Біологія. 9 клас. Шаламов

§ 19. Хемосинтез

Фотосинтез — не єдиний природний спосіб синтезу органічних речовин із неорганічних

У попередньому параграфі ми розглянули, як зелені рослини використовують енергію сонячного світла для отримання водню з води. Потім цей водень використовується для відновлення вуглекислого газу та синтезу органічних сполук. Такий процес називають фотосинтезом. Проте в біосфері є ще й інший спосіб синтезу органічних сполук, що не залежить безпосередньо від енергії сонячного світла. Водень для відновлення вуглекислого газу можна отримувати й від різних неорганічних молекул, проте для цього потрібен досить потужний окисник. Таким окисником є кисень. Живі організми (хемоавтотрофи) здатні окиснювати неорганічні сполуки (наприклад амоніак, сірководень, сульфіди, сполуки двовалентного Феруму тощо) киснем і використовувати виділені в цих процесах електрони та водень для відновлення вуглекислого газу. Такий процес називають хемосинтезом. Так само, як і у випадку із зеленими рослинами, частина енергії від окиснення використовується для синтезу АТФ. Такий варіант отримання енергії властивий лише прокаріотам. Саме ж явище хемосинтезу в 1887 році відкрив Сергій Виноградський.

Нітрифікувальні бактерії — звичайні хемотрофи

Одними з найпоширеніших хемоавтотрофних мікроорганізмів є ґрунтові нітрифікувальні бактерії. Саме ці бактерії відкрив Виноградський, зазначивши, що вони здатні зростати в середовищі з солями амонію1 за повної відсутності органічних речовин, тобто є автотрофними організмами. До цього вважалося, що автотрофність властива лише фотосинтезувальним організмам, таким як рослини та водорості. Відкриття хемоавтотрофних нітрифікувальних бактерій змінило уявлення про живу природу.

Рис. 19.1. Цикл нітрифікації

Тварини в процесі своєї життєдіяльності виробляють нітрогеновмісні речовини, які в підсумку розкладаються до амоніаку та солей амонію. Ще одним їхнім джерелом є органіка, яка гниє. Рослини погано засвоюють амоніак. А нітрифікувальні бактерії спочатку окиснюють його до нітриту, а потім до нітрату. Нітрат легко засвоюється рослинами та знову відновлюється до аміногруп амінокислот. Рослини слугують їжею тваринам, у такий спосіб цикл нітрифікації замикається.

1 Солі амонію — солі, що утворюються в реакціях амоніаку з кислотами, наприклад, амоній хлорид NH4CI.

Нітрифікувальні бактерії — це мікроорганізми з різноманітною зовнішньою будовою, що беруть участь в утилізації амоніаку, який утворюється в процесі розпаду органічних сполук, які містять Нітроген. Нітрифікувальні бактерії поділяють на дві групи: так звані нітрифікатори першої фази забезпечують окиснення амоніаку киснем до нітритної кислоти (HNO2, точніше до її солей — нітритів), а нітрифікатори другої фази окиснюють нітритну кислоту киснем до нітратної кислоти (HNO3, точніше до її солей — нітратів). Нітрифікувальні бактерії відіграють дуже важливу роль у ґрунтовій спільноті організмів: вони переводять амоніак і солі амонію, що утворюються в процесі гниття органіки, у легкодоступну для рослин форму (рис. 19.1). Очевидно, для здійснення нормальної нітрифікації необхідна наявність кисню в ґрунті. Тому розпушування ґрунту потрібне для підвищення його природної родючості.

Сіркобактерії чорних курців — автотрофи в повній темряві

Екосистеми надзвичайно різноманітні. Ми з вами звикли до екосистем, у яких первинна продукція1 створюється фотосинтезувальними організмами. Однак у біосфері є екосистеми, у яких практично вся первинна біомаса створюється хемосинтезувальними бактеріями. Ідеться про глибоководні екосистеми, що розвиваються довкола чорних курців (рис. 19.2, А). Чорні курці — це гідротермальні джерела, що розташовані на глибині понад 2500 метрів у районах серединно-океанічних хребтів. Із них у воду вириваються потоки високомінералізованої, багатої на сірководень, розігрітої до 350 °С води під тиском у кількасот атмосфер. Вражає, але такі ділянки океанічного дна густо населені живими організмами. Неподалік від чорного курця мешкають ракоподібні, риби, молюски, гігантські двометрові черви. Щільність живих організмів навколо чорних курців у десятки тисяч разів вища, ніж на інших ділянках океанічного дна. Можна сказати, що це свого роду глибоководні оази життя. Проте світло не проникає до цих екосистем, а отже, у них немає фотосинтезувальних організмів2. Більшість тварин на дні океанів існують завдяки «дощу» з відмерлої органіки, що падає з вищих шарів океану. Але екосистеми чорних курців здатні самостійно виробляти органічні сполуки за допомогою хемоавтотрофних бактерій, що населяють ці ділянки океану. Такі бактерії належать до групи сіркобактерій: вони окиснюють сірководень, що виділяється з гідротермальних джерел, киснем морської води спочатку до сірки, а потім — до сульфатної (H2SO4) кислоти.

Рис. 19.2. Екосистеми глибоководних гідротермальних джерел

А. Загальний вигляд екосистеми: видно чорні клуби сольового розчину, що виривається із жерла курця, а також численних погонофорів, які оселилися неподалік. Б. Із трубок погонофор виступають щупальця, насичені кров’ю, багатою на гемоглобін.

1 Первинна продукція — це продукція автотрофних організмів (фотоавтотрофів, хемоавтотрофів).

2 Це, відверто кажучи, неправда. Чорні курці випромінюють слабке світло, яке використовують деякі бактерії для фотосинтезу. Проте інтенсивність цього процесу вкрай низька.

Сергій Виноградський

Народився 1856 року в Києві. Освіту здобув у Санкт-Петербурзькому університеті, згодом працював у Швейцарії та Франції. Діяльність Сергія Виноградського як ученого пов’язана з мікробіологією. Світову славу йому принесли відкриття хемосинтезу в сіркобактерій і нітрифікувальних бактерій, а також азотфіксувальних бактерій. Крім цього, учений займався епідеміологією та ґрунтознавством. Один із його учнів — Данило Заболотний — став засновником української мікробіології та епідеміології, був президентом Всеукраїнської академії наук у 1928-1929 роках. Помер Сергій Виноградський 1953 року в Парижі.

У такий спосіб вони отримують енергію та здійснюють фіксацію вуглекислого газу. Органіка, що утворюється, надходить до екосистеми. Деякі бактерії живуть самостійно, а інші — вступають у симбіотичні відносини з тваринами, що населяють чорного курця. Найбільш вражаючим є симбіоз із погонофорами — гігантськими червами, що живуть у трубках біля жерла гідротермального джерела (рис. 19.2, Б). У дорослих червів повністю відсутній травний тракт, а його залишки утворюють спеціальний орган, населений сіркобактеріями. Сіркобактерії створюють органічні речовини, а вже ними харчуються черви. Погонофори вирізняються яскраво-червоними зябрами, що висуваються з трубок: їхня кров багата на гемоглобін, що постачає кисень не тільки тканинам черва, а й сіркобактеріям, яким він потрібний для здійснення хемосинтезу. Крім того, гемоглобін переносить сірководень для сіркобактерій.

Часто можна почути твердження, що екосистеми глибоководних гідротермальних джерел є незалежними від сонячного світла. Це твердження помилкове. Справді, синтез органічних сполук у цих екосистемах здійснюється завдяки хемосинтезу, а не фотосинтезу. Проте для здійснення хемосинтезу потрібен кисень, що утворюється на Землі завдяки діяльності фотосинтезувальних організмів. Таким чином, саме завдяки енергії Сонця до біосфери постійно надходить кисень. Кисень насичує морську воду й із глибоководними течіями досягає гідротермальних джерел. І вже там, завдяки діяльності сіркобактерій, окиснює сірководень. Це й стає джерелом енергії, потрібної для синтезу органічних сполук. Тому існування глибоководних екосистем чорних курців не можна уявити без фотосинтезу на поверхні планети.

Поміркуймо

Знайдіть одну правильну відповідь

1. З-поміж названих організмів хемосинтез здійснює

  • А погонофора
  • Б устриця
  • В молочнокисла бактерія
  • Г сіркобактерія
  • Д туберкульозна паличка

2. Нітрифікувальні бактерії для утворення органічних сполук використовують

  • А нітрати
  • Б кисень
  • В вуглекислий газ
  • Г воду
  • Д азот

3. Автотрофність нітрифікувальних бактерій доводить така характеристика

  • А здатність використовувати амоніак
  • Б здатність поглинати кисень
  • В складки мембрани в клітині
  • Г здатність жити в середовищі без органічних речовин
  • Д здатність жити в середовищі із солями амонію

4. Для хемосинтезу сіркобактеріям потрібні такі речовини

  • А сірководень і кисень
  • Б сульфатна кислота й кисень
  • В органічні речовини та сірководень
  • Г сірка та сульфатна кислота
  • Д сірководень та сульфатна кислота

5. Джерелом кисню для сіркобактерій, що живуть у погонофорі, є

  • А чорний курець
  • Б оксигенний фотосинтез
  • В дихання тварин
  • Г органічні речовини, які поглинає погонофора
  • Д сульфатна кислота

Сформулюйте відповідь кількома реченнями

6. Промислові стоки можна очищувати за допомогою хемосинтезувальних організмів. Які речовини можна видалити зі стоків завдяки хемосинтетикам?

7. Як зміниться склад ґрунту, якщо в ньому вимруть усі нітрифікувальні бактерії? Який наслідок це матиме для рослин?

8. Якими речовинами обмінюються погонофори із сіркобактеріями, що живуть у них? Чи можливе окреме існування цих організмів?

9. Чому переорювання землі після збирання врожаю поліпшує ріст сільськогосподарських культур наступного посіву?

10. Порівняйте фотосинтез і хемосинтез. У чому ці процеси схожі, а в чому відмінні?

Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи

11. Завдяки діяльності деяких хемосинтезувальних бактерій утворилися поклади корисних копалин. Які бактерії за які копалини «відповідальні» і які умови потрібні для формування покладів?

12. Багато хемосинтезувальних організмів поширені насамперед у місцях з екстремальними умовами: на дні моря, у безкисневих, висококислотних чи надто гарячих водоймах. Чому в тих куточках, де життя не вирізняється різноманітністю, опинилися саме хемосинтетики?

Дізнайся самостійно та розкажи іншим

13. За однією з гіпотез, життя на Землі виникло саме в чорних курцях, і першим способом харчування був саме хемосинтез. На яких доказах ґрунтується ця гіпотеза?

14. Уважається, що колообіг багатьох хімічних елементів неможливий без хемосинтетиків. Які наслідки для планети та існування людства матиме зникнення хемосинтезувальних організмів?