Metabolizm biosfery Cykl redoks Organizmy stale wytwarzają swoje kopie, zużywając substraty obecne w środowisku. Na proces ten składają się produkcja biomasy, czyli biosynteza, oraz praca, czyli przetwarzanie i rozpraszanie energii. Aby ten proces mógł trwać, w środowisku musi być dostępne źródło węgla, który jest podstawowym budulcem materii organicznej, oraz musi istnieć potencjał redoks: donor i akceptor elektronów. Przepływ elektronów od donora do akceptora, albo równoważny mu przepływ protonów w przeciwnym kierunku, niesie energię zdolną do wykonania pracy (ramka 4.1). Żadnego z tych elementów nie może zabraknąć, ale jako substraty wykorzystywane są rozmaite związki chemiczne. W toku ewolucji powstała wielka różnorodność strategii metabolicznych (ramka 4.2). Substratem strukturalnym (budulcowym) są rozmaite związki chemiczne zawierające C, H, O, N, S i inne pierwiastki, w postaci utlenionej lub zredukowanej. Jedne organizmy wykorzystują związki węgla jako budulec i jednocześnie jako donor elektronów (czyli substrat energetyczny), inne — tylko jako donor elektronów lub tylko jako substrat budulcowy. Źródłem elektronów mogą być nieorganiczne związki siarki, azotu, np. NH^, I-^S, H^O, wodór H2 i in. Akceptorem elektronów może być tlen 0^ albo utlenione związki nieorganiczne, np. N03~, S04~ . W złożonych z wielu atomów węgla cząsteczkach organicznych związków węgla jedne grupy oddają — a inne przyjmują elektrony (ramka 4.2). Zapas wszystkich substratów w biosferze jest skończony. Trudności ze zdobyciem substratu spowodowały, iż w pewnym momencie w toku ewolucji dobór naturalny silnie poparł organizmy, które potrafiły wykorzystać kwanty światła jako źródło energii. Ten wynalazek ewolucyjny umożliwił zamknięcie cykli obiegu pierwiastków. Od tego czasu — czyli od jakichś dwóch miliardów lat — trwa na Ziemi nieprzerwanie globalny proces redoks. Życie w biosferze objawia się jako ustawiczny, cykliczny proces utleniania i redukcji związków węgla, zasilany energią słoneczną (ryć. 4.1). Zredukowane związki węgla tworzą bogactwo różnych cząsteczek, m.in. polimerów organicznych (polisacharydy, lipidy, a w połączeniu z azotem — białka), podstawowego budulca wszystkich organizmów. Cząsteczki zredukowanych związków węgla zawierają więcej energii niż cząsteczki związków węgla utlenionego, dlatego proces redukcji wymaga dostarczenia energii. Energia ta jest zwracana przy utlenianiu związków
(…)
… energię świetlną jedynie w celu podtrzymania procesów życiowych, a
nie do syntezy materii organicznej z nieorganicznego substratu. Takie organizmy żyją do dziś. Badania nad współcześnie
żyjącymi organizmami rzucają nieco światła na możliwy przebieg wczesnej ewolucji biosfery.
W silnie zasolonych wodach, zawierających nawet 20% NaCl (Morze Martwe, niektóre jeziora afrykańskiej Wielkiej Doliny
Ryftowej…
… i dla takich warunków podane są potencjały j 3 redoks na schemacie,
Najwyższy potencjał utleniający ma wolny tlen, w stosunku do tlenu w związkach (np. w H^O): +0,82 V; najniższy — związki
organiczne węgla w stosunku do utlenionego węgla w częsteczce CO^ (-0,43 V). Te dwie pary substancji sprzęgnięte w jeden
biologiczny proces redoks — oddychanie tlenowe — dzięki dużej różnicy potencjałów dostarczają…
…, redukują dwutlenek węgla (węglan) do metanu, wykorzystując wodór jako donor elektronów:
4H^+C02->CH4+2H20+131 kJxmol-1
Oddychanie
Utlenianie substratu organicznego, uwalniające energię, zdolną do wykonania pracy, nazywamy oddychaniem.
Wszystkie organizmy oddychają, wykorzystując rozmaite utleniacze.
Oddychanie tlenowe
Dziś w biosferze dominują organizmy wykorzystujące absolutnie najbardziej wydajnego…
…. Denitryfikacja jest najpospolitszym w biosferze procesem utleniania
związków organicznych, po oddychaniu tlenowym. Bakterie denitryfikujące (fakultatywne anaeroby, np. typowy dla tej
grupy Pseudomonas denitrificans) wykorzystują wysoki potencjał utleniający azotanów i azotynów, przeważnie
doprowadzają proces do uwolnienia azotu cząsteczkowego Ng.
Redukcja siarczanów i siarki (desulfuryzacja). Siarczan…
… dla wodoru. Metanogeneza jest ogromnie rozpowszechniona
w beztlenowych środowiskach: na bagnach, w osadach dennych, w przewodach pokarmowych zwierząt, zwłaszcza
przeżuwaczy (Methanobrevibacter). Metanogeny są symbiontami pierwotniaków, np. takich, które same żyją w
symbiozie z termitami. Niektóre metanogeny są skrajnie termofilne, np. Methanopyrus, który żyje w głębinowych
źródłach o temp. 85-110°C…
…, w której energia promieniowania słonecznego jest największa, mimo że nie konkurują już z
purpurowymi bakteriami.
Nawet rośliny żyjące w głębinach, gdzie dociera tylko światło zubożone w czerwień (niektóre współczesne sinice, brunatnieć
i krasnorosty), do fotosyntezy wykorzystują ten sam układ zielonego chlorofilu. Występujące u nich dodatkowe pigmenty
(fikocyjanina, allofikocyjanina, fikoerytryna), podobnie…
... zobacz całą notatkę
Komentarze użytkowników (0)