Определение хемосинтез примеры уравнений реакций

Хемосинтез. Окислительно-восстановительные реакции в процессе хемосинтеза

Изучение темы «Хемосинтез» в курсе биологии «Обмен веществ и энергии» и темы «Окислительно-восстановительные реакции» в курсе химии представляет определенную сложность для учащихся. Содержание обоих разделов отличает «сухой» и сложный для усвоения фактический материал. Рассматривание процесса хемосинтеза через составление окислительных реакций помогает учащимся лучше понять сущность хемосинтеза и одновременно показывает незаменимость окислительных реакций в природе. Тема «Хемосинтез» изучается непосредственно на материале темы «Фотосинтез», поэтому в начале урока выделяется время на актуализацию знаний по данной теме.

Форма проведения. Интгерированный урок с применением компьютерной презентации.

Задачи урока:

Расширить и закрепить знания учащихся о химических реакциях происходящих в процессах фото- и хемосинтеза.
Сформировать у учащихся умения характеризовать и находить взаимосвязь между понятиями: автотрофы — фототрофы — хемотрофы — гетеротрофы;
фотосинтез — хемосинтез;
световая фаза — темновая фаза фитосинтеза;
АМФ — АДФ — АТФ.
Закреплять навыки составления и характеристики окислительно-восстановительных реакций.
Продолжить формирование познавательной активности учащихся, а также умения привлекать знания, полученные на предшествующих уроках химии и биологии.

Оборудование:

В течение всего урока используется компьютерная презентация;
Таблица с изображением процесса Фотосинтеза;
Раздаточный материал по теме «Фотосинтез», «Хемосинтез».

I. Актуализация опорных знаний.

На прошлом занятии мы изучили удивительный процесс, появившийся в природе около 2 млрд. лет назад — фотосинтез.

Каковы экологические последствия возникновения фотосинтеза? (накопление кислорода, биогенный синтез органического вещества, появление круговорота веществ, необратимые изменения условий существования, образование озонового слоя).

В результате фотосинтеза на Земле ежегодно образуется 150 млрд.тонн органического вещества и выделяется около 200 млрд.тонн свободного кислорода. Фотосинтез создал и поддерживает современный состав атмосферы, необходимый для жизни на Земле. Он препятствует увеличению концентрации СО₂ в атмосфере, предотвращая перегрев Земли (парниковый эффект). Созданная фотосинтезом атмосфера защищает живое от губительного коротковолнового УФ-излучения (кислородно-озоновый экран атмосферы).

Первые клетки, способные использовать энергию солнечного света, возникли, очевидно, около 3 млрд. лет назад. Это были одноклеточные зеленые «водоросли». Окаменелые остатки таких клеток были найдены в слоях сланцев, относящихся к тому периоду в истории Земли, который называют архейской эрой. Потребовалось еще более 1 млрд. лет для насыщения атмосферы Земли кислородом и возникновения аэробных клеток.

Очевидно, что планетарная роль растений и других фотосинтезирующих организмов исключительно велика:

они трансформируют энергию солнечного света в энергию химических связей органических соединений, которая используется всеми остальными живыми

они насыщают атмосферу Земли кислородом, который служит для окисления органических веществ и извлечения таким способом запасенной в них химической энергии аэробным клеткам;

наконец, определенные виды растений в симбиозе с азотфиксирующими бактериями вводят газообразный азот атмосферы в состав молекул аммиака, его солей в органических азотфиксирующих соединений.

Из всего перечисленного следует, что роль зеленых растений в планетарной жизни трудно переоценить. Сохранение и расширение зеленого покрова Земли имеет решающее значение для всех живых существ, населяющих нашу планету.

Процесс фотосинтеза происходит в хлоропластах, которые содержатся только в эукариотических клетках.

Проверка домашнего задания (устный опрос):

В чем заключается роль хлорофилла в процессе фотосинтеза?

Перечислите основные этапы превращения энергии в процессе фотосинтеза;

Сравните биологическое значение световой и темновой фаз фотосинтеза;

II. Основная часть

В природе органическое вещество создают не только зеленые растения, но и бактерии, не содержащие хлорофилл. Этот автотрофный процесс называется хемосинтезом. Хемосинтез открыл в 1889-1890 гг. знаменитый русский микробиолог С.Н.Виноградский. Хемосинтез осуществляется благодаря энергии, выделяющейся при химических реакциях окисления различных неорганических соединений: водорода, сероводорода, аммиака, оксида железа (II) и других. Энергия, образовавшаяся в реакциях окислении, запасается в бактериальных клетках в форме АТФ.

В водоемах, вода которых содержит сероводород, живут бесцветные серобактерии. Колоссальное количество серобактерий имеется в Черном море, в котором глубже 200 м вода насыщена сероводородом. Энергию, необходимую для синтеза органических соединений эти бактерии получают, окисляя сероводород:

Реакция окисления сероводорода относится к окислительно-восстановительным реакциям. Путь движения электронов от S к О показан стрелками. Какие элементы выполняют роли окислителя и восстановителя?

Выделяющаяся в результате свободная сера накапливается в бактериальных клетках в виде множества крупинок. При недостатке сероводорода бесцветные серобактерии производят дальнейшее окисление находящейся в них свободной серы до серной кислоты:

Процесс окисления серы до серной кислоты можно записать так:

Высчитайте, чему равен энергетический эффект окисления сероводорода до серной кислоты? Обе реакции сопровождаются выделением энергии — экзотермические реакции. Количество энергии, выделившееся в процессе окисления серводорода до серной кислоты равно сумме энергий, выделившейся в каждой реакции. Значит энергетический эффект реакции окисления сероводорода до серной кислоты равен 908 кДж.
2.
Чрезвычайно широко распространены в почве и в различных водоемах нитрифицирующие бактерии. Они добывают энергию путем окисления аммиака и азотистой кислоты, поэтому играют очень важную роль в круговороте азота в природе. Аммиак, образующийся при гниении белков в почве или в водоемах. Окисляется нитрифицирующими бактериями (Nitrosomonas). Этот процесс отражает уравнение:

Дальнейшее окисление образовавшейся азотистой кислоты осуществляется другой группой нитрифицирующих микроорганизмов — Nitrobacter — нитробактером:
Энергетический эффект реакций окисления аммиака до азотной кислоты равен 763 кДж.
Процесс нитрификации происходит в почве в огромных масштабах и служит для растений источником нитратов. Жизнедеятельность бактерий представляет собой один из важнейших факторов плодородия почв.
3.
В почве обитают бактерии, окисляющие водород:
Энергетический эффект реакций окисления водорода равен 235 кДж.
Водородные бактерии окисляют водород, постоянно образующийся при анаэробном (бескислородном) разложении различных органических остатков микроорганизмами почвы.
4.
Хемосинтезирующие бактерии, окисляющие соединения железа и марганца, обитают как в пресных, так и в морских водоемах. Благодаря их жизнедеятельности на дне болот и морей образуется огромное количество отложенных руд железа и марганца. Академик В.И.Вернадский — основатель биогеохимии говорил о залежах железных и марганцевых руд как о результате жизнедеятельности этих бактерий в древние геологические периоды.

Энергетический эффект реакций окисления железа (II) в железо (III) равен 324 кДж.
III. Закрепление изученного материала:
1. Фронтальный опрос:
Сходство автотрофного питания у фототрофов и хемотрофов;
Различия энергетического обмена фотосинтезирующих и хемосинтезирующих организмов.
2. Составление кроссворда (на заготовленных пустографках):
Учащиеся решают кроссворд, используя полученные знания:
Серобактерии окисляют (1) и (4);
При гниении белков образуется (2);
Хемосинтез открыл русский микробиолог (3);
Этот элемент накапливается в клетках серобактерий (4);
В процессе хемосинтеза происходят реакции (5) неорганических соединений;
Хемосинтезирующие бактерии обладают активными (6);
Энергия реакций окисления запасается в клетках в форме (7);
Восстановителем в реакции окисления карбоната железа являются ионы (8);
Нитрифицирующие бактерии играют важную роль круговорота (9) в природе
По горизонтали прочитайте название автотрофного процесса (хемосинтез)
Экологическая роль хемосинтеза.
Благодаря хемосинтезу бактерии активно участвуют в экологических процессах:
Нитрифицирующие бактерии участвуют в круговороте азота в биосфере;
Серобактерии, образуя серную кислоту способствуют постепенному разрушению и выветриванию горных пород, разрушению каменных и металлических сооружений; выщелачивают руды и серные месторождения;
Водородные бактерии участвуют в окислении водорода, накапливающегося в результате жизнедеятельности некоторых микроорганизмов, в природных условиях
Значение хемосинтеза в жизнедеятельности человека:
Нитрифицирующие бактерии участвуют в почвообразовательном процессе, их жизнедеятельность способствует повышению урожайности с/х культур;
Серобактерии, окисляющие серу до сульфатов, участвуют в очищении промышленных сточных вод;
скопления выделяющегося в результате деятельности железобактерий Fe(OН)_3,образуют болотную железную руду;
водородные бактерии используются для получения пищевого и кормового белка;
также для регенерации атмосферы в замкнутых системах жизнеобеспечения (например система «Оазис-2», которая была испытана на космическом корабле «Союз-3»).
Литература.
Колесников С.И. Общая биология. Ростов на Дону, «Феникс», 2005.
Общая биология, под ред. ак. Д.К. Беляева ,М., «Просвещение», 2005.
Пуговкин А.П., Пуговкина Н.А. Биология, М., «Академия», 2007.
Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г. Химия, М., «Просвещение», 2008.
Хомченко И.Г. Общая химия. М., «Новая волна», 2007.
Хемосинтез – определение, уравнение и викторина
Определение хемосинтеза
Хемосинтез – это превращение неорганических углеродсодержащих соединений в органические вещества, такие как сахара и аминокислоты, Хемосинтез использует энергию неорганических химических веществ для выполнения этой задачи.
Неорганический «источник энергии» обычно молекула у которого есть запасные электроны, такие как газообразный водород, сероводород, аммиак или двухвалентное железо. подобно фотосинтез а также клеточное дыхание Хемосинтез использует цепь переноса электронов синтезировать АТФ.
После прохождения электронов через цепь переноса электронов источник химического топлива появляется в другой форме. Газообразный сероводород, например, превращается в твердую элементарную серу плюс воду.
Термин «хемосинтез» происходит от корневых слов «химический» для «химического» и «синтез» для «сделать». Его функция аналогична функции фотосинтеза, который также превращает неорганическое вещество в органическое вещество – но использует для этого энергию солнечного света, а не химическую энергию.
Сегодня хемосинтез используется микробами, такими как бактерии и археи. Поскольку один только хемосинтез менее эффективен, чем фотосинтез или клеточное дыхание, его нельзя использовать для питания комплекса многоклеточный организмы.
Несколько многоклеточных организмов живут в симбиотических отношениях с хемосинтетическими бактериями, что делает их частичным источником энергии. Гигантские трубчатые черви, например, содержат хемосинтетические бактерии, которые снабжают их сахарами и аминокислотами.
Однако эти трубчатые черви частично зависят от фотосинтеза, потому что они используют кислород (продукт фотосинтезирующих организмов), чтобы сделать их хемосинтез более эффективным.
Уравнение хемосинтеза
Есть много разных способов достижения хемосинтеза. Уравнение для хемосинтеза будет выглядеть по-разному в зависимости от того, какой химический источник энергии используется. Однако все уравнения для хемосинтеза обычно включают в себя:
Углеродсодержащее неорганическое соединение, такое как диоксид углерода или метан. Это будет источником углерода в органической молекуле в конце процесса.
Химический источник энергии, такой как газообразный водород, сероводород или двухвалентное железо.
Органическое соединение, такое как сахар или аминокислота.
Преобразованная версия источника энергии, такая как элементарная сера или трехвалентное железо.
Обычно используемый пример уравнения для хемосинтеза показывает превращение диоксида углерода в сахар с помощью сероводорода:
12H2S + 6CO2 → C6H12O6 (молекула сахара) + 6H2O + 12S
Это уравнение иногда сводится к простейшему соотношению ингредиентов. Это показывает относительные пропорции каждого ингредиента, необходимого для реакции, хотя он не улавливает полное количество сероводорода и диоксида углерода, необходимое для создания одной молекулы сахара.
Сокращенная версия выглядит так:
2H2S + CO2 → CH2O (молекула сахара) + H2O + 2S
Функция хемосинтеза
Хемосинтез позволяет организмам жить, не используя энергию солнечного света и не полагаясь на другие организмы в пищу.
Подобно хемосинтезу, он позволяет живым существам делать больше самих себя. Превращая неорганические молекулы в органические молекулы, процессы хемосинтеза превращают неживую материю в живую материю.
Сегодня он используется микробами, живущими в глубоких океанах, где солнечный свет не проникает; но он также используется некоторыми организмами, живущими в солнечной среде, такими как железные бактерии и некоторые почвенные бактерии.
Некоторые ученые считают, что хемосинтез может использоваться жизненными формами в бесснежных внеземных средах, таких как океаны Европы или подземные среды на Марсе.
Было высказано предположение, что хемосинтез, возможно, на самом деле был первой формой метаболизма на Земле, причем фотосинтез и клеточное дыхание развивались позднее, когда формы жизни становились более сложными. Возможно, мы никогда не узнаем наверняка, так ли это, но некоторые ученые считают, что интересно рассмотреть вопрос о том, был ли солнечный свет или химическая энергия первым источником энергии для жизни на Земле.
Типы Хемосинтетических Бактерий
Серные бактерии
Приведенный выше пример уравнения для хемосинтеза показывает, что бактерии используют соединение серы в качестве источника энергии.
Бактерии в этом уравнении потребляют газообразный сероводород (12H2S), а затем образуют твердую элементарную серу в качестве отходов (12S).
Некоторые бактерии, использующие хемосинтез, используют вместо элементарного сероводорода элементарную серу или более сложные соединения серы в качестве источников топлива.
Металлические ионные бактерии
Наиболее известным типом бактерий, которые используют ионы металлов для хемосинтеза, являются железные бактерии.
Железные бактерии могут на самом деле представлять проблему для систем водоснабжения в богатых железом средах, поскольку они поглощают растворенные ионы металлов в почве и воде – и образуют нерастворимые комки железообразного трехвалентного железа, которые могут испачкать сантехнику и даже забить их.
Однако железные бактерии – не единственные организмы, которые используют ионы металлов в качестве источника энергии для хемосинтеза. Другие типы бактерий используют мышьяк, марганец или даже уран в качестве источников электронов для своих цепей переноса электронов!
Азот Бактерии
Азотные бактерии – это любые бактерии, которые используют соединения азота в своем метаболическом процессе. В то время как все эти бактерии используют электроны из соединений азота для создания органических соединений, они могут оказывать очень различное влияние на их экосистема в зависимости от того, какие соединения они используют.
Азотные бактерии обычно можно разделить на три класса:
1. Нитрифицирующие бактерии:
Нитрифицирующие бактерии растут в почвах, содержащих аммиак. Аммиак является неорганическим азотным соединением, токсичным для большинства растений и животных, но нитрифицирующие бактерии могут использовать его в пищу и даже превратить в полезное вещество.
Нитрифицирующие бактерии забирают электроны из аммиака и превращают аммиак в нитриты и, в конечном итоге, нитраты. Нитраты необходимы для многих экосистем, потому что большинство растений нуждаются в них для производства незаменимые аминокислоты.
Нитрификация часто представляет собой двухэтапный процесс: одна бактерия преобразует аммиак в нитрит, а затем другая бактерия вид превратит этот нитрит в нитрат.
Нитрифицирующие бактерии могут превратить иные враждебные почвы в плодородную почву для растений, а затем и для животных.
2. Денитрифицирующие бактерии:
Денитрифицирующие бактерии используют нитратные соединения в качестве источника энергии. В процессе они разлагают эти соединения на формы, которые растения и животные не могут использовать.
Это означает, что денитрифицирующие бактерии могут быть очень большой проблемой для растений и животных – большинство растение виды нуждаются в нитратах в почве, чтобы производить необходимые белки для себя и для животных, которые их едят.
Денитрифицирующие бактерии конкурируют за эти соединения и могут истощать почву, что приводит к ограниченной способности растений расти.
3. Азотфиксирующие бактерии:
Эти бактерии очень полезны для экосистем, в том числе для сельского хозяйства человека. Они могут превращать газообразный азот – который составляет большую часть нашей атмосферы – в нитраты, которые растения могут использовать для производства основных белков.
Исторически проблемы с плодородием и даже голод возникали, когда почва истощалась от нитратов из-за естественных процессов или чрезмерного использования сельскохозяйственных угодий.
Многие культуры научились сохранять плодородие почвы, чередуя азотосодержащие культуры с азотфиксирующими культурами.
Секрет азотфиксирующих культур заключается в том, что сами растения не фиксируют азот: вместо этого они имеют симбиотические отношения с азотфиксирующими бактериями. Эти бактерии часто растут в колониях вокруг корней растений, выделяя нитраты в окружающую почву.
На рисунке ниже показаны корни «азотфиксирующего растения» – обратите внимание на круглые клубеньки, которые на самом деле являются колониями азотфиксирующих хемосинтетических бактерий:
Современные удобрения часто изготавливаются из искусственных нитратов, как и те соединения, которые образуются азотфиксирующими бактериями.
Methanobacteria
Метанобактерии на самом деле являются археабактериями, но ученые начали изучать их задолго до того, как они полностью поняли разницу между археабактериями и «настоящими бактериями».
Как археабактерии, так и настоящие бактерии являются одноклеточными прокариотами, что означает, что они выглядят очень похоже под микроскопом. Но современные методы генетического и биохимического анализа показали, что между ними существуют важные химические различия: археабактерии используют много химических соединений и обладают многими генами, которых нет в бактериях. царство.
Одной из способностей, обнаруживаемых у археабактерий, которых нет у «настоящих бактерий», является метаболический процесс, который создает метан. Только виды археабактерий могут комбинировать углекислый газ и водород для производства метана.
Метанобактерии живут в различных средах, в том числе в вашем собственном теле! Метанобактерии обнаруживаются на дне океана, в болотах и заболоченных землях, в желудках коров – и даже в желудках человека, где они расщепляют некоторые сахара, которые мы не можем переварить, чтобы произвести метан и энергию.
Archaeabacteria – древняя родословная прокариот. Современный анализ, который когда-то считался подтипом бактерий, показал, что археабактерии – это совершенно другое происхождение от современных бактерий.
бактерии – Современное королевство прокариот. Сегодня их иногда называют «эубактерий »Или« настоящие бактерии », чтобы отличать их от археабактерий.
Электронная транспортная цепь – Принцип, часто используемый клетками для сбора энергии из окружающей среды. Электроны пропускаются через серию белков, которые собирают энергию для производства жизненно важных молекул, таких как АТФ.
викторина
1. Что из следующего НЕ относится к хемосинтезу?A. Это процесс использования энергии химических веществ для создания органических соединений.B. Это не может быть завершено без энергии солнечного света.C. Он использует цепь переноса электронов для извлечения энергии из электронов.D. Это требует как исходного соединения углерода, так и источника химической энергии.
Ответ на вопрос № 1
В верно. Хемосинтез НЕ требует энергии от солнечного света. По этой причине его могут использовать организмы в бессветовых экосистемах, таких как дно океана.
2. Что из следующего НЕ верно для уравнения хемосинтеза?A. Это требует углеродсодержащего неорганического соединения, такого как диоксид углерода, на стороне реагента.B. Это требует источника химической энергии на стороне реагента.C. Это заканчивается органической молекулой, такой как сахар, на стороне продукта.D. Это заканчивается преобразованной версией химического источника энергии на стороне продукта.E. Ни один из вышеперечисленных.
Ответ на вопрос № 2
Е верно. Все вышеперечисленное является особенностями уравнения хемосинтеза.
3. Что из перечисленного НЕ является типом хемосинтетических бактерий?A. Железные бактерииB. Метан-продуцирующие бактерииC. Серные бактерииD. Азотфиксирующие бактерииE. Ни один из вышеперечисленных.
Ответ на вопрос № 3
Е верно. Все вышеперечисленное относится к типам хемосинтетических бактерий.
Определение и примеры хемосинтеза
Хемосинтез — это превращение углеродных соединений и других молекул в органические соединения. В этой биохимической реакции метан или неорганическое соединение, такое как сероводород или газообразный водород, окисляются, чтобы действовать как источник энергии. Напротив, источник энергии для фотосинтеза (набор реакций, посредством которых углекислый газ и вода превращаются в глюкозу и кислород) использует энергию солнечного света для поддержания процесса.
Идея о том, что микроорганизмы могут жить за счет неорганических соединений, была предложена Сергеем Николаевичем Винограднским (Виноградский) в 1890 году на основе исследований, проведенных на бактериях, которые, по-видимому, живут за счет азота, железа или серы. Гипотеза была подтверждена в 1977 году, когда глубоководный аппарат Элвин наблюдал за трубчатыми червями и другими живыми существами, окружающими гидротермальные источники в Галапагосском рифте. Студентка Гарварда Коллин Кавано предположила, а позже подтвердила, что трубчатые черви выживают благодаря своей связи с хемосинтетическими бактериями. Официальное открытие хемосинтеза приписывают Кавано.
Организмы, которые получают энергию путем окисления доноров электронов, называются хемотрофами. Если молекулы являются органическими, организмы называются хемоорганотрофами. Если молекулы неорганические, организмы называются хемолитотрофами. Напротив, организмы, использующие солнечную энергию, называются фототрофами.
Хемоавтотрофы и хемогетеротрофы
Хемоавтотрофы получают энергию в результате химических реакций и синтезировать органические соединения из углекислого газа. Источником энергии для хемосинтеза может быть элементарная сера, сероводород, молекулярный водород, аммиак, марганец или железо. Примеры хемоавтотрофов включают бактерии и метаногенные археи, живущие в глубоководных жерлах. Слово «хемосинтез» было первоначально придумано Вильгельмом Пфеффером в 1897 году для описания производства энергии путем окисления неорганических молекул автотрофами (хемолитоавтотрофия). Согласно современному определению, хемосинтез также описывает производство энергии посредством хемоорганоавтотрофии.
Хемогетеротрофы не могут связывать углерод с образованием органических соединений. Вместо этого они могут использовать неорганические источники энергии, такие как сера (хемолитогетеротрофы) или органические источники энергии, такие как белки, углеводы и липиды (хемоорганогетеротрофы).
Где происходит хемосинтез?
Хемосинтез был обнаружен в гидротермальных жерлах, изолированных пещерах, клатратах метана, китовых водопадах и холодных выходах. Была выдвинута гипотеза, что процесс может позволить жизнь под поверхностью Марса и спутника Юпитера Европы. а также в других местах солнечной системы. Хемосинтез может происходить в присутствии кислорода, но это не обязательно.
Пример хемосинтеза
Помимо бактериального и архей, некоторые более крупные организмы полагаются на хемосинтез. Хорошим примером является гигантский трубчатый червь, который в большом количестве встречается вокруг глубоких гидротермальных источников. Каждый червь содержит хемосинтетические бактерии в органе, называемом трофосомой. Бактерии окисляют серу из окружающей среды червя, чтобы обеспечить животному питание. При использовании сероводорода в качестве источника энергии реакция хемосинтеза выглядит следующим образом:
Это очень похоже на реакцию производства углеводов посредством фотосинтеза, за исключением того, что при фотосинтезе выделяется газообразный кислород, а при хемосинтезе образуется твердая сера. . Гранулы желтой серы видны в цитоплазме бактерий, которые осуществляют реакцию.
Другой пример хемосинтеза был обнаружен в 2013 году, когда были обнаружены бактерии, живущие в базальте ниже осадок дна океана. Эти бактерии не были связаны с гидротермальным источником. Было высказано предположение, что бактерии используют водород из-за восстановления минералов в морской воде, омывающей скалу. Бактерии могут реагировать на водород и углекислый газ с образованием метана.
Хемосинтез в молекулярной нанотехнологии
Хотя термин «хемосинтез» используется наиболее часто применяемый к биологическим системам, его можно использовать в более общем плане для описания любой формы химического синтеза, вызванного случайным тепловым движением реагентов. Напротив, механическое манипулирование молекулами для управления их реакцией называется «механосинтез». И хемосинтез, и механосинтез могут создавать сложные соединения, включая новые молекулы и органические молекулы.

источники:
http://fissi.ru/chemosynthesis/
http://recture.ru/example/opredelenie-i-primery-hemosinteza/