Фотосинтез не единственный способ автотрофного питания. Существует еще один способ синтеза органических веществ из неорганических, для которого не нужна световая энергия. На Земле существуют организмы, которые извлекают энергию путем окисления различных неорганических веществ и используют ее для восстановления углекислого газа в органические вещества. Процесс синтеза органических веществ из неорганических за счет энергии окисления неорганических веществ называется хемосинтезом. Он относится к хемоавтотрофному питанию.
Хемосинтезирующие организмы были открыты русским микробиологом С. Н. Виноградским в 1887 г. Это бактерии, которые для синтеза органических веществ используют энергию химических реакций, выделяющуюся при окислении неорганических веществ.
В зависимости от того, окисление какого вещества сопровождается выделением энергии, различают азот-фиксирующие бактерии, нитрифицирующие бактерии, железо-, серобактерии и т. д. Так как это прокариотные организмы, то в их клетках отсутствуют специализированные органеллы, в которых могут происходить окислительно-восстановительные реакции. Процессы хемосинтеза у них протекают на выростах плазматической мембраны — мезосомах. Источником водорода в этих реакциях является не только вода, но и неорганические соединения: сероводород H2S, водород H2.
Рассмотрим химические процессы, которые протекают в клетках некоторых хемосинтезирующих бактерий.
1. У железобактерий происходит окисление двухвалентного железа в трехвалентное, которое сопровождается выделением энергии:
Fe2+ → Fe3+ + Е;
4FeCO3 + O2 + 6H2O → 4Fe(OH)3 + 4СO2 + Е.
2. У бесцветных серобактерий происходит окисление серы или сероводорода.
2H2S + O2 → 2Н2O + 2S + Е;
2S + 3O2 + 2Н2O → 2H2SO4 + Е.
Большое количество серобактерий обитает в Черном море, воды которого насыщены сероводородом.
3. Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до азотистой, а затем до азотной кислоты:
2NH3 + 3O2 → 2HNO, + 2Н2O + Е;
2HNO2 + O2 → 2HNO3 + Е.
Все перечисленные бактерии являются аэробными, и окисление неорганических веществ у них происходит в присутствии кислорода. Высвобождающаяся при этом энергия запасается в молекулах АТФ, которые потом используются для образования органических веществ:
АДФ + Фм → АТФ.
Анаэробные хемосинтетики также участвуют в процессах окисления, но без использования кислорода. В анаэробных условиях некоторые сульфатные бактерии восстанавливают сульфаты и извлекают из них водород. К анаэробам относятся и денитрифицирующие бактерии, восстанавливающие свободный азот.
Хемосинтезирующие бактерии играют важную роль в биосфере. Они обеспечивают круговорот элементов в природе. Большинство хемосинтезирующих бактерий находятся в почве. С их деятельностью связано плодородие почвы, очистка воды в природе. Примером нитрифицирующих бактерий являются клубеньковые бактерии, располагающиеся на корнях бобовых растений.
Источник информации: Р. А. Петросова. Обмен веществ и энергии в клетках организма. М., «Дрофа». 2004г.