7. Хемосинтез

В 1977 г. американские геологи на подводном аппарате «Алвин» в рифтовой зоне подводного хребта Тихого океана, в 320 км к северо-востоку от Галапагосских островов, на глубине 2600 м обнаружили «оазисы жизни» у выходов гидротермальных источников [3, с. 150]. В полной темноте, у выходов горячих источников, при обилии сероводорода были встречены гигантские (1-1,5 м длиной) погонофоры (вестиментиферы) – большие черви, живущие в трубках, крупные белые двустворчатые моллюски, а также креветки, крабы и отдельные экземпляры рыб.

Плотность гигантских погонофор здесь составляла 22 экз./м², что соответствует биомассе 6-10 кг/м²; а моллюсков – более 300 экз./м², что равно биомассе 10 кг/м². Такая плотность живых организмов в весьма неблагоприятных условиях, где невозможен фотосинтез, господствует сероводородное заряжение, обильны содержания ядовитых металлов, была просто неожиданной и загадочной.

Проведенные исследования показали, что высокая температура (до 20 ⁰С и более, а на этих глубинах в океане – всего 2 - 4 ⁰С) не может объяснить особен­ностей развития уникальной экосистемы гидротермальных источников. Анализ проб воды, отобранных в этих местах рифтовых зон, показал значительную концентрацию сероводорода и наличие в ней хемосинтезирующих бактерий, использующих для своей жизнедеятельности сероводород. Именно эти серные бактерии в данной морской экосистеме играют роль зеленых растений, используя вместо солнечного света сероводород и другие соединения серы, и служат первичными продуцентами.

С точки зрения экологии подводные «оазисы жизни» представляют собой совершенно оригинальное явление, не имеющее эквивалента на нашей планете. В последние годы такие «сгущения живого вещества» в рифтовых зонах обнаружены в различных районах Мирового океана: на Восточно-Тихоокеанском поднятии, в центральной Атлантике, в районе Японского желоба, в Калифорнийском заливе, в западной части Тихого океана и т. д. Все это говорит о том, что глубоководные хемосинтезирующие экосистемы представляют собой широко распространенное экологическое явление, не имеющее аналогов в наземной среде.

Итак, кроме фотосинтеза растений, синтез органического вещества осущест- вляется бактериями. Считается, что именно фотосинтез бактерий был первичным процессом на Земле, первым этапом развития автотрофности. К хемосинтезирующим организмам относятся нитрификаторы, карбокси­добак­терии, серобактерии, тионовые железобактерии, водородные бактерии. Они называются так по субстратам окисления, которыми могут быть NH₃, NO₂^-, CO, H₂S, S, Fe²⁺, H₂.

Серобактерии получают энергию, окисляя сероводород. Этот процесс можно описать следующим уравнением: 2 Н₂S + О₂  2 Н₂О + 2 S + энергия. Образую­щаяся в результате этой реакции свободная сера накапливается в цитоплазме серобактерий. Если недостает далее сероводорода, то происходит окисление свободной серы в бактериальной цитоплазме с дальнейшим освобождением энергии: 2 S + 3 О₂ + 2 Н₂О  2 Н₂SО₄ + энергия. Эта энергия используется для синтеза органических веществ из углекислого газа. Источником углерода для них служит СО₂, восстанавливающийся за счет молекулярного водорода, или водорода, входящего в состав Н₂S, и какого-либо иного неорганического вещества. Водород каждого промежуточного продукта окисляется кислородом. Эти процессы (окисление сероводорода, накапливание серы, поэтапное окисление до серной кислоты ) необходимы для накопления энергии, обеспечивающей следующую реакцию образования органического вещества:

6 СО₂ + 12 Н₂S  (СН₂О)₆ + 6 Н₂О + 12 S.

Хемосинтезирующие бактерии окисляют также соединения железа и марганца. Считают, что образование залежей железных и марганцевых руд является результатом деятельности микроорганизмов в прошлые геологические эпохи (В. И. Вернадский).

Хемосинтез был открыт С. Н. Виноградским в 1889-1890 гг. Роль нитрифицирующих бактерий была показана С. Н. Виноградским. Нитрифицирующие бактерии являются обитателями почвы. Они получают энергию окислением аммиака, образующегося в почве в результате разложения белков (остатков животных и растений). Реакция окисления аммиака приводит к образованию азотистой кислоты. В этой реакции выделяется энергия в количестве 662 кДж. Образующаяся в ходе этой реакции азотистая кислота окисляется нитрифицирующими бактериями другого вида до азотной кислоты с выделением энергии 101 кДж.

Укажите соответствующие реакции данных процессов …

[1] 4 NH₃ + 5 O₂ = 4 NO + 6 H₂O; 2 NO + 2 H₂ = N₂ + 2 H₂O;

[2] N₂ + 3 H₂ = 2 NH₃ ; 4 NH₃ + 3 O₂ = 2 N₂ + 6 H₂O;

[3] 2 NH₃ + 3 O₂ = 2 HNO₂ + 2 H₂O; 2 HNO₂ + O₂ = 2 HNO₃;

[4] 2 NH₃ + 3 O₂ = 2 HNO₂ + 2 H₂O; 2 HNO₂ = NO + NO₂ + H₂O.