Різниця між фотосинтезом та хемосинтезом. Хемосинтез – унікальний процес харчування бактерій Чим хемосинтез відрізняється від фотосинтезу
Всі живі істоти потребують їжі та поживних речовин. Живлячись, вони використовують енергію, запасену, насамперед, в органічних сполуках – білках, жирах, вуглеводах. Гетеротрофні організми використовують їжу рослинного та тваринного походження, що вже містить органічні сполуки. Рослини створюють органічні речовини в процесі фотосинтезу.
Дослідження у сфері фотосинтезу розпочалися 1630 р. експериментами голландця ван Гельмонта. Він довів, що рослини одержують органічні речовини не з ґрунту, а створюють їх самостійно.
Джозеф Прістлі 1771 р. довів «виправлення» повітря рослинами. Поміщені під скляний ковпак вони поглинали вуглекислий газ, що виділяється тліючою лучиною.
Наразі встановлено, що фотосинтез - це процес утворення органічних сполук з СО 2 і води з використанням енергії світла і зелених рослин, що проходить у хлоропластах, і зелених пігментах деяких фотосинтезуючих бактерій.
Хлоропласти та складки цитоплазматичної мембрани прокаріотів містять зелений пігмент. хлорофіл, молекула якого здатна збуджуватися під впливом сонячного світла, віддавати свої електрони і переміщати в більш високі енергетичні рівні. Цей процес можна порівняти з підкинутим догори м'ячем. Піднімаючись, м'яч запасається потенційною енергією; падаючи, він втрачає її. Електрони не падають назад, а підхоплюються переносниками електронів (НАДФ+ – нікотинаміддіфосфат). У цьому енергія, накопичена ними раніше, частково витрачається освіту АТФ. Продовжуючи порівняння з підкинутим м'ячем, можна сказати, що м'яч, падаючи, нагріває навколишній простір, а частина енергії електронів, що падають, запасається у вигляді АТФ. Процес фотосинтезу поділяється на реакції, що викликаються світлом, та реакції, пов'язані з фіксацією вуглецю: світловуі темнуфази.
Світлова фаза- Це етап, на якому поглинена хлорофілом енергія світла перетворюється на електрохімічну енергію в ланцюзі переносу електронів. Здійснюється на світлі, у мембранах гран за участю білків – переносників та АТФ-синтетази.
Реакції, що викликаються світлом, відбуваються на фотосинтетичних мембранах гран хлоропластів:
1) збудження електронів хлорофілу квантами світла та його перехід більш високий енергетичний рівень;
2) відновлення акцепторів електронів – НАДФ+ до НАДФ Н
2Н+ + 4е-+ НАДФ+ → НАДФ Н;
3) фотоліз води: 2Н 2 О → 4Н+ + 4е- + О 2 .
Цей процес відбувається всередині тилакоїдів- складок внутрішньої мембрани хлоропластів, з яких формуються грани- Стопки мембран.
Результатисвітлових реакцій:
фотоліз води з утворенням вільного кисню,
синтез АТФ,
відновлення НАДФ+ до НАДФ Н.
Темнова фаза- Процес перетворення СО 2 в глюкозу в крутіше(просторі між гранами) хлоропластів із використанням енергії АТФ та НАДФ Н.
Результаттемнових реакцій: перетворення вуглекислого газу на глюкозу, а потім на крохмаль. Крім молекул глюкози у стромі відбувається утворення, амінокислот, нуклеотидів, спиртів.
Сумарне рівняння фотосинтезу
Значення фотосинтезу:
утворюється вільний кисень, який необхідний для дихання організмів та утворення захисного озонового екрану (що захищає організми від шкідливого впливу ультрафіолетового випромінювання);
виробництво вихідних органічних речовин - їжі для всіх живих істот;
зниження концентрації діоксиду вуглецю в атмосфері
Хемосинтез - Утворення органічних сполук з неорганічних за рахунок енергії окислювально-відновних реакцій сполук азоту, заліза, сірки.
Роль хемосинтезу: бактерії – хемосинтетики руйнують гірські породи, очищають стічні води, беруть участь у освіті з корисними копалинами.
Тематичні завдання
А1. Фотосинтез пов'язаний із:
1) розщепленням органічних речовин до неорганічних
2) створенням органічних речовин із неорганічних
3) хімічним перетворення глюкози на крохмаль
4) освітою целюлози
А2. Вихідним матеріалом для фотосинтезу є
1) білки та вуглеводи
2) вуглекислий газ та вода
3) кисень та АТФ
4) глюкоза та кисень
А3. Світлова фаза фотосинтезу відбувається
1) у гранах хлоропластів
2) у лейкопластах
3) у стромі хлоропластів
4) у мітохондріях
А4. Енергія збуджених електронів у світловій стадії використовується для:
1) синтезу АТФ
2) синтезу глюкози
3) синтезу білків
4) розщеплення вуглеводів
А5. В результаті фотосинтезу у хлоропластах утворюються:
1) вуглекислий газ та кисень
2) глюкоза, АТФ та кисень
3) білки, жири, вуглеводи
4) вуглекислий газ, АТФ та вода
А6. До хемотрофних організмів відносяться
1) збудники туберкульозу
2) молочнокислі бактерії
3) серобактерії
В 1. Виберіть процеси, що відбуваються у світловій фазі фотосинтезу
1) фотоліз води
2) утворення глюкози
3) синтез АТФ та НАДФ Н
4) використання СО 2
5) освіта Про 2
6) використання енергії АТФ
В 2. Виберіть речовини, які беруть участь у процесі фотосинтезу
1) целюлоза
2) глікоген
3) хлорофіл
6) нуклеїнові кислоти
Хемосинтез (від хемо... та синтез), правильніше - хемолітоавтотрофія, тип харчування, властивий деяким бактеріям, здатним засвоювати CO 2 як єдине джерело вуглецю за рахунок енергії окислення неорганічних сполук. Відкриття хемосинтезу в 1887 (Виноградський С. Н.) суттєво змінило уявлення про основні типи обміну речовин у живих організмів. На відміну від фотосинтезу, при хемосинтезі використовується не енергія світла, а енергія, одержувана при окислювально-відновних реакціях, яка повинна бути достатньою для синтезу аденозинтрифосфорної кислоти (АТФ) та перевищувати 10 ккал/моль.
Бактерії, здатні до хемосинтезу, не є єдиною в таксономічному відношенні групою, а систематизуються залежно від окислюваного неорганічного субстрату. Серед них зустрічаються мікроорганізми, що окислюють водень, окис вуглецю, відновлені сполуки сірки, залізо, аміак, нітрити, сурму.
Водневі бактерії - найбільш численна та різноманітна група хемосинтезуючих організмів; здійснюють реакцію 6H 2 + 2O 2 + CO 2 = (CH 2 O) + 5H 2 O, де (CH 2 O) - умовне позначення органічних речовин, що утворюються. У порівнянні з ін автотрофними мікроорганізмами характеризуються високою швидкістю росту і можуть давати велику біомасу. Ці бактерії здатні також рости на середовищах, що містять органічні речовини, тобто є мікотрофними або факультативно хемоавтотрофними бактеріями.
Близькі до водневих бактерій карбоксидобактерії, що окислюють CO за реакцією 25CO + 12O 2 + H 2 O + 24CO 2 + (CH 2 O). Тіонові бактерії окислюють сірководень, тіосульфат, молекулярну сірку до сірчаної кислоти. Деякі з них (Thiobacillus ferrooxidans) окислюють сульфідні мінерали, а також закисне залізо. Здатність до хемосинтезу у різноманітних водних серобактерій залишається недоведеною.
Нітрифікуючі бактерії окислюють аміак до нітриту (1 стадія нітрифікації) і нітрит нітрат (2 стадія). В анаеробних умовах хемосинтез спостерігається у деяких денітрифікуючих бактерій, що окислюють водень або сірку, але часто вони потребують органічної речовини для біосинтезу (літогетеротрофія). Описаний хемосинтез у деяких строго анаеробних метаноутворюючих бактерій за реакцією 4H2+CO2=CH4+2H2O.
Біосинтез органічних сполук при хемосинтезі здійснюється в результаті автотрофної асиміляції CO 2 (цикл Калвіна) так само, як при фотосинтезі. Енергія у вигляді АТФ виходить від перенесення електронів ланцюгом дихальних ферментів, вбудованих у клітинну мембрану бактерій. Деякі речовини, що окислюються, віддають електрони в ланцюг на рівні цитохрому з, що створює додаткову витрату енергії для синтезу відновника. У зв'язку з великою витратою енергії бактерії, що хемосинтезують, за винятком водневих, утворюють мало біомаси, але окислюють велику кількість неорганічних речовин.
У біосфері хемосинтезуючі бактерії контролюють окисні ділянки круговороту найважливіших елементів і тому становлять виняткове значення для біогеохімії. Водневі бактерії можуть бути використані для отримання білка та очищення атмосфери від CO2 у замкнутих екологічних системах. Морфологічно хемосинтезуючі бактерії дуже різноманітні, хоча більшість з них відноситься до псевдомонадів, вони є серед нирок і нитчастих бактерій, спірил, лептоспір, коринебактерій.
Зелені рослини (автотрофи) – основа життя на планеті. З рослин починаються практично всі харчові ланцюги. Вони перетворюють енергію, що падає на них у формі сонячного світла, в енергію, запасену у вуглеводах, з яких найважливіше шестиуглецевий цукор глюкоза. Цей процес перетворення енергії називається фотосинтезом. Сумарне рівняння фотосинтезу виглядає так:
вода + вуглекислий газ + світло > вуглеводи + кисень
У 1905 році англійський фізіолог рослин Фредерік Блекман провів дослідження та встановив основні процеси фотосинтезу. Блекман зробив висновок, що відбуваються два процеси: один із них значною мірою залежить від рівня освітлення, але не від температури, тоді як другий сильно визначається температурою незалежно від рівня світла. Це осяяння лягло в основу сучасних уявлень про фотосинтез. Два процеси іноді називають «світловою» та «темновою» реакцією, що не цілком коректно, оскільки виявилося, що, хоча реакції «темнової» фази йдуть і без світла, для них необхідні продукти «світлової» фази.
Фотосинтез починається з того, що випромінювані сонцем фотони потрапляють в спеціальні пігментні молекули, що знаходяться в листі, - молекули хлорофілу. Хлорофіл міститься в клітинах листа, в мембранах клітинних органел хлоропластів (саме вони надають листу зеленого забарвлення). Процес уловлювання енергії складається з двох етапів і здійснюється в окремих кластерах молекул - ці кластери прийнято називати Фотосистемою I і Фотосистемою II. Номери кластерів відображають порядок, в якому ці процеси були відкриті, і це одна із кумедних наукових дивовиж, оскільки в аркуші спочатку відбуваються реакції у Фотосистемі II, і лише потім – у Фотосистемі I.
Коли фотон стикається з 250-400 молекулами Фотосистеми II, енергія стрибкоподібно зростає та передається на молекулу хлорофілу. У цей момент відбуваються дві хімічні реакції: молекула хлорофілу втрачає два електрони (які приймає інша молекула, яка називається акцептором електронів) і розщеплюється молекула води. Електрони двох атомів водню, що входили в молекулу води, відшкодовують два втрачені хлорофілом електрони.
Після цього високоенергетичний (швидкий) електрон перекидають один одному, як гарячу картоплину, зібрані в ланцюжок молекулярні переносники. При цьому частина енергії йде на утворення молекули аденозинтрифосфату (АТФ), одного з основних переносників енергії у клітині. Тим часом дещо інша молекула хлорофілу Фотосистеми I поглинає енергію фотона та віддає електрон іншій молекулі-акцептору. Цей електрон заміщається у хлорофілі електроном, який прибув по ланцюзі переносників із Фотосистеми II. Енергія електрона з фотосистеми I та іони водню, що утворилися раніше при розщепленні молекули води, йдуть на утворення НАДФ-Н, іншої молекули-переносника.
В результаті процесу уловлювання світла енергія двох фотонів запасається в молекулах, що використовуються клітиною для здійснення реакцій, і додатково утворюється одна молекула кисню. Після того, як сонячна енергія поглинена і запасена, настає черга утворення вуглеводів. Основний механізм синтезу вуглеводів у рослинах було відкрито Мелвіном Калвіном. Цикл перетворення сонячної енергії на вуглеводи складається з серії хімічних реакцій, які починаються зі з'єднання вхідної молекули з молекулою-«помічником» з подальшою ініціацією інших хімічних реакцій. Ці реакції призводять до утворення кінцевого продукту і одночасно відтворюють молекулу-помічника, і цикл починається знову. У циклі Калвіна роль такої молекули-помічника виконує п'ятивуглецевий цукор рибулозодифосфат (РДФ). Цикл Калвіна починається з того, що молекули вуглекислого газу з'єднуються з РДФ. За рахунок енергії сонячного світла, запасеної у формі АТФ та НАДФ-H, спочатку відбуваються хімічні реакції зв'язування вуглецю з утворенням вуглеводів, а потім реакції відтворення рибулозодифосфату. На шести витках циклу шість атомів вуглецю включаються до молекул попередників глюкози та інших вуглеводів. Цей цикл хімічних реакцій триватиме до того часу, поки надходить енергія. Завдяки цьому циклу енергія сонячного світла стає доступною живим організмам.
27-Лютий-2014 | Один коментар | Лоліта Окольнова
Фотосинтез- процес утворення органічних речовин з вуглекислого газу та води на світлі за участю фотосинтетичних пігментів.
Хемосинтез- спосіб автотрофного харчування, при якому джерелом енергії для синтезу органічних речовин CO 2 служать реакції окислення неорганічних сполук
Зазвичай, всі організми, здатні з неорганічних речовин синтезувати органічні, тобто. організми, здатні до фотосинтезу та хемосинтезу, Відносять до .
До автотрофів традиційно відносять і деякі.
Коротко ми говорили про в ході розгляду будови рослинної клітини, давайте розберемо весь процес детальніше.
Суть фотосинтезу
(Сумарне рівняння)
Основна речовина, що бере участь у багатоступінчастому процесі фотосинтезу хлорофіл. Саме воно трансформує сонячну енергію на хімічну.
На малюнку вказано схематичне зображення молекули хлорофілу, до речі, молекула дуже схожа на молекулу гемоглобіну.
Хлорофіл вбудований у грани хлоропластів:
Світлова фаза фотосинтезу:
(Здійснюється на мембранах тилакойдів)
- Світло, потрапивши на молекулу хлорофілу, поглинається ним і приводить його до збудженого стану — електрон, що входить до складу молекули, поглинувши енергію світла, переходить на більш високий енергетичний рівень і бере участь у процесах синтезу;
- Під дією світла також відбувається розщеплення (фотоліз) води:
Кисень при цьому видаляється у зовнішнє середовище, а протони накопичуються всередині тилакоїду в «протонному резервуарі»
2Н + + 2е - + НАДФ → НАДФ·Н 2
НАДФ - це специфічна речовина, кофермент, тобто. каталізатор, у разі — переносник водню.
- синтезується (енергія)
Темнова фаза фотосинтезу
(Протікає в стромах хлоропластів)
власне синтез глюкози
відбувається цикл реакцій, в яких утворюється 6 H 12 O 6 . У цих реакціях використовуються енергії АТФ і НАДФ·Н 2 утворених у світлову фазу; rроме глюкози, у процесі фотосинтезу утворюються інші мономери складних органічних сполук - амінокислоти, гліцерин та жирні кислоти, нуклеотиди
Зверніть увагу: темнова ця фазаназивається не тому що йде вночі - синтез глюкози відбувається, загалом, цілодобово, Однак для темнової фази не потрібна світлова енергія.
"Фотосинтез - це процес, від якого в кінцевій інстанції залежать всі прояви життя на нашій планеті".
К.А.Тімірязєв.
У результаті фотосинтезу Землі утворюється близько 150 млрд т органічного речовини і виділяється близько 200 млрд т вільного кисню на рік. Крім того, рослини залучають до кругообігу мільярди тонн азоту, фосфору, сірки, кальцію, магнію, калію та інших елементів. Хоча зелений лист використовує лише 1-2% світла, що падає на нього, створювані рослиною органічні речовини і кисень в цілому.
Хемосинтез
Хемосинтез здійснюється за рахунок енергії, що виділяється при хімічних реакціях окислення різних неорганічних сполук: водню, сірководню, аміаку, оксиду заліза (II) та ін.
Відповідно до речовин, включених у метаболізм бактерій, існують:
- серобактерії - мікроорганізми водойм, що містять H 2 S - джерела з дуже характерним запахом,
- залізобактерії,
- нітрифікуючі бактерії - окислюють аміак і азотисту кислоту,
- азотфіксуючі бактерії - збагачують ґрунти, надзвичайно підвищують урожайність,
- водородокисляючі бактерії
Але суть залишається та сама — це теж
Хто з нас не пам'ятає визначення «фотосинтезу» з уроків ботаніки в школі? «Процес утворення органічної речовини з вуглекислого газу та води на світлі за участю фотосинтетичних пігментів». Знаючи назубок це лаконічне визначення, мало хто з нас запитував, а що ж воно приховує за собою?
По суті, фотосинтез- це хімічна реакція, в результаті якої шість молекул СО2 з'єднуються з шістьма молекулами води і формується одна молекула глюкози - будівельна цегла нашої органічної речовини. Молекулярний кисень, що утворюється в ході фотосинтезу, є лише побічним продуктом. Однак цей «побічний продукт» є одним з основних джерел атмосферного кисню, такого необхідного для вищих організмів.
Здавалося б, все дуже просто: клітина фотосинтезуючого організму є своєрідною «колбочкою» для хімічної реакції двох компонентів. Але насправді механізм реакції виявляється куди складнішим. Виявляється, процес складається з двох реакцій: «світловий» та «темновий». Перша пов'язана з розщепленням молекули води на водень та кисень за допомогою енергії світла. Сонячне світло поглинається спеціальним світлопоглинаючим пігментом клітини хлорофілом (забарвлений у зелений колір). Далі відбувається переведення енергії в молекули АТФ, які звільняють отриману енергію на другій стадії фотосинтезу - «темнової» реакції. Темнова реакція є безпосередньо реакцією між вуглекислим газом і воднем з утворенням глюкози.
Фотосинтез можуть здійснювати рослини, водорості та деякі види мікроорганізмів. Завдяки їхній життєдіяльності стає можливим існування, наприклад, тварин, харчування яких складається з органічних речовин. Але чи є фотосинтез єдиною формою переведення вуглекислого газу в органічну речовину? Ні. Виявляється, природою передбачено й інший, альтернативний, шлях утворення органічних речовин із СО2 - хемосинтез.
Відмінністю хемосинтезу від фотосинтезу є відсутність «світлової» реакції. Як джерело енергії, клітини хемосинтезуючих організмів використовують енергію не сонячного світла, а енергію хімічних реакцій. Яких саме? Реакції окислення водню, окису вуглецю, відновлення сірки, заліза, аміаку, нітриту, сурми.
Звичайно, кожен хемосинтезуючий організм використовує свою власну хімічну реакцію як джерело енергії. Наприклад, водневі бактерії окислюють водень, бактерії, що нітрифікують, переводять аміак в нітратну форму і т.д. Однак усі вони накопичують енергію, що вивільняється у процесі хімічної реакції, у вигляді молекул АТФ. Далі процес протікає на кшталт реакцій темнової стадії фотосинтезу.
Здатність до хемосинтезу мають лише деякі види бактерій. Роль їх у природі колосальна. Вони не виробляють атмосферний кисень, не накопичують великих кількостей органічної речовини. Однак хімічні реакції, які вони використовують у ході своєї життєдіяльності, відіграють ключову роль у біогеохімії, забезпечуючи, зокрема, кругообіг азоту, сірки та інших елементів у природі.
Фотосинтез і хемосинтез є одними із найбільш захоплюючих процесів, що відбуваються у живих організмах. Знання відмінностей між цими двома реакціями вважається необхідним мінімумом для учня старшої школи, але саме порівняння цих архіважливих процесів найчастіше вганяє у ступор найстаріших і вдумливіших учнів.
Визначення
Фотосинтез- Процес синтезу органічної речовини, простимульований енергією сонячного світла.
Хемосинтез– процес утворення органічних сполук, який «заводиться» без обов'язкової сонячних квантів.
Порівняння
Фотосинтез є джерелом життєдіяльності живих істот-автотрофів, а саме переважної більшості представників царства Рослин та деяких типів Бактерій, які у свою чергу є основним харчуванням або початком харчової піраміди для організмів-гетеротрофів та сапротрофів. Завдяки фотосинтезу Землі щорічно утворюється 150 мільярдів тонн органічного речовини, а атмосфера поповнюється 200 мільярдами тонн кисню, придатного дихання інших організмів.
Фотосинтез відбувається у пластидах – органелах клітин рослин, які мають пігмент хлорофіл. У процесі окислювально-відновної реакції, якою є фотосинтез, відбувається споживання рослиною води та неорганічних речовин, зокрема вуглекислого газу. Стимулюється цей процес наявністю енергії сонячних квантів. Через війну реакції виділяється кисень, і навіть синтезуються органічні речовини – здебільшого глюкоза, вона ж гексоза чи виноградний цукор.
Завдяки хемосинтезу в біосфері відбувається кругообіг азоту, серобактерії вивітрюють гірські породи, створюючи базу для утворення ґрунтів, а водневі бактерії окислюють небезпечні об'єми водню, які накопичуються у процесі життєдіяльності деяких мікроорганізмів. Крім того, бактерії, що нітрифікують, сприяють підвищенню родючості грунту, а серобактерії беруть участь в очищенні стічних вод.
Хемосинтез дислокується у клітинах бактерій та архей. У процесі окислювально-відновних реакцій відбувається синтез органічних речовин. Тільки не прямо, а через утворення енергії АТФ, яка згодом витрачається на синтез органіки. Для цього живі організми використовують CO2, водень та кисень, утворені при окисленні аміаку, оксиду заліза, сірководню та водню. Враховуючи те, що хемосинтез може відбуватися під землею, у глибинах Світового океану, у середині інших живих організмів, до енергії світла він не прив'язаний, їм не «заводиться», від Сонця не залежить.
Висновки сайт
- Фотосинтез неможливий без енергії сонячного світла, хемосинтез його не потребує.
- Фотосинтезують рослини та бактерії, хемосинтезують – бактерії та археї.
- Обидва процеси мають різне біологічне значення.
