§ 20. Хемосинтез

Определения и обозначения

Хемосинтез — синтез органических веществ из углекислого газа и других неорганических соединений за счёт энергии окисления неорганических веществ. Окисление здесь означает химическое превращение, при котором вещество отдаёт электроны, а энергия реакции становится доступной клетке. В отличие от фотосинтеза, для хемосинтеза не требуется свет: это позволяет создавать органические вещества и в тёмной среде.

Хемоавтотрофы — организмы, которые берут углерод для органических веществ из углекислого газа, а энергию получают при окислении неорганических веществ. Такой способ питания называют автотрофным, потому что организм сам образует органические соединения из неорганического источника углерода, а не получает готовую органику с пищей. Разделение источников углерода и энергии помогает понять, какую роль играет каждое вещество.

Нитрификация — окисление аммиака сначала до нитритов, а затем до нитратов. Эти этапы выполняют разные группы бактерий, и на каждом из них высвобождается энергия. Процесс важен для превращения соединений азота в среде и служит примером получения энергии при хемосинтезе.

Хемосинтезирующие бактерии используют энергию химических реакций, чтобы образовывать органические вещества. К ним относятся группы, окисляющие аммиак, сероводород, водород или соединения железа. Их различают по веществу, которое служит источником энергии: это помогает предсказать продукты окисления и роль бактерий в природе.

Как это устроено

Хемосинтез может идти без света, потому что энергию клетка получает не от солнечного излучения, а при химических реакциях. Неорганические вещества, которые бактерии окисляют, поступают из окружающей среды. Поэтому возможность хемосинтеза зависит от наличия подходящего вещества и условий, в которых бактерия может его использовать.

При окислении вещества высвобождается энергия, и клетка запасает её в химической форме, чтобы затем использовать в других процессах. Один из таких процессов — синтез органических соединений из неорганических. Если энергия реакции не направляется на образование органики, одно лишь окисление нельзя считать хемосинтезом: определяющим является связь между получением энергии и построением веществ клетки.

Углерод хемоавтотрофы получают из углекислого газа. Включение углерода CO₂ в органические молекулы называется фиксацией углерода; именно так неорганический источник становится материалом для построения веществ клетки. Энергия для этой работы поступает от окисления, а не от самого углекислого газа, поэтому источники энергии и углерода нужно различать.

Разные бактерии окисляют разные вещества, отдающие электроны, например аммиак, сероводород, водород или соединения железа. Такие вещества выступают донорами электронов и обеспечивают клетку энергией при химических превращениях. Продукты зависят от исходного вещества: при окислении водорода образуется вода, а соединения двухвалентного железа превращаются в соединения трёхвалентного.

Работа хемосинтезирующих микроорганизмов связывает их жизнедеятельность с круговоротами веществ. Нитрифицирующие бактерии превращают соединения азота, делая возможными дальнейшие переходы между его формами. Серные и железобактерии влияют соответственно на превращения серы и железа; таким образом, химические реакции отдельных клеток меняют состав среды и помогают веществам циркулировать в экосистемах.

Группы хемосинтезирующих бактерий и источники энергии

Таблица сопоставляет группу бактерий с веществом, которое она окисляет, и основными продуктами реакции. Сначала найдите исходное вещество, затем проследите, во что оно превращается и с каким круговоротом связан этот процесс. Для нитрификации учитывайте два последовательных этапа: аммиак окисляется до нитритов, а нитриты — до нитратов.

Разбор задач

Задача 1. Один организм использует свет и углекислый газ, другой — энергию окисления аммиака и углекислый газ. Нужно определить, какой из них осуществляет хемосинтез. Решение строится на сравнении источников энергии: углекислый газ в обоих случаях может давать углерод, но для ответа важен именно источник энергии.

1. У первого организма энергия поступает от света, следовательно, по этому признаку он осуществляет фотосинтез.
2. У второго энергия выделяется при окислении аммиака, то есть при химической реакции с неорганическим веществом.
3. Сопоставляем признак с определением: использование энергии окисления, а не света, характерно для хемосинтеза.

Ответ: хемосинтез осуществляет организм, который получает энергию при окислении аммиака. Использование углекислого газа показывает источник углерода, но само по себе не определяет источник энергии.

Задача 2. Одни нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до нитритов, другие окисляют нитриты до нитратов. Нужно указать, на каком этапе выделяется энергия, используемая для хемосинтеза. Для этого важно рассмотреть всю последовательность, а не только превращение аммиака в нитриты.

1. На первом этапе аммиак превращается в нитриты; это окисление сопровождается высвобождением энергии.
2. На втором этапе другие бактерии окисляют нитриты до нитратов, и эта реакция также высвобождает энергию.
3. В каждом случае бактерии могут направлять полученную энергию на синтез органических веществ.

Ответ: энергия выделяется на обоих этапах нитрификации — при окислении аммиака и при окислении нитритов. Эти этапы выполняют разные группы бактерий.

Задача 3. В среде есть сероводород и углекислый газ. Нужно объяснить, откуда бактерии получат энергию и углерод, а также назвать возможное значение процесса для экосистемы. Чтобы не перепутать роли веществ, отдельно определяем источник энергии и источник углерода.

1. Бактерии окисляют сероводород; высвобождающаяся при реакции энергия обеспечивает клетку энергией для синтеза.
2. Углерод для образования органических веществ бактерии получают из углекислого газа, включая его в органические соединения.
3. Окисление сероводорода и образование продуктов превращения серы связывают процесс с круговоротом серы.

Ответ: сероводород служит источником энергии при окислении, а углекислый газ — источником углерода. Такой процесс участвует в круговороте серы и позволяет образовывать органические вещества без света.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что хемосинтез, как фотосинтез, требует света. Так думают из-за сходства двух процессов: в обоих из неорганического источника углерода образуются органические вещества. Проверьте себя вопросом «откуда поступает энергия?»: для хемосинтеза она высвобождается при окислении неорганических веществ.

Часто путают источник энергии и источник углерода. Окисляемое неорганическое вещество, например сероводород, обеспечивает энергией, а углекислый газ даёт углерод для органических соединений. Чтобы проверить ответ, назовите отдельно вещество, которое окисляют, и вещество, из которого берут углерод.

Не любое окисление неорганического вещества является хемосинтезом. Ошибка возникает, когда учитывают только химическую реакцию и не проверяют, на что клетка тратит высвободившуюся энергию. Спросите себя, используется ли эта энергия для синтеза органических веществ: без этого признака определение неполное.

Неверно считать, что все хемосинтезирующие бактерии окисляют одно и то же вещество. Такое обобщение может появиться, если запомнить только пример нитрифицирующих бактерий. Для самопроверки сопоставьте группу с её источником энергии: бактерии могут использовать аммиак, соединения серы, водород или соединения железа.

Связь с другими темами

Для понимания хемосинтеза нужно различать автотрофное и гетеротрофное питание, а также знать, что называют окислением и восстановлением. Сравнение с фотосинтезом помогает отделить источник энергии от источника углерода: свет и химическое окисление — разные способы получить энергию. Позже эта тема пригодится при изучении круговоротов азота, серы и железа и роли микроорганизмов в экосистемах.

Что запомнить

• Хемосинтез — образование органических веществ за счёт энергии химических реакций.
• Источником энергии служит окисление неорганических веществ.
• Источником углерода для хемоавтотрофов обычно является углекислый газ.
• Хемосинтез не требует света.
• К хемосинтезирующим организмам относятся некоторые бактерии.
• Нитрификация — один из процессов, связанных с хемосинтезом и круговоротом азота.