§ 20. Хемосинтез

Определения и обозначения

Хемосинтез — образование органических веществ из углекислого газа за счёт энергии, выделяющейся при окислении неорганических веществ. Иными словами, клетка получает углерод для построения органических молекул из CO₂, а энергию — из химической реакции. Это определение помогает сразу разделить две функции разных веществ. Солнечный свет в процессе не участвует.

Хемоавтотрофы — организмы, которые используют углекислый газ как источник углерода, а энергию получают при химических реакциях. Слово «автотроф» указывает на способность самостоятельно создавать органические вещества из неорганических. При этом хемоавтотрофам не требуется готовая органика как источник углерода. Так называют организмы по способу получения и углерода, и энергии.

Хемолитотрофы — организмы, получающие энергию при окислении неорганических веществ. Название образовано от частей «хемо» — химическая реакция и «лито» — камень, то есть минеральное, неорганическое вещество. Термин подчёркивает, какие реакции обеспечивают организм энергией. Многие хемолитотрофы одновременно являются хемоавтотрофами и используют эту энергию для фиксации CO₂.

Хемосинтезирующие бактерии — прокариоты, способные создавать органические вещества за счёт энергии окисления неорганических соединений. Прокариоты — организмы, клетки которых не имеют оформленного ядра. Не каждая бактерия обладает таким способом питания: для хемосинтеза нужны соответствующие обменные реакции. Этот термин объединяет бактерии, которые строят органическое вещество, используя химическую энергию.

Как это устроено

При хемосинтезе источник углерода и источник энергии — не одно и то же. Углерод клетка получает из углекислого газа, из которого строит органические молекулы. Энергия появляется при окислении неорганического вещества, а не при поглощении света. Такое разделение объясняет, почему организму нужны и CO₂, и подходящее окисляемое соединение.

Процесс связан двумя этапами. Сначала клетка окисляет неорганическое вещество, например аммиак или сероводород, и при реакции высвобождается энергия. Затем часть этой энергии используется для образования органических соединений из CO₂. Без первого этапа не было бы энергетического обеспечения, а без второго энергия не превратилась бы в запасённое органическое вещество.

Разные группы бактерий используют разные вещества, потому что их обмен веществ приспособлен к разным химическим реакциям. Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак или нитриты, серобактерии — сероводород и другие соединения серы, железобактерии — соединения железа, водородные бактерии — водород. Названия групп помогают связать организм с его энергетическим субстратом. Поэтому нельзя считать, что всем хемосинтезирующим бактериям подходит одно и то же вещество.

Нитрификация — превращение аммиака в нитриты, а затем нитритов в нитраты с участием нитрифицирующих бактерий. На каждом этапе окисления бактерии получают энергию и могут использовать её для синтеза органических веществ из CO₂. Эти реакции меняют формы азота в окружающей среде. Благодаря им азот включается в природный круговорот и становится доступным для дальнейших превращений.

Хемосинтез и фотосинтез сходны тем, что в обоих случаях из CO₂ образуются органические вещества. Различие связано с источником энергии: фотосинтез использует свет, а хемосинтез — энергию окисления неорганических соединений. Поэтому фотосинтез зависит от освещения, тогда как хемосинтез может идти в темноте, если имеются нужные вещества. Это позволяет некоторым экосистемам получать органическое вещество там, где фотосинтез невозможен.

Группы хемосинтезирующих бактерий и используемые ими вещества

Сравнивайте группы по окисляемому веществу и продукту реакции: именно они указывают, какие превращения бактерии обеспечивают. Продукты зависят от конкретной реакции и условий среды, поэтому в таблице указаны наиболее характерные варианты. Столбец о значении связывает реакцию с круговоротом веществ или состоянием среды.

Разбор задач

Задача 1. Ученик утверждает, что для хемосинтеза обязательно нужен солнечный свет. Верно ли это? Объясните ответ.

1. Определяем, откуда берётся энергия: при хемосинтезе её высвобождает окисление неорганических веществ.
2. Сравниваем это с условием фотосинтеза: свет требуется для фотосинтеза, но не для хемосинтеза.
3. Проверяем, есть ли в среде подходящее неорганическое вещество и CO₂. При их наличии синтез органики возможен без освещения.

Ответ: утверждение неверно. Солнечный свет не обязателен, потому что энергию обеспечивает химическая реакция окисления.

Задача 2. Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак. Укажите, откуда они получают энергию и углерод для образования органических веществ.

1. Находим источник энергии: им служит реакция окисления аммиака.
2. Отдельно определяем источник углерода: для синтеза органических веществ бактерии используют CO₂.
3. Не смешиваем эти роли: аммиак даёт энергию при окислении, а углекислый газ — углерод для построения органики.

Ответ: энергию бактерии получают при окислении аммиака, а углерод — из CO₂.

Задача 3. В среде обитания обнаружены бактерии, окисляющие сероводород и образующие органические вещества из CO₂. Определите тип питания этих бактерий и объясните, почему их деятельность важна для экосистемы.

1. Окисление сероводорода показывает, что бактерии получают энергию из химической реакции с неорганическим веществом.
2. Использование CO₂ для образования органики означает, что углекислый газ служит источником углерода.
3. Сочетание этих признаков соответствует хемоавтотрофному питанию; бактерии также относятся к хемолитотрофам по источнику энергии.
4. Окисляя соединения серы, они участвуют в круговороте серы, а создание органики обеспечивает поступление органического вещества в экосистему.

Ответ: это хемоавтотрофные хемолитотрофы. Их деятельность связывает превращения соединений серы с образованием органических веществ и поддерживает экосистему даже без солнечного света.

Типичные ошибки

• Считать хемосинтез разновидностью фотосинтеза — ошибка, хотя оба процесса создают органические вещества из CO₂. Их часто сближают из-за общего результата, забывая о разных источниках энергии. Проверьте себя вопросом: что именно обеспечивает энергию — свет или окисление неорганического вещества? Если речь идёт о химическом окислении, это хемосинтез.

• Путать источник углерода с источником энергии — значит приписывать CO₂ не ту функцию. Путаница возникает потому, что оба вещества необходимы для образования органики. Разделите вопрос на два: откуда берётся углерод и какая реакция высвобождает энергию? CO₂ даёт углерод, а энергию обеспечивает окисление.

• Утверждать, что все хемосинтезирующие организмы окисляют одно вещество, неверно. Так могут думать, если запомнили только пример с нитрифицирующими бактериями. Проверьте название группы и её субстрат: бактерии могут использовать аммиак, соединения серы, железа или водород. Разнообразие реакций — признак разных групп.

• Считать хемосинтезирующими любые бактерии нельзя: большинство бактерий не обязательно получает энергию таким способом. Ошибка возникает из-за чрезмерного обобщения свойства отдельных прокариот на всю группу. Проверьте, указана ли способность окислять неорганическое вещество и использовать энергию для синтеза органики из CO₂. Если таких признаков нет, оснований называть организм хемосинтезирующим недостаточно.

Связь с другими темами

Для понимания хемосинтеза нужно знать, что такое окисление и восстановление, CO₂ и органические вещества. С фотосинтезом его связывает создание органики из углекислого газа, но способы получения энергии различаются. Нитрификация и окисление соединений серы помогают разбирать круговороты азота и серы. Тема также объясняет, как экосистемы могут получать органическое вещество без солнечного света.

Что запомнить

• Хемосинтез — образование органических веществ из CO₂ за счёт энергии химических реакций.
• Энергию хемоавтотрофы получают при окислении неорганических веществ.
• Свет для хемосинтеза не требуется.
• Разные группы хемосинтезирующих бактерий используют разные вещества.
• Нитрифицирующие бактерии участвуют в превращениях азота.
• Хемосинтез позволяет образовываться органическим веществам там, где фотосинтез невозможен.