§25. Автотрофное питание. Хемосинтез

Определения и обозначения

Автотрофное питание — способ питания, при котором организм синтезирует органические вещества из неорганических, используя внешний источник энергии. К неорганическим веществам относят, например, углекислый газ и воду. Это понятие показывает, что организм сам создаёт органику, а не получает её в готовом виде.

Хемосинтез — образование органических веществ из углекислого газа за счёт энергии, выделяющейся при окислении неорганических веществ. Свет при этом не используется. Определение помогает отличить такой способ питания от фотосинтеза.

Хемоавтотрофы — организмы, использующие хемосинтез для получения энергии и синтеза органических веществ. Их углерод берётся из углекислого газа, а энергия — из химических реакций. Поэтому хемоавтотрофы могут жить там, где нет света, но есть подходящие неорганические соединения.

Хемосинтезирующие бактерии — бактерии, способные получать энергию при окислении неорганических веществ. К ним относят нитрифицирующие, серобактерии, железобактерии и водородные бактерии. Названия групп связаны с веществами, которые они используют в энергетическом обмене.

Как это устроено

Хемоавтотрофам нужен углерод для построения белков, жиров, углеводов и других органических соединений. Они получают его из углекислого газа, потому что способны включать неорганический углерод в состав органики. Готовые органические вещества из среды для этого не требуются, поэтому питание называют автотрофным.

Сначала клетка окисляет подходящее неорганическое вещество. При окислении изменяется химическое состояние атомов, а часть энергии высвобождается и запасается клеткой в удобной форме. Затем эта энергия расходуется на синтез органических соединений из CO₂ и других простых веществ.

Источниками энергии могут быть аммиак и нитриты, сероводород и другие соединения серы, водород, а также соединения железа. Разные бактерии используют разные реакции, потому что их ферменты приспособлены к определённым веществам. Поэтому состав среды определяет, какая группа хемосинтезирующих бактерий сможет в ней существовать.

Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до нитритов, а другие представители этой группы — нитриты до нитратов. Серобактерии получают энергию при окислении сероводорода или других соединений серы. Железобактерии используют соединения железа, а водородные бактерии — молекулярный водород.

Фотосинтез и хемосинтез сходны тем, что в обоих случаях автотрофы создают органические вещества из неорганического углерода. Главное различие связано с энергией: фотосинтез использует свет, а хемосинтез — химическое окисление. Благодаря этому хемосинтез поддерживает жизнь и круговороты веществ в местах, куда свет почти не проникает.

Сравнение фотосинтеза и хемосинтеза

Сначала сравните источник углерода: у обоих процессов им обычно служит углекислый газ. Затем обратите внимание на источник энергии и зависимость от света — именно эти признаки разделяют фотосинтез и хемосинтез.

Последние строки таблицы помогают связать процесс с конкретными организмами и его ролью в природе. Если организм окисляет неорганическое вещество и использует выделившуюся энергию для создания органики, перед вами хемосинтез.

Разбор задач

Задача 1

Бактерия использует углекислый газ как источник углерода, а энергию получает при окислении аммиака. Нужно определить тип её питания. Для ответа следует отдельно назвать источник углерода и источник энергии.

1. Углекислый газ используется для построения органических веществ, значит, бактерия получает углерод из неорганического источника.
2. Аммиак окисляется, и при этой реакции высвобождается энергия.
3. Эта энергия направляется на синтез органики из углекислого газа, поэтому процесс относится к хемосинтезу.

Ответ: бактерия питается автотрофно; точнее, это хемоавтотрофный организм, осуществляющий хемосинтез.

Задача 2

Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак. Требуется объяснить, за счёт чего они получают энергию и как используют углекислый газ. Важно не перепутать вещество, которое окисляется, с веществом, из которого строится органика.

1. Аммиак служит исходным веществом энергетической реакции и при окислении отдаёт энергию.
2. Клетка запасает часть этой энергии и использует её для работы ферментов и синтеза органических соединений.
3. Углекислый газ включается в состав органики и является источником углерода, а не источником энергии.

Ответ: энергия получается при окислении аммиака, а CO₂ используется для построения органических веществ. Поэтому нитрифицирующие бактерии — хемоавтотрофы.

Задача 3

В водоёме обнаружены бактерии, окисляющие сероводород. Нужно объяснить, почему их питание считают автотрофным, и определить возможную роль в экосистеме. Для этого надо установить источник энергии, источник углерода и результат деятельности бактерий.

1. Сероводород окисляется, поэтому его химическая энергия используется клеткой для жизнедеятельности.
2. Углерод бактерии получают из углекислого газа и на этой основе синтезируют органические вещества.
3. Бактерии изменяют соединения серы, участвуют в её круговороте и могут служить начальным источником органики для пищевых связей.

Ответ: питание автотрофное, потому что органика создаётся из CO₂, а энергия берётся из окисления сероводорода. В экосистеме такие бактерии участвуют в круговороте серы и поддерживают образование органического вещества.

Типичные ошибки

Считать, что все автотрофы используют свет. Так думают из-за примера растений, но хемоавтотрофы получают энергию химическим путём. Проверьте себя: если свет не назван, ищите вещество, которое окисляется.

Путать источник энергии с источником углерода. Аммиак, сероводород или водород дают энергию при окислении, а CO₂ поставляет углерод для органики. Полезно задавать два отдельных вопроса: «что окисляется?» и «из чего строится органика?».

Называть хемосинтезом любое окисление неорганических веществ. Одной химической реакции недостаточно: энергия должна использоваться для синтеза органических соединений. Если образования органики нет, это лишь окислительный процесс.

Утверждать, что хемосинтез характерен для всех бактерий. Способность к нему есть только у отдельных специализированных групп. Проверка проста: нужно назвать конкретную группу и вещество, которое она окисляет.

Связь с другими темами

Для понимания хемосинтеза нужны знания об органических и неорганических веществах, а также о роли углекислого газа. CO₂ здесь выступает сырьём для создания органики.

Тема напрямую связана с фотосинтезом. Сравнение показывает, что одинаковый результат — синтез органических веществ — может достигаться за счёт света или энергии химического окисления.

Хемосинтез помогает объяснить круговороты азота, серы, железа и водорода. Он также показывает, как существуют экосистемы, в которых производство органики не зависит от солнечного света.

Что запомнить

• Хемосинтез — разновидность автотрофного питания.
• Углерод для синтеза органических веществ хемоавтотрофы получают из углекислого газа.
• Энергия для хемосинтеза выделяется при окислении неорганических веществ.
• Для хемосинтеза не требуется свет.
• Хемосинтез осуществляют отдельные группы бактерий.
• Хемосинтезирующие бактерии участвуют в круговороте веществ.