ХЕМОСИНТЕЗ - ХИМИЯЛЫҚ РЕАКЦИЯ БАРЫСЫНДА БЕЙОРГАНИКАЛЫҚ ЗАТТАРДАН ЭНЕРГИЯ АЛУ ҮДЕРІСІ

Хемосинтез - химиялық реакция барысында бейорганикалық заттардан энергия алу үдерісі. Хемотрофты бактериялар ғана хемосинтезге қабілетті ағзалар болып табылады.

Хемосинтез - жұмыс барысында бактериялар бейорганикалық заттарды тотықтырып, сонымен бірге энергия бөлетін, энергия есебінен атмосферадағы көмірқышқыл газын көміртек көзі ретінде пайдаланып, меншікті органикалық заттарды синтездейтін үдеріс . Басқа сөзбен айтқанда жер қыртысынан алынатын бейорганикалық заттар хемотрофты бактерияларға «қорек» болып табылады. Сол үшін кейбір ғалымдар хемотрофтарды литотрофтар деп атайды.

Хемосинтез үдерісін 1887 жылы микробиолог Сергей Николаевич Виноградский (1856-1953) ашты. Кейінірек ол бактериялардағы азот-фиксацияны зерттеді. Ауадағы азотты сіңіріп, оны өсімдіктерге химиялық қолжетімді формаға алмастыру азотфиксация деп аталады. Бұл өте маңызды, себебі азотсыз тірі ағзалардың міндетті құрамбөлігі болып табылатын нәруыздар мен нуклеин қышқылдарының түзілуі мүмкін емес. Барлық гетеротрофтар сияқты біз де өзіндік нәруыздарды тағамның құрамыз. Сондықтан қоректік құндылықтардың маңызды көрсеткіштерінің бірі ондағы алмастырылмайтын аминқышқылдарының молшылығына қызмет етеді. Өсімдіктер азотты топырақтағы құрамында азот бар заттардан алады. Адамдар өнімділікті арттыру мақсатында топырақты азот тыңайтқыштарымен байыта бастады. Бірақ азотфиксациялайтын бактерияларсыз эукариоттарға басқа азот көздерін іздестіруге тура келер еді. Қазіргі кезде ауадан азот сіңіруге қабілетті бірде-бір эукариоттар тобы беймәлім.

Осындай бір топқа бактериялардың мүлде ұқсас емес штамдары енуі мүмкін. Мысалы, темір бактерияларына биохимиясы және систематикалық орны әртүрлі әрі зиянды, әрі пайдалы түрлер жатады. Сутек пероксидінің жанама өнімі ретінде батпақ кенін түзетін жіптәрізді темір бактериялар бар. Олар суқоймаларды, өнеркәсіп және табиғи су көздерін ластайды. Сульфидті минералдарды ыдыратуға қабілетті бактериялар да темір бактерияларына жатады. Байыту барысында кенді шаймалау үдерісіне қатыстыру үшін осындай бактериялардың штамдарын арнайы өсіреді.

Қазақстанда басқа да дамыған елдердегідей осындай микроағзалардың селекциясы жүргізіледі. Олардың көмегімен тек темір кендерін ғана емес, марганец кендерін де байытады. Зерттеу нәтижелері - жаңа жоғары өнімді штамдар - Қостанай облысындағы металлургиялық кәсіпорындарда қолданылады.

Хемотрофты ағзалардың заттар айналымындағы маңызы өте зор. Олардың көпшілігі басқа тірі ағзалардың бірқатар элементтердің әсіресе азотты сіңіруіне мүмкіндік береді. Сонымен қатар хемотрофтар сапрофиттермен бірге элементтердің жансыз табиғатқа қайтарылуы сияқты күрделі үдеріске қатысады.

С. Виноградский азотфиксациялауға қабілетті бактерияларды азотобактериялар (азотобактер) деп атады. Содан бері хемобактериялар атауында олардың қоректік субстраттарының атаулары: күкірт бактериялары, темір бактериялары, азоттандырушы бактериялар және т. б. жиі қолданылады.

Эволюциялық тұрғыда хемотрофтар өте ертеде қалыптасты. Олардың көбісіне оттек қажет, сондықтан олар фотосинтетиктерден кейін пайда болды деп болжау қисынға келеді. Дегенмен ғалымдар бүгінгі таңда анаэробты хемотрофты ағзалардың мүлде ерекше тобын - метан түзуші бактерияларды тапты. Олар атмосферадағы СО2-ден (СН4) - метан түзеді. Олар ешқашан оттекті ортада кездеспейді. Олардың мекен ортасы: суқойма түбі (батпақ), тазартқыш ғимараттар, күйіс қайыратын жануарлардың қарны. Метано-бактериялар ауылшаруашылығы өндірісінің қалдықтарынан (қи, басқа да шіритін органикалық заттар) биогаз алу кезінде тиімді өндірушілер ретінде қолданылады. Шамасы хемосинтетиктер - заманауи жағдайларға жақсы бейімделген ертедегі ағзалар тобының бірі болса керек.

Ғаламшарымыздағы көптеген экожүйелер энергияны фотосинтез есебінен алады. Хемосинтез - оны алудың ең тиімді әдісі емес, бірақ едәуір сенімді әрі тәуелсіз әдісі. Хемосинтетиктерге бейорганикалық заттардан басқа еш нәрсе керек емес. Хемосинтез көмегімен тек энергия тұтынуға негізделген ерекше табиғи бірлестікке жақында ғана ашылған рифт жүйелері жатады. Олар барлық биосферадан оқшауланған. Мұхит түбіндегі тереңдікте жарық жоқ, жоғары қабаттан түсетін ыдырайтын қалдықтар жеткіліксіз. Бірақ лава төгілу үдерісінде ол жерде хемотрофты бактериялардың бірнеше класына қоректену үшін жарамды химиялық заттардың жоғары концентрациясы қалыптасады.

Осы бактериялар бұл бірлестікте тіршілік ететін басқа ағзалар үшін фотосинтетиктер (өсімдіктер мен цианобактериялар) сияқты - құрлық пен мұхиттың қалған басқа табиғи бірлестіктері үшін қорек көзі қызметін атқарады. Рифт бірлестігі ағзаларының эволюциясы мұхиттың жоғары қабаттарында әсіресе құрлықта тіршілік ететін ағзалар эволюциясынан айтарлықтай ерекшеленді. Бұл экожүйелердегі тіршілік буынаяқтылар (шаянтәріздестер) деңгейіне жеткен, бірақ омыртқалылар деңгейіне дейін жетпеді. Сонда да хемосинтез фотосинтез сияқты энергия мөлшерін бере алмайды.

Биосферадағы энергетикалық үдерістер және элементтер айналымы. Биосферамызда ағзалардың әртүрлі топтары бірге тіршілік етеді. Олар бір-бірінен құрылысы, шығу тегі, тіршілік жағдайы әртүрлі болуына байланысты энергия алуында айырмашылық жасайды. Ғылым энергия алудың бар-жоғы үш әдісін бөліп көрсетеді: 1) жарықтан энергия алу - фотосинтез; 2) бейорганикалық заттардың химиялық реакциялары барысында энергия алу - хемосинтез; 3) органикалық заттар ыдыраған кезде (тотығуы) гетеротрофтылық (бейорганикалық қосылыстардың бір бөлігін айналады. Кейін энергия алу - оттекті және оттексіз тыныс алу) .

Әртүрлі ағзаларға тән осы үдерістердің барлығы өзара байланысты. Егер тыныс алу және фотосинтез формулаларына мұқият қарасаңдар, бұл үдерістердің бір-бірін толықтыратынын көресіңдер. Фотосинтез кезінде оттек бөлінеді де глюкоза түзіледі. Ал тыныс алу кезінде олар сіңіріледі.

Жалпы биосферада бұл үдерістер бір-бірін теңестіреді. Бұл фотосинтетиктерге - өсімдіктер мен цианобактерияларға және гетеротрофтарға - жануарлар, саңырауқұлақтар, паразитті және сапрофитті бактерияларға бірге тіршілік етуге мүмкіндік береді. Егер ғаламшарымызда жануарлар немесе өсімдіктер жойылып кететін болса, онда ағзалардың басқа топтары өз тіршілігін тоқтатады. Оттексіз жануарлар мен басқа аэробтар өз тіршілігін тез жояды.

Фотосинтетиктер биосфераға басты энергия тасымалдаушылар болып табылады. Бірақ хемосинтетиктер де жанды және жансыз табиғат арасындағы кейбір маңызды химиялық элементтердің айналымы үдерісінде басты рөл атқарады. Нәруыздар мен нуклеин қышқылдары азотсыз синтезделмейтіні естеріңде болар. Жануарлар азотты қоректен - шөпқоректі немесе өсімдікқоректі жануарлардан алады. Бірақ бактериялар сияқты алуан түрлер болмаса, азот өсімдік ағзасы үшін де қолжетімсіз болар еді. Тіршілігін жойған ағзалардың заттарының түрленуі барысында алдымен сапрофиттер (бактериялар, саңырауқұлақтар, жануарлар) көмегімен азот атмосфераға түседі. Азот хемосинтетиктердің әртүрлі топтарына байланысты өсімдіктер үшін де қолжетімді болады.

Демек, биосфера фотосинтетиктер болмаса, үнемі энергия жетіспеушілігінен, ал хемосинтетиктерсіз қолжетімді химиялық элементтерсіз дамымайтын еді.

Хемосинтез бен фотосинтездің ұқсастығы бірінші кезекте - автотрофтылығы. Хемотрофтар да, фототрофтар да бейорганикалық заттардан өздігінен органикалық заттарды түзуге қабілетті. Осыған байланысты олар продуценттер болып табылады. Бірақ фотосинтез үдерісі едәуір тиімді және бірқалыпты, барлық фотосинтездеуші ағзалар продуценттер болады. Фотосинтетиктер арасында қандай айырмашылықтар болса да, фотосинтездің химиялық нәтижелері іс жүзінде айырмашылық жасамайды. Барлық фотосинтетиктер жарық энергиясы, су мен көмірсуды көмірқышқыл газы түрінде сіңіреді, ал органикалық зат - глюкозаны синтездейді.