Сравнение процессов фотосинтеза и хемосинтеза. Разница между фотосинтезом и хемосинтезом. Признаки для сравнения

04.07.2023

Фотосинтез и хемосинтез являются одними из самых захватывающих процессов, которые происходят в живых организмах. Знание различий между этими двумя реакциями считается необходимым минимумом для учащегося старшей школы, но именно сравнение этих архиважных процессов зачастую вгоняет в ступор самых старательных и вдумчивых учеников.

Определение

Фотосинтез – процесс синтеза органического вещества, простимулированный энергией солнечного света.

Хемосинтез – процесс образования органических соединений, который «заводится» без обязательного наличия солнечных квантов.

Сравнение

Фотосинтез является источником жизнедеятельности живых существ-автотрофов, а именно подавляющего большинства представителей царства Растений и некоторых типов Бактерий, которые в свою очередь служат основным питанием или началом пищевой пирамиды для организмов-гетеротрофов и сапротрофов. Благодаря фотосинтезу на Земле ежегодно образуется 150 миллиардов тонн органического вещества, а атмосфера пополняется 200 миллиардами тонн кислорода, пригодного для дыхания прочих организмов.

Фотосинтез происходит в пластидах – органеллах клеток растений, обладающих пигментом хлорофиллом. В процессе окислительно-восстановительной реакции, коей является фотосинтез, происходит потребление растением воды и неорганических веществ, а именно углекислого газа. Стимулируется сей процесс наличием энергии солнечных квантов. В результате реакции выделяется кислород, а также синтезируются органические вещества – в большинстве случаев глюкоза, она же гексоза или виноградный сахар.

Благодаря хемосинтезу в биосфере происходит круговорот азота, серобактерии выветривают горные породы, создавая базу для образования почв, а водородные бактерии окисляют опасные объемы водорода, которые накапливаются в процессе жизнедеятельности некоторых микроорганизмов. Кроме того, нитрифицирующие бактерии способствуют повышению плодородия грунта, а серобактерии участвуют в очищении сточных вод.

Хемосинтез дислоцируется в клетках бактерий и архей. В процессе окислительно-восстановительных реакций происходит синтез органических веществ. Только не прямо, а через образование энергии АТФ, которая позже тратится на синтез органики. Для этого живые организмы используют CO 2 , водород и кислород, образованные при окислении аммиака, оксида железа, сероводорода и водорода. Учитывая то, что хемосинтез может происходить под землей, в глубинах Мирового океана, в середине других живых организмов, к энергии света он не привязан, им не «заводится», от Солнца не зависит.

Выводы сайт

Фотосинтез невозможен без энергии солнечного света, хемосинтез в нем не нуждается.
Фотосинтезируют растения и бактерии, хемосинтезируют – бактерии и археи.
Оба процесса имеют разное биологическое значение.

Практическая работа №

Тема: «Сравнение процессов фотосинтеза и хемосинтеза»

Цель: 1) сравнить процессы фотосинтеза и хемосинтеза; 2) выяснить значение фотосинтеза и хемосинтеза для эволюции.

Оборудование и материалы: таблицы и схемы, отражающие суть процессов фотосинтеза и хемосинтеза в клетках автотрофных организмов.

Ход работы:

1. Выявление опорных знаний и умений учащихся, необходимых для проведения работы, повторение основных этапов фотосинтеза, хемосинтеза (по учебникам авторов В.Б. Захарова и Д.К. Беляева «Общая биология 10-11 класс»).

2. Инструктивная беседа об особенностях заполнения сводной таблицы.

Признаки для сравнения

Фотосинтез

Хемосинтез

1. Определение понятия

2. Фазы процесса

3. Источник получения органического вещества

4. Источник получения энергии

5. Основные изменения, происходящие в клетке

6. Конечный продукт

7. Представители (примеры организмов с данным типом питания)

3.Тренировочные упражнения.

1) Определите массу образованного при фотосинтезе кислорода, если при этом процессе синтезировано 45 г глюкозы. Молекулярная масса глюкозы равна 180, молекулярная масса кислорода – 32 (ответ: 8 г).

2) На основании правила экологической пирамиды для приращения консументами второго порядка (например, человеком) массы на 1 кг требуется около 100 кг растительной биомассы. Определите массу усвоенного растениями углекислого газа, если при этом было синтезировано 100 кг растительной биомассы (условно принять массу образованной при фотосинтезе глюкозы за растительную биомассу). Молекулярная масса глюкозы равна 180, молекулярная масса углекислого газа – 44 (ответ: 24,4 кг).

3) За сутки один человек массой 60 кг при дыхании потребляет в среднем 30 л кислорода (из расчета 200 см 3 на 1 кг массы за 1 час). Одно 25-летнее дерево – тополь – в процессе фотосинтеза за 5 весенне-летних месяцев поглощает около 42 кг углекислого газа. Определите, сколько таких деревьев обеспечат кислородом одного человека (ответ: 5 деревьев).

5) Проследите и подробно опишите путь следующих превращений:

а) от молекулы СО 2 из воздуха до молекулы крахмала в растительной клетке;

б) от молекулы крахмала в животном, которое съело растение, до молекулы гликогена в животной клетке;

в) от молекулы гликогена в животной клетке до СО 2 и дальше до Н 2 О.

Выводы:

Раздел ЕГЭ: 2.5. Обмен веществ и превращения энергии - свойства живых организмов. Энергетический обмен и пластический обмен, их взаимосвязь. Стадии энергетического обмена. Брожение и дыхание. Фотосинтез, его значение, космическая роль. Фазы фотосинтеза. Световые и темновые реакции фотосинтеза, их взаимосвязь. Хемосинтез. Роль хемосинтезирующих бактерий на Земле.

Фотосинтез

Фотосинтез - это процесс преобразования энергии света в энергию химических связей органических соединений с участием хлорофилла. В фотосинтезе различают световые и темновые реакции.

Световая фаза фотосинтеза протекает на мембранах тилакоидов, несущих несколько типов белковых комплексов, основными из которых являются фотосистемы I и II, а также АТФ-синтаза. В состав фотосистем входят пигментные комплексы, в которых, кроме хлорофилла, присутствуют и каротиноиды.

Кроме пигментных комплексов, фотосистемы включают и ряд белков-акцепторов электронов, которые последовательно передают друг другу электроны от молекул хлорифилла. Последовательность этих белков называется электронтранспортной цепью хлоропластов. С фотосистемой II также ассоциирован кислородвыделяющий белковый комплекс.

В световой фазе кванты света, или фотоны, попадающие на молекулы хлорофилла, расположенные на мембранах тилакоидов, переводят их в возбужденное состояние, характеризующееся более высокой энергией электронов. При этом возбужденные электроны от хлорофилла фотосистемы I передаются через цепь посредников на переносчик водорода НАДФ, присоединяющий при этом протоны водорода, всегда имеющиеся в водном растворе:

Электроны от хлорофилла фотосистемы II также передаются по электронтранспортной цепи, однако они заполняют «электронные дырки» хлорофилла фотосистемы I. Недостаток электронов в хлорофилле фотосистемы II заполняется за счет отнимания у молекул воды, которое происходит с участием уже упоминавшегося выше кислород-выделяющего комплекса. В результате разложения молекул воды, которое называется фотолизом, образуются протоны водорода и выделяется молекулярный кислород, являющийся побочным продуктом фотосинтеза:

Протоны водорода, накопившиеся в полости тилакоида в результате фотолиза воды и нагнетания при переносе электронов по электронтранспортной цепи, вытекают из тилакоида через канал в мембранном белке - АТФ-синтазе, при этом из АДФ синтезируется АТФ. Данный процесс называется фотофосфорилированием. Образовавшаяся в световых реакциях АТФ впоследствии будет использована в темновых реакциях.

Суммарное уравнение реакций световой фазы фотосинтеза можно записать следующим образом:

В ходе темновых реакций фотосинтеза происходит связывание молекул СО 2 в виде углеводов, на которое расходуются молекулы АТФ и НАДФН + Н + , синтезированные в световых реакциях:

Процесс связывания углекислого газа является сложной цепью превращений, названий циклом Кальвина в честь его первооткрывателя. Темновые реакции протекают в строме хлоропластов. Для их протекания необходим постоянный приток углекислого газа извне.

Таким образом, в процессе фотосинтеза энергия солнечного света преобразуется в энергию химических связей сложных органических соединений не без участия хлорофилла. Суммарное уравнение фотосинтеза можно записать следующим образом:

Реакции световой и темновой фаз фотосинтеза взаимосвязаны, так как увеличение скорости лишь одной группы реакций влияет на интенсивность всего процесса фотосинтеза только до определенного момента, пока вторая группа реакций не выступит в роли лимитирующего фактора, и возникает потребность в ускорении реакций второй группы для того, чтобы первые происходили без ограничений.

В результате фотосинтеза образуется примерно 150 млрд тонн органического вещества и приблизительно 200 млрд тонн кислорода ежегодно. Этот процесс обеспечивает круговорот углерода в биосфере, не давая накапливаться углекислому газу и препятствуя тем самым возникновению парникового эффекта и перегреву Земли. Образующиеся в результате фотосинтеза органические вещества не расходуются другими организмами полностью, значительная их часть в течение миллионов лет образовала залежи полезных ископаемых (каменного и бурого угля, нефти). Из кислорода под действием электрических разрядов образуется озон, который формирует озоновый экран, защищающий все живое на Земле от губительного действия ультрафиолетовых лучей.

Наш соотечественник, выдающийся физиолог растений К. А. Тимирязев (1843-1920) назвал роль фотосинтеза «космической» , поскольку он связывает Землю с Солнцем (космосом), обеспечивая приток энергии на планету.

Хемосинтез

Хемосинтез - это процесс синтеза органических соединений за счет химической энергии неорганических соединений. Этот процесс был открыт выдающимся русским ученым С. Н. Виноградским в 1887 году.

К группе хемосинтетиков (хемотрофов) относятся в основном бактерии: нитрифицирующие, серобактерии, железобактерии и др. Они используют энергию окисления соединений азота, серы, ионов железа соответственно. При этом донором электронов выступает не вода, а другие неорганические вещества.

Так, нитрифицирующие бактерии окисляют образованный из атмосферного азота азотфиксирующими бактериями аммиак до нитритов и нитратов:

2NH 3 + 3O 2 → 2HNO 2 + 2H 2 O + 663 кДж,

2HNO 2 + O 2 → 2HNO 3 + 192 кДж.

Серобактерии окисляют сероводород до серы, а в некоторых случаях - и до серной кислоты:

H 2 S + O 2 → 2H 2 O + 2S + 272 кДж,

2S + 3O 2 + H 2 O → H 2 SO 4 + 483 кДж.

Железобактерии окисляют соли железа:

4FeCO 3 + O 2 + 6H 2 O → 4Fe(OH) 3 + 4CO 2 + 324 кДж.

Водородные бактерии способны окислять молекулярный водород:

2H 2 + O 2 → 2H 2 O + 235 кДж.

Источником углерода для синтеза органических соединений у всех автотрофных бактерий выступает углекислый газ.

Хемосинтезирующие бактерии наиболее значительную роль играют в биогеохимических циклах химических элементов в биосфере, так как в процессе их жизнедеятельности образовались залежи многих полезных ископаемых. Кроме того, они являются источниками органического вещества на планете, то есть продуцентами, а также делают доступным целый ряд неорганических веществ и для растений, и для других организмов.

Это конспект для 10-11 классов по теме «Фотосинтез и хемосинтез» .

Кто из нас не помнит определение «фотосинтез» из уроков ботаники в школе? «Процесс образования органического вещества из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов». Зная назубок это лаконичное определение, мало кто из нас задавался вопросом, а что же оно скрывает за собой?

По-существу, фотосинтез - это химическая реакция, в результате которой шесть молекул СО2 соединяются с шестью молекулами воды и формируется одна молекула глюкозы - строительный кирпичик нашего органического вещества. Образующийся в ходе фотосинтеза молекулярный кислород является всего лишь побочным продуктом. Однако этот самый «побочный продукт» является одним из основных источников атмосферного кислорода, столь необходимого для высших организмов.

Казалось бы, все очень просто: клетка фотосинтезирующего организма является своего рода «колбочкой» для химической реакции двух компонентов. Но на поверку механизм реакции оказывается куда более сложным. Оказывается, процесс состоит из двух реакций: «световой» и «темновой». Первая связана с расщеплением молекулы воды на водород и кислород при помощи энергии света. Солнечный свет поглощается специальным светопоглощающим пигментом клетки хлорофиллом (окрашен в зеленый цвет). Далее происходит перевод энергии в молекулы АТФ, которые высвобождают полученную энергию на второй стадии фотосинтеза - «темновой» реакции. «Темновая» реакция является непосредственно реакцией между углекислым газом и водородом с образованием глюкозы.

Фотосинтез могут осуществлять растения, водоросли и некоторые виды микроорганизмов. Благодаря их жизнедеятельности, становится возможным существование, например, животных, питание которых состоит из органических веществ. Но является ли фотосинтез единственной формой перевода углекислого газа в органическое вещество? Нет. Оказывается, природой предусмотрен и другой, альтернативный, путь образования органических веществ из СО2 - хемосинтез .

Отличием хемосинтеза от фотосинтеза является отсутствие «световой» реакции. В качестве источника энергии, клетки хемосинтезирующих организмов используют энергию не солнечного света, а энергию химических реакций. Каких именно? Реакции окисления водорода, окиси углерода, восстановления серы, железа, аммиака, нитрита, сурьмы.

Конечно, каждый хемосинтезирующий организм использует свою собственную химическую реакцию как источник энергии. Например, водородные бактерии окисляют водород, нитрифицирующие бактерии переводят аммиак в нитратную форму и т.д. Однако все они накапливают энергию, высвобождающуюся в процессе химической реакции, в виде молекул АТФ. Далее процесс протекает по типу реакций темновой стадии фотосинтеза.
Способностью к хемосинтезу обладают только некоторые виды бактерий. Роль их в природе колоссальна. Они не «производят» атмосферный кислород, не накапливают больших количеств органического вещества. Однако химические реакции, которые они используют в ходе своей жизнедеятельности, играют ключевую роль в биогеохимии, обеспечивая, в том числе, круговорот азота, серы и других элементов в природе.

Хемосинтез (от хемо... и синтез), правильнее - хемолитоавтотрофия, тип питания, свойственный некоторым бактериям, способным усваивать CO 2 как единственный источник углерода за счёт энергии окисления неорганических соединений. Открытие хемосинтез в 1887 (Виноградский С. Н.) существенно изменило представления об основных типах обмена веществ у живых организмов. В отличие от фотосинтеза, при хемосинтезе используется не энергия света, а энергия, получаемая при окислительно-восстановительных реакциях, которая должна быть достаточна для синтеза аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) и превышать 10 ккал/моль.

Бактерии, способные к хемосинтезу, не являются единой в таксономическом отношении группой, а систематизируются в зависимости от окисляемого неорганического субстрата. Среди них встречаются микроорганизмы, окисляющие водород, окись углерода, восстановленные соединения серы, железо, аммиак, нитриты, сурьму.

Водородные бактерии - наиболее многочисленная и разнообразная группа хемосинтезирующих организмов; осуществляют реакцию 6H 2 + 2O 2 + CO 2 = (CH 2 O) + 5H 2 O, где (CH 2 O) - условное обозначение образующихся органических веществ. По сравнению с др. автотрофными микроорганизмами характеризуются высокой скоростью роста и могут давать большую биомассу. Эти бактерии способны также расти на средах, содержащих органические вещества, т. е. являются микотрофными, или факультативно хемоавтотрофными бактериями.

Близки к водородным бактериям карбоксидобактерии, окисляющие CO по реакции 25CO + 12O 2 + H 2 O + 24CO 2 + (CH 2 O). Тионовые бактерии окисляют сероводород, тиосульфат, молекулярную серу до серной кислоты. Некоторые из них (Thiobacillus ferrooxidans) окисляют сульфидные минералы, а также закисное железо. Способность к хемосинтезу у разнообразных водных серобактерий остаётся недоказанной.

Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до нитрита (1-я стадия нитрификации) и нитрит в нитрат (2-я стадия). В анаэробных условиях хемосинтез наблюдается у некоторых денитрифицирующих бактерий, окисляющих водород или серу, но часто они нуждаются в органическом веществе для биосинтеза (литогетеротрофия). Описан хемосинтез у некоторых строго анаэробных метанообразующих бактерий по реакции 4H 2 + CO 2 = CH 4 + 2H 2 O.

Биосинтез органических соединений при хемосинтезе осуществляется в результате автотрофной ассимиляции CO 2 (цикл Калвина) точно так же, как при фотосинтезе. Энергия в виде АТФ получается от переноса электронов по цепи дыхательных ферментов, встроенных в клеточную мембрану бактерий. Некоторые окисляемые вещества отдают электроны в цепь на уровне цитохрома с, что создаёт дополнительный расход энергии для синтеза восстановителя. В связи с большим расходом энергии хемосинтезирующие бактерии, за исключением водородных, образуют мало биомассы, но окисляют большое количество неорганических веществ.

В биосфере хемосинтезирующие бактерии контролируют окислительные участки круговорота важнейших элементов и поэтому представляют исключительное значение для биогеохимии. Водородные бактерии могут быть использованы для получения белка и очистки атмосферы от CO 2 в замкнутых экологических системах. Морфологически хемосинтезирующие бактерии весьма разнообразны, хотя большинство из них относится к псевдомонадам, они имеются среди почкующихся и нитчатых бактерий, спирилл, лептоспир, коринебактерий.

Зеленые растения (автотрофы) - основа жизни на планете. С растений начинаются практически все пищевые цепи. Они превращают энергию, падающую на них в форме солнечного света, в энергию, запасенную в углеводах, из которых важнее всего шестиуглеродный сахар глюкоза. Этот процесс преобразования энергии называется фотосинтезом. Суммарное уравнение фотосинтеза выглядит так:

вода + углекислый газ + свет > углеводы + кислород

В 1905 году английский физиолог растений Фредерик Блэкман провел исследования и установил основные процессы фотосинтеза. Блэкман заключил, что происходят два процесса: один из них в значительной степени зависит от уровня освещения, но не от температуры, тогда как второй сильно определяется температурой независимо от уровня света. Это озарение легло в основу современных представлений о фотосинтезе. Два процесса иногда называют «световой» и «темновой» реакцией, что не вполне корректно, поскольку оказалось, что, хотя реакции «темновой» фазы идут и в отсутствии света, для них необходимы продукты «световой» фазы.

Фотосинтез начинается с того, что излучаемые солнцем фотоны попадают в особые пигментные молекулы, находящиеся в листе, - молекулы хлорофилла. Хлорофилл содержится в клетках листа, в мембранах клеточных органелл хлоропластов (именно они придают листу зеленую окраску). Процесс улавливания энергии состоит из двух этапов и осуществляется в раздельных кластерах молекул - эти кластеры принято называть Фотосистемой I и Фотосистемой II. Номера кластеров отражают порядок, в котором эти процессы были открыты, и это одна из забавных научных странностей, поскольку в листе сначала происходят реакции в Фотосистеме II, и лишь затем - в Фотосистеме I.

Когда фотон сталкивается с 250-400 молекулами Фотосистемы II, энергия скачкообразно возрастает и передается на молекулу хлорофилла. В этот момент происходят две химические реакции: молекула хлорофилла теряет два электрона (которые принимает другая молекула, называемая акцептором электронов) и расщепляется молекула воды. Электроны двух атомов водорода, входивших в молекулу воды, возмещают два потерянных хлорофиллом электрона.

После этого высокоэнергетический («быстрый») электрон перекидывают друг другу, как горячую картофелину, собранные в цепочку молекулярные переносчики. При этом часть энергии идет на образование молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), одного из основных переносчиков энергии в клетке. Тем временем немного другая молекула хлорофилла Фотосистемы I поглощает энергию фотона и отдает электрон другой молекуле-акцептору. Этот электрон замещается в хлорофилле электроном, прибывшим по цепи переносчиков из Фотосистемы II. Энергия электрона из Фотосистемы I и ионы водорода, образовавшиеся ранее при расщеплении молекулы воды, идут на образование НАДФ-Н, другой молекулы-переносчика.

В результате процесса улавливания света энергия двух фотонов запасается в молекулах, используемых клеткой для осуществления реакций, и дополнительно образуется одна молекула кислорода. После того как солнечная энергия поглощена и запасена, наступает очередь образования углеводов. Основной механизм синтеза углеводов в растениях был открыт Мелвином Калвином. Цикл превращения солнечной энергии в углеводы состоит из серии химических реакций, которые начинаются с соединения входящей молекулы с молекулой-«помощником» с последующей инициацией других химических реакций. Эти реакции приводят к образованию конечного продукта и одновременно воспроизводят молекулу-«помощника», и цикл начинается вновь. В цикле Калвина роль такой молекулы-«помощника» выполняет пятиуглеродный сахар рибулозодифосфат (РДФ). Цикл Калвина начинается с того, что молекулы углекислого газа соединяются с РДФ. За счет энергии солнечного света, запасенной в форме АТФ и НАДФ-H, сначала происходят химические реакции связывания углерода с образованием углеводов, а затем - реакции воссоздания рибулозодифосфата. На шести витках цикла шесть атомов углерода включаются в молекулы предшественников глюкозы и других углеводов. Этот цикл химических реакций будет продолжаться до тех пор, пока поступает энергия. Благодаря этому циклу энергия солнечного света становится доступной живым организмам.