Фотосинтез и хемосинтез
Краткий ответ
Фотосинтез — синтез органики из \(\mathrm{CO_2}\) и воды за счёт энергии света (растения, водоросли, цианобактерии). Хемосинтез — синтез органики из \(\mathrm{CO_2}\) за счёт энергии окисления неорганических веществ (только бактерии: серобактерии, нитрифицирующие, железобактерии). Главное различие — откуда берётся энергия, а общее — источник углерода \(\mathrm{CO_2}\).
Ключевая логика: автотрофный синтез = «энергия + \(\mathrm{CO_2}\)»
Углерод в \(\mathrm{CO_2}\) окислен, чтобы получить из него глюкозу, его надо восстановить, а на это нужны энергия и «восстановитель». Автотрофы решают одну задачу двумя способами:
| Фотосинтез | Хемосинтез | |
|---|---|---|
| Источник энергии | свет | химическая энергия окисления |
| Источник восстановителя | фотолиз воды (даёт \(\mathrm{O_2}\)) | окисление \(\mathrm{H_2S}\), \(\mathrm{NH_3}\), \(\mathrm{Fe^{2+}}\) и др. |
| Источник углерода | \(\mathrm{CO_2}\) | \(\mathrm{CO_2}\) |
| Кто | растения, водоросли, цианобактерии | бактерии |
| Кислород | выделяется | не выделяется |
Фотосинтез по шагам
- Световая фаза (мембраны тилакоидов, хлорофилл): свет → возбуждение электронов → фотосинтез воды \(\mathrm{H_2O \rightarrow H^+ + e^- + O_2}\); запас энергии в АТФ и НАДФ·Н.
- Темновая фаза (строма, цикл Кальвина): \(\mathrm{CO_2}\) присоединяется к рибулозо-1,5-бисфосфату, и за счёт АТФ и НАДФ·Н углерод восстанавливается до глюкозы. Свет здесь прямо не нужен — нужны продукты световой фазы.
Итог: \(6\mathrm{CO_2} + 6\mathrm{H_2O} \rightarrow \mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\mathrm{O_2}\) (свет, хлорофилл).
Хемосинтез по шагам (открыт С. Н. Виноградским)
Схема та же: окисление → цепь переносчиков → АТФ и НАДФ·Н → фиксация \(\mathrm{CO_2}\) в цикле Кальвина. Меняется только «топливо»:
- нитрифицирующие: \(2\mathrm{NH_3} + 3\mathrm{O_2} \rightarrow 2\mathrm{HNO_2} + 2\mathrm{H_2O} + \text{энергия}\), затем \(2\mathrm{HNO_2} + \mathrm{O_2} \rightarrow 2\mathrm{HNO_3} + \text{энергия}\);
- серобактерии: \(2\mathrm{H_2S} + \mathrm{O_2} \rightarrow 2\mathrm{S} + 2\mathrm{H_2O} + \text{энергия}\);
- железобактерии: \(4\mathrm{FeCO_3} + \mathrm{O_2} + 6\mathrm{H_2O} \rightarrow 4\mathrm{Fe(OH)_3} + 4\mathrm{CO_2} + \text{энергия}\).
Зачем это нужно в природе
- Фотосинтез — основа почти всех цепей питания и главный поставщик \(\mathrm{O_2}\) в атмосферу.
- Хемосинтез — жизнь там, где нет света (глубины океана, гидротермальные источники), и важное звено круговоротов азота, серы и железа (например, обогащение почвы нитратами).
Проверь себя
Типичная ошибка: считать хемосинтез «фотосинтезом без света». Нет — у него другой источник энергии, и кислорода он не выделяет. И второе: хемосинтез ≠ гетеротрофия, ведь углерод берётся из \(\mathrm{CO_2}\), а не из готовой органики.
