В какой части клетки происходит хемосинтез. Хемосинтез – уникальный процесс питания бактерий

Раздел ЕГЭ: 2.5. Обмен веществ и превращения энергии - свойства живых организмов. Энергетический обмен и пластический обмен, их взаимосвязь. Стадии энергетического обмена. Брожение и дыхание. Фотосинтез, его значение, космическая роль. Фазы фотосинтеза. Световые и темновые реакции фотосинтеза, их взаимосвязь. Хемосинтез. Роль хемосинтезирующих бактерий на Земле.

Фотосинтез

Фотосинтез - это процесс преобразования энергии света в энергию химических связей органических соединений с участием хлорофилла. В фотосинтезе различают световые и темновые реакции.

Световая фаза фотосинтеза протекает на мембранах тилакоидов, несущих несколько типов белковых комплексов, основными из которых являются фотосистемы I и II, а также АТФ-синтаза. В состав фотосистем входят пигментные комплексы, в которых, кроме хлорофилла, присутствуют и каротиноиды.

Кроме пигментных комплексов, фотосистемы включают и ряд белков-акцепторов электронов, которые последовательно передают друг другу электроны от молекул хлорифилла. Последовательность этих белков называется электронтранспортной цепью хлоропластов. С фотосистемой II также ассоциирован кислородвыделяющий белковый комплекс.

В световой фазе кванты света, или фотоны, попадающие на молекулы хлорофилла, расположенные на мембранах тилакоидов, переводят их в возбужденное состояние, характеризующееся более высокой энергией электронов. При этом возбужденные электроны от хлорофилла фотосистемы I передаются через цепь посредников на переносчик водорода НАДФ, присоединяющий при этом протоны водорода, всегда имеющиеся в водном растворе:

Электроны от хлорофилла фотосистемы II также передаются по электронтранспортной цепи, однако они заполняют «электронные дырки» хлорофилла фотосистемы I. Недостаток электронов в хлорофилле фотосистемы II заполняется за счет отнимания у молекул воды, которое происходит с участием уже упоминавшегося выше кислород-выделяющего комплекса. В результате разложения молекул воды, которое называется фотолизом, образуются протоны водорода и выделяется молекулярный кислород, являющийся побочным продуктом фотосинтеза:

Протоны водорода, накопившиеся в полости тилакоида в результате фотолиза воды и нагнетания при переносе электронов по электронтранспортной цепи, вытекают из тилакоида через канал в мембранном белке - АТФ-синтазе, при этом из АДФ синтезируется АТФ. Данный процесс называется фотофосфорилированием. Образовавшаяся в световых реакциях АТФ впоследствии будет использована в темновых реакциях.

Суммарное уравнение реакций световой фазы фотосинтеза можно записать следующим образом:

В ходе темновых реакций фотосинтеза происходит связывание молекул СО 2 в виде углеводов, на которое расходуются молекулы АТФ и НАДФН + Н + , синтезированные в световых реакциях:

Процесс связывания углекислого газа является сложной цепью превращений, названий циклом Кальвина в честь его первооткрывателя. Темновые реакции протекают в строме хлоропластов. Для их протекания необходим постоянный приток углекислого газа извне.

Таким образом, в процессе фотосинтеза энергия солнечного света преобразуется в энергию химических связей сложных органических соединений не без участия хлорофилла. Суммарное уравнение фотосинтеза можно записать следующим образом:

Реакции световой и темновой фаз фотосинтеза взаимосвязаны, так как увеличение скорости лишь одной группы реакций влияет на интенсивность всего процесса фотосинтеза только до определенного момента, пока вторая группа реакций не выступит в роли лимитирующего фактора, и возникает потребность в ускорении реакций второй группы для того, чтобы первые происходили без ограничений.

В результате фотосинтеза образуется примерно 150 млрд тонн органического вещества и приблизительно 200 млрд тонн кислорода ежегодно. Этот процесс обеспечивает круговорот углерода в биосфере, не давая накапливаться углекислому газу и препятствуя тем самым возникновению парникового эффекта и перегреву Земли. Образующиеся в результате фотосинтеза органические вещества не расходуются другими организмами полностью, значительная их часть в течение миллионов лет образовала залежи полезных ископаемых (каменного и бурого угля, нефти). Из кислорода под действием электрических разрядов образуется озон, который формирует озоновый экран, защищающий все живое на Земле от губительного действия ультрафиолетовых лучей.

Наш соотечественник, выдающийся физиолог растений К. А. Тимирязев (1843-1920) назвал роль фотосинтеза «космической» , поскольку он связывает Землю с Солнцем (космосом), обеспечивая приток энергии на планету.

Хемосинтез

Хемосинтез - это процесс синтеза органических соединений за счет химической энергии неорганических соединений. Этот процесс был открыт выдающимся русским ученым С. Н. Виноградским в 1887 году.

К группе хемосинтетиков (хемотрофов) относятся в основном бактерии: нитрифицирующие, серобактерии, железобактерии и др. Они используют энергию окисления соединений азота, серы, ионов железа соответственно. При этом донором электронов выступает не вода, а другие неорганические вещества.

Так, нитрифицирующие бактерии окисляют образованный из атмосферного азота азотфиксирующими бактериями аммиак до нитритов и нитратов:

2NH 3 + 3O 2 → 2HNO 2 + 2H 2 O + 663 кДж,

2HNO 2 + O 2 → 2HNO 3 + 192 кДж.

Серобактерии окисляют сероводород до серы, а в некоторых случаях - и до серной кислоты:

H 2 S + O 2 → 2H 2 O + 2S + 272 кДж,

2S + 3O 2 + H 2 O → H 2 SO 4 + 483 кДж.

Железобактерии окисляют соли железа:

4FeCO 3 + O 2 + 6H 2 O → 4Fe(OH) 3 + 4CO 2 + 324 кДж.

Водородные бактерии способны окислять молекулярный водород:

2H 2 + O 2 → 2H 2 O + 235 кДж.

Источником углерода для синтеза органических соединений у всех автотрофных бактерий выступает углекислый газ.

Хемосинтезирующие бактерии наиболее значительную роль играют в биогеохимических циклах химических элементов в биосфере, так как в процессе их жизнедеятельности образовались залежи многих полезных ископаемых. Кроме того, они являются источниками органического вещества на планете, то есть продуцентами, а также делают доступным целый ряд неорганических веществ и для растений, и для других организмов.

Это конспект для 10-11 классов по теме «Фотосинтез и хемосинтез» .

В нашей статье мы рассмотрим, у каких организмов происходит хемосинтез. Это один из способов питания живых организмов, который встречается в природе у некоторых бактерий.

Способы питания организмов

Чтобы разобраться, что такое хемосинтез, необходимо сначала вспомнить, какие способы питания используют различные организмы. По данному признаку различают две группы существ: гетеро- и автотрофы. Первые способны питаться только готовыми органическими веществами. Белки, жиры и углеводы они поглощают и преобразуют с помощью специализированных вакуолей или органов пищеварительной системы. Гетеротрофами являются животные, грибы, некоторые бактерии.

Виды автотрофов

Сами синтезируют органические вещества, которые в дальнейшем используют для осуществления различных процессов жизнедеятельности. В зависимости от источника энергии, который при этом используется, различают еще две группы организмов. Это фото- и хемотрофы. Представителями первой из них являются растения. Они синтезируют углевод в глюкозу в ходе фотосинтеза. Этот процесс происходит только в зеленых пластидах хлоропластах при наличии солнечного света, воды и углекислого газа. Хемотрофами являются некоторые бактерии. Для синтеза органики им необходимы различные химические соединения, которые они окисляют. Сходства фотосинтеза и хемосинтеза заключаются в способности организмов самостоятельно образовывать необходимые им вещества, получая из окружающей среды углерод, воду и минеральные соли.

Хемосинтез: определение понятия и история открытия

Давайте разберемся подробнее. Что такое один из способов автотрофного питания, при котором происходит процесс окисления минеральных соединений для синтеза органических. Теперь выясним, у каких организмов происходит хемосинтез. Такой уникальной способностью в природе обладают только некоторые виды прокариот. Этот процесс был открыт в конце 19 века русским микробиологом Сергеем Николаевичем Виноградским. Работая в страсбургской лаборатории Антона де Бари, он осуществил опыт по получению энергии за счет окисления серы. Организмы, которые способны осуществлять этот химический процесс, он назвал аноргоксидантами. В ходе своих исследований ученому удалось открыть и До открытия процесса хемосинтеза к автотрофным организмам относили только фотосинтезирующие растения и сине-зеленые водоросли.

Отличия и сходства фотосинтеза и хемосинтеза

Оба вида автотрофного питания представляют собой пластический обмен, или ассимиляцию. Это значит, что в ходе этих процессов происходит образование органических веществ и газообмен. При этом исходными реагентами являются минеральные соединения. Фото- и хемосинтез являются путями осуществления круговорота веществ в биосфере. Все виды автотрофов обеспечивают необходимыми для жизнедеятельности условиями не только себя, но и другие организмы. К примеру, в ходе фотосинтеза выделяется кислород. Он необходим всему живому для дыхания. А хемотрофные преобразуют атмосферный азот в состояние, в котором он может усваиваться растениями.

Но между данными типами питания есть и ряд отличий. Хемосинтез происходит в которые не содержат зеленого пигмента хлорофилла. Причем для окисления они используют соединения только некоторых веществ: серы, азота, водорода или железа. Особенно важен этот способ питания в тех местах, где солнечный свет недоступен. Так, на большой глубине могут обитать только хемотрофы. Для процесса фотосинтеза обязательным условием является солнечная энергия. Причем у растений данный процесс происходит только в специализированных клетках, содержащих зеленый пигмент хлорофилл. Еще одним обязательным условием фототрофного питания является наличие углекислого газа.

Железобактерии

Что такое хемосинтез, можно рассмотреть на примере бактерий, которые преобразуют Их открытие также принадлежит С. Н. Виноградскому. В природе они широко распространены в пресных и соленых водоемах. Суть их хемосинтеза заключается в изменении валентности железа с двух до трех. При этом выделяется небольшое количество энергии. Поэтому железобактериям приходится осуществлять этот процесс очень интенсивно.

Поскольку бактерии являются одними из самых древних организмов, в результате их жизнедеятельности на планете образовались крупные залежи железных и марганцевых руд. В промышленности данные прокариоты используют для получения чистой меди.

Серобактерии

Данные прокариоты восстанавливают На исследовании именно этих организмов был открыт процесс хемосинтеза. Для окисления этот вид бактерий использует сероводород, сульфиды, сульфаты, политионаты и другие вещества. А некоторые прокариоты этой группы в ходе хемосинтеза накапливают элементарную серу. Это может происходить как в клетках, так и вне их. Эта способность используется в решении проблемы дополнительной аэрации и закисления почв.

Природной средой обитания серобактерий являются пресные и соленые водоемы. Известны случаи образования симбиозов этих организмов с трубчатыми червями и моллюсками, которые обитают в иле и придонной зоне.

Азотфиксирующие бактерии

Важное значение хемосинтеза в природе во многом определяется и деятельностью азотфиксирующих прокариот. Большинство из них обитают на корнях бобовых и злаковых растений. Их сожительство является взаимовыгодным. Растения обеспечивают прокариоты углеводами, которые были синтезированы в ходе фотосинтеза. А бактерии продуцируют азот, необходимый для полноценного развития корневой системы.

До открытия ценных свойств этого вида считалось, что уникальной способностью обладают листья бобовых. Позже выяснилось, что растения непосредственно не участвуют в процессе азотфиксации, а процесс осуществляют бактерии, обитающие в их корнях.

Этот вид прокариот осуществляет два вида химических реакций. В результате первой происходит превращение аммиака в нитраты. Растворы этих веществ поступают в растение с помощью корневой системы. Такие бактерии называются нитрифицирующими. Другая группа подобных прокариот превращает нитраты в газообразный азот. Они называются денитрификаторами. В результате их совокупной деятельности происходит непрерывный круговорот этого химического элемента в природе.

Азотфиксирующие бактерии проникают в корни растений в местах повреждения покровных тканей или через волоски зоны всасывания. Оказавшись внутри, прокариотические клетки начинают активно делиться, вследствие чего образуются многочисленные выпячивания. Они видны невооруженным глазом. Человек использует свойство азотфиксирующих бактерий для обеспечения почвы естественными нитратами, что приводит к повышению урожайности.

Природа и хемосинтез

Роль хемосинтеза в природе сложно переоценить. Процесс окисления неорганических соединений в природе является важной составляющей общего круговорота веществ в биосфере. Относительная независимость хемотрофов от энергии солнечного света делает их единственными обитателями глубоководных впадин и рифтовых зон океана.

Аммиак и сероводород, которые перерабатываются данными прокариотами, являются ядовитыми веществами. В этом случае значение хемосинтеза заключается в нейтрализации данных соединений. В науке известен такой термин, как "подземная биосфера". Ее формируют исключительно организмы, которым для жизни не нужны ни свет, ни кислород. Этим уникальным свойством обладают анаэробные бактерии.

Итак, в статье мы разобрались, что такое хемосинтез. Суть этого процесса заключается в окислении неорганических соединений. Хемосинтезирующими организмами являются некоторые виды прокариот: серо-, железобактерии и азотфиксирующие.

27-Фев-2014 | Один Комментарий | Лолита Окольнова

Фотосинтез — процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов.

Хемосинтез - способ автотрофного питания, при котором источником энергии для синтеза органических веществ из CO 2 служат реакции окисления неорганических соединений

Обычно все организмы, способные из неорганических веществ синтезировать органические, т.е. организмы, способные к фотосинтезу и хемосинтезу , относят к .

К автотрофам традиционно относят и некоторые .

Кратко мы говорили о в ходе рассматрения строения растительной клетки, давайте разберем весь процесс поподробнее.. .

Суть фотосинтеза

(суммарное уравнение)

Основное вещество, участвующее в многоступенчатом процессе фотосинтеза — хлорофилл . Именно оно трансформирует солнечную энергию в химическую.

На рисунке указано схематическое изображение молекулы хлорофилла, кстати, молекула очень похожа на молекулу гемоглобина…

Хлорофилл встроен в граны хлоропластов :

Световая фаза фотосинтеза:

(осуществляется на мембранах тилакойдов)

• Свет, попав на молекулу хлорофилла, поглощается им и приводит его в возбужденное состояние — электрон, входящий в состав молекулы, поглотив энергию света, переходит на более высокий энергетический уровень и участвует в процессах синтеза;
• Под действием света так же происходит расщепление (фотолиз) воды:

Кислород при этом удаляется во внешнюю среду, а протоны накапливаются внутри тилакоида в «протонном резервуаре»

2Н + + 2е - + НАДФ → НАДФ·Н 2

НАДФ — это специфическое вещество, кофермент, т.е. катализатор, в данном случае — переносчик водорода.

• синтезируется (энергия)

Темновая фаза фотосинтеза

(протекает в стромах хлоропластов)

собственно синтез глюкозы

происходит цикл реакций, в которых образуется С 6 H 12 O 6 . В этих реакциях используются энергии АТФ и НАДФ·Н 2 , образованных в световую фазу; rроме глюкозы, в процессе фотосинтеза образуются другие мономеры сложных органических соединений - аминокислоты, глицерин и жирные кислоты, нуклеотиды

Обратите внимание: темновой эта фаза называется не потому что идет ночью — синтез глюкозы происходит, в общем-то, круглосуточно, но для темновой фазы уже не нужна световая энергия.

“Фотосинтез — это процесс, от которого в конечной инстанции зависят все проявления жизни на нашей планете”.

К.А.Тимирязев.

В результате фотосинтеза на Земле образуется около 150 млрд т органического вещества и выделяется около 200 млрд т свободного кислорода в год. Кроме того, растения вовлекают в круговорот миллиарды тонн азота, фосфора, серы, кальция, магния, калия и других элементов. Хотя зеленый лист использует лишь 1-2% падающего на него света, создаваемые растением органические вещества и кислород в целом .

Хемосинтез

Хемосинтез осуществляется за счет энергии, выделяющейся при химических реакциях окисления различных неорганических соединений: водорода, сероводорода, аммиака, оксида железа (II) и др.

Соответственно веществам, включенным в метаболизм бактерий, существуют:

• серобактерии — микроорганизмы водоемов, содержащих H 2 S — источники с очень характерным запахом,
• железобактерии,
• нитрифицирующие бактерии — окисляют аммиак и азотистую кислоту,
• азотфиксирующие бактерии — обогащают почвы, чрезвычайно повышают урожайность,
• водородокисляющие бактерии

Но суть остается та же — это тоже

Фотосинтез и хемосинтез являются одними из самых захватывающих процессов, которые происходят в живых организмах. Знание различий между этими двумя реакциями считается необходимым минимумом для учащегося старшей школы, но именно сравнение этих архиважных процессов зачастую вгоняет в ступор самых старательных и вдумчивых учеников.

Определение

Фотосинтез – процесс синтеза органического вещества, простимулированный энергией солнечного света.

Хемосинтез – процесс образования органических соединений, который «заводится» без обязательного наличия солнечных квантов.

Сравнение

Фотосинтез является источником жизнедеятельности живых существ-автотрофов, а именно подавляющего большинства представителей царства Растений и некоторых типов Бактерий, которые в свою очередь служат основным питанием или началом пищевой пирамиды для организмов-гетеротрофов и сапротрофов. Благодаря фотосинтезу на Земле ежегодно образуется 150 миллиардов тонн органического вещества, а атмосфера пополняется 200 миллиардами тонн кислорода, пригодного для дыхания прочих организмов.

Фотосинтез происходит в пластидах – органеллах клеток растений, обладающих пигментом хлорофиллом. В процессе окислительно-восстановительной реакции, коей является фотосинтез, происходит потребление растением воды и неорганических веществ, а именно углекислого газа. Стимулируется сей процесс наличием энергии солнечных квантов. В результате реакции выделяется кислород, а также синтезируются органические вещества – в большинстве случаев глюкоза, она же гексоза или виноградный сахар.

Благодаря хемосинтезу в биосфере происходит круговорот азота, серобактерии выветривают горные породы, создавая базу для образования почв, а водородные бактерии окисляют опасные объемы водорода, которые накапливаются в процессе жизнедеятельности некоторых микроорганизмов. Кроме того, нитрифицирующие бактерии способствуют повышению плодородия грунта, а серобактерии участвуют в очищении сточных вод.

Хемосинтез дислоцируется в клетках бактерий и архей. В процессе окислительно-восстановительных реакций происходит синтез органических веществ. Только не прямо, а через образование энергии АТФ, которая позже тратится на синтез органики. Для этого живые организмы используют CO 2 , водород и кислород, образованные при окислении аммиака, оксида железа, сероводорода и водорода. Учитывая то, что хемосинтез может происходить под землей, в глубинах Мирового океана, в середине других живых организмов, к энергии света он не привязан, им не «заводится», от Солнца не зависит.

Выводы сайт

1. Фотосинтез невозможен без энергии солнечного света, хемосинтез в нем не нуждается.
2. Фотосинтезируют растения и бактерии, хемосинтезируют – бактерии и археи.
3. Оба процесса имеют разное биологическое значение.