Процесс хемосинтеза

Что такое хемосинтез в биологии

Экосистемы зависят от способности одних организмов превращать неорганические вещества в пищу, которую могут использовать (или съесть) другие организмы. Растения синтезируют пищу посредством фотосинтеза, поэтому большая часть жизни на Земле зависит от пищевой цепи, вращающейся вокруг солнечного света. В ситуациях, когда нет солнечного света и, следовательно, растений, животные полагаются на первичное производство через процесс, известный как хемосинтез.

Источник: poznavayka.org

Хемосинтез определяется как биологическое производство органических соединений из одноуглеродных (C-1) соединений и питательных веществ с использованием энергии, полученной в результате окисления неорганических или C-1 органических молекул.

В океанических и внутренних водах хемосинтез обычно измеряется как темновая фиксация углерода (т.е. образование органического углерода из диоксида углерода в темноте). В целом, хемосинтезу уделяется меньше внимания, чем связанным с ним окислительно-восстановительным процессам, которые приводят в движение многие биогеохимические циклы и оказывают глубокое влияние на производство и круговорот парниковых газов, таких как двуокись углерода, метан и закись азота. Поэтому, хотя знания об этих связанных процессах могут быть значительными, существует недостаток знаний относительно пространственного распределения хемосинтеза среди различных типов экосистем и величины его вклада в общее первичное производство.

Хемосинтезирующие организмы широко распространены и весьма разнообразны в плане филогении, используемых субстратов, морфологии, среды обитания и метаболизма. При определенных условиях эти организмы потенциально могут обеспечивать более 50% фиксации углерода в экосистеме. Впервые хемосинтез как основа пищевой сети был замечен в 1977 году во время экспедиции по исследованию океана вблизи Галапагосских островов. 

У кого есть способность к хемосинтезу

Не существует животных, способных осуществлять хемосинтез. Некоторые животные, такие как гигантские трубчатые черви и некоторые виды моллюсков, используют энергию бактерий, осуществляющих хемосинтез, но сами они этот процесс не осуществляют. Вместо этого они размещают бактерии в своем теле и используют органические соединения, производимые бактериями, в качестве источника пищи.

Способность к нему есть у некоторых бактерий и архей. Эти организмы способны использовать химическую энергию, например, в результате окисления неорганических молекул, для получения органических соединений. Хемосинтез особенно распространен в некоторых глубоководных средах, где солнечный свет недоступен, и бактерии используют энергию химических веществ, образующихся в гидротермальных источниках и других геотермальных процессах. Он может поддерживать жизнь в абсолютной темноте.

Другие примеры организмов, которые могут осуществлять хемосинтез, включают некоторые виды серных бактерий, которые окисляют соединения серы для получения органических молекул, и некоторые нитрифицирующие бактерии, которые окисляют аммиак для получения энергии. Однако важно отметить, что большинство организмов, включая растения и животных, для получения органических соединений полагаются на процесс фотосинтеза. При хемосинтезе бактерии растут в богатой минералами воде, используя химическую энергию для получения органических веществ.

Существует несколько примеров бактерий и архей, способных осуществлять хемосинтез. Вот несколько из них:

1. Нитрозомонас — это вид бактерий, которые осуществляют процесс путем преобразования аммиака в нитриты. Обычно встречается в почве и водной среде.
2. Метаногены — это группа архей, способных производить метан. Они встречаются в анаэробных средах, например, в кишечнике жвачных животных и водно-болотных угодьях.
3. Тиобациллы — это группа бактерий, способных использовать соединения серы, такие как сероводород, в качестве источника энергии. Тиобациллы встречаются в средах с высоким содержанием серы, таких как горячие источники и глубоководные гидротермальные источники.
4. Беггиатоа — это вид бактерий, способных осуществлять хемосинтез с помощью сероводорода. Они живут в отложениях на дне океанов и озер.
5. Хлорофлексус — это вид бактерий, способных осуществлять хемосинтез с помощью инфракрасного света. Хлорофлексус обитают в горячих источниках и других термальных средах.

Где происходит

Самая обширная экосистема, основанная на хемосинтезе, обитает вокруг подводных горячих источников. В этих гидротермальных источниках из земной коры на дно моря вырывается богатый химикатами «суп». Кипящие горячие, насыщенные токсичными химикатами и тяжелыми металлами, более кислые, чем уксус, воды источников смертельно опасны для большинства морских животных. Это ядовитое варево — рай для бактерий, которые покрывают скалы вокруг жерла толстым оранжево-белым налетом. Бактерии поглощают сероводород, выходящий из жерла, и окисляют его до серы. Они используют химическую энергию, выделяющуюся при окислении, для соединения углерода, водорода и кислорода в молекулы сахара.

Самыми крупными и многочисленными обитателями жерла являются трубчатые черви и гигантские белые моллюски — животные, которые процветают благодаря тому, что установили симбиотические, или взаимовыгодные, отношения с бактериями. Бактерии живут внутри животных с твердой оболочкой, где они защищены от хищников. Трубчатые черви и моллюски получают встроенный источник питания, поскольку поглощают питательные вещества непосредственно из бактерий.

Трубчатые черви — характерные обитатели гидротермальных источников, абсолютно зависимы от своих внутренних бактерий. У них нет ни рта, ни пищеварительной системы, ни средств получения пищи, кроме своих симбионтов. Их богатые кровью ткани, окрашенные в красный цвет гемоглобином, поглощают растворенные газы из воды жерла и из морской воды, а затем переносят их к бактериям. Бактерии преобразуют химические вещества в органические и делятся излишками с трубчатыми червями. Эти необычные отношения очень устраивают оба вида. Миллионы бактерий благополучно живут внутри каждого трубчатого червя. В свою очередь, трубчатые черви так хорошо питаются, что являются самыми быстрорастущими беспозвоночными на Земле, вытягиваясь в длину до 2 метров за один год.

Но жизнь, основанная на хемосинтезе, также небезопасна. Гидротермальные источники — источники химических веществ, поддерживающих жизнь, — могут в любой момент погаснуть из-за землетрясений, потоков лавы или обрушения горных пород. Многие жерла закрываются через несколько месяцев или лет, и лишь немногие, похоже, выживают дольше пары десятилетий. Как только прекращается поступление химических веществ, бактерии погибают, а остальная фауна либо мигрирует, либо погибает.

Хемосинтетические сообщества встречаются и в других морских условиях, помимо гидротермальных источников. В так называемых холодных провалах, где тектоническая активность выдавливает минеральную воду из земли, и вокруг нефтяных месторождений на морском дне выделяются метан, аммиак и сероводород. Бактерии используют эти соединения для производства органических молекул, которые поддерживают сеть симбионтов, хищников и падальщиков.

Характеристики хемосинтеза

Для синтеза сахара все хемосинтезирующие организмы используют энергию, высвобождаемую в результате химических процессов, хотя различные виды используют разные пути. Например, в гидротермальных источниках жерловые бактерии окисляют сероводород, добавляют углекислый газ и кислород и производят сахар, серу и воду.
Почему микроорганизмы, живущие глубоко под поверхностью океана, используют для получения пищи химические вещества, а не солнечный свет? Большинство автотрофов получают пищу путем фотосинтеза, но это не единственный способ получения пищи. Окисление неорганических молекул (таких как газообразный водород, сероводород (H2S), или аммиака (NH3) или метана в качестве источника энергии, а не солнечного света, используется для превращения одной или нескольких молекул углерода (обычно углекислого газа или метана, CH4) и питательных веществ в органические вещества в процессе. Углеводы образуются в процессе хемосинтеза сероводорода в присутствии диоксида углерода и кислорода ( CH2O) могут быть получены по формуле:

В общем случае химическое уравнение можно записать следующим образом:
CO2 + O2 + 4H2S → CH2O + 4S + 3H2O

Конкретная химическая формула может меняться в зависимости от организма и среды, в которой он живет.

Некоторые признаки подробнее:

1. Источник энергии: в отличие от фотосинтеза, который использует солнечный свет в качестве источника энергии, хемосинтез использует химическую энергию.
2. Неорганические соединения: для осуществления процесса организмам необходимы неорганические соединения, такие как сероводород, метан, аммиак или железо, в качестве источника электронов. Эти неорганические соединения окисляются для получения энергии, которая используется для производства органических соединений.
3. Ограниченное распространение — определенные виды бактерий и архей. Эти организмы обычно встречаются в экстремальных средах, где другие формы жизни не могут выжить.
4. Производство органических соединений: образуются органические соединения, такие как сахара, аминокислоты и липиды. Эти соединения могут быть использованы организмом для роста и размножения.
5. Важность для экосистем — сообщества глубоководных гидротермальных источников. Там он служит источником энергии для организмов, которые в противном случае не имели бы доступа к пище. Эти сообщества часто являются высокоспециализированными и поддерживают уникальные и разнообразные экосистемы.

В целом, это уникальный и важный процесс, который позволяет определенным организмам выживать в экстремальных условиях, где другие формы жизни не могут процветать.

Значение хемосинтеза

1. Источник энергии: является альтернативным источником энергии по сравнению с фотосинтезом.
2. Экосистемы: является важным процессом во многих различных экосистемах, включая сообщества глубоководных гидротермальных источников и горячих источников.
3. Изменение климата: может играть определенную роль в смягчении последствий изменения климата. Некоторые виды бактерий могут потреблять углекислый газ и производить органические соединения. Потенциально это может быть использовано для удаления избытка углекислого газа из атмосферы и сокращения выбросов парниковых газов.
4. Научные исследования: хемосинтез — это область научных исследований, которая привела ко многим важным открытиям. Например, открытие глубоководных гидротермальных источников и сообществ организмов, которые там обитают, стало крупным научным прорывом, который помог нам лучше понять разнообразие жизни на Земле.

Глобальное воздействие

Глубоководные хемосинтетические бактерии привлекают внимание широкого круга ученых, заинтересованных в их коммерческом потенциале. Биохимики, заинтригованные способностью этих крошечных, хрупких на вид существ превращать токсичные химикаты в безвредные соединения, надеются использовать такие бактерии для очистки опасных отходов. Химики стремятся выделить ферменты, которые позволяют хемосинтезирующим микробам функционировать при экстремально высоких температурах, и использовать их в промышленных целях.

Другие ученые изучают хемосинтезирующие организмы и сообщества, чтобы найти подсказки в поисках внеземной жизни. Они предполагают, что химические реакции могут поддерживать жизнь и на плохо освещенных, но геологически активных планетах и лунах, таких как Европа.

Недавно палеонтологи предположили, что самой первой жизнью на Земле были хемосинтезирующие бактерии. Условия на молодой планете во времена появления самых древних окаменелостей имели много общего с суровыми условиями гидротермальных источников. Без хемосинтеза наша планета вполне могла бы быть не более чем безжизненным камнем.

Чем отличается от фотосинтеза

Разница между организмами, использующими хемосинтез, и организмами, использующими фотосинтез, заключается в том, что фотосинтезирующим организмам для получения пищевой энергии необходим солнечный свет. Растения и некоторые микроорганизмы могут фотосинтезировать везде, где достаточно солнечного света — на суше, на мелководье и даже внутри и под прозрачным льдом. Солнечная энергия используется всеми фотосинтезирующими организмами для преобразования углекислого газа и воды в сахар (пищу) и кислород. Фотосинтез использует видимый световой спектр, а пигменты хлоропластов поглощают свет в синей и красной областях спектра. Организмы, использующие фотосинтез для получения молекул глюкозы, как правило, являются растениями. Однако некоторые протисты и бактерии (цианобактерии) также могут использовать этот процесс. Фотосинтезирующие организмы имеют клетки со специализированными структурами или органеллами, называемыми хлоропластами.

Организмам, использующим хемосинтез, не требуется солнечный свет для получения энергии пищи, но им нужны неорганические химические вещества из окружающей среды. Не ограничен длиной волны света, и энергия может поступать из широкого спектра неорганических соединений. Конечным продуктом являются органические соединения, такие как сахара, аминокислоты и липиды. Бактерии и археи, будучи организмами без мембранно-связанных органелл, не имеют специализированных органелл, в которых происходит хемосинтез в клетке.

Организмы, использующие фотосинтез, имеют химическую формулу, которая производит пищевую энергию. Эта пищевая энергия представляет собой форму сахара под названием глюкоза. Организм запасает глюкозу для энергии, а когда клеткам организма требуется энергия, он берет глюкозу и расщепляет ее на более мелкие молекулы, которые легче использовать для энергетических нужд.

Уравнение фотосинтеза для получения глюкозы выглядит следующим образом:

Вода + углекислый газ + солнечный свет = глюкоза + кислород.
6 CO2 + 6 H2O + световая энергия → C6H12O6 + 6 O2.