Обмен веществ и энергии в клетках организма - [10]

Одновременно с синтезом органических веществ в атмосферу выделяется кислород, который необходим для дыхания. Без кислорода невозможно представить себе жизнь на Земле. Его запасы постоянно расходуются в процессе дыхания практически всех живых организмов, а также на процессы горения и окисления, происходящие в неживой природе. По подсчетам ученых, без фотосинтеза весь запас кислорода был бы израсходован в течение 3000 лет. Следовательно, фотосинтез имеет величайшее значение для жизни на Земле.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. В каких органоидах идет процесс фотосинтеза? Как они устроены?

2. Какова роль хлорофилла в реакциях фотосинтеза?

3. Как происходит фотолиз воды? Объясните роль Н⁺-резервуара. Как происходит восстановление потерянных хлорофиллом электронов?

4. Как используется энергия возбужденных электронов?

Какова роль каналов АТФ-азы?

5. Какое вещество связывает протоны? Как происходит этот процесс?

6. Назовите основные реакции, вызываемые светом.

7. В какой части хлоропластов протекают реакции темновой фазы? Назовите основные реакции этой фазы.

8. За счет какой энергии осуществляются циклические реакции в темновой фазе?

9. Каково значение фотосинтеза? В чем заключается космическая роль зеленых растений?

4. Хемосинтез

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 + Ф_м

 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.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Какой еще способ синтеза органических веществ, кроме фотосинтеза, существует на Земле?

2. Чем хемосинтезирующие бактерии отличаются от фотосинтезирующих организмов?

3. Как вы думаете, почему в процессе эволюции фотосинтезирующие организмы получили приоритетное развитие по сравнению с хемосинтетиками?

5. Энергетический обмен

Для жизнедеятельности организма необходима энергия. Растения аккумулируют солнечную энергию в органических веществах при фотосинтезе. В процессе энергетического обмена органические вещества расщепляются и энергия химических связей освобождается. Частично она рассеивается в виде тепла, а частично запасается в молекулах АТФ. У животных энергетический обмен протекает в три этапа.

Первый этап — подготовительный

Пища поступает в организм животных и человека в виде сложных высокомолекулярных соединений. Прежде чем поступить в клетки и ткани, эти вещества должны разрушиться до низкомолекулярных, более доступных для клеточного усвоения веществ.