемосинтеза в бактериальной клетке

  Бактерий, способных к азотфиксации, С. Н. Виноградский назвал азотобактериями (азотобактер). С тех пор в названиях хемобактерий часто используют название их пищевых субстратов: серобактерии, железобактерии, нитрифицирующие бактерии и др.
  В одну такую группу могут входить совершенно не похожие штаммы бактерий. Так, к железобактериям относятся и вредные, и полезные виды с разной биохимией и разным систематическим положением. Есть нитчатые железобактерии, которые в качестве побочного продукта разложения перекиси водорода образуют болотные руды. Они засоряют водоемы, промышленные и природные водотоки. К железобактериям, кроме того, относятся бактерии, способные разлагать сульфидные минералы. Их штаммы специально выращивают, чтобы они участвовали в процессе выщелачивания руды в ходе ее обогащения.
  В Казахстане, как и в Германии, Франции и других странах, ведется селекция подобных микроорганизмов. С их помощью обогащают не только руды железа, но и марганца. Результаты исследований – новые высокопродуктивные штаммы – применяются на металлургических предприятиях Костанайской области.
  Хемотрофные организмы очень важны в круговороте веществ. Многие из них делают возможным усвоение ряда элементов, особенно азота, другими живыми организмами. К тому же хемотрофы вместе с сапрофитами участвуют в сложной процедуре возврата элементов в неживую природу.
  Эволюционно хемотрофы сформировались в глубокой древности. Для многих из них нужен кислород, поэтому логично предположить, что они возникли позже фотосинтетиков. Однако есть особая группа метанообразующих бактерий, которая из СО2 атмосферы образует метан (СН4). Они никогда не встречаются в кислородной среде. Их местообитание – дно водоемов (болот), очистных сооружений, затопляемые почвы и желудки жвачных животных. Метанобактерии используются как эффективные производители при получении биогаза из отходов сельскохозяйственного производства (навоз и другая гниющая органика). Вероятно, хемосинтетики – одна из древнейших групп организмов, хорошо адаптировавшаяся к современным условиям.
  Большинство экосистем нашей планеты получает энергию за счет фотосинтеза. Хемосинтез не самый эффективный способ ее получения, зато довольно надежный и независимый. Хемосинтетикам не нужно ничего, кроме неорганических веществ. Совершенно особыми природными сообществами, основанными только на потреблении энергии с помощью хемосинтеза, являются недавно открытые рифтовые системы. Они изолированы от всей остальной биосферы и находятся на дне океанов, в районах срединно-океанических хребтов. На этой глубине света уже нет, да и разлагающихся остатков, опускающихся из верхних слоев, недостаточно. В процессе излияния лавы там формируются высокие концентрации химических веществ, пригодных для питания нескольких классов хемотрофных бактерий.
  Именно эти бактерии и служат источниками пищи для других организмов, живущих в этих сообществах, так же как фотосинтетики (растения и цианобактерии) – для всех остальных природных сообществ суши и океанов. Эволюция организмов рифтовых сообществ шла достаточно обособленно от эволюции организмов, обитавших в верхних слоях океана, а тем более – на суше. Жизнь в этих экосистемах достигла уровня членистоногих (ракообразных), но до позвоночных не развилась. Всетаки хемосинтез не дает такого количества энергии, как фотосинтез.

  Хемотрофы, рифтовые системы, азотфиксация, азотобактерии, серобактерии, железобактерии, нитрифицирующие бактерии.

Знание и понимание
1. Что такое хемосинтез?
2. Перечислите организмы-хемосинтетики.

Применение
1. Изобразите в виде схемы положительное и отрицательное значение организмов-хемосинтетиков.
2. Для чего применяют и секционируют хемосинтетики?

Анализ
1. Заполните таблицу. Проанализируйте связь между хемосинтезом и фотосинтезом.

2. Докажите на примерах (мира или Казахстана), что для жизни на планете Земля необходимы хемосинтезирующие бактерии.
Синтез

1. Порассуждайте, почему при хемосинтезе энергетическая эффективность ниже, чем при других биологических способах получения энергии.
2. Порассуждайте, как, когда и при каких эволюционных условиях на нашей планете могли возникнуть различные хемосинтезирующие организмы.

Оценка
Обсудите следующие высказывания:
1) Если бы хемосинтезирующих организмов не существовало, биосфера развилась бы примерно до 1–10% от нынешней биомассы, так как постоянно испытывала бы недостаток азота, используя только ту его часть, которая извлекалась из отмерших тел первых живых организмов.
2) Есть ли шансы уцелеть у хемотрофов, если из биосферы исчезнут и фототрофы, и гетеротрофы?

×
×

Корзина