2.5.2. Синтез первичного органического вещества

Основная доля первичной продукции на Земле создается в клетках растений под воздействием солнечной энергии.

Этот процесс именуется фотосинтезом.

Некоторая часть первичной продукции нарабатывается бактериями за счет реализации химических процессов, которые именуются хемосинтезом.

Процесс фотосинтеза состоит в том, что в результате сложных химических реакций вода и диоксид углерода с участием минеральных солей соединяются в молекулы сахаров (в частности, в молекулы глюкозы) с выделением свободного кислорода при поглощении кванта света.

Реакция фотосинтеза казалось бы идет против термодинамического градиента. Она сопровождается накоплением энергии в органическом веществе, образующемся из простых соединений - углекислого газа и воды.

Но следует помнить, что эта реакция идет за счет преобразования энергии фотонов солнечного света в энергию химических связей органического вещества (Q) и тогда термодинамическое противоречие исчезает:

6СО₂ + 6Н₂О+ = C₆H₁₂0₆ + 6 О₂ + Q.

Схематически этот процесс представлен на рис. 2.4.

Растения на Земле непрерывно усваивают из атмосферного воздуха около 200 млрд. т в год диоксида углерода и выделяют 145 млрд. т свободного кислорода, образуя более 100 млрд. т. органической материи .

Именно растениям мы обязаны стабильностью газового состава атмосферы и ресурсами пищи и топлива на нашей планете.

Общее количество энергии, ежегодно запасаемой растениями на Земле, оценивается величиной 20,9 · 10²² кДж.

В реакции фотосинтеза углекислый газ и вода не сразу превращаются в сахар. Первичным продуктом является так называемая фосфоглицериновая кислота (ФГК). Она превращается в фосфоглицериновый альдегид при присоединении молекулы СО к рибулезодифосфату СН₂О (Р), в ходе реакции карбоксилирования.

Далее, в результате сложных химических процессов образуется фруктоза. Она является исходным материалом для образования других видов углеводов.

Синтез органического вещества может осуществляться и бактериями. Источником углерода для них является диоксид углерода, восстанавливающийся за счет молекулярного водорода или водорода, входящего в состав сероводорода или другого неорганического вещества.

Считается, что именно бактериальный синтез был первичным биологическим процессом на Земле.

Рис. 2.4. Упрощенная схема процесса фотосинтеза (по Р. Де Санто, 1978 г.)

Бактерии, использующие для образования органического вещества реакции, связанные с окислением серных соединений, называются серобактериями. Их относят к хемосинтетикам (в отличие от зеленых растений ‑ фотосинтетиков).

Синтез органического вещества бактериями может осуществляться, как с использованием света, так и без него.

В отличие от протона воды переходящего в молекулу глюкозы при настоящем фотосинтезе, донором водорода при хемосинтезе служит сероводород, а кислород при этом не выделяется. Реакция идет по уравнению:

6СО₂+ 12H₂S + = C₆H₁₂О₆+ 12S + 6Н₂О.

Особую группу хемосинтетиков образуют так называемые нитрифицирующие бактерии.

При нитрификации аммиак, выделяющийся с продуктами жизнедеятельности фауны, окисляется до азотистой кислоты. Она далее превращается в азотную кислоту с участием нитробактера.

Существуют также бактерии, окисляющие соединения двухвалентного железа в трехвалентное железо, с последующим использованием выделяющейся энергии на восстановление диоксида углерода. Их называют железо- или ферробактериями.