Умблик
10 класс · углублённый
Биология · 10 класс · углублённый уровень
Биология · углублённый уровень · 10 класс · Урок 54

Хемосинтез: как бактерии и археи фиксируют углерод без света

Хемосинтез — не «фотосинтез в темноте». Некоторые микроорганизмы получают энергию при окислении неорганических доноров электронов, а углерод для роста — из CO₂. Сопоставим нитрифицирующие, серные, железные и водородные пути и их роль в круговоротах.

Обмен веществ и превращение энергии в клетке

Федеральная программа · углублённый уровень · 10 класс

Обмен веществ и превращение энергии в клетке

Элементы программы, раскрываемые в этом уроке:

  • Хемосинтез и хемоавтотрофия
  • Источник энергии и источник углерода
  • Окислительно-восстановительные реакции
  • Нитрифицирующие микроорганизмы
  • Серные и железные микроорганизмы
  • Водородокисляющие микроорганизмы
  • Фиксация CO₂
  • Разнообразие прокариотических метаболических путей
  • Роль в круговоротах азота, серы и железа
  • Сравнение фотосинтеза и хемосинтеза
Хемосинтез: энергетический поток ≠ источник углеродаНитрификация: два окисления2NH₄⁺ + 3O₂ → 2NO₂⁻ + 4H⁺ + 2H₂O2NO₂⁻ + O₂ → 2NO₃⁻Сера: выбранное полное окислениеH₂S + 2O₂ → SO₄²⁻ + 2H⁺Возможна промежуточная элементная S⁰Железо: выбранная кислая среда4Fe²⁺ + O₂ + 4H⁺ → 4Fe³⁺ + 2H₂OНе показаны гидролиз и осаждение Fe³⁺Водород: выбранный аэробный путь2H₂ + O₂ → 2H₂OH₂ даёт электроны, но не углеродХимическая энергия и электроныАТФ + восстановленные переносчикиОтдельный вход: CO₂ → органикаФиксация C с затратой АТФ и электроновЭто балансы выбранных реакций, не универсальные уравнения роста и не инструкции для опытов.
Верхние блоки показывают энергетические реакции четырёх групп хемолитотрофов; это не реакции получения глюкозы. Отдельный поток CO₂ даёт углерод органических веществ, используя АТФ и восстановленные переносчики. На схеме выбран O₂ как акцептор: в природе бывают другие пути.

Как это устроено

1. Два разных процесса должны встретиться в одной клетке. Энергетическая ветвь: неорганический донор отдаёт электроны, они проходят через переносчики к акцептору; энергия сопрягается с работой мембраны, образованием протонного градиента и АТФ. Биосинтетическая ветвь: CO₂ включается в органические вещества с затратой АТФ и восстановленных переносчиков. Поэтому NH₄⁺, H₂S, Fe²⁺ или H₂ называют донорами электронов, а CO₂ — источником углерода. Ни один из первых четырёх доноров не содержит углерода и не может сам предоставить углеродный скелет сахара.

2. Границы записанных ниже уравнений. Выберем аэробное окисление с O₂ как конечным акцептором. Покажем суммарные энергетические реакции, а не полную цепь ферментативных стадий и не универсальную формулу роста. Атомы и заряд с обеих сторон сохраняются; H⁺ обозначает протон, а вода участвует в балансе. Запись NH₄⁺ — удобный баланс аммония в воде; непосредственный субстрат первого ферментативного шага у многих аммиакокисляющих организмов — NH₃, связанный с NH₄⁺ кислотно-основным равновесием. Условия pH, акцептор и конкретный организм важны: в природе есть анаэробные и смешанные пути, не описываемые этой выбранной схемой.

3. Нитрификация: два электронных шага. Аммоний → нитрит: 2NH₄⁺ + 3O₂ → 2NO₂⁻ + 4H⁺ + 2H₂O. Нитрит → нитрат: 2NO₂⁻ + O₂ → 2NO₃⁻. Сложив реакции и сократив промежуточный нитрит, получаем NH₄⁺ + 2O₂ → NO₃⁻ + 2H⁺ + H₂O. В обоих энергетических шагах азот окисляется, O₂ восстанавливается; выделение H⁺ может подкислять среду. Часто работают разные организмы: Nitrosomonas и Nitrobacter — классические примеры для первой и второй стадий. Известны аммиакокисляющие археи и отдельные Nitrospira, выполняющие обе стадии. Фиксация CO₂ обеспечивает углерод их автотрофной биомассы отдельно от окисления азотного донора.

4. Значение нитрификации и отличия от других путей. Она переводит уже связанный азот в более окисленные формы: это не захват N₂ из воздуха. Азотфиксация восстанавливает N₂ до связанного азота, а денитрификация — другой набор реакций, при котором окисленные соединения азота могут восстанавливаться до газообразных продуктов. Нитраты могут поглощаться растениями, но также вымываться и загрязнять воду; нитрификация расходует растворённый O₂. Если из 1 ммоль NH₄⁺ по выбранному полному балансу образуется нитрат, требуется 2 ммоль O₂ и образуется 2 ммоль H⁺. Это расчёт идеального превращения без включения части азота в биомассу и побочных реакций, а не обещание измеренного результата в любой почве.

5. Сероокисляющие организмы. При частичном окислении сероводорода: 2H₂S + O₂ → 2S⁰ + 2H₂O; S⁰ — элементная сера. Далее возможна её окислительная стадия: 2S⁰ + 3O₂ + 2H₂O → 2SO₄²⁻ + 4H⁺. Суммарно: H₂S + 2O₂ → SO₄²⁻ + 2H⁺. Донор серы отдаёт электроны; кислород принимает, а образование органики требует отдельной фиксации CO₂. Например, Halothiobacillus neapolitanus — сероокисляющий хемолитоавтотроф. У разных видов возможны другие серные субстраты и промежуточные продукты; накопление S⁰ или сульфата зависит от пути и условий. Цвет серного отложения сам по себе не идентифицирует организм, а сероводород токсичен: эти уравнения не инструкция для школьного опыта.

6. Железоокисляющие организмы. Энергетическая полуреакция Fe²⁺ → Fe³⁺ + e⁻ показывает отдачу одного электрона каждым ионом. Для выбранной кислой аэробной среды суммарно: 4Fe²⁺ + O₂ + 4H⁺ → 4Fe³⁺ + 2H₂O. Acidithiobacillus ferrooxidans может сочетать такой энергетический обмен с фиксацией CO₂. Неорганическое железо даёт электроны, не углерод. В этой реакции H⁺ расходуется; нельзя объявить любое окисление железа источником кислоты по аналогии с серой. При других условиях Fe³⁺ гидролизуется и осаждается: Fe³⁺ + 3H₂O → Fe(OH)₃↓ + 3H⁺. Сложив эти выбранные стадии, получают 4Fe²⁺ + O₂ + 10H₂O → 4Fe(OH)₃↓ + 8H⁺. Это условная модель гидроксида; реальные осадки могут быть другими. При нейтральном pH Fe²⁺ быстро окисляется также без клеток, поэтому «ржавый налёт» не доказывает хемосинтез.

7. Водородокисляющие организмы. Гидрогеназа может направить электроны водорода в энергетическую цепь: H₂ → 2H⁺ + 2e⁻, а выбранный аэробный итог — 2H₂ + O₂ → 2H₂O. Часть электронного потока также обеспечивает восстановленные переносчики для фиксации CO₂. У Cupriavidus necator автотрофный рост связан с H₂ как донором, O₂ как акцептором и CO₂ как источником углерода. Это не означает, что все водородокисляющие микробы одинаковы или всегда используют кислород; сам C. necator обладает метаболической гибкостью. H₂ и O₂ не смешивают ради учебной демонстрации: газовые смеси опасны, достаточно бумажной модели.

8. Как из CO₂ получается органическое вещество. Для понимания электронного смысла можно записать условную восстановительную полуреакцию CO₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → [CH₂O] + H₂O. [CH₂O] обозначает формальную углеводную единицу, а не обязательно отдельную молекулу формальдегида и не прямой продукт одного фермента. Реальная фиксация — многошаговый биохимический путь с энергетическими затратами: у ряда бактерий, включая C. necator и A. ferrooxidans, работает цикл Кальвина; у других организмов есть другие пути. Нельзя из одной энергетической реакции сразу вывести число молекул глюкозы или АТФ: часть энергии тратится на восстановительные переносчики, транспорт и обслуживание клетки.

9. Сопоставление с фотосинтезом. Зелёное растение при кислородном фотосинтезе использует свет, воду как донор электронов и CO₂ как углеродный источник; молекулярный O₂ выделяется при окислении воды. В нашей модели нитрифицирующий хемолитоавтотроф использует химическую энергию окисления связанного азота, CO₂ для углерода и расходует O₂ как акцептор. В обоих случаях образуется первичное органическое вещество из неорганического углерода, но световые реакции и обязательное выделение кислорода хемосинтезу не приписывают. Таблица сравнения относится к названным моделям, не ко всем фотосинтезирующим и хемолитотрофным организмам.

Словарь урока

Каждое понятие — с примером

Хемосинтез

Синтез органических веществ из неорганического углерода с использованием энергии химического окисления веществ, а не света.

Пример: Некоторые нитрифицирующие микроорганизмы окисляют азотные соединения и фиксируют CO₂.

Хемоавтотроф

Организм, получающий энергию из химических реакций и использующий неорганический углерод для образования собственной биомассы.

Пример: Водородокисляющий микроб может использовать H₂ как донор электронов и CO₂ как источник углерода.

Донор электронов

Участник окислительно-восстановительной реакции, отдающий электроны, которые затем принимает другой компонент системы.

Пример: В одном из хемолитотрофных путей H₂ служит донором электронов.

Акцептор электронов

Участник окислительно-восстановительной реакции, принимающий электроны от донора прямо или через переносчики.

Пример: При аэробном окислении конечным акцептором может быть O₂, но у разных микробов существуют другие варианты.

Хемолитотроф

Организм, использующий неорганическое вещество как источник электронов для получения энергии в химических реакциях.

Пример: Некоторые микробы получают электроны от восстановленных соединений железа или серы.

Нитрификация

Биологическое окисление восстановленных соединений азота через несколько стадий, часто от аммония через нитрит к нитрату.

Пример: Разные группы микроорганизмов могут проводить отдельные стадии; нитрификация не равна фиксации атмосферного N₂.

Аммоний

Ион NH₄⁺, одна из восстановленных форм азота, участвующая в питании организмов и микробных превращениях.

Пример: Часть нитрифицирующих организмов получает электроны при окислении аммония.

Нитрит

Ион NO₂⁻, промежуточная форма азота в ряде микробных путей, которая может окисляться далее до нитрата.

Пример: Нитрит может быть субстратом для нитритокисляющих микроорганизмов.

Нитрат

Ион NO₃⁻, окисленная форма азота, которая может служить источником азота для растений и участвовать в других микробных процессах.

Пример: После нитрификации часть нитрата поглощается корнями, а часть может переходить дальше по круговороту.

Сероокисляющий микроорганизм

Микроорганизм, использующий электроны восстановленных серных соединений в определённом пути обмена.

Пример: Окисление сульфида до более окисленных форм может сопровождаться получением энергии микробом.

Железоокисляющий микроорганизм

Микроорганизм, способный получать электроны при окислении Fe²⁺ при подходящих условиях среды.

Пример: В водной среде образование Fe³⁺ может быть связано с работой таких микробов, но цвет осадка сам по себе не доказывает их участие.

Водородокисляющий микроорганизм

Микроорганизм, способный использовать молекулярный водород как донор электронов в определённых метаболических условиях.

Пример: Хемоавтотрофная форма может сочетать окисление H₂ с фиксацией CO₂.

Фиксация углерода

Включение неорганического углерода, обычно из CO₂ или бикарбоната, в органические молекулы через биохимические пути.

Пример: Сходный исходный CO₂ может фиксироваться светозависимым растением и хемоавтотрофным микробом при разных источниках энергии.

Хемолитоавтотроф

Организм, получающий энергию от химического окисления неорганического донора электронов и использующий неорганический углерод для построения органических веществ. Три части термина отдельно описывают энергию, электроны и углерод.

Пример: При автотрофном росте Cupriavidus necator окисляет H₂, переносит электроны к O₂ и фиксирует CO₂; он также способен к иным режимам питания, поэтому режим нужно указывать.

Окисление и восстановление

Сопряжённые изменения веществ: при окислении электроны отдаются, при восстановлении принимаются. Степень окисления помогает вести электронный баланс, но не является утверждением о свободном движении электронов в растворе.

Пример: Fe²⁺ → Fe³⁺ + e⁻: железо окисляется. O₂ в конечном счёте принимает электроны и превращается в воду — восстанавливается.

Восстановленные переносчики

Молекулы, например NADH и NADPH, принявшие электроны и способные отдавать их в дальнейших реакциях. При фиксации CO₂ они нужны для восстановления углерода; АТФ обеспечивает энергетическое сопряжение, но не заменяет электронный донор.

Пример: Некоторые хемолитотрофы тратят часть протонного градиента на получение восстановленных переносчиков: вся энергия окисления не становится чистым выходом АТФ.

Нитрификаторы

Функциональная группа микроорганизмов, окисляющих аммиак/аммоний до нитрита или нитрит до нитрата, а некоторые — обе стадии. Существуют аммиакокисляющие бактерии и археи; название группы не означает единый вид.

Пример: Nitrosomonas — пример аммиакокисляющих бактерий, Nitrobacter — нитритокисляющих. Некоторые Nitrospira выполняют полную нитрификацию — comammox; не каждая Nitrospira обладает этим свойством.

Сульфид и сульфат

Разные формы серы: сероводород H₂S и его ионизированные формы HS⁻/S²⁻ содержат восстановленную серу, а сульфат SO₄²⁻ — сильно окисленную. Доля разных форм сульфида зависит от кислотности.

Пример: В учебном аэробном балансе H₂S + 2O₂ → SO₄²⁻ + 2H⁺; продукт окисления серы не является источником углерода для биомассы.

Гидрогеназа

Фермент, катализирующий превращение молекулярного водорода с передачей электронов. В выбранной модели окисления H₂ образуются протоны и электроны, которые поступают в энергетическую цепь или к восстановленным переносчикам.

Пример: У Cupriavidus necator разные гидрогеназы участвуют в мембранном переносе электронов и восстановлении NAD⁺; слово «водородная бактерия» не означает получение углерода из H₂.

Биомасса

Вещество живых клеток или организмов; её количество измеряют определённым методом и в указанных единицах. При автотрофном росте углерод новых органических молекул поступает из CO₂, но клетке нужны и другие элементы питания.

Пример: Измерение включённого углерода показывает один поток в биомассу; его нельзя без дополнительных условий приравнять к общей сухой массе клетки.

Суммарная учебная реакция

Сбалансированная запись исходных веществ и конечных продуктов выбранного процесса без всех ферментов, переносчиков и промежуточных стадий. Она сохраняет атомы и заряд, но сама по себе не задаёт скорость, выход АТФ или рост клеток.

Пример: 4Fe²⁺ + O₂ + 4H⁺ → 4Fe³⁺ + 2H₂O показывает расход протонов в окислении Fe²⁺; последующее осаждение соединений Fe³⁺ может изменить кислотность иначе.

Пример по шагам

В закрытой системе без света уменьшаются H₂ и CO₂, увеличивается биомасса микроорганизма. Что нужно проверить перед выводом о хемосинтезе?

  1. Показать, что H₂ действительно используется как донор электронов, а не просто уходит из сосуда.
  2. Установить, что углерод новой биомассы поступает из CO₂, например по подходящему контролируемому трассированию.
  3. Назвать конечный акцептор электронов и исключить поступление органического углерода извне.

Вывод: Наблюдение совместимо с хемоавтотрофией, но источник энергии и углерода доказываются раздельно.

Практическая работа

Кривые азотных соединений как косвенные данные

  1. Используйте только условные, специально вымышленные учебные данные; это не результаты выращивания микроорганизмов. Время: 0, 1, 2, 3 часа. Рабочая серия, ммоль азота/л: NH₄⁺ — 10, 6, 2, 0; NO₂⁻ — 0, 3, 4, 1; NO₃⁻ — 0, 1, 4, 9. Контрольная серия во все моменты: 10, 0, 0 соответственно. Постройте три графика.
  2. Проверьте азотный баланс: в каждый момент рабочей серии сумма равна 10 ммоль N/л. Нитрит сначала накапливается, затем уменьшается; это совместимо с последовательными окислительными стадиями, а не с исчезновением азота. Между 0 и 3 часами окислено 10 ммоль NH₄⁺ до нитрита и 9 ммоль нитрита до нитрата; по идеальным балансам расход O₂ составил 10 × 1,5 + 9 × 0,5 = 19,5 ммоль/л.
  3. Проверка гипотезы: отсутствие изменения в контрольной серии поддерживает различие условий, но не определяет вид клеток и не доказывает автотрофию. Альтернативы: абиотические реакции или неучтённый обмен с внешней средой. Для источника углерода нужен отдельный анализ включения углерода CO₂ в органические молекулы; измерения O₂ и другие контроли проверили бы энергетический баланс.

Что можно заключить: Модель показывает последовательные превращения и позволяет проверить атомный баланс; по одним концентрациям нельзя идентифицировать микроорганизм или доказать фиксацию CO₂.

Безопасность: Не берите пробы сточных вод и не выращивайте неизвестные микроорганизмы; используйте только готовые данные и демонстрационные изображения.

Практическая работа

Сравнение процессов фотосинтеза и хемосинтеза

Учебные модельные данные — не результаты реального опыта

Если таблица шире экрана, прокрутите её по горизонтали.

Включение углерода CO₂ в органические вещества в двух учебных моделях
МодельСветДонор электроновCO₂O₂ для дыханияВключённый C, усл. ед.
Зелёное растениеестьводаестьдоступен100
То же растениенетводаестьдоступен0
Аммиакокисляющий хемоавтотрофестьNH₄⁺/NH₃естьдоступен100
Тот же хемоавтотрофнетNH₄⁺/NH₃естьдоступен100
Тот же хемоавтотрофнетотсутствуетестьдоступен0
Тот же хемоавтотрофнетNH₄⁺/NH₃естьнет0
Тот же хемоавтотрофнетNH₄⁺/NH₃нетдоступен0

Специально вымышленные идеальные числа, не реальные наблюдения и не инструкция по культивированию. В каждом организме собственное активное условие нормировано к 100; сравниваются изменения внутри серии, а не абсолютные скорости двух видов. Учитывается новое включение углерода CO₂, не суммарный газообмен. Выбран аэробный нитрификатор без иных доноров и запасов, растение без альтернативной фиксации в темноте; реальные фоновые процессы и сохранённые запасы могут менять картину.

  1. Прочитайте таблицу, её нормировку и границы. У растения энергия поступает от света, донор электронов — вода, углерод — CO₂; у выбранного нитрификатора энергия и электроны — от окисления связанного азота, углерод — тоже CO₂. Сравните свет/темноту внутри каждой серии, не между разными видами.
  2. Проверка: в модели растения без света новое включение C уменьшилось на 100 условных единиц, то есть на 100%; в модели нитрификатора изменилось на 0. При отсутствии донора, O₂ или CO₂ у выбранного нитрификатора получено 0 по явно заданным идеальным условиям. Вывод относится к модели без запасов и альтернатив, не доказывает абсолютное отсутствие любых реальных реакций в темноте.
  3. Запишите энергетическую реакцию нитрификации NH₄⁺ + 2O₂ → NO₃⁻ + 2H⁺ + H₂O отдельно от фиксации CO₂. Объясните: CO₂ отсутствует в этой энергетической реакции, но углерод биомассы в автотрофном режиме приходит из CO₂. Равные значения 100 не доказывают равную производительность организмов: нормировка независима.

Что можно заключить: Фотосинтез и хемосинтез различаются источником энергии и реакциями, хотя оба могут поддерживать фиксацию углерода.

Безопасность: Анализируйте готовые данные; не культивируйте неизвестные хемоавтотрофные микроорганизмы и не используйте токсичные сернистые вещества ради опыта.

Попробуйте сами

Запишите своё решение, затем сравните его с разбором. Развёрнутые ответы автоматически не оцениваются.

Открываем задания…

Сверка содержания

Раздел и элементы содержания сверены с федеральной программой. Текст и учебные схемы созданы для Умблика; схема не передаёт реальные размеры.