Хемосинтез в биологии - определение, виды, основные процессы, значение

Процесс реакции

Организмы, способные проводить такие реакции, — хемоавтотрофы. Это эволюционно более первичный тип, что уступил место фотосинтезу из-за его меньшей производительности и ограниченного доступа к энергетическим ресурсам. Он имеет значение в биогеохимических циклах биологически важных элементов, а его участие в производстве первичной биомассы незначительно.

Явление хемосинтеза было открыто в Париже в 1887 году, когда Сергей Виноградский наблюдал бактерии Beggiatoa, растущие в условиях отсутствия органического вещества. Хемосинтез можно разделить на 2 этапа:

1. Преобразование энергии в результате окисления субстратов, содержащихся в окружающей среде с помощью атмосферного кислорода и использование его для создания силы, направленной в виде NADH и АТФ.
2. Этап усвоения и понижения выбросов СО2.

Хемосинтезирующие бактерии

Хемолитотрофы используют в качестве источника энергии неорганические субстраты: соединения серы, азота, железа и водорода. Серные бактерии присутствуют в солёных и морских водах, богатых серными соединениями, в источниках или донных осадках и водах канализации. Субстратами для них являются сероводород, тиосульфат и в зависимости от этого возникает различное количество энергии:

• H2S + 2O2 → 2H+ + SO42- + 789 кдж∙моль-1.
• S0 + H2O + 11/2O2 → 2H+ + SO42- + 587 кдж∙моль-1.
• Na2S2O3 + H2O + 2O2 → 2H+ + 2в+ + 2SO42- + 411 кдж∙моль-1.

Бактерии, которые используют сероводород, например, Thiothrix или Beggiatoa окисляются сначала до молекул серы в соответствии с реакцией: H2S + ½O2 → S0 + H2O + 210 кдж∙моль-1.

Водородные бактерии встречаются в почве и могут использовать экологический воздух для получения энергии, необходимой жизненным процессам. Сюда относятся 2 группы организмов:

1. Первая включает в себя виды, акцептором которых является кислород, а конечным продуктом окисления — вода. Примеры: Hydrogenomonas, Mycobacterium и Nocardia. Реакции проходят в соответствии со следующим уравнением: H2 + ½O2 → H2O + 237 кдж∙моль-1.
2. Ко второй группе относятся виды, живущие в анаэробных условиях, использующие в качестве приёмника электронов соединения, отличные от кислорода, например, Micrococcus denitrificans, который использует нитраты. Железистые бактерии энергию для жизненных процессов приобретают через окисления ионов Fe2+ до Fe3+: 4FeCO3 + O2 + 6H2O → 4Fe (OH)3 + 4CO2 + 11 кдж∙моль-1.

Ион Fe2+ проявляет стойкость в присутствии воздуха только в кислой среде. В pH проходит до Fe3+, который истребляет из раствора в виде Fe (OH)3. По этой причине ферритовые бактерии встречаются в подкисленных средах, где ионы железа демонстрируют большую стабильность.

Бактерии нитрифицирующие встречаются в почве и водоёмах, а энергию для жизненных процессов получают из окисления азота в форме NO3 — или NO2-.

Другие виды

Бактерии этих видов окисляют аммиак до нитрита уравнением: NH3 + 11/2O2 → NO2- + H+ + H2O + 271 кдж∙моль-1. Аммиак превращается в промежуточный продукт — гидроксиламин (NH2OH) с участием фермента монооксигеназы аммиака, а этот окисляется в нитрит оксидоредуктазой гидроксиламина.

На следующем этапе бактерии из рода Nitobacter окисляют нитрит до нитрата: NO2- + ½O2 → + NO3- + 77 кдж∙моль-1. Бактерии нитрифицирующие играют особенно большую роль в круговороте азота в природе и являются важным фактором в экономике сельского хозяйства. Преобразуют характерный основной аммиак, что появляется при разложении органических веществ в нелетучие нитраты, и обогащают почву дефицитными соединениями азота.

Хемоорганотрофы — бактерии, которые получают энергию от окисления простых моноуглеродных органических соединений: метана, метанола, с использованием атмосферного кислорода в качестве акцептора электронов. К этой группе относятся: Methylobacter, Methylocystis или Methanomonas. Поскольку они являются обязательными аэробами, то встречаются в среде, где присутствуют источники углерода и кислорода. Одной из групп побочных метилтрофов являются метанотрофы, окисляющие метан в углекислый газ. Эта реакция протекает постепенно, в соответствии с уравнениями:

• CH4 + ½O2 → CH3OH → CHOH + 2H + 77.
• CHOH + H2O → HCOOH + 2H HCOOH → CO2 + 2H + 77.

Метилтрофы в качестве источника углерода могут использовать метанол или формальдегид, в которых углерод находится на низкой степени окисления, чем в CO2 (в связи с этим не могут ассимилировать). Это не относится к отличию классических автотрофов. Исключением является Pseudomonas oxalaticus, что окисляет формиат с CO2, который используется затем в качестве источника углерода для синтеза собственных органических соединений.

Экосистемы и кислотность воды

Наблюдения фаз хемосинтеза начались в 1977 году возле Галапагосских Островов, во время исследования вулканических явлений в зоне распространения океанических плит. Учёный Джек Корлисс на глубине нескольких тысяч метров в условиях вечного мороза и температуры 2 °C увидел ранее неизвестных моллюсков, улиток и множество видов хемотрофов.

Оказалось, что сероводород, переполняющий гидротермальные воды, является источником серы для медленно живущих хемосинетических бактерий. Затем было обнаружено сходство и ряд организмов, обитающих вокруг гидротермальных источников, что содержат в своих тканях симбиотические бактерии. В 1984 году описаны группы животных, живущих вокруг источников. Температура такой воды близка к океанской, а хемосинтетические полосы представлены другими видами животных, хотя и связаны с обитателями гидротермальных источников.

В последующие годы были исследованы скелеты китообразных, найденные по обе стороны северной части Тихого океана, у берегов Новой Зеландии и на дне Атлантического океана. Оказалось, что они были покрыты многочисленными моллюсками, а кости пахли сероводородом. Пример хемосинтеза — деревянные борта кораблей массово производят экскременты, содержащие соединения серы, тем самым создавая субстрат для функционирования хемосимбиотических организмов.

Особенности превращения

Рассмотрение функции процесса хемосинтеза через составление окислительных реакций помогает определить, как организмы могут жить без использования энергии солнечного света и других способов питания. А также это позволяет понять, как происходит превращение неорганических молекул в органику, неживой материи в живую. Хемотрофы — организмы, получающие энергию в результате хемосинтеза.

Сегодня реакция может заключаться в активности и используется микробами, живущими в глубоких океанах, куда не проникает солнечный свет, но также и некими организмами, живущими в солнечной среде, такими как почвенные бактерии. Некоторые учёные считают, что хемосинтез может быть использован жизненными формами в бессолнечной внеземной среде, такой как океаны Европы или подземные почвы на Марсе.

Значение хемосинтеза трудно переоценить — возможно, он был первичной частью метаболизма на Земле, с фотосинтезом и клеточным дыханием, эволюционирующими позже, когда формы жизни стали более сложными. Нельзя узнать наверняка так ли это, но некоторые учёные считают интересным открыть и рассмотреть, был ли солнечный свет или химическая энергия первым запуском жизни на Земле.

Роль в природе

Этот процесс происходит как фотосинтез, и он не играет большой роли в производстве органических соединений из-за возникновения большинства бактерий в эконишах. Однако понятно, что он имеет большое значение в циркуляции элементов и превращении неорганических соединений в усваиваемые формы для других организмов, особенно растений.

Важную роль выполняют нитрифицирующие бактерии продуценты из рода Nitrosomonas и Nitrobacter, присутствующие в почве и окисляющие аммиак до нитратов. Вторым типом по важности характеристики являются серные бактерии окисляющие соединения в сульфаты, доступные для питания растений.

Значение в молекулярной нанотехнологии

Хотя термин «хемосинтез» в биологии чаще всего применяется к биологическим системам, его можно использовать более широко для описания любой формы химического синтеза, вызванного случайным тепловым движением реагентов. Напротив, механическое манипулирование молекулами для управления их реакцией называется «механосинтезом».