Хемосинтез и фотосинтез сравнение. Хемосинтез – уникальный процесс питания бактерий. Метанобразующие археи и бактерии
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;
в качестве источника углерода для синтеза органики используется не только CO 2 , но также окись углерода (CO), муравьиная кислота (HCOOH), метанол (CH 3 OH), уксусная кислота (CH 3 COOH), 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.
У аэробных хемосинтезирующих организмов акцептором электронов и водорода служит кислород, т. е. он выступает в роли окислителя.
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:
4FeCO 3 + O 2 + 6H 2 O → Fe(OH) 3 + 4CO 2 + 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 + 3O 2 + 2H 2 O → 2H 2 SO 4 + 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:
2H 2 S + O 2 → 2H 2 O + 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:
2NH 3 + 3O 2 → HNO 2 + 2H 2 O + E
Другая группа бактерий окисляет азотистую кислоту до азотной:
2HNO 2 + O 2 → 2HNO 3 + 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.
2H 2 + O 2 → 2H 2 O + 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:
CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O + E
Практическая работа №
Тема: «Сравнение процессов фотосинтеза и хемосинтеза»
Цель: 1) сравнить процессы фотосинтеза и хемосинтеза; 2) выяснить значение фотосинтеза и хемосинтеза для эволюции.
Оборудование и материалы: таблицы и схемы, отражающие суть процессов фотосинтеза и хемосинтеза в клетках автотрофных организмов.
Ход работы:
1. Выявление опорных знаний и умений учащихся, необходимых для проведения работы, повторение основных этапов фотосинтеза, хемосинтеза (по учебникам авторов В.Б. Захарова и Д.К. Беляева «Общая биология 10-11 класс»).
2. Инструктивная беседа об особенностях заполнения сводной таблицы.
Рассмотрите предложенные схемы фотосинтеза и хемосинтеза в клетках. Внимательно изучите этапы фотосинтеза.
Охарактеризуйте процессы фотосинтеза и хемосинтеза. Результаты оформите в таблице:
Признаки для сравнения
Фотосинтез
Хемосинтез
1. Определение понятия
2. Фазы процесса
3. Источник получения органического вещества
4. Источник получения энергии
5. Основные изменения, происходящие в клетке
6. Конечный продукт
7. Представители (примеры организмов с данным типом питания)
3.Тренировочные упражнения.
1) Определите массу образованного при фотосинтезе кислорода, если при этом процессе синтезировано 45 г глюкозы. Молекулярная масса глюкозы равна 180, молекулярная масса кислорода – 32 (ответ: 8 г).
2) На основании правила экологической пирамиды для приращения консументами второго порядка (например, человеком) массы на 1 кг требуется около 100 кг растительной биомассы. Определите массу усвоенного растениями углекислого газа, если при этом было синтезировано 100 кг растительной биомассы (условно принять массу образованной при фотосинтезе глюкозы за растительную биомассу). Молекулярная масса глюкозы равна 180, молекулярная масса углекислого газа – 44 (ответ: 24,4 кг).
3) За сутки один человек массой 60 кг при дыхании потребляет в среднем 30 л кислорода (из расчета 200 см 3 на 1 кг массы за 1 час). Одно 25-летнее дерево – тополь – в процессе фотосинтеза за 5 весенне-летних месяцев поглощает около 42 кг углекислого газа. Определите, сколько таких деревьев обеспечат кислородом одного человека (ответ: 5 деревьев).
5) Проследите и подробно опишите путь следующих превращений:
а) от молекулы СО 2 из воздуха до молекулы крахмала в растительной клетке;
б) от молекулы крахмала в животном, которое съело растение, до молекулы гликогена в животной клетке;
в) от молекулы гликогена в животной клетке до СО 2 и дальше до Н 2 О.
Выводы:
Какие организмы называют автотрофами? Какие типы автотрофного питания существуют в природе?
Каково значение фотосинтеза для всего живого на Земле, для круговорота веществ в природе?
27-Фев-2014 | Один Комментарий | Лолита Окольнова
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 CO 2 служат реакции окисления неорганических соединений
Обычно все организмы, способные из неорганических веществ синтезировать органические, т.е. организмы, способные к фотосинтезу и хемосинтезу , относят к .
К автотрофам традиционно относят и некоторые .
Кратко мы говорили о 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.
На рисунке указано схематическое изображение молекулы хлорофилла, кстати, молекула очень похожа на молекулу гемоглобина…
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·Н 2
НАДФ — это специфическое вещество, кофермент, т.е. катализатор, в данном случае — переносчик водорода.
- синтезируется (энергия)
Темновая фаза фотосинтеза
(протекает в стромах хлоропластов)
собственно синтез глюкозы
происходит цикл реакций, в которых образуется С 6 H 12 O 6 . В этих реакциях используются энергии АТФ и НАДФ·Н 2 , 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. Хотя зеленый лист использует лишь 1-2% падающего на него света, создаваемые растением органические вещества и кислород в целом .
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 H 2 S — 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
Раздел ЕГЭ: 2.5. Обмен веществ и превращения энергии - свойства живых организмов. Энергетический обмен и пластический обмен, их взаимосвязь. Стадии энергетического обмена. Брожение и дыхание. Фотосинтез, его значение, космическая роль. Фазы фотосинтеза. Световые и темновые реакции фотосинтеза, их взаимосвязь. Хемосинтез. Роль хемосинтезирующих бактерий на Земле.
Фотосинтез
Фотосинтез - это процесс преобразования энергии света в энергию химических связей органических соединений с участием хлорофилла. В фотосинтезе различают световые и темновые реакции.
Световая фаза фотосинтеза протекает на мембранах тилакоидов, несущих несколько типов белковых комплексов, основными из которых являются фотосистемы I и II, а также АТФ-синтаза. В состав фотосистем входят пигментные комплексы, в которых, кроме хлорофилла, присутствуют и каротиноиды.
Кроме пигментных комплексов, фотосистемы включают и ряд белков-акцепторов электронов, которые последовательно передают друг другу электроны от молекул хлорифилла. Последовательность этих белков называется электронтранспортной цепью хлоропластов. С фотосистемой II также ассоциирован кислородвыделяющий белковый комплекс.
В световой фазе кванты света, или фотоны, попадающие на молекулы хлорофилла, расположенные на мембранах тилакоидов, переводят их в возбужденное состояние, характеризующееся более высокой энергией электронов. При этом возбужденные электроны от хлорофилла фотосистемы I передаются через цепь посредников на переносчик водорода НАДФ, присоединяющий при этом протоны водорода, всегда имеющиеся в водном растворе:
Электроны от хлорофилла фотосистемы II также передаются по электронтранспортной цепи, однако они заполняют «электронные дырки» хлорофилла фотосистемы I. Недостаток электронов в хлорофилле фотосистемы II заполняется за счет отнимания у молекул воды, которое происходит с участием уже упоминавшегося выше кислород-выделяющего комплекса. В результате разложения молекул воды, которое называется фотолизом, образуются протоны водорода и выделяется молекулярный кислород, являющийся побочным продуктом фотосинтеза:
Протоны водорода, накопившиеся в полости тилакоида в результате фотолиза воды и нагнетания при переносе электронов по электронтранспортной цепи, вытекают из тилакоида через канал в мембранном белке - АТФ-синтазе, при этом из АДФ синтезируется АТФ. Данный процесс называется фотофосфорилированием. Образовавшаяся в световых реакциях АТФ впоследствии будет использована в темновых реакциях.
Суммарное уравнение реакций световой фазы фотосинтеза можно записать следующим образом:
В ходе темновых реакций фотосинтеза происходит связывание молекул СО 2 в виде углеводов, на которое расходуются молекулы АТФ и НАДФН + Н + , синтезированные в световых реакциях:
Процесс связывания углекислого газа является сложной цепью превращений, названий циклом Кальвина в честь его первооткрывателя. Темновые реакции протекают в строме хлоропластов. Для их протекания необходим постоянный приток углекислого газа извне.
Таким образом, в процессе фотосинтеза энергия солнечного света преобразуется в энергию химических связей сложных органических соединений не без участия хлорофилла. Суммарное уравнение фотосинтеза можно записать следующим образом:
Реакции световой и темновой фаз фотосинтеза взаимосвязаны, так как увеличение скорости лишь одной группы реакций влияет на интенсивность всего процесса фотосинтеза только до определенного момента, пока вторая группа реакций не выступит в роли лимитирующего фактора, и возникает потребность в ускорении реакций второй группы для того, чтобы первые происходили без ограничений.
В результате фотосинтеза образуется примерно 150 млрд тонн органического вещества и приблизительно 200 млрд тонн кислорода ежегодно. Этот процесс обеспечивает круговорот углерода в биосфере, не давая накапливаться углекислому газу и препятствуя тем самым возникновению парникового эффекта и перегреву Земли. Образующиеся в результате фотосинтеза органические вещества не расходуются другими организмами полностью, значительная их часть в течение миллионов лет образовала залежи полезных ископаемых (каменного и бурого угля, нефти). Из кислорода под действием электрических разрядов образуется озон, который формирует озоновый экран, защищающий все живое на Земле от губительного действия ультрафиолетовых лучей.
Наш соотечественник, выдающийся физиолог растений К. А. Тимирязев (1843-1920) назвал роль фотосинтеза «космической» , поскольку он связывает Землю с Солнцем (космосом), обеспечивая приток энергии на планету.
Хемосинтез
Хемосинтез - это процесс синтеза органических соединений за счет химической энергии неорганических соединений. Этот процесс был открыт выдающимся русским ученым С. Н. Виноградским в 1887 году.
К группе хемосинтетиков (хемотрофов) относятся в основном бактерии: нитрифицирующие, серобактерии, железобактерии и др. Они используют энергию окисления соединений азота, серы, ионов железа соответственно. При этом донором электронов выступает не вода, а другие неорганические вещества.
Так, нитрифицирующие бактерии окисляют образованный из атмосферного азота азотфиксирующими бактериями аммиак до нитритов и нитратов:
2NH 3 + 3O 2 → 2HNO 2 + 2H 2 O + 663 кДж,
2HNO 2 + O 2 → 2HNO 3 + 192 кДж.
Серобактерии окисляют сероводород до серы, а в некоторых случаях - и до серной кислоты:
H 2 S + O 2 → 2H 2 O + 2S + 272 кДж,
2S + 3O 2 + H 2 O → H 2 SO 4 + 483 кДж.
Железобактерии окисляют соли железа:
4FeCO 3 + O 2 + 6H 2 O → 4Fe(OH) 3 + 4CO 2 + 324 кДж.
Водородные бактерии способны окислять молекулярный водород:
2H 2 + O 2 → 2H 2 O + 235 кДж.
Источником углерода для синтеза органических соединений у всех автотрофных бактерий выступает углекислый газ.
Хемосинтезирующие бактерии наиболее значительную роль играют в биогеохимических циклах химических элементов в биосфере, так как в процессе их жизнедеятельности образовались залежи многих полезных ископаемых. Кроме того, они являются источниками органического вещества на планете, то есть продуцентами, а также делают доступным целый ряд неорганических веществ и для растений, и для других организмов.
Это конспект для 10-11 классов по теме «Фотосинтез и хемосинтез» .
