Бактериям-хемосинтетикам свет солнца не нужен

Бактерии-хемосинтетики: чем они являются, где обитают

Первой ступенью пищевой цепочки биосферы являются автотрофы – бактерии, способные перерабатывать неорганические вещества в органические. Среди них фотосинтетики и хемосинтетики. Невозможно представить жизнь без деятельности бактерий-хемосинтетиков, относящихся к этой категории.

Хемосинтетики – кто это?

Бактерии-автотрофы, получающие энергию для синтеза органических соединений за счет окисления неорганики, называют хемосинтетиками или хемолитоавтотрофными формами жизни. Они являются микроорганизмами, для существования и роста которых свет не имеет значения.

Причем полученная в результате окисления энергия не может быть использована напрямую для органического синтеза, а только через АТФ, который является универсальным источником энергии для всех биохимических процессов.

Виды хемолитоавтотрофных организмов

Хемосинтезирующие бактерии-автотрофы подразделяют на группы в зависимости от того, какой химический элемент или соединение является источником энергии и подвергается окислению.

Железобактерии

Бактерии, окисляющие двухвалентное железо до трехвалентного, живут в водоемах – как в пресных, так и в соленых. Именно благодаря деятельности этих бактерий-хемосинтетиков на дне водоемов скапливается большое количество железных руд и марганца.

В процесс окисления автотрофами-хемосинтетитками двухвалентного железа из гидрокарбоната железа (II) образуется гидроксид железа (III) и выделяется углекислый газ.

Так как реакция не особо энергоемкая, бактерии для жизнедеятельности вынуждены окислять значительное количество двухвалентного железа. Железобактериям-хемосинтетикам принадлежит основная роль в круговороте железа в биосфере.

Серобактерии

Серобактерии – это хемосинтетики, способные получать энергию для синтеза органики при окислении соединений серы. Так, например, тиобактерии способны окислять сероводород, сульфиды, полисульфиды, тиосульфаты и другие соединения.

Результатом окислительной реакции этих хемосинтетиков чаще всего являются:

• при полном окислении – сульфаты;
• при неполном окислении – элементарная сера.

Серобактерии представляют собой целую группу различных прокариотов, куда относятся:

• фототрофные – зеленые и пурпурные серобактерии;
• нефотосинтезирующие – бесцветные серые бактерии.

Типичной средой обитания этих бактерий-хемосинтетиков считаются пресные и соленые водоемы. Бактерии могут обитать самостоятельно или являться симбионтами моллюсков, морских ежей и других беспозвоночных обитателей пограничной бескислородной зоны.

Учитывая свойство тиобактерий окислять сероводород, хемосинтетики с успехом используются для очистки стоков путем окисления сульфида водорода и других соединений серы до сульфатов.

Одним из источников сероводорода является процесс гниения серосодержащих аминокислот.

Однако это же свойство окислять соединения серы приводит к коррозийному повреждению и разрушению бетонных конструкций.

Тионовые бактерии

Это серобактерии, обладающие способностью окислять сульфиды, сульфиты и тиосульфаты, а также молекулярную серу до сульфатов.

Процесс имеет сходство с окислением сероводорода серобактериями. Характерная черта – отсутствие отложений внутриклеточной серы.

Представители тионовых бактерий обладают особыми свойствами: они остаются жизнестойкими при рН 2 (сильнокислая среда) и выдерживают присутствие тяжелых металлов в больших концентрациях.

Нитрифицирующие прокариоты

Автотрофной нитрификацией называют процесс окислительного воздействия бактерий-хемосинтетиков на аммиак, выделяющийся в процессе гниения, с получением азотистой или азотной кислот.

Сам процесс нитрификации проходит в 2 стадии:

• окисление аммиака с образованием нитрит-иона;
• окисление нитрит-иона до нитрат-иона.

Аммиак, который используют нитрифицирующие прокариоты-хемосинтетики, является продуктом гниения останков животных и растений.

Нитрозные и нитритные микроорганизмы

Бактерии принадлежат к различным подклассам протеобактерий. Они все – грамотрицательные хемосинтетики, синтезирующие необходимые органические соединения из углекислого газа. Чаще всего это мелкие и подвижные бактерии, обладающие жгутиками, расположенными или полярно, или перитрихиально.

Гетеротрофная нитрификация

Существует нитрификация бактериями-хемосинтетиками, при которой энергия, выделяющаяся в процессе синтеза, не используется для синтеза органических соединений.

Такой процесс осуществляют бактерии-гетеротрофы.

Их активность во много раз ниже, чем у бактерий-автотрофов, но именно они являются источниками чилийской селитры и всех процессов нитрификации, проходящих в средах с низким значением рН.

Водородные прокариоты

Бактерии, способные окислять водород и использовать высвобождающуюся энергию для синтеза органики. В большинстве своем обитают в почве.

Значение хемосинтетиков

Автотрофные хемосинтетики предстают частью круговорота таких элементов, как азот, сера, железо и другие.

В процессе жизнедеятельности хемолитоавтотрофные бактерии потребляют токсичные вещества (аммиак, сероводород). Особенно важна способность прокариотов обогащать почву нитратами и нитритами – формой азотистых соединений, пригодных для усвоения растениями.

Основы цитологии. Хемосинтез..

Источник: https://probakterii.ru/prokaryotes/species/bakterii-hemosintetiki.html

Хемосинтез | Биология

Хемосинтез — древнейший тип автотрофного питания, который в процессе эволюции мог появиться раньше фотосинтеза. В отличие от фотосинтеза при хемосинтезе первичным источником энергии является не солнечный свет, а химические реакции окисления веществ, обычно неорганических.

Хемосинтез наблюдается только у ряда прокариот. Многие хемосинтетики обитают в недоступных для других организмов местах: на огромных глубинах, в бескислородных условиях.

Хемосинтез в каком-то смысле уникальное явление. Хемосинтезирующие организмы не зависят от энергии солнечного света ни напрямую как растения, ни косвенно как животные. Исключением являются бактерии, окисляющие аммиак, т. к. последний выделяется в результате гниения органики.

Сходство хемосинтеза с фотосинтезом:

• автотрофное питание,
• энергия запасается в АТФ и потом используется для синтеза органических веществ.

Отличия хемосинтеза:

• источник энергии – различные окислительно-восстановительные химические реакции,
• характерен только для ряда бактерий и архей;
• клетки не содержат хлорофилла;
• в качестве источника углерода для синтеза органики используется не только CO2, но также окись углерода (CO), муравьиная кислота (HCOOH), метанол (CH3OH), уксусная кислота (CH3COOH), карбонаты.

Хемосинтетики получают энергию при окислении серы, сероводорода, водорода, железа, марганца, аммиака, нитрита и др. Как видно, используются неорганические вещества.

В зависимости от окисляемого субстрата для получения энергии хемосинтетиков делят на группы: железобактерии, серобактерии, метанообразующие археи, нитрифицирующие бактерии и др.

Хемотрофы играют важную роль в круговороте веществ, особенно азота, поддерживают плодородие почв.

Железобактерии

Представители железобактерий: нитчатые и железоокисляющие лептотриксы, сферотиллюсы, галлионеллы, металлогениумы.

Распространены в пресных и морских водоемах. Образуют отложения железных руд.

Окисляют двухвалентное железо до трехвалентного:

4FeCO3 + O2 + 6H2O → Fe(OH)3 + 4CO2 + E (энергия)

Кроме энергии в этой реакции получается углекислый газ, который связывается в органические вещества.

Кроме бактерий окисляющих железо, существуют бактерии окисляющие марганец.

Серобактерии

Серобактерии также называются тиобактериями. Это достаточно разнообразная группа микроорганизмов. Есть представители получающие энергию как от солнца (фототрофы), так и путем окисления соединений с восстановленной серой – пурпурные и зеленые серобактерии, некоторые цианеи.

2S + 3O2 + 2H2O → 2H2SO4 + E

В анаэробных условиях в качестве акцептора водорода используют нитрат.

Бесцветные серобактерии (беггиаты, тиотриксы, ахроматиумы, макромонасы, акваспириллюмы) обитают в содержащих сероводород водоемах. Они 100%-ые хемосинтетики. Окисляют сероводород:

2H2S + O2 → 2H2O + 2S + E

Образующаяся в результате реакции сера накапливается в бактериях или выделяется в окружающую среду в виде хлопьев. Если сероводорода недостаточно, что эта сера может также окисляться (до серной кислоты, см. реакцию выше).

Вместо сероводорода могут также окисляться сульфиды и др.

Нитрифицирующие бактерии

Типичные представители: азотобактер, нитрозомонас, нитрозоспира.

Нитрифицирующие бактерии обитают в почве и водоемах. Энергию получают за счет окисления аммиака и азотистой кислоты, поэтому играют важную роль в круговороте азота.

Аммиак образуется при гниении белков. Окисление бактериями аммиака приводит к образованию азотистой кислоты:

2NH3 + 3O2 → HNO2 + 2H2O + E

Другая группа бактерий окисляет азотистую кислоту до азотной:

2HNO2 + O2 → 2HNO3 + E

Две реакции не равноценны по выделению энернгии. Если при окислении аммиака выделяется более 600 кДж, то при окислении азотистой кислоты – только около 150 кДж.

Азотная кислота в почве образует соли — нитраты, которые обеспечивают плодородие почвы.

Водородные бактерии

В основном распространены в почве. Окисляют водород, образующийся при анаэробном разложении органики микроорганизмами.

2H2 + O2 → 2H2O + E

Данная реакция катализируется ферментом гидрогеназой.

Метанобразующие археи и бактерии

Типичные представители: метанобактерии, метаносарцины, метанококки.

Археи строгие анаэробы, обитают в бескислородной среде.

Хемосинтез идет без участия кислорода. Чаще всего восстанавливают углекислый газ до метана водородом:

CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O + E

Источник: https://biology.su/molecular/chemosynthesis

Хемосинтез – уникальный процесс питания бактерий

Содержание:

История открытия хемосинтеза

Хемосинтез и фотосинтез: сходства и различия

Энергия хемосинтеза

Значение хемосинтеза в природе

Реакции хемосинтеза

Хемосинтез, видео

Процесс хемосинтеза в биологии представляет собой в некотором смысле уникальное явление, ведь это необычный тип питания бактерий, основанный на усвоении углекислого газа СО2 благодаря окислению неорганических соединений.

Причем что интересно, по мнению ученых, хемосинтез это древнейший тип автотрофного питания (такого питания, когда организм сам синтезирует органические вещества из неорганических), который мог появиться даже раньше нежели фотосинтез.

История открытия хемосинтеза

Как биологическое явление хемосинтез бактерий был открыт русским биологом С. Н. Виноградским в 1888 году. Ученый доказал способность некоторых бактерий выделять углеводы используя химическую энергию. Им же был выделен ряд особых хемосинтизирующих бактерий, среди которых наиболее заметными являются серобактерии, железобактерии и нитрифицирующие бактерии.

Хемосинтез и фотосинтез: сходства и различия

Давайте теперь разберем в чем сходство хемосинтеза и фотосинтеза, а в чем различия между ними.

Сходство:

• Как хемосинтез, так и фотосинтез являются типами автотрофного питания, когда организм выделяет органические вещества из неорганических.
• Энергия такой реакции запасается в аденозинтрифосфорной кислоте (сокращено АТФ) и впоследствии используется для синтеза органических веществ.

Отличие фотосинтеза от хемосинтеза:

• У них разный источник энергии, и как следствие разные окислительно-восстановительных реакции. При хемосинтезе первичным источником энергии является не солнечный свет, а химические реакции по окислению определенных веществ.
• Хемосинтез характерен исключительно для бактерий и арей.
• При хемосинтезе клетки бактерий не содержат хлорофилла, при фотосинтезе наоборот – содержат.
• Источником углерода для синтеза органики при хемосинтезе может быть не только лишь углекислый газ, но и окись углерода (СО), муравьиная кислота, уксусная кислота, метанол и карбонаты.

Энергия хемосинтеза

Свою энергию бактерии хемосинтетики получают благодаря окислению водорода, марганца, железа, серы, аммиака и т. д. В зависимости от окисляемого субстрата упомянутые нами выше бактерии и получили свои названия: железобактерии, серобактерии, метанобразующие археи, нитрифицирующие бактерии, ну и так далее.

Значение хемосинтеза в природе

Хемотрофы – организмы, получающие жизненную энергию благодаря хемосинтезу, играют важную роль в круговороте веществ, особенно азота, в частности они поддерживают плодородность почв. Также благодаря деятельности бактерий-хемосинтетиков в природных условиях накапливаются большие запасы руды и селитры.

Реакции хемосинтеза

Теперь давайте более детально разберем существующие реакции хемосинтеза, все они отличаются в зависимости от бактерий-хемосинтетиков.

Железобактерии

К ним относятся нитчатые и железоокисляющие лептотриксы, сферотиллюсы, галлионеллы, металлогениумы. Обитают они в пресных и морских водоемах. Благодаря реакции хемосинтеза образуют отложения железных руд путем окисления двухвалентного железа в трехвалентное.

4FeCO3 + O2 + 6H2O → Fe(OH)3 + 4CO2 + E (энергия)

Помимо энергии в этой реакции образуется углекислый газ. Также помимо бактерий окисляющих железо, есть бактерии окисляющие марганец.

Серобактерии

Иное их название – тиобактерии, представляют собой весьма большую группу микроорганизмов. Как это следует из их названия, эти бактерии получают энергию путем окисления соединений с восстановленной серой.

2S + 3O2 + 2H2O → 2H2SO4 + E

Полученная в результате реакции сера может, как накапливаться в самих бактериях, так и выделятся в окружающую среду в виде хлопьев.

Нитрифицирующие бактерии

Эти бактерии, обитающие в земле и воде, свою энергию получают за счет аммиака и азотистой кислоты, именно они играют очень важную роль в кругообороте азота.

2NH3 + 3O2 → HNO2 + 2H2O + E

Азотистая кислота, полученная при такой реакции, образует в земле соли и нитраты, способствующие ее плодородию.

Хемосинтез, видео

И в завершение образовательное видео о сути хемосинтеза.

Источник: http://www.poznavayka.org/biologiya/hemosintez-unikalnyiy-protsess-pitaniya-bakteriy/

Фотосинтез и хемосинтез

Фотосинтез — процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов.

Хемосинтез — способ автотрофного питания, при котором источником энергии для синтеза органических веществ из CO2 служат реакции окисления неорганических соединений

Обычно все организмы, способные из неорганических веществ синтезировать органические, т.е. организмы, способные к фотосинтезу и хемосинтезу, относят к автотрофам.

К автотрофам традиционно относят растения и некоторые микроорганизмы.

Кратко мы говорили о фотосинтезе в ходе рассматрения строения растительной клетки, давайте разберем весь процесс поподробнее…

Суть фотосинтеза

(суммарное уравнение)

Основное вещество, участвующее в многоступенчатом процессе фотосинтеза — хлорофилл. Именно оно трансформирует солнечную энергию в химическую.

Хлорофилл встроен  в граны хлоропластов:

Световая фаза фотосинтеза:

(осуществляется на мембранах тилакойдов)

• Свет, попав на молекулу хлорофилла, поглощается им и приводит его в возбужденное состояние — электрон, входящий в состав молекулы, поглотив энергию света, переходит на более высокий энергетический уровень и участвует в процессах синтеза;
• Под действием света так же происходит расщепление (фотолиз) воды:

 

 

 Кислород при этом удаляется во внешнюю среду, а протоны накапливаются внутри тилакоида в «протонном резервуаре»

2Н+ + 2е— + НАДФ → НАДФ·Н2

НАДФ — это специфическое вещество, кофермент, т.е. катализатор, в данном случае — переносчик водорода.

• синтезируется АТФ (энергия)

Темновая фаза фотосинтеза

(протекает в стромах хлоропластов)

собственно синтез глюкозы

происходит цикл реакций, в которых образуется С6H12O6. В этих реакциях используются энергии АТФ и НАДФ·Н2, образованных в световую фазу; rроме глюкозы, в процессе фотосинтеза образуются другие мономеры сложных органических соединений — аминокислоты, глицерин и жирные кислоты, нуклеотиды

Обратите внимание: темновой эта фаза называется не потому что идет ночью — синтез глюкозы происходит, в общем-то, круглосуточно, но для темновой фазы уже не нужна световая энергия.

“Фотосинтез — это процесс, от которого в конечной инстанции зависят все проявления жизни на нашей планете”.

К.А.Тимирязев.

В результате фотосинтеза на Земле образуется около 150 млрд т органического вещества и выделяется около 200 млрд т свободного кислорода в год.

Кроме того, растения вовлекают в круговорот миллиарды тонн азота, фосфора, серы, кальция, магния, калия и других элементов.

 

Хемосинтез

Хемосинтез осуществляется за счет энергии, выделяющейся при химических реакциях окисления различных неорганических соединений: водорода, сероводорода, аммиака, оксида железа (II) и др.

Соответственно веществам, включенным в метаболизм бактерий, существуют:

• серобактерии — микроорганизмы водоемов, содержащих H2S — источники с очень характерным запахом,
• железобактерии,
• нитрифицирующие бактерии — окисляют аммиак и азотистую кислоту,
• азотфиксирующие бактерии — обогащают почвы, чрезвычайно повышают урожайность,
• водородокисляющие бактерии

Но суть остается та же — это тоже автотрофное питание , так же запасается энергия  и это запас в виде молекул АТФ. 

Этот тип синтеза используется ТОЛЬКО бактериями.

Хемосинтетики — единственные организмы на земле, не зависящие от энергии солнечного света.

Поэтому бактерии, «практикующие» хемосинтез, могут жить на любой глубине океанов.

По современным оценкам, биомасса «подземной биосферы», которая находится, в частности, под морским дном и включает хемосинтезирующих анаэробных  архебактерий, может превышать биомассу остальной биосферы

Как видите,  фотосинтез и хемосинтез — две формы пластического обмена, при котором из неорганических веществ образуются органические вещества.

 

• примеры воспросов ЕГЭ по теме
• вопросы ОГЭ

Обсуждение: “Фотосинтез и хемосинтез”

(Правила комментирования)

Источник: https://distant-lessons.ru/fotosintez-i-xemosintez.html

Фотосинтез и хемосинтез

Все живые существа нуждаются в пище и питательных веществах. Питаясь, они используют энергию, запасенную, прежде всего, в органических соединениях – белках, жирах, углеводах. Гетеротрофные организмы используют пищу растительного и животного происхождения, уже содержащую органические соединения. Растения же создают органические вещества в процессе фотосинтеза.

Исследования в области фотосинтеза начались в 1630 г. экспериментами голландца ван Гельмонта. Он доказал, что растения получают органические вещества не из почвы, а создают их самостоятельно.

Джозеф Пристли в 1771 г. доказал «исправление» воздуха растениями. Помещенные под стеклянный колпак они поглощали углекислый газ, выделяемый тлеющей лучиной.

В настоящее время установлено, что фотосинтез – это процесс образования органических соединений из СО2 и воды с использованием энергии света и проходящий в хлоропластах зеленых растений и зеленых пигментах некоторых фотосинтезирующих бактерий.

Хлоропласты и складки цитоплазматической мембраны прокариот содержат зеленый пигмент – хлорофилл, молекула которого способна возбуждаться под действием солнечного света, отдавать свои электроны и перемещать их на более высокие энергетические уровни.

Этот процесс можно сравнить с подброшенным вверх мячом. Поднимаясь, мяч запасается потенциальной энергией; падая, он теряет ее. Электроны не падают обратно, а подхватываются переносчиками электронов (НАДФ+ – никотина-миддифосфат).

При этом энергия, накопленная ими ранее, частично расходуется на образование АТФ. Продолжая сравнение с подброшенным мячом, можно сказать, что мяч, падая, нагревает окружающее пространство, а часть энергии падающих электронов запасается в виде АТФ.

Световая фаза – это этап, на котором поглощенная хлорофиллом энергия света преобразуется в электрохимическую энергию в цепи переноса электронов. Осуществляется на свету, в мембранах гран при участии белков – переносчиков и АТФ-синтетазы.

Реакции, вызываемые светом, происходят на фотосинтетических мембранах гран хлоропластов:
1) возбуждение электронов хлорофилла квантами света и их переход на более высокий энергетический уровень;
2) восстановление акцепторов электронов – НАДФ+ до НАДФ • Н
2Н+ + 4е- + НАДФ+ → НАДФ • Н;

3) фотолиз воды: 2Н2О → 4Н+ + 4е- + О2.

Данный процесс происходит внутри тилакоидов – складок внутренней мембраны хлоропластов, из которых формируются граны – стопки мембран.

Результаты световых реакций:
– фотолиз воды с образованием свободного кислорода, синтез АТФ,

– восстановление НАДФ+ до НАДФ • Н.

Темновая фаза – процесс преобразования СО2 в глюкозу в строме (пространстве между гранами) хлоропластов с использованием энергии АТФ и НАДФ • Н.

Результат темновых реакций: превращение углекислого газа в глюкозу, а затем в крахмал. Помимо молекул глюкозы в строме происходит образование, аминокислот, нуклеотидов, спиртов.

Суммарное уравнение фотосинтеза

6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2

Значение фотосинтеза:
образуется свободный кислород, который необходим для дыхания организмов и образования защитного озонового экрана (предохраняющего организмы от вредного воздействия ультрафиолетового излучения); производство исходных органических веществ — пищи для всех живых существ; снижение концентрации диоксида углерода в атмосфере.

Хемосинтез – образование органических соединений из неорганических за счет энергии окислительно – восстановительных реакций соединений водорода, азота, железа, серы.

Роль хемосинтеза: бактерии – хемосинтетики разрушают горные породы, очищают сточные воды, участвуют в образовании полезных ископаемых.

Источник: http://in-natura.ru/fotosintez-i-hemosintez/

Как и где происходит процесс фотосинтеза у растений?

Каждое живое существо на планете нуждается в пище или энергии, чтобы выжить. Некоторые организмы питаются другими существами, тогда как другие могут производить свои собственные питательные элементы. Растения сами производят продукты питания, глюкозу, в процессе, который называется фотосинтезом.

Фотосинтез и дыхание взаимосвязаны. Результатом фотосинтеза является глюкоза, которая хранится как химическая энергия в растительных клетках. Эта накопленная химическая энергия получается в результате превращения неорганического углерода (углекислого газа) в органический углерод. Процесс дыхания высвобождает накопленную химическую энергию.

Помимо продуктов, которые они производят, растениям также необходим углерод, водород и кислород, чтобы выжить. Вода, поглощенная из почвы, обеспечивает водород и кислород.

В дополнение к этому, они нуждаются в магнии для производства хлорофилла.

Заметка: Живые существа, которые зависят от других продуктов питания называются гетеротрофами. Травоядные, такие как коровы, а также растения, питающиеся насекомыми, являются примерами гетеротрофов. Живые существа, производящие собственную пищу, называются автотрофами. Зеленые растения и водоросли – примеры автотрофов.

В этой статье вы узнаете больше о том, как происходит фотосинтез у растений и об необходимы для этого процесса условиях.

Определение фотосинтеза

Фотосинтез – это химический процесс, посредством которого растения, некоторые бактерии и водоросли производят глюкозу и кислород из углекислого газа и воды, используя только свет в качестве источника энергии.

Этот процесс чрезвычайно важен для жизни на Земле, поскольку благодаря ему выделяется кислород, от которого зависит вся жизнь.

Зачем растениям нужна глюкоза (пища)?

Подобно людям и другим живым существам, растения также нуждаются в питании для поддержания жизнедеятельности. Значение глюкозы для растений заключается в следующем:

• Глюкоза, полученная в результате фотосинтеза, используется во время дыхания для высвобождения энергии, необходимой растению для других жизненно важных процессов.
• Растительные клетки также превращают часть глюкозы в крахмал, который используют по мере необходимости. По этой причине мертвые растения используются в качестве биомассы, ведь в них хранится химическая энергия.
• Глюкоза также необходима, чтобы производить другие химические вещества, такие как белки, жиры и растительные сахара, необходимые для обеспечения роста и других важных процессов.

Фазы фотосинтеза

Процесс фотосинтеза разделен на две фазы: световую и темновую.

Световая фаза фотосинтеза

Как следует из названия, световые фазы нуждаются в солнечном свете. В светозависимых реакциях энергия солнечного света поглощается хлорофиллом и преобразуется в запасенную химическую энергию в виде молекулы электронного носителя НАДФН (никотинамидадениндинуклеотидфосфат) и молекулы энергии АТФ (аденозинтрифосфат). Световые фазы протекают в тилакоидных мембранах в пределах хлоропласта.

Темновая фаза фотосинтеза или цикл Кальвина

В темновой фазе или цикле Кальвина возбужденные электроны из световой фазы обеспечивают энергию для образования углеводов из молекул углекислого газа. Не зависящие от света фазы иногда называют циклом Кальвина из-за цикличности процесса.

Хотя темновые фазы не используют свет в качестве реагента (и, как результат, могут происходить днем или ночью), им необходимо, чтобы продукты светозависимых реакций функционировали.

Независимые от света молекулы зависят от молекул энергоносителей – АТФ и НАДФН – для создания новых молекул углеводов. После передачи энергии молекулы энергоносители возвращаются к световым фазам для получения более энергичных электронов.

Кроме того, несколько ферментов темновой фазы активируются с помощью света.

Схема фаз фотосинтеза

Заметка: Это означает, что темновые фазы не будут продолжаться, если растения будут лишены света слишком долго, так как они используют продукты световых фаз.

Строение листьев растений

Мы не можем полностью изучить фотосинтез, не зная больше о строении листа. Лист адаптирован для того, чтобы играть жизненно важную роль в процессе фотосинтеза.

Внешнее строение листьев

Одной из самых главных особенностей растений является большая площадь поверхности листьев. Большинство зеленых растений имеют широкие, плоские и открытые листья, которые способны захватывать столько солнечной энергии (солнечного света), сколько необходимо для фотосинтеза.

• Центральная жилка и черешок

Центральная жилка и черешок соединяются вместе и являются основанием листа. Черешок располагает лист таким образом, чтобы он получал как можно больше света.

Простые листья имеют одну листовую пластину, а сложные – несколько. Листовая пластинка – одна из самых главных составляющих листа, которая непосредственно участвует в процессе фотосинтеза.

Сеть жилок в листьях переносит воду от стеблей к листьям. Выделяемая глюкоза также направляется в другие части растения из листьев через жилки. Кроме того, эти части листа поддерживают и удерживают листовую пластину плоской для большего захвата солнечного света. Расположение жилок (жилкование) зависит от вида растения.

В зависимости от вида растения, край листа может иметь различную форму, включая: цельнокрайнюю, зубчатую, пильчатую, выемчатую, городчатую и т.п.

Как и край листа, верхушка бывает различной формы, включая: острую, округлую, туповатую, вытянутую, оттянутою и т.д.

Внутреннее строение листьев

Ниже представлена ​​близкая схема внутреннего строения тканей листьев:

Кутикула выступает главным, защитным слоем на поверхности растения. Как правило, она толще на верхней части листа. Кутикула покрыта веществом, похожим на воск, благодаря которому защищает растение от воды.

Эпидермис – слой клеток, который является покровной тканью листа. Его главная функция – защита внутренних тканей листа от обезвоживания, механических повреждений и инфекций. Он также регулирует процесс газообмена и транспирации.

Мезофилл – это основная ткань растения. Здесь происходит процесс фотосинтеза. У большинства растений мезофилл разделен на два слоя: верхний – палисадный и нижний – губчатый.

Фотосинтез зависит от проникновения углекислого газа (CO2) из воздуха через устьица в ткани мезофилла. Кислород (O2), полученный как побочный продукт фотосинтеза, выходит из растения через устьица.

Когда устьица открытые, вода теряется в результате испарения и должна быть восполнена через поток транспирации, водой, поглощенной корнями.

Растения вынуждены уравновешивать количество поглощенного СО2 из воздуха и потерю воды через устьичные поры.

Условия, необходимые для фотосинтеза

Ниже приведены условия, которые необходимы растениям для осуществления процесса фотосинтеза:

• Углекислый газ. Бесцветный природный газ без запаха, обнаруженный в воздухе и имеет научное обозначение CO2. Он образуется при горении углерода и органических соединений, а также возникает в процессе дыхания.
• Вода. Прозрачное жидкое химическое вещество без запаха и вкуса (в нормальных условиях).
• Свет. Хотя искусственный свет также подходит для растений, естественный солнечный свет, как правило, создает лучшие условия для фотосинтеза, потому что в нем присутствует природное ультрафиолетовое излучение, которое оказывает положительное влияние на растения.
• Хлорофилл. Это зеленый пигмент, найденный в листьях растений.
• Питательные вещества и минералы. Химические вещества и органические соединения, которые корни растений поглощают из почвы.

Что образуется в результате фотосинтеза?

(Световая энергия показана в скобках, поскольку она не является веществом)

Заметка: Растения получают CO2 из воздуха через их листья, и воду из почвы через корни. Световая энергия исходит от Солнца. Полученный кислород выделяется в воздух из листьев. Получаемую глюкозу можно превратить в другие вещества, такие как крахмал, который используется как запас энергии.

Если факторы, способствующие фотосинтезу, отсутствуют или присутствуют в недостаточном количестве, это может негативно повлиять на растение. Например, меньшее количество света создает благоприятные условия для насекомых, которые едят листья растения, а недостаток воды замедляет.

Где происходит фотосинтез?

Фотосинтез происходит внутри растительных клеток, в мелких пластидах, называемых хлоропластами. Хлоропласты (в основном встречающиеся в слое мезофилла) содержат зеленое вещество, называемое хлорофиллом. Ниже приведены другие части клетки, которые работают с хлоропластом, чтобы осуществить фотосинтез.

Строение растительной клетки

Функции частей растительной клетки

• Клеточная стенка: обеспечивает структурную и механическую поддержку, защищает клетки от патогенов, фиксирует и определяет форму клетки, контролирует скорость и направление роста, а также придает форму растениям.
• Цитоплазма: обеспечивает платформу для большинства химических процессов, контролируемых ферментами.
• Мембрана: действует как барьер, контролируя движение веществ в клетку и из нее.
• Хлоропласты: как было описано выше, они содержат хлорофилл, зеленое вещество, которое поглощает световую энергию в процессе фотосинтеза.
• Вакуоль: полость внутри клеточной цитоплазмы, которая накапливает воду.
• Клеточное ядро: содержит генетическую марку (ДНК), которая контролирует деятельность клетки.

Хлорофилл поглощает световую энергию, необходимую для фотосинтеза. Важно отметить, что поглощаются не все цветовые длины волны света. Растения в основном поглощают красную и синюю волны – они не поглощают свет в зеленом диапазоне.

Углекислый газ в процессе фотосинтеза

Растения получают углекислый газ из воздуха через их листья. Углекислый газ просачивается через маленькое отверстие в нижней части листа – устьицу.

Нижняя часть листа имеет свободно расположенные клетки, чтобы углекислый газ достиг других клеток в листьях. Это также позволяет кислороду, образующемуся при фотосинтезе, легко покидать лист.

Углекислый газ присутствует в воздухе, которым мы дышим, в очень низких концентрациях и служит необходимым фактором темновой фазы фотосинтеза.

Свет в процессе фотосинтеза

Лист обычно имеет большую площадь поверхности, поэтому он может поглощать много света. Его верхняя поверхность защищена от потери воды, болезней и воздействия погоды восковым слоем (кутикулой). Верх листа находится там, где падает свет. Этот слой мезофилла называется палисадным. Он приспособлен для поглощения большого количества света, ведь в нем находится много хлоропластов.

В световых фазах, процесс фотосинтеза увеличивается с большим количеством света. Больше молекул хлорофилла ионизируется, и больше генерируется АТФ и НАДФН, если световые фотоны сосредоточены на зеленом листе. Хотя свет чрезвычайно важен в световых фазах, необходимо отметить, что чрезмерное его количество может повредить хлорофилл, и уменьшить процесс фотосинтеза.

Световые фазы не слишком сильно зависят от температуры, воды или углекислого газа, хотя все они нужны для завершения процесса фотосинтеза.

Вода в процессе фотосинтеза

Растения получают воду, необходимую для фотосинтеза через свои корни. Они имеют корневые волоски, которые разрастаются в почве. Корни характеризуются большой площадью поверхности и тонкими стенками, что позволяет воде легко проходить сквозь них.

На изображении представлены растения и их клетки с достаточным количеством воды (слева) и ее нехваткой (справа).

Заметка: Корневые клетки не содержат хлоропластов, поскольку они, как правило, находятся в темноте и не могут фотосинтезировать.

Если растение не впитывает достаточное количество воды, оно увядает. Без воды, растение будет не способно фотосинтезировать достаточно быстро, и может даже погибнуть.

Какое значение имеет вода для растений?

• Обеспечивает растворенными минералами, которые поддерживают здоровье растений;
• Является средой для транспортировки минеральных ресурсов;
• Поддерживает устойчивость и прямостояние;
• Охлаждает и насыщает влагой;
• Дает возможность проводить различные химические реакции в растительных клетках.

Значение фотосинтеза в природе

Биохимический процесс фотосинтеза использует энергию солнечного света для преобразования воды и углекислого газа в кислород и глюкозу.

Глюкоза используется в качестве строительных блоков в растениях для роста тканей. Таким образом, фотосинтез – это способ, благодаря которому формируются корни, стебли, листья, цветы и плоды.

Без процесса фотосинтеза растения не смогут расти или размножаться.

Из-за фотосинтетической способности, растения известны как продуценты и служат основой почти каждой пищевой цепи на Земле. (Водоросли являются эквивалентом растений в водных экосистемах). Вся пища, которую мы едим, происходит от организмов, являющихся  фотосинтетиками. Мы питаемся этими растениями напрямую или едим животных, таких как коровы или свиньи, которые потребляют растительную пищу.

Внутри водных систем, растения и водоросли также составляют основу пищевой цепи. Водоросли служат пищей для беспозвоночных, которые, в свою очередь, выступают источником питания для более крупных организмов. Без фотосинтеза в водной среде жизнь была бы невозможна.

• Удаление углекислого газа

Фотосинтез превращает углекислый газ в кислород. Во время фотосинтеза углекислый газ из атмосферы поступает в растение, а затем выделяется в виде кислорода. В сегодняшнем мире, где уровни двуокиси углерода растут ужасающими темпами, любой процесс, который устраняет углекислый газ из атмосферы, является экологически важным.

• Круговорот питательных веществ

Растения и другие фотосинтезирующие организмы играют жизненно важную роль в круговороте питательных веществ. Азот в воздухе фиксируется в растительных тканях и становится доступным для создания белков. Микроэлементы, находящиеся в почве, также могут быть включены в растительную ткань и стать доступными для травоядных животных, дальше по пищевой цепи.

• Фотосинтетическая зависимость

Фотосинтез зависит от интенсивности и качества света. На экваторе, где солнечный свет обилен весь год и вода не является ограничивающим фактором, растения имеют высокие темпы роста, и могут стать довольно большими. И наоборот, фотосинтез в более глубоких частях океана встречается реже, поскольку свет не проникает в эти слои, и в результате эта экосистема оказывается более бесплодной.

Оставьте свой комментарий к этой статье. Мы ценим Ваше мнение! (форма комментирования расположена ниже)

Оставьте свой комментарий к этой статье. Мы ценим Ваше мнение! (форма комментирования расположена ниже)

Источник: https://natworld.info/raznoe-o-prirode/kak-i-gde-proishodit-process-fotosinteza-u-rastenij

Хемосинтез

Хемосинтез

Хемосинтез – это синтез органических
веществ с помощью энергии, генерируемой
окислением неорганических соединений,
например, аммиака, оксида железа,
сероводорода. Хемосинтез был открыт
С.Н. Виноградским в 1889 – 1890 гг. Его
осуществляют бактерии разных видов.
С.Н.

Виноградским была показана роль
нитрифицирующих бактерий. Они являются
обитателями почвы. Эти бактерии получают
энергию окислением аммиака, образующегося
в почве в результате разложения белков
(остатков животных и растений).

Реакция
окисления аммиака может быть описана
следующим уравнением:

2NH3+3O2→2HNO2+2H2O

В этой реакции выделяется энергия в
количестве 662 кДж. Образующаяся в ходе
этой реакции азотистая кислота окисляется
нитрифицирующими бактериями другого
вида до азотной кислоты с выделением
энергии в количестве 101 кДж. Эта реакция
описывается следующим уравнением:

2HNO2+O2→2HNO3

энергия, высвобождаемая в этих реакциях,
используется для синтеза органических
веществ.

Серобактерии получают энергию, окисляя
сероводород:

2H2S+O2
→2H2O+2S+энергия.

Образующаяся в результате этой реакции
свободная сера накапливается в цитоплазме
серобактерий. Если недостает далее
сероводорода, то происходит окисление
свободной серы в бактериальной цитоплазме
с дальнейшим освобождением энергии:

2S+3O2+2H2O→2H2SO4+
энергия.

Эта энергия используется для синтеза
органических веществ из углекислого
газа.

Хемосинтезирующие бактерии окисляют
также соединения железа и марганца.
Считают, что образование залежей железных
и марганцевых руд является результатом
деятельности микроорганизмов в прошлые
геологические эпохи (В.И. Вернадский).

Тип организмов	Источник энергии	Доноры электронов	Конечные акцепторы электронов	Примеры организмов
фотолитотрофы	свет	Неорганические соединения (H2O,H2S, S2)	–	Зеленые клетки высших растений, синезеленые водоросли, цианобактерии, большинство пурпурных и зеленых серобактерий.
фотоорганотрофы	свет	Органические соединения	–	Несерные пурпурные бактерии, галобактерии.
хемолитотрофы	ОВР	Неорганические соединения(H2,H2S, S, Fe2+ NH3)	O2,CO2, SO42-	Тионовые, сульфатвосстанавливающие, водородные, железные, метанобразующие и денитрифицирующие бактерии.
хемоорганотрофы	ОВР	Органические соединения (например, глюкоза)	O2 и органические соединения	Все высшие животные, бóльшая часть бактерий, грибы, нефотосинтезирующие клетки растений.

Все живые организмы можно разделить
на две большие группы в зависимости от
того, в какой химической форме они
получают углерод из окружающей среды.

Автотрофы – самостоятельно питающиеся
– могут использовать в качестве
единственного источника углерода оксид
углерода CO2, из которого они
способны образовывать все свои
углеродсодержащие соединения. К
автотрофам относятся растения,
фотосинтезирующие и хемосинтезирующие
бактерии.

Процесс хемосинтеза, т.е.
ассимиляции CO2за счет энергии,
выделяемой при окислении неорганических
соединений, впервые был открыт Виноградским
С.Н.

Гетеротрофы должны получать углерод
в виде готовых достаточно сложных
органических соединений (например,
углеводов). Сюда относятся животные и
большинство микроорганизмов.

гетеротрофный организм нуждается в
готовых органических соединениях.

Живые организмы можно также классифицировать
по источникам получения энергии. Для
большой группы фототрофов непосредственным
энергетическим ресурсом является свет.
Они используют энергию солнечного света
для образования высокоэнергетических
соединений, которые служат своеобразными
аккумуляторами энергии. Сюда относятся
высшие растения, водоросли, фотосинтезирующие
бактерии.

Хемотрофы в качестве источника энергии
используют окислительно – восстановительные
реакции. Хемотрофами являются животные,
бóльшая часть микроорганизмов. Этот
способ получения энергии свойственен
и нефотосинтезирующим клеткам растений.

Как фототрфы, так и хемотрофы можно, в
свою очередь, разделить на группы в
зависимости от того, какие вещества
являются донорами электронов в
окислительно – восстановительных
процессах. У литотрофов таковыми служат
неорганические соединения, у органотрофов
– органические.

Таким образом, в
зависимости от используемых источников
энергии и доноров электронов можно
выделить четыре основных типа организмов.

Хемотрофные организмы группируют и по
виду акцепторов электронов. В тех
случаях, когда для окисления используется
кислород, имеет место аэробный, или
дыхательный, тип энергетики. При
анаэробном типе энергетического обмена
в роли окислителя выступает не кислород,
а ряд других веществ, т.е. другие акцепторы
электронов.

Многие организмы могут существовать
как в аэробных, так и в анаэробных
условиях. В аэробных условиях они
используют в качестве акцептора
электронов кислород, т.е. осуществляют
процесс дыхания. В анаэробных условиях
акцепторами электронов у них служат
органические вещества, происходит
брожение. Такие организмы называют
факультативными анаэробами.

К ним
относится большинство органотрофных
клеток (дрожжи, клетки высших организмов).
При наличии в среде кислорода они
предпочитают использовать его. Анаэробы,
не способные использовать кислород,
называются облигатными анаэробами.
Кислород для них ядовит.

Поскольку весь свободный кислород,
содержащийся в атмосфере Земли,
образовался в результате процесса
фотосинтеза, очевидно, что анаэробный
тип энергетики является более древним,
чем аэробный. Таким образом, брожение
– процесс более древний, чем дыхание.

Известный русский микробиолог С.Н.

Виноградский показал (1885 – 1895) что
органические вещества синтезируются
в природе не только путем фотосинтеза
в зеленых растениях, но и бактериями,
не содержащими хлорофилла. Энергию,
необходимую для синтеза органических
соединений, эти бактерии получают при
окислении различных неорганических
соединений: железо, азот, сера, водород,
сурьма, марганец.

Этот процесс называется
хемосинтезом. Некоторые хемосинтетики
используют в качестве доноров водорода
простейшие органические вещества –
метан, метанол и пр.

У многих хемосинтезирующих бактерий
цикл Кальвина – главный, но не единственный
путь образования органических веществ.

Источник: https://StudFiles.net/preview/2854616/

Как живут организмы, которым не нужен солнечный свет

В 1979 году на дне Тихого океана вблизи выходов горячих подземных вод были обнаружены скопления крайне необычных животных, многие из которых ранее не были известны науке. Эти густонаселенные сообщества, похожие на оазисы жизни посреди пустынного океанского дна, активно изучаются более 30 лет, однако ранее неизвестного открывается все больше.

О последних открытиях в изучении гидротермальных морских сообществ рассказывает сотрудник кафедры зоологии беспозвоночных биологического факультета Московского государственного университета кандидат биологических наук Вячеслав Иваненко:

– Так называемые гидротермальные сообщества сегодня очень активно исследуются. Открытия происходят в этой области буквально каждый день. Мы постоянно находим новые виды, новые гидротермальные поля, получаем новые результаты, связанные с изучением молекулярной биологии и с изучением взаимоотношений животных в этих сообществах. Даже если бы мы говорили на эту тему каждый месяц, все равно можно было бы сообщить о новых открытиях.

– Что представляют собой эти гидротермальные сообщества и в чем их уникальность?

– До открытия этих сообществ считалось, что на дне мирового океана, на больших глубинах жизнь представлена скудно, разнообразие маленькое и биомасса в этих сообществах очень небольшая. А в 1979 году, когда были открыты эти уникальные сообщества, ученые испытали огромное потрясение. Вообще описать словами то, что происходит в гидротермальных сообществах, невозможно – это нужно видеть. На дне моря, вокруг подводных вулканов, где выбрасывается горячая вода, формируется уникальное природное сообщество. Животные, которые живут в этих сообществах, являются своего рода экстремалами. Живущие там бактерии используют метан и сероводород для того, чтобы образовывать органические вещества. Но энергия, которая требуется для образования органики, имеет не солнечное происхождение: на глубине не может идти процесс фотосинтеза. Эти уникальные бактерии, делают ничто иное, как окисляют метан или сероводород.

– Нужен ли бактериям, живущим на дне моря, кислород?

– Многоклеточные животные и растения все без исключения зависят от кислорода. Для того чтобы поддерживать свою жизнедеятельность, им нужно окислять вещества. А вот бактериям кислород не нужен. Все животные, которые живут в этих сообществах, а там есть черви, раки, рыбы, они питаются органикой, которую производят эти бактерии. Причем бактерии могут жить как внутри организма или на поверхности этих животных, так и на грунте.

В этих подводных сообществах живут, например, большие длинные черви. Они живут в трубках и ведут необычный образ жизни, и имеют необычный способ питания. Питание происходит за счет бактерий, которые живут в специальном органе этого червя, который называется трофосома, и который представляет собой ничто иное, как видоизмененный кишечник. В этом видоизмененном кишечнике находится специальная бактерия, которая использует вещества, плавающие в растворе – это сера и метан, попадающие к бактериям через кровь червей.

– Сколько видов животных на сегодня описано в гидротермальных сообществах?

– Более 500 видов. И все время описываются новые. Причем, были открыты не только новые виды, но и семейства.

– Как веслоногие рачки питаются в гидротермальных сообществах на дне океана?

– Большинство из них питаются именно бактериями. Они живут на пленках, образованных бактериями, так называемых бактериальных матах. Эти рачки буквально пасутся на этих пленках и выедают бактерий. Кроме того, они питаются бактериями, которые могут развиваться на поверхности, скажем, других животных, тех же червей или креветок. В гидротермальных сообществах развивается множество специализированных ракообразных, которые на самом деле являются специализированными креветками. Особенность этих креветок состоит в том, что у них глаза очень сильно изменились. Судя по всему, глаза используются для того, чтобы находить горячие участки. Глаз сместился на спину и находится под непрозрачной прочной оболочкой. Они имеют размер порядка пяти сантиметров. Эти креветки ведут очень подвижный образ жизни. В отличие от червей, которые прикреплены к субстрату и которые могут только наклоняться в сторону горячего источника, чтобы из него получать сероводород, который может быть воспринят кровеносной системой.

А вот креветки, могут «бегать». Более того, этот способ бегания они используют для того, чтобы выращивать на своих лапах бактерии. Эти многочисленные креветки постоянно роятся над поверхностью подводных вулканов и движутся в сторону горячего флюида. Очень долгое время было непонятно, как они питаются. Было две гипотезы, одна гипотеза говорила о том, что они ныряют в агрессивную среду, насыщенную сероводородом, для того, чтобы соскребать с поверхности грунта бактерий, которые на грунте развиваются. Но когда посмотрели подробнее на конечности раков, оказалось, что на них очень много бактерий, и они, скорее всего, культивируют эти бактерии на своих конечностях.

То есть возникает симбиотическая система: креветка постоянно ныряет в горящую среду для того, чтобы создать условия для растущих на ее конечностях бактерий. А потом креветка этими бактериями питается.

А вот, рачки-копеподы, которых я изучаю, имеют размер не больше двух миллиметров, как правило. Они живут между лапками у креветок и таскают бактерий, которые выращивают креветки.

– То есть возникает симбиотическая система: креветки выращивают на своих конечностях бактерии, чтобы ими питаться, а рачки тоже селятся на креветках и подворовывают этих бактерий. Но какая польза креветке от этих рачков?

– Может быть, никакой, а может быть и есть какая-то. Мы же с вами говорим так просто и легко о том, что происходит под водой на глубине три тысячи метров. Но ведь мы пока очень многого не знаем. Для того чтобы понаблюдать за этим сообществом, нужно снарядить специальный корабль, на котором есть находятся глубоководные аппараты, после этого нырнуть на огромную глубину. Это очень дорогое удовольствие. До сих пор позволить это себе может далеко не каждое государство. В России в Институте океанологии есть научно-исследовательский корабль, на котором два глубоководных аппарата. Ни одна другая страна в мире не обладает больше, чем одним аппаратом. И наши аппараты обладают лучшими техническими характеристиками. Я бы хотел обратить внимание на то, что белых пятен в науке и в том числе в исследовании гидротермальных сообществ гораздо больше, чем может показаться. Например, в последние годы начала бурно развиваться гипотеза, что существует не только подводная биосфера, о которой мы сегодня говорим, но и подземная. Речь идет о том, что глубоко под поверхностью Земли существует уникальное сообщество, которое населяют бактерии, формирующие огромную биомассу. А мы даже не догадываемся, какую роль они могут играть в жизни Земли.

Источник: https://www.svoboda.org/a/399336.html