АВТОТРОФЫ: ФОТО- И ХЕМОСИНТЕТИКИ - Питание: автотрофы, гетеротрофы, миксотрофы и пищеварение - Жизнь и жизнедеятельность

Все растения (за исключением растений-паразитов), а также некоторые протесты и бактерии, создают питательные вещества используя энергию Солнца (hv). Такой способ синтеза называют фотосинтез, а организмы, соответственно, - фотосинтетиками.

Фотосинтез — это способ превращения солнечной энергии в формы, доступные для использования живыми биосистемами.

Из общего количества солнечного излучения, попадающего на нашу планету, лишь половина доходит до поверхности Земли, только 1/8 имеет длину волны, подходящую для фотосинтеза, и лишь 0,4 % таких лучей (около 1 % от общего объёма энергии) используется растениями. Именно от этого одного процента зависит вся жизнь на Земле.

В процессе фотосинтеза углекислый газ в присутствии хлорофилла реагирует с водой; при этом образуется глюкоза и выделяется кислород:

6СO₂ + 6Н₂O -> С₆Н₁₂O₆ + 6O₂↓.

Более грамотной будет запись СO₂ + 2Н₂O -> [СН₂O] + O₂↑ + Н₂O, которая показывает, что выделяющийся кислород образуется из воды, а не из углекислого газа.

Похожим уравнением описывается и хемосинтез серобактерий:

СO₂ + 2Н₂S -> [СН₂O] + 2S↓ + Н₂O.

Таким образом, процесс фотосинтеза включает в себя две стадии:

1) получение водорода (фотолиз) — при этом кислород выделяется из разрушенных молекул воды как побочный продукт реакции;

2) получение глюкозы (т.е. восстановление С0₂ до глюкозы с участием АТФ и НАДФ).

Первая стадия фотосинтеза протекает на свету. Световые кванты дают электронам энергию, необходимую для переноса их от хлорофилла или другого фотосинтезирующего пигмента. В ходе первой стадии из АДФ (аденозиндифосфата) и фосфата (H₂PO₄) синтезируется АТФ (аденозинтрифосфат), а НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат) восстанавливается до НАДФ⋅ Н₂. Синтез АТФ за счёт энергии световых квантов называется фотофосфорилированием. Этот процесс может быть циклическим (в реакции “работают” одни и те же электроны) и нециклическим (электроны в конце концов доходят до НАДФ и, взаимодействуя с ионами водорода, образуют НАДФ Н₂). Кислород как побочный продукт реакции выделяется только во втором случае.

Для реакций второй стадии свет не нужен. Восстановление СО₂ происходит за счет энергии АТФ и накопленного НАДФ⋅ Н₂. Углекислый газ связывается с пятиуглеродным сахаром рибулозобисфосфатом, образуя две молекулы трёхуглеродной фосфоглицериновой кислоты (ФГК). Такой процесс получил название СЗ-фотосинтеза. Последующий цикл реакций (цикл Кальвина) приводит к образованию из ФГК сахара (например, глюкозы), а также ресинтезу рибулозобисфосфата. У некоторых растений (например, сахарного тростника, сои) наблюдается так называемый С4-фотосинтез, в реакциях которого СО₂, восстанавливаясь, включается в состав органических кислот, имеющих четыре атома углерода (например, яблочной). При этом поглощение углекислоты идёт гораздо эффективнее, повышается и продуктивность растений.

На скорость фотосинтеза влияют многие факторы. Основными из них являются интенсивность света, концентрация кислорода и углекислого газа, температура окружающей среды. Состояние, когда скорость выделения кислорода растением равна скорости его дыхания, называется точкой компенсации.

Кислород в процессе фотосинтеза может действовать как конкурентный ингибитор (сдерживатель), взаимодействуя с рибулозодисфосфатом вместо углекислого газа. При этом образуется одна молекула ФГК и фосфогликолат, сразу расщепляющийся до гликолата. Чтобы вернуть хотя бы часть углерода, связанного в бесполезном гликолате, у растения имеется процесс, называемый фотодыханием. Это зависимое от света потребление кислорода с выделением углекислого газа, заметное лишь у СЗ-растений, не имеет ничего общего с обычным дыханием. Фотодыхание, в целом, идёт с поглощением энергии; в результате образуется фосфоглицерат, а 25 % углерода теряется в виде СО₂. В фотодыхании участвуют хлоропласта, пероксисомы и митохондрии. У С4-растений фотодыхания практически нет, что и является причиной их большей продуктивности.

В связи с энергетической проблемой учёные пытаются провести фотосинтетические процессы искусственно, особенно их первые этапы, когда вода под действием солнечной радиации расщепляется на кислород и водород. Сжигание водорода (с образованием воды) — экологически чистый процесс, который мог бы стать неплохой заменой современным источникам энергии.

Фотосинтез — процесс образования органических веществ из углекислого газа (СО₂) и воды (Н₂О) на свету (hv) при участии фотосинтетических пигментов: хлорофилл у растений, бактериохлорофилл или бактериородопсин у бактерий.

Фотосинтез:

1). Аэробный: nСО₂ + nН_2O + 48hv = СnН₂nОn + nО₂↑

фотоны углевод .

2). Анаэробный: nСО₂ + nН₂S + 48hv = СnН₂nОn + nН₂О + nS ↓

фотоны углевод

Бактериям свойственен хемосинтез — создание органических веществ из неорганических используя энергию окислительно-восстановительных реакций (ОВР), в результате которых энергия запасается в молекулах АТФ. Затем, как и у фотосинтезирующих организмов, происходит синтез органических пищевых веществ, на который расходуется энергия разрыва химических связей в молекулах АТФ.

Хемосинтез — способ автотрофного питания, при котором источником энергии для синтеза органических веществ из СО₂ служат реакции окисления неорганических соединений.

Например, таких, как (где Е - энергия):

СаSO₄ + СН₄ → СаS + СО₂ + 2Н₂O = СаСОз + Н₂O + Н₂S ↑ + Е (сульфатвосстанавливающие бактерии);

2NНз + ЗО2 = 2HNО₂ + 2Н₂О + Е (нитрифицирующие бактерии);

2HNO₂ + O₂ → 2HNO₃ + Е.

4Fе(НСО)₂ + О₂ + 2Н₂O = 4Fе(ОН)₃ + 8СО₂ + Е (железобактерии);

4FеСO₃ + O₂ + 6Н₂O -> 4Fе(ОН)₃ + 4СO₂ + Е

2S + 3O₂ + 2Н₂O → 2Н₂SO₄ + Е

Н₂S + О₂ = 2Н₂О + 2S↓+ Е (серобактерии);

Хемосинтез: 6СО₂ + 6Н₂О + 18АТФ = С₆Н₁₂O₆ + О₂↑

Е → ОВР углевод

Фотосинтез и хемосинтез — формы автотрофного питания.

Сходство фото- и хемосинтеза:

а) на образование органических веществ используется энергия;

б) в качестве источника углерода используется углекислый газ.

Различия в фото- и хемосинтезе:

а) фотосинтез: на образование органических веществ используется солнечная энергия;

б) хемосинтез: на образование органических веществ используется энергия, освобожденная при окислении неорганических веществ.