Хемосинтез

Историческая справка и суть процесса

Хемосинтез представляет собой уникальную способность организмов-хемосинтетиков использовать энергию, которая выделяется при окислении неорганических веществ. Эта энергия расходуется на синтез сложных органических соединений, необходимых для построения структур самой клетки.

Главное отличие хемосинтетиков от фотоавтотрофов заключается в источнике энергии: если растениям и цианобактериям необходим солнечный свет, то хемосинтезирующие бактерии полностью полагаются на химические реакции (экзотермические процессы).

Явление хемосинтеза было открыто в 1889 году выдающимся русским микробиологом С.Н. Виноградским. Именно он впервые доказал существование в природе автотрофных незеленых организмов, детально изучив жизнедеятельность нитрифицирующих бактерий. Это открытие перевернуло представления науки о способах питания живых существ.

Нитрифицирующие бактерии

Нитрифицирующие бактерии обитают преимущественно в почве и различных водоемах. Они играют колоссальную роль в природе, являясь важнейшим звеном глобального круговорота азота.

Специфический механизм их работы заключается в том, что они выделяют ферменты непосредственно во внешнюю среду. Процесс окисления азотсодержащих соединений протекает в два последовательных этапа:

1. Окисление аммиака до азотистой кислоты (I этап). На этой стадии аммиак реагирует с кислородом:

$2NH_3 + 3O_2 \rightarrow 2HNO_2 + 2H_2O + E$

1. Окисление азотистой кислоты до азотной (II этап). Полученная азотистая кислота подвергается дальнейшему окислению:

$2HNO_2 + O_2 \leftrightarrow 2HNO_3 + E$

Выделяющаяся на обоих этапах энергия ($E$) улавливается бактериями и расходуется на их внутренние пластические процессы.

Бесцветные серобактерии и железобактерии

Среди других важных представителей хемосинтетиков выделяют организмы, использующие соединения серы и железа.

Бесцветные серобактерии населяют водоемы, богатые сероводородом ($H_2S$). Они синтезируют органические молекулы из углекислого газа ($CO_2$), получая энергию за счет окисления сероводорода.

• На первом этапе происходит окисление $H_2S$ с выделением свободной серы и энергии:

$2H_2S + O_2 \rightarrow 2H_2O + 2S + E$

• Если в среде возникает недостаток сероводорода, бактерии способны окислять накопленную свободную серу до серной кислоты, получая дополнительную энергию:

$2S + 3O_2 + 2H_2O \rightarrow 2H_2SO_4 + E$

Железобактерии специализируются на изменении валентности железа. Их механизм основан на окислении двухвалентного железа в трехвалентное: $4Fe^{2+} + O_2 + 4H^+ \rightarrow 4Fe^{3+} + 2H_2O + E$ В результате жизнедеятельности этих микроорганизмов в природе формируются залежи болотной железной руды.

Водородные бактерии

Еще одна уникальная группа — водородные бактерии, обитающие в почве. В качестве энергетического субстрата они используют молекулярный водород. Этот газ не берется из ниоткуда: он образуется в результате анаэробного (бескислородного) разложения различных органических остатков другими микроорганизмами.

Химическая реакция, обеспечивающая водородных бактерий энергией, выглядит следующим образом: $2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O + E$

Как и в других случаях хемосинтеза, выделяющаяся при образовании воды энергия идет на автотрофную ассимиляцию.

Вопросы с занятий и экзамена

Что ещё разобрать по теме

• Механизмы выделения ферментов нитрифицирующими бактериями во внешнюю среду
• Связь водородных бактерий с анаэробным разложением органики
• Двухэтапный механизм окисления у бесцветных серобактерий (до серы и до серной кислоты)
• Роль нитрифицирующих бактерий в глобальном круговороте азота

Другие темы раздела «Обмен веществ и превращение энергии»

Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.