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.
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 окислюють 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.
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 ав-тотрофність властива лише фотосинтезувальним організмам, таким як рослини та водорості. Відкриття хемоавтотрофних нітрифікувальних бактерій змінило уяв-
лення про живу природу. 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 (HNOz, точніше до її солей — нітритів), а нітрифікатори другої фази окиснюють нітритну кислоту киснем до нітратної кислоти (HN03, 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 хемосин-тезувальними 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 фотосинтезу вальних організмів1 2. 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 (H2S04) 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.
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.
Сергій Виноградський
Народився 1856 року в Києві. Освіту здобув у Санкт-Петербурзькому університеті, згодом працював у Швейцарії та Франції. Діяльність Сергія Ви-ноградського 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.
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 фунту, 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 хе-мосинтетиків. Які наслідки для планети та існування людства матиме зникнення хемосинтезувальних організмів?
Це матеріал з підручника Біологія 9 клас Шаламов