ХЕМОСИНТЕЗ: ФАЗИ, ОРГАНІЗМИ, ВІДМІННОСТІ З ФОТОСИНТЕЗОМ - БІОЛОГІЯ - 2025

Хемосинтез є характеристикою деяких біологічних процесів автотрофніорганізмів , що експлуатують хімічної енергією для перетворення неорганічних речовин в органічній речовині. Він відрізняється від фотосинтезу тим, що останній використовує енергію від сонячного світла.

Організми, здатні до хіміосинтезу, - це зазвичай прокаріоти, такі як бактерії та інші мікроорганізми, такі як археї, які отримують енергію з реакцій, що передбачають окислення дуже малих сполук.

Фотографія Riftia pachyptila, хіміосинтетичного організму (Джерело: NOAA Okeanos Explorer Explorer, Galapagos Rift Expedition 2011 через Wikimedia Commons)

Найпоширеніші приклади хіміосинтетичних бактерій - це нітрифікуючі бактерії, які окислюють аміак для отримання діоксиду азоту, а також сірчані бактерії, здатні окислювати сірчану кислоту, сірку та інші сполуки сірки.

Походження концепції

Мікробіолог Сергій Виноградський у 1890 році був першим вченим, який говорив про можливе існування хіміосинтетичних процесів, оскільки він припускав, що повинен існувати процес, подібний до фотосинтезу, який використовує джерело енергії, крім сонячного світла.

Однак термін «хіміосинтез» був введений у світ в 1897 році Пфеффером. Теорії Віноградського були доведені в 1977 р. Під час експедиції, проведеної підводним човном "Елвін" у глибокі океанські води, навколо островів Галапагос.

Під час цієї експедиції вчені на борту підводного човна виявили деякі бактеріальні екосистеми, які осідали в присутності неорганічної речовини та інші в симбіозі з деякими безхребетними морськими тваринами.

В даний час у всьому світі відомі різні хіміосинтетичні екосистеми, особливо пов'язані з морським та океанічним середовищем і, меншою мірою, з наземними екосистемами. У цих умовах хіміосинтетичні мікроорганізми є важливими первинними виробниками органічних речовин.

Фази

Хемосинтез майже завжди відбувається на стику аеробного та анаеробного середовища, де зосереджені кінцеві продукти анаеробного розпаду та велика кількість кисню.

Як і фотосинтез, хіміосинтез має чітко визначені фази: окислювальну та біосинтетичну. Перший використовує неорганічні сполуки, а під час другого утворюється органічна речовина.

Окислювальна фаза

Під час цієї першої фази та залежно від типу розглянутого організму окислюються різні типи відновлених неорганічних сполук, такі як аміак, сірка та її похідні, залізо, деякі похідні азоту, водню тощо.

У цій фазі окислення цих сполук звільняє енергію, яка використовується для фосфорилювання АДФ, утворюючи АТФ, одну з основних валют енергії живих істот і, крім того, зменшує енергію, що виробляється у вигляді молекул НАДГ.

Особливість хіміосинтетичного процесу пов'язана з тим, яка частина АТФ, що утворюється, використовується для приведення в дію зворотного транспорту ланцюга електронів, щоб отримати більшу кількість відновлюючих речовин у вигляді НАДГ.

Підсумовуючи це, цей етап складається з утворення АТФ від окислення відповідних донорів електронів, біологічно корисна енергія яких використовується у фазі біосинтезу.

Фаза біосинтезу

Біосинтез органічних речовин (вуглецевих сполук) відбувається завдяки використанню енергії, що міститься у високоенергетичних зв'язках АТФ, та зменшувальній потужності, що зберігається в молекулах НАДГ.

Ця друга фаза хемосинтезу є "гомологічною" тій, що відбувається під час фотосинтезу, оскільки відбувається фіксація атомів вуглецю в органічних молекулах.

У ньому вуглекислий газ (СО2) фіксується у вигляді органічного вуглецю, в той час як АТФ перетворюється в АДФ і неорганічний фосфат.

Хемосинтетичні організми

Існують різні типи хіміосинтетичних мікроорганізмів, деякі є необов'язковими, а інші обов'язковими. Це означає, що одні залежать виключно від хіміосинтезу для отримання енергії та органічних речовин, а інші роблять це, якщо навколишнє середовище їх обумовлює.

Хемосинтетичні мікроорганізми не сильно відрізняються від інших мікроорганізмів, оскільки вони також отримують енергію в процесах транспорту електронів, в яких беруть участь такі молекули, як флавіни, хінони та цитохроми.

З цієї енергії вони здатні синтезувати клітинні компоненти з цукрів, які синтезуються внутрішньо завдяки відновному засвоєнню вуглекислого газу.

Деякі автори вважають, що хіміосинтетичні організми можна розділити на хіміорганоавтотрофи та хіміолітоавтотрофи відповідно до типу сполуки, з якої вони отримують енергію, яка може бути органічною або неорганічною відповідно.

Що стосується прокаріотів, то більшість хіміосинтетичних організмів є грамнегативними бактеріями, як правило, з роду Pseudomonas та інших споріднених. Серед них:

- Нітрифікуючі бактерії.

- Бактерії, здатні окислювати сірку та сполуки сірки (сірчані бактерії).

- Бактерії, здатні окислювати водень (Водневі бактерії).

- Бактерії, здатні окислювати залізо (залізні бактерії).

Хемосинтетичні мікроорганізми використовують такий тип енергії, який би втрачався в системі біосфери. Вони складають значну частину біорізноманіття та густоти населення багатьох екосистем, де внесення органічних речовин дуже обмежене.

Їх класифікація стосується сполук, які вони здатні використовувати як донори електронів.

Нітрифікуючі бактерії

Вони були відкриті у 1890 році Виноградським, а деякі описані до цього часу роди утворюють агрегати, оточені однаковою мембраною. Вони зазвичай відокремлені від наземних середовищ.

Нітрифікація включає окислення амонію (NH4) до нітритів (NO2-) та нітритів (NO2-) до нітратів (NO3-). Дві групи бактерій, які беруть участь у цьому процесі, часто співіснують в одному середовищі існування, щоб скористатися обома типами сполук, використовуючи СО2 як джерело вуглецю.

Бактерії, здатні окислювати сірку та сполуки сірки

Це бактерії, здатні окислювати неорганічні сполуки сірки та відкладати сірку всередині клітини у конкретних відділеннях. У межах цієї групи класифікуються деякі нитчасті та ненитчасті бактерії різних родів факультативних та облігатних бактерій.

Ці організми здатні використовувати сполуки сірки, які є високотоксичними для більшості організмів.

З'єднанням, яке найчастіше використовується даним типом бактерій, є газ H2S (сірчана кислота). Однак вони також можуть використовувати елементарну сірку, тіосульфати, політіонати, сульфідні метали та інші молекули в якості донорів електронів.

Деяким з цих бактерій потрібен кислий рН для зростання, тому вони відомі як ацидофільні бактерії, а інші можуть робити це при нейтральному рН, ближчому до "нормального".

Багато з цих бактерій можуть утворювати "русла" або біоплівки в різних типах навколишнього середовища, але особливо в стоках гірничої галузі, сірчаних гарячих джерелах та океанських відкладах.

Зазвичай їх називають безбарвними бактеріями, оскільки вони відрізняються від інших зелених та фіолетових бактерій, які є фотоавтотрофними тим, що не мають пігментів будь-якого виду, і їм не потрібне сонячне світло.

Бактерії, здатні окислювати водень

У цій групі зустрічаються бактерії, здатні рости в мінеральних середовищах з атмосферою, багатою воднем і киснем і єдиним джерелом вуглецю є вуглекислий газ.

Тут зустрічаються як грамнегативні, так і грампозитивні бактерії, здатні рости в гетеротрофних умовах і які можуть мати різні типи метаболізмів.

Водень накопичується при анаеробному розпаді органічних молекул, що досягається різними ферментативними бактеріями. Цей елемент є важливим джерелом бактерій та хіміосинтетичних арх.

Мікроорганізми, здатні використовувати його як донора електронів, роблять це завдяки наявності ферменту гідрогенази, пов'язаного з їх мембранами, а також наявності кисню як електронного акцептора.

Бактерії, здатні окислювати залізо та марганець

Ця група бактерій здатна використовувати енергію, одержувану від окислення марганцю або заліза в чорному стані, до стану його заліза. Сюди також входять бактерії, здатні рости в присутності тіосульфатів як неорганічних донорів водню.

З екологічної точки зору бактерії, що окислюють залізо і магній, важливі для детоксикації навколишнього середовища, оскільки вони знижують концентрацію розчинених токсичних металів.

Симбіотичні організми

Окрім вільноживучих бактерій, існують деякі безхребетні, які живуть у негостинній середовищі та асоціюються з певними видами хіміосинтетичних бактерій, щоб вижити.

Відкриття перших симбіонтів сталося після дослідження гігантського трубчастого хробака, Riftia pachyptila, не вистачаючи травної трубки та отримання життєвої енергії від реакцій, проведених бактеріями, з якими він пов’язаний.

Відмінності з фотосинтезом

Найбільш відмітною характеристикою хіміосинтетичних організмів є те, що вони поєднують у собі здатність використовувати неорганічні сполуки для отримання енергії та зниження енергії, а також ефективно зв’язувати молекули вуглекислого газу. Щось, що може статися при повній відсутності сонячного світла.

Фотосинтез здійснюється рослинами, водоростями, а також деякими видами бактерій та найпростіших. Він використовує енергію від сонячного світла для керування перетворенням вуглекислого газу та води (фотоліз) у кисень та вуглеводи за рахунок виробництва АТФ та НАДГ.

Хемосинтез, навпаки, використовує хімічну енергію, що виділяється від реакцій відновлення окислення, для фіксації молекул діоксиду вуглецю та вироблення цукрів та води завдяки отриманню енергії у вигляді АТФ та зменшенні потужності.

У хіміосинтезі, на відміну від фотосинтезу, пігменти не беруть участь і кисень не виробляється як побічний продукт.

Список літератури

1. Dubilier, N., Bergin, C., & Lott, C. (2008). Симбіотичне різноманіття у морських тварин: мистецтво використання хіміосинтезу. Мікробіологія природи, 6 (10), 725–740.
2. Енгель, А. С. (2012). Хемоавтотрофія. Енциклопедія печер, (1997), 125–134.
3. Enger, E., Ross, F., & Bailey, D. (2009). Поняття з біології (13-е видання). McGraw-Hill.
4. Кінне, О. (1975). Морська екологія. (О. Кінне, ред.), Обчислювальна техніка. Розважайте. (2-е видання, т. II). Джон Вілі та сини. https://doi.org/10.1145/973801.973803
5. Ліз, Х. (1962). IV. Деякі думки про енергетику хіміосинтезу. Симпозіум з питань автотрофії.
6. Пейс, М., і Ловейт, Г. (2013). Первинне виробництво: Фундація екосистем. Основи науки про екосистему (с. 27–51). Elsevier Inc.