Определение хемосинтеза
Хемосинтез – это превращение неорганических углеродсодержащих соединений в органические вещества, такие как сахара и аминокислоты, Хемосинтез использует энергию неорганических химических веществ для выполнения этой задачи.
Неорганический «источник энергии» обычно молекула у которого есть запасные электроны, такие как газообразный водород, сероводород, аммиак или двухвалентное железо. подобно фотосинтез а также клеточное дыхание Хемосинтез использует цепь переноса электронов синтезировать АТФ.
После прохождения электронов через цепь переноса электронов источник химического топлива появляется в другой форме. Газообразный сероводород, например, превращается в твердую элементарную серу плюс воду.
Термин «хемосинтез» происходит от корневых слов «химический» для «химического» и «синтез» для «сделать». Его функция аналогична функции фотосинтеза, который также превращает неорганическое вещество в органическое вещество – но использует для этого энергию солнечного света, а не химическую энергию.
Сегодня хемосинтез используется микробами, такими как бактерии и археи. Поскольку один только хемосинтез менее эффективен, чем фотосинтез или клеточное дыхание, его нельзя использовать для питания комплекса многоклеточный организмы.
Несколько многоклеточных организмов живут в симбиотических отношениях с хемосинтетическими бактериями, что делает их частичным источником энергии. Гигантские трубчатые черви, например, содержат хемосинтетические бактерии, которые снабжают их сахарами и аминокислотами.
Однако эти трубчатые черви частично зависят от фотосинтеза, потому что они используют кислород (продукт фотосинтезирующих организмов), чтобы сделать их хемосинтез более эффективным.
Уравнение хемосинтеза
Есть много разных способов достижения хемосинтеза. Уравнение для хемосинтеза будет выглядеть по-разному в зависимости от того, какой химический источник энергии используется. Однако все уравнения для хемосинтеза обычно включают в себя:
Реактивы:
- Углеродсодержащее неорганическое соединение, такое как диоксид углерода или метан. Это будет источником углерода в органической молекуле в конце процесса.
- Химический источник энергии, такой как газообразный водород, сероводород или двухвалентное железо.
Товары:
- Органическое соединение, такое как сахар или аминокислота.
- Преобразованная версия источника энергии, такая как элементарная сера или трехвалентное железо.
Обычно используемый пример уравнения для хемосинтеза показывает превращение диоксида углерода в сахар с помощью сероводорода:
12H2S + 6CO2 → C6H12O6 (молекула сахара) + 6H2O + 12S
Это уравнение иногда сводится к простейшему соотношению ингредиентов. Это показывает относительные пропорции каждого ингредиента, необходимого для реакции, хотя он не улавливает полное количество сероводорода и диоксида углерода, необходимое для создания одной молекулы сахара.
Сокращенная версия выглядит так:
2H2S + CO2 → CH2O (молекула сахара) + H2O + 2S
Функция хемосинтеза
Хемосинтез позволяет организмам жить, не используя энергию солнечного света и не полагаясь на другие организмы в пищу.
Подобно хемосинтезу, он позволяет живым существам делать больше самих себя. Превращая неорганические молекулы в органические молекулы, процессы хемосинтеза превращают неживую материю в живую материю.
Сегодня он используется микробами, живущими в глубоких океанах, где солнечный свет не проникает; но он также используется некоторыми организмами, живущими в солнечной среде, такими как железные бактерии и некоторые почвенные бактерии.
Некоторые ученые считают, что хемосинтез может использоваться жизненными формами в бесснежных внеземных средах, таких как океаны Европы или подземные среды на Марсе.
Было высказано предположение, что хемосинтез, возможно, на самом деле был первой формой метаболизма на Земле, причем фотосинтез и клеточное дыхание развивались позднее, когда формы жизни становились более сложными. Возможно, мы никогда не узнаем наверняка, так ли это, но некоторые ученые считают, что интересно рассмотреть вопрос о том, был ли солнечный свет или химическая энергия первым источником энергии для жизни на Земле.
Типы Хемосинтетических Бактерий
Серные бактерии
Приведенный выше пример уравнения для хемосинтеза показывает, что бактерии используют соединение серы в качестве источника энергии.
Бактерии в этом уравнении потребляют газообразный сероводород (12H2S), а затем образуют твердую элементарную серу в качестве отходов (12S).
Некоторые бактерии, использующие хемосинтез, используют вместо элементарного сероводорода элементарную серу или более сложные соединения серы в качестве источников топлива.
Металлические ионные бактерии
Наиболее известным типом бактерий, которые используют ионы металлов для хемосинтеза, являются железные бактерии.
Железные бактерии могут на самом деле представлять проблему для систем водоснабжения в богатых железом средах, поскольку они поглощают растворенные ионы металлов в почве и воде – и образуют нерастворимые комки железообразного трехвалентного железа, которые могут испачкать сантехнику и даже забить их.
Однако железные бактерии – не единственные организмы, которые используют ионы металлов в качестве источника энергии для хемосинтеза. Другие типы бактерий используют мышьяк, марганец или даже уран в качестве источников электронов для своих цепей переноса электронов!
Азот Бактерии
Азотные бактерии – это любые бактерии, которые используют соединения азота в своем метаболическом процессе. В то время как все эти бактерии используют электроны из соединений азота для создания органических соединений, они могут оказывать очень различное влияние на их экосистема в зависимости от того, какие соединения они используют.
Азотные бактерии обычно можно разделить на три класса:
1. Нитрифицирующие бактерии:
Нитрифицирующие бактерии растут в почвах, содержащих аммиак. Аммиак является неорганическим азотным соединением, токсичным для большинства растений и животных, но нитрифицирующие бактерии могут использовать его в пищу и даже превратить в полезное вещество.
Нитрифицирующие бактерии забирают электроны из аммиака и превращают аммиак в нитриты и, в конечном итоге, нитраты. Нитраты необходимы для многих экосистем, потому что большинство растений нуждаются в них для производства незаменимые аминокислоты.
Нитрификация часто представляет собой двухэтапный процесс: одна бактерия преобразует аммиак в нитрит, а затем другая бактерия вид превратит этот нитрит в нитрат.
Нитрифицирующие бактерии могут превратить иные враждебные почвы в плодородную почву для растений, а затем и для животных.
2. Денитрифицирующие бактерии:
Денитрифицирующие бактерии используют нитратные соединения в качестве источника энергии. В процессе они разлагают эти соединения на формы, которые растения и животные не могут использовать.
Это означает, что денитрифицирующие бактерии могут быть очень большой проблемой для растений и животных – большинство растение виды нуждаются в нитратах в почве, чтобы производить необходимые белки для себя и для животных, которые их едят.
Денитрифицирующие бактерии конкурируют за эти соединения и могут истощать почву, что приводит к ограниченной способности растений расти.
3. Азотфиксирующие бактерии:
Эти бактерии очень полезны для экосистем, в том числе для сельского хозяйства человека. Они могут превращать газообразный азот – который составляет большую часть нашей атмосферы – в нитраты, которые растения могут использовать для производства основных белков.
Исторически проблемы с плодородием и даже голод возникали, когда почва истощалась от нитратов из-за естественных процессов или чрезмерного использования сельскохозяйственных угодий.
Многие культуры научились сохранять плодородие почвы, чередуя азотосодержащие культуры с азотфиксирующими культурами.
Секрет азотфиксирующих культур заключается в том, что сами растения не фиксируют азот: вместо этого они имеют симбиотические отношения с азотфиксирующими бактериями. Эти бактерии часто растут в колониях вокруг корней растений, выделяя нитраты в окружающую почву.
На рисунке ниже показаны корни «азотфиксирующего растения» – обратите внимание на круглые клубеньки, которые на самом деле являются колониями азотфиксирующих хемосинтетических бактерий:
Современные удобрения часто изготавливаются из искусственных нитратов, как и те соединения, которые образуются азотфиксирующими бактериями.
Methanobacteria
Метанобактерии на самом деле являются археабактериями, но ученые начали изучать их задолго до того, как они полностью поняли разницу между археабактериями и «настоящими бактериями».
Как археабактерии, так и настоящие бактерии являются одноклеточными прокариотами, что означает, что они выглядят очень похоже под микроскопом. Но современные методы генетического и биохимического анализа показали, что между ними существуют важные химические различия: археабактерии используют много химических соединений и обладают многими генами, которых нет в бактериях. царство.
Одной из способностей, обнаруживаемых у археабактерий, которых нет у «настоящих бактерий», является метаболический процесс, который создает метан. Только виды археабактерий могут комбинировать углекислый газ и водород для производства метана.
Метанобактерии живут в различных средах, в том числе в вашем собственном теле! Метанобактерии обнаруживаются на дне океана, в болотах и заболоченных землях, в желудках коров – и даже в желудках человека, где они расщепляют некоторые сахара, которые мы не можем переварить, чтобы произвести метан и энергию.
- Archaeabacteria – древняя родословная прокариот. Современный анализ, который когда-то считался подтипом бактерий, показал, что археабактерии – это совершенно другое происхождение от современных бактерий.
- бактерии – Современное королевство прокариот. Сегодня их иногда называют «эубактерий »Или« настоящие бактерии », чтобы отличать их от археабактерий.
- Электронная транспортная цепь – Принцип, часто используемый клетками для сбора энергии из окружающей среды. Электроны пропускаются через серию белков, которые собирают энергию для производства жизненно важных молекул, таких как АТФ.
викторина
1. Что из следующего НЕ относится к хемосинтезу?A. Это процесс использования энергии химических веществ для создания органических соединений.B. Это не может быть завершено без энергии солнечного света.C. Он использует цепь переноса электронов для извлечения энергии из электронов.D. Это требует как исходного соединения углерода, так и источника химической энергии.
Ответ на вопрос № 1
В верно. Хемосинтез НЕ требует энергии от солнечного света. По этой причине его могут использовать организмы в бессветовых экосистемах, таких как дно океана.
2. Что из следующего НЕ верно для уравнения хемосинтеза?A. Это требует углеродсодержащего неорганического соединения, такого как диоксид углерода, на стороне реагента.B. Это требует источника химической энергии на стороне реагента.C. Это заканчивается органической молекулой, такой как сахар, на стороне продукта.D. Это заканчивается преобразованной версией химического источника энергии на стороне продукта.E. Ни один из вышеперечисленных.
Ответ на вопрос № 2
Е верно. Все вышеперечисленное является особенностями уравнения хемосинтеза.
3. Что из перечисленного НЕ является типом хемосинтетических бактерий?A. Железные бактерииB. Метан-продуцирующие бактерииC. Серные бактерииD. Азотфиксирующие бактерииE. Ни один из вышеперечисленных.
Ответ на вопрос № 3
Е верно. Все вышеперечисленное относится к типам хемосинтетических бактерий.