§12. Сравнение процессов фотосинтеза и хемосинтеза

Цель изучения этой темы: сравнить особенности процессов фотосинтеза и хемосинтеза.

Какие способы получения энергии существуют в нашей биосфере? Какие условия для них необходимы? Для каких организмов они характерны? Какие продукты выделяются и поглощаются организмами в ходе этих процессов? Как взаимосвязаны в биосфере процессы дыхания и фотосинтеза?

Что нужно повторить для успешного изучения темы? § 23 – учебник для 7 класса; § 54 – учебник для 8 класса.

  Энергетические процессы в биосфере и круговорот элементов. Как вы помните, в биосфере нашей планеты сосуществуют разные группы живых организмов. Они отличаются друг от друга строением, происхождением, условиями обитания и, как следствие, разными способами получения энергии. Выделяют всего три способа извлечения энергии: 1) извлечение энергии из света – фотосинтез; 2) извлечение энергии в ходе химических реакций неорганических веществ – хемосинтез; 3) извлечение энергии при разложении (окислении) органики – гетеротрофность (дыхание, как кислородное, так и бескислородное).
  Все эти процессы, присущие для различных организмов, взаимосвязаны. Если вы вспомните уравнения дыхания и фотосинтеза, то поймете, что эти процессы дополняют друг друга. При фотосинтезе выделяется кислород и образуется глюкоза, при дыхании они поглощаются. При фотосинтезе поглощаются углекислый газ и вода, а при дыхании они выделяются. В целом в биосфере эти процессы уравновешивают друг друга. Это дает возможность сосуществовать фотосинтетикам (растениям и цианобактериям) и гетеротрофам (животным, грибам, паразитическим и сапрофитным бактериям). Если на планете исчезнут либо животные, либо растения, другая группа организмов непременно погибнет с той лишь разницей, что без кислорода гибель животных и других аэробов наступит гораздо быстрее. Вместе с тем неизбежность гибели не вызывает сомнений.
  Главным поставщиком энергии в биосферу являются фотосинтетики. При этом хемосинтетики играют главную роль в процессе круговорота некоторых важнейших химических элементов между живой и неживой природой. Как вы помните, белки и нуклеиновые кислоты не могут синтезироваться без азота. Животные получают азот из растительной пищи или травоядных животных. Однако если бы не существовало различных видов бактерий, азот был бы недоступен и для организмов растений. Вначале в процессе разложения белков, жиров и углеводов отмерших организмов с помощью сапрофитов (как бактерий, так и грибов и животных) азот становится частью неорганических соединений. Затем он поступает в атмосферу и благодаря различным группам хемосинтетиков становится доступным для растений.
  Очевидно, что без фотосинтетиков биосфера не развивалась бы из-за постоянного недостатка энергии, а без хемосинтетиков – из-за постоянного недостатка доступных химических элементов.
  Сходство хемосинтеза и фотосинтеза заключается в первую очередь в автотрофности. И хемотрофы, и фототрофы способны самостоятельно создавать органические вещества из неорганики. Именно поэтому они являются продуцентами. Все фотосинтезирующие организмы будут продуцентами, поскольку процесс фотосинтеза более однообразен, чем хемосинтез. Какие бы различия ни существовали между фотосинтетиками (прокариоты и эукариоты; растения тайги и пустыни; С3 и С4-фотосинтетики), химические результаты фотосинтеза практически не отличаются. Все фотосинтетики поглощают световую энергию, воду и углерод в виде углекислого газа, а синтезируют органику – глюкозу.
  Различия между хемосинтезом и фотосинтезом. Хемосинтез включает в себя очень разные группы бактерий, химические процессы в которых будут иметь значительные различия. Потребляемые и выделяемые всевозможными видами хемосинтетиков вещества будут совершенно разными. Именно поэтому многие хемосинтетики не столь «популярны» в качестве продуцентов. Ведь есть хемобактерии, обитающие на дне водоемов (болот) в бескислородной среде, а есть обитатели горячих источников. Там просто не живут консументы, готовые питаться такими продуцентами.
  Еще одно отличие состоит в том, что хемосинтетики не бывают эукариотами, все они 100% прокариоты. А основная масса фотосинтетиков это именно растения – эукариотические организмы. Хотя первыми фотосинтетиками все же были цианобактерии, существующие в биосфере и сейчас, они не играют столь существенной роли, как растения.
  Третье важнейшее отличие очевидно из названия процессов. Фотосинтетики используют в качестве источника энергии свет, а хемосинтетики – химические реакции. С этих позиций они ближе к гетеротрофам, которые получают энергию при окислении органики, а хемотрофы – неорганики. Поэтому некоторые ученые вводят термин хемогетеротрофы, называя так всех животных, грибы и неавтотрофные бактерии. Противоположный термин хемоавтотрофы обозначает именно хемотрофные бактерии.

  Биосфера, саморегуляция, хемогетеротрофы, хемоавтотрофы.

Знание и понимание
1. Как вы понимаете, в чем сходство получения энергии фототрофами и хемотрофами?
2. Перечислите сходные черты получения пластического материала у фототрофов и хемотрофов.

Применение
Заполните таблицу. Сравните хемосинтез, фотосинтез и дыхание как основной способ получения энергии гетеротрофами. Поставьте в соответствующих графах таблицы знаки «+» или «–», пренебрегая, если небольшая часть организмов заявленной группы не отвечает пунктам 1–16 (укажите, какая часть).

Анализ
1. Изобразите в виде схемы биосферную взаимосвязь хемосинтеза и фотосинтеза.
2. Выскажите ваше мнение о причинах формирования сходства и различий хемосинтеза и фотосинтеза в ходе эволюции.

Синтез

1. Порассуждайте, почему в результате гибели всех фототрофов на нашей планете погибнут все гетеротрофы (что произошло бы с хемотрофами).
2. Порассуждайте, как могли бы развиваться эволюционные события, если бы: 1) хемосинтез не возник в эволюции; 2) фотосинтез не возник в эволюции.

Оценка
1. Напишите реферат о практическом применении хемосинтетиков.
2. Оцените экологические последствия появления новых гипотетических путей извлечения энергии для биосферы. Можно ли предположить иные реальные пути получения элементов и энергии, необходимые для белковой жизни?

Заключение по разделу «Питание»

  Для обеспечения своей жизнедеятельности все живые организмы извлекают из окружающей среды необходимые химические вещества и энергию.
  Все организмы, нуждающиеся в готовых органических веществах, не способные самостоятельно синтезировать их из неорганических веществ, называются гетеротрофами. Они питаются автотрофами (растениями) или другими гетеротрофами (хищники, паразиты).
  Автотрофы – организмы, способные самостоятельно синтезировать белки, жиры и углеводы из простых неорганических веществ.
  Все автотрофы получают энергию из солнечного света за счет фотосинтеза либо из неорганических веществ за счет хемосинтеза. К фототрофам, или фотосинтетикам, относятся все зеленые растения и цианобактерии. Органоидами фотосинтеза является один из видов пластид – хлоропласты. Пластиды клеток растений бывают трех типов: зеленые хлоропласты осуществляют фотосинтез; белые лейкопласты запасают крахмал; красные (желтые) хромопласты накапливают пигменты не зеленого цвета (красные, желтые и оранжевые каротиноиды). У покрытосеменных растений именно они окрашивают плоды и цветки, а также осенние листья. Для низших – водорослей – характерен и ряд других пигментов.
  Пластиды (как и митохондрии) являются полуавтономными органоидами. Они содержат собственную ДНК, РНК, рибосомы; способны синтезировать белки внутри органоида. Пластиды и митохондрии самоудваиваются после размножения клеток. Вероятно, когда-то на заре эволюции они были самостоятельными прокариотическими клетками и сохранили с ними много общих черт.
  Функционально важными являются стопочки или складки внутренней мембраны хлоропластов – граны (тилакоиды гран). Именно на гранах солнечная энергия преобразуется в энергию химических связей АТФ, благодаря хлорофиллу. Фотосинтез идет в две фазы: световую и темновую. В световой фазе к АДФ присоединяется фосфат и синтезируется АТФ. Этот процесс называется фотофосфорилированием. За счет энергии, которую получает электрон хлорофилла, взаимодействуя со светом, он покидает пигмент и попадает на цепь молекул-переносчиков, которые, забрав у электрона энергию, используют ее на синтез АТФ. Кроме того, в световой фазе происходит фотолиз – разложение воды под действием света:

  В результате молекула воды распадается на три компонента: 1) протон водорода – Н+, 2) свободный электрон – восстанавливающий хлорофилл и 3) кислород, который выделяется в атмосферу как побочный продукт. После соединения Н+ с молекулой НАДФ и уже отдавшим энергию электроном образуется НАДФ·Н. Световая фаза возможна только на свету.
  В темновой фазе происходят реакции присоединения (фиксации) углерода из СО2 атмосферы к водороду из НАДФ·Н до образования глюкозы. Для этого используются АТФ и НАДФ·Н, поступившие из световой фазы. Соединение СО2 с водородом из НАДФ·Н до С6Н12О6 не может проходить в одну химическую реакцию. Поэтому процесс протекает циклически через присоединение СО2 к фосфорилированным С5-веществам. Первым продуктом реакции является С3-соединение. В результате фиксации 6 молекул углерода из цикла «выходит» 1 молекула глюкозы. Темновые реакции фотосинтеза иначе называются фотокарбоксилирование, цикл Кальвина (по фамилии открывшего его ученого), или С3-фотосинтезом (по продукту первой реакции¹). При наличии всех необходимых условий темновая фаза идет постоянно и днем и ночью. Глюкоза, образовавшаяся в ходе темновых реакций, используется клетками растений для синтеза других органических веществ – углеводов (крахмал, целлюлоза, сахароза и т. д.), жиров и белков.
  На скорость и эффективность процесса фотосинтеза влияют различные факторы. Внешними факторами являются свет, количество углекислого газа, температура окружающей среды, наличие доступной для растения воды. Фактор, изменив количество которого удается увеличить интенсивность фотосинтеза в данный момент, называется лимитирующим. Другими словами, именно этот фактор является ограничивающим.
  К хемотрофам, или хемосинтетикам, относятся только хемотрофные бактерии. Хемосинтетики извлекают энергию из реакций преобразования,чаще всего окисления неорганических веществ. В их названии часто упоминается неорганический субстрат. Так, азотобактерии используют атмосферный азот. Без хемосинтетиков существование биосферы было бы затруднено. Именно хемосинтетики обеспечивают круговорот химических элементов между живой и неживой природой. Напомним, что для синтеза белков и нуклеиновых кислот необходим азот. Ни грибы, ни растения, ни животные не способны усваивать азот из воздуха. Только благодаря различным группам хемобактерий растения получают азот в доступной форме – в виде минеральных веществ почвы. Хемосинтез как процесс открыл С. Н. Виноградский.

¹ С3 не единственный биохимический путь фиксации углерода. Некоторые растения приспособились запасать углерод по иным «обходным» путям – это так называемые С4-фотосинтетики и САМ-метаболиты. Так растения уменьшают потери от фотодыхания и экономят влагу в условиях жаркого климата.

×
×

Cart