Fotosynteza - to nie jedyny naturalny sposób syntezy substancji organicznych z nieorganicznych
W poprzednim paragrafie rozpatrzyliśmy, jak zielone rośliny wykorzystują energię słoneczną do otrzymania wodoru z wody. Potem ten wodór używa się do redukcji dwutlenku węgla i syntezy substancji organicznych. Taki proces nazywa się fotosyntezą. Jednak w biosferze istnieje również inny sposób syntezy związków organicznych, który nie zależy bezpośrednio od energii słonecznej. Wodór do redukcji dwutlenku węgla można otrzymywać i od różnych cząsteczek nieorganicznych, jednak do tego niezbędny jest bardzo mocny utleniacz. Takim utleniaczem jest tlen. Żywe organizmy (chemoautotrofy) zdolne są do utleniania związków nieorganicznych (na przykład amoniaku, siarkowodoru, siarczynów, związków żelaza dwuwartościowego itp.) tlenem i wykorzystywania wydzielonych w tych procesach elektronów i wodoru do redukcji dwutlenku węgla. Taki proces nazywa się chemosyntezą. Tak samo jak w przypadku z roślinami zielonymi, część energii od utleniania wykorzystuje się do syntezy ATP. Taki sposób otrzymywania energii jest właściwy tylko prokariotom. A samo zjawisko chemosyntezy było odkryte w 1887 roku przez Siergieja Winogradskiego.
Ryc. 19.1. Cykl nitryfikacji
Zwierzęta wskutek swoich czynności życiowych produkują substancje zawierające azot, które ostatecznie rozkładają się do amoniaku i soli amonowych. Jeszcze jednym źródłem tych substancji jest gnijąca organika.
Rośliny źle przyswajają amoniak.
A bakterie nitryfikacyjne najpierw utleniają go do azotynu, a potem do azotanu.
Azotan łatwo przyswaja się roślinami i znów redukuje się do grup aminowych aminokwasów. Rośliny służą pokarmem dla zwierząt, w taki sposób cykl nitryfikacji zamyka się.
Nitryfikacyjne bakterie - to zwykłe chemotrofy
Najbardziej rozpowszechnionymi chemoautotroficznymi drobnoustrojami są glebowe bakterie nitryfikacyjne. Właśnie te bakterie odkrył Winogradski, podkreślając, że one potrafią rosnąć w środowisku z solami amonowymi1 przy pełnym braku substancji organicznych, to znaczy, że są organizmami autotroficznymi. Do tego czasu sądzono, że autotroficzność cechuje tylko organizmy fotosyntezujące, takie jak rośliny i glony. Odkrycie chemoautotroficznych bakterii nitryfikacyjnych zmieniło wyobrażenie o żywej przyrodzie. Bakterie nitryfikacyjne - to drobnoustroje o różnorodnej budowie zewnętrznej, które biorą udział w utylizacji amoniaku, powstającego w procesie rozszczepiania substancji organicznych zawierających azot. Bakterie nitryfikacyjne dzielą się na dwie grupy: tak zwane nitryfikatory pierwszej fazy zapewniają utlenianie amoniaku do azotynów, a nitryfikatory drugiej fazy utleniają azotyny tlenem do azotanów. Bakterie nitryfikacyjne odgrywają ważną rolę w glebowej wspólnocie organizmów: one przekształcają amoniak i sole amonowe powstające podczas gnicia organiki w łatwo dostępną dla roślin formę (ryc. 19.1). Oczywiście, do dokonania normalnej nitryfikacji niezbędna jest obecność w glebie tlenu. Dlatego spulchnianie gleby jest potrzebne do podwyższenia jej naturalnej urodzajności.
Bakterie siarkowe „czarnych palaczy” - to autotrofy w całkowitych ciemnościach
Ekosystemy są niezwykle różnorodne. Jesteśmy przyzwyczajeni do ekosystemów, w których produkcja pierwotna1 stwarza się organizmami fotosyntetyzującymi. Jednak w biosferze są ekosystemy, w których praktycznie cała biomasa pierwotna wytwarzana jest przez bakterie chemosyntetyzujące. Mowa jest o ekosystemach głębinowych rozwijających się wokół „czarnych palaczy”- (ryc. 19.2, A). „Czarni palacze” - to źródła hydroter-malne rozmieszczone na głębokości około 2500 metrów wzdłuż grzbietów oceanicznych. Z nich do wody wyrzucają się strumienie wysoko mineralizowanej, bogatej w siarkowodór, ogrzanej do 350°C wody pod ciśnieniem w kilkaset atmosfer. Zdumiewa fakt, że takie obszary dna oceanicznego są gęsto zasiedlone żywymi organizmami. W pobliżu komina żyją skorupiaki, ryby, małże, olbrzymie dwumetrowe robaki. Zagęszczenie żywych organizmów wokół kominów jest dziesiątki tysięcy razy wyższe niż na innych obszarach dna oceanicznego. Można powiedzieć, że to są swoiste głębinowe oazy życia. Jednak światło do takich ekosystemów nie dociera, a znaczy one nie mają organizmów fotosyntetyzu-jących2. Większość zwierząt na dnie oceanów istnieje dzięki „deszczowi” z obumarłej organiki padającego z górnych warstw oceanu. Ale ekosystemy „czarnych palaczy” potrafią samodzielnie wyrabiać związki organiczne za pomocą bakterii-chemoautotrofów zamieszkujących te obszary oceanu. Takie bakterie należą do bakterii siarkowych: one utleniają siarkowodór znajdujący się w wodzie bijącej ze źródeł hydrotermalnych, tlenem wody morskiej najpierw do siarki, a potem - do kwasu siarkowego (H2S04).
Ryc. 19.2. Ekosystemy głębinowych źródeł hydrotermalnych
A. Wygląd ogólny ekosystemu: widać czarne kłęby roztworu soli bijącego z krateru „czarnego palacza”, a także liczne Rurkoczułkowce (Riftia), które mieszkają w pobliżu. B. Z rureczek Riftia wychylają się czułki, nasycone krwią bogatą w hemoglobinę.
1 Produkcja pierwotna - to produkcja organizmów- autotrofów (fotoautotrofów i chemoautotrofów).
2 To, szczerze mówiąc, nie jest prawdą. Kominy promieniują stabe światło, które wykorzystują niektóre bakterii do fotosyntezy. Jednak intensywność tego procesu jest bardzo niska.
Siergiej Winogradski
Urodził się w roku 1856 w Kijowie. Wykształcenie zdobył na Uniwersytecie w Petersburgu, później pracował w Szwajcarii i Francji. Działalność Sergiusza Winogradskiego jako uczonego związana jest z mikrobiologią. Sławę światową przyniosło mu odkrycie chemosyntezy u bakterii siarkowych i nitryfikacyjnych, a także bakterii asymilujących azot atmosferyczny. Oprócz tego uczony zajmował się epidemiologią i gleboznawstwem. Jeden z jego uczniów- Danyło Zabołotnyj - został założycielem ukraińskiej mikrobiologii i epidemiologii, był prezesem Ogólnoukraińskiej Akademii Nauk w latach 1928-1929. Zmarł Siergiej Winogradski w roku 1953 w Paryżu.
W taki sposób one otrzymują energię i dokonują fiksacji dwutlenku węgla. Niektóre bakterie żyją samodzielnie, a inne - wstępują w stosunki symbiotyczne ze zwierzętami zasiedlającymi komin hydrotermalny. Najbardziej zadziwiająca jest symbioza z rurko-czułkowcami - olbrzymymi robakami żyjącymi w zbudowanych przez siebie rurkach obok krateru źródła hydrotermalnego (ryc. 19.2, B). Dorosłe robaki nie mają w ogóle układu pokarmowego, a jego szczątki tworzą specjalny narząd zasiedlony bakteriami siarkowymi. Bakterie siarkowe tworzą substancje organiczne, a nimi już odżywiają się robaki. Rurkoczułkowce wyróżniają się jaskrawoczerwonymi skrzelami wystającymi z rurek: ich krew jest bogata w hemoglobinę dostarczającą tlen nie tylko tkankom robaka, a i bakteriom siarkowym, którym on jest potrzebny do dokonania chemosyntezy. Oprócz tego hemoglobina przenosi siarkowodór dla bakterii siarkowych.
Często można usłyszeć stwierdzenie, że ekosystemy głębinowych źródeł hydroter-malnych są niezależne od światła słonecznego. Jest to błędne stwierdzenie. Rzeczywiście, synteza związków organicznych w tych ekosystemach zachodzi dzięki chemo-syntezie, a nie fotosyntezie. Jednak do dokonania chemosyntezy niezbędny jest tlen, który powstaje na Ziemi dzięki czynności organizmów fotosyntetyzujących. Właśnie dzięki energii Słońca do biosfery stale nadchodzi tlen. Tlen nasyca morską wodę i z głębinowymi prądami dosięga źródeł hydrotermalnych. Tutaj dzięki czynnościom bakterii siarkowych utlenia się siarkowodór. To staje się źródłem energii niezbędnej do syntezy związków organicznych. Dlatego istnienie głębinowych ekosystemów oazy hydroter-malnej nie można sobie wyobrazić bez fotosyntezy na powierzchni planety.
Zastanów się
Wybierz jedną poprawną odpowiedź
1
Wśród wymienionych organizmów chemosyntezy dokonuje A rurkoczułkowiec В ostryga
C bakteria mlekowa D bakteria siarkowa E prątek gruźlicy
2
Bakterie nitryfikacyjne do syntezy związków organicznych wykorzystują A azotany В tlen C dwutlenek węgla D wodę E azot
з
Udowodnieniem autotrofowości bakterii nitryfikacyjnych jest taka charakterystyka A zdolność wykorzystywania amoniaku В zdolność wchłaniania tlenu C fałdy błony w komórce
D zdolność do życia w środowisku bez substancji organicznych Є zdolność do życia w środowisku z solami amonowymi
Do chemosyntezy bakteriom siarkowym niezbędne są takie substancje A siarkowodór i tlen В kwas siarkowy i tlen C substancje organiczne i siarkowodór D siarka i kwas siarkowy E siarkowodór i kwas siarkowy
5
Źródłem tlenu dla bakterii siarkowych żyjących w rurkoczułkowcach jest A komin
В tlenowa fotosynteza C oddychanie zwierząt
D substancje organiczne, które pochłania rurkoczułkowiec E kwas siarkowy
Sformułuj odpowiedź w postaci kilku zdań
6
Ścieki przemysłowe można oczyszczać za pomocą organizmów chemosyntety-zujących. Jakie substancje można wydalić ze stoków dzięki chemosyntetykom?
Jak zmieni się zawartość gleby, gdy w niej wymrą wszystkie bakterie nitryfika-cyjne? Jakie to będzie miało skutki dla roślin?
8
Jakimi substancjami wymieniają się Riftia z bakteriami siarkowymi, które w nich żyją? Czy możliwe jest osobne istnienie tych organizmów?
9
Dlaczego oranie ziemi po zbieraniu plonów ulepsza wzrost roślin uprawnych następnego zasiewu?
10
Porównaj fotosyntezę i chemosyntezę. Na czym polega podobieństwo tych procesów, a na czym różnica?
Znajdź odpowiedź i postaraj się zrozumieć istotę problemu
11
Dzięki czynności niektórych bakterii chemosyntetyzujących powstały złoża kopalin użytecznych. Jakie bakterie i za jakie kopaliny są „odpowiedzialne”, jakie warunki są niezbędne do kształtowania złóż?
12
Wiele chemosyntetyzujących organizmów jest rozpowszechnionych przede wszystkim w miejscach o warunkach ekstremalnych: na dnie mórz, w beztlenowych, wysoko kwaśnych lub zbyt gorących zbiornikach wodnych. Dlaczego w tych kącikach, gdzie życie nie jest bardzo różnorodne, okazały się właśnie chemosyntetyki?
Dowiedz się samodzielnie i opowiedz innym
13
Według jednej z hipotez życie na Ziemi powstało w oazach hydrotermalnych i pierwszym sposobem odżywiania była właśnie chemosynteza. O jakie dowody opiera się ta hipoteza?
14
Uważa się, że krążenie wielu pierwiastków chemicznych jest niemożliwe bez chemosyntetyków. Jakie skutki dla planety i istnienia ludzkości będzie miało zniknięcie organizmów chemosyntetyzujących?
Źródło: Biologia podręcznika dla klasy 9 Szałamow