Хемосинтез на ЕГЭ по биологии, как не спутать его с фотосинтезом и дыханием

Страсбург, 1887 год. Под стеклом микроскопа лежит нить бактерии беггиатоа, вытянутая из воды серного источника, и внутри нее видны блестящие капли. Сергей Виноградский подает к нити свежую воду с сероводородом, и капель становится больше. Перекрывает подачу, и капли тают на глазах, а через несколько часов нить погибает. В каплях была чистая сера. Бактерия окисляла сероводород до серы, потом серу до серной кислоты, и на выделенную при этом энергию строила себе тело из углекислого газа. Света ей не требовалось вовсе.

Так была найдена вторая в природе дорога к органике из неорганики. Имени у находки долго не было. Термин придумал Вильгельм Пфеффер, ботаник из Лейпцига, и случилось это только в 1897 году, через десятилетие после страсбургских опытов. Членом-корреспондентом Парижской академии Виноградский стал еще через пять лет, в 1902-м.

На экзамене этот процесс встречается реже фотосинтеза, зато почти всегда в паре с ним и почти всегда как ловчая формулировка в задании с выбором признаков. Ниже разбор того, где именно расходятся три процесса, которые школьники валят в одну кучу, и что из этого проверяют в заданиях 5, 6 и во второй части.

Две строки, которые решают все

Любой способ питания клетки описывается двумя строками. Первая, откуда клетка берет углерод для собственных молекул. Вторая, откуда берет энергию, чтобы этот углерод во что-то собрать.

Растение на подоконнике берет углерод из углекислого газа, а энергию из света. Бактерия из страсбургской воды тоже берет углерод из углекислого газа, а энергию получает от окисления сероводорода. Кишечная палочка в чашке с бульоном получает и углерод, и энергию из готовой глюкозы. Три организма, три разных сочетания строк.

Здесь и проходит граница. Фотосинтез и хемосинтез совпадают по первой строке, у обоих источник углерода неорганический, поэтому оба процесса относят к автотрофному питанию. Расходятся они по второй. Свет или химическая реакция. Все остальные различия, пигменты, хлоропласты, выделение кислорода, вытекают из этого одного.

С дыханием путаница другого рода. Дыхание вообще стоит в другой колонке обмена веществ. Хемосинтез собирает органику, дыхание разбирает ее на воду и углекислый газ, чтобы извлечь энергию. Направление противоположное. Сбивает то, что и там, и там что-то окисляется, и там, и там нужен кислород. Только при дыхании окисляется глюкоза, а при хемосинтезе аммиак, сероводород, сера, водород или соединения двухвалентного железа. Ни одно из них к органике не относится.

Энергия окисления не идет в синтез напрямую. Сначала она запасается в АТФ, а уже АТФ тратится на присоединение углекислого газа. У большинства хемосинтетиков этот второй шаг устроен так же, как темновая фаза у растений, тот же цикл Кальвина, те же ферменты. Меняется только то, откуда пришла энергия на его запуск.

Грядка, на которой работают нитрификаторы

После смерти учителя Виноградский переехал из Страсбурга в Цюрих и там взялся за задачу, над которой до него бились безуспешно. В почве аммиак откуда-то превращался в нитраты, растения этими нитратами питались, а виновника никто не мог вырастить в лаборатории. Обычные среды с мясным бульоном не подходили. На них всегда обгоняли те, кто ест готовую органику.

Виноградский убрал из среды всю органику. Оставил минеральные соли, аммиак и пластинку из кремниевого геля вместо желатина. Рост на такой среде мог дать только тот, кому органика не нужна. В 1890 году на пластинках выросли две группы бактерий. Первая окисляла аммиак до нитритов, вторая доводила нитриты до нитратов. Сегодня они известны как нитрозомонас и нитробактер, а сам подход, выращивание на среде без органики, лег в основу метода накопительных культур и до сих пор входит в любой практикум по микробиологии.

Для экзамена из этой истории важно одно. Нитрификаторы делают почву пригодной для растений и одновременно переводят азот в подвижную форму, из-за чего нитраты уходят с водой. Обе стороны спрашивают в заданиях на круговорот азота, и вторую сторону школьники теряют чаще.

Труба на дне Тихого океана

Джек Корлисс был геологом, и живность его в феврале 1977 года не интересовала. Экспедиция спускала трехместный глубоководный аппарат «Алвин» к Галапагосскому рифту за горячей водой из трещин в дне. Воду нашли. А вокруг трещин, примерно в двух с половиной километрах от поверхности, торчали целые кусты белых трубок высотой в человеческий рост и выше, у самых крупных до трех метров, и из каждой высовывался красный султан. Позже животное получило имя рифтия.

У рифтии нет рта. Нет и кишечника. Внутри тела лежит орган, набитый бактериями, трофосома, и эти бактерии окисляют сероводород из воды источника. Червь снабжает их всем нужным через кровь, его гемоглобин умеет связывать одновременно и кислород, и сероводород, что для животных редкость, сероводород обычно отравляет дыхательные белки. Взамен бактерии кормят хозяина. Так рифтия вырастает на десятки сантиметров за год, а в удачных местах на восемьдесят с лишним. Симбиоз описала Коллин Кавано в 1981 году, тогда же вид получил научное название.

На экзамене этот сюжет всплывает в заданиях на цепи питания. Продуцент здесь бактерия, рифтия консумент первого порядка, хотя выглядит скорее как гигантский цветок. Ответ «рифтия сама питается сероводородом» балла не приносит.

Об одном на популярных схемах умалчивают. Кислород для окисления сероводорода бактерии рифтии берут из океанской воды, а туда он попал из фотосинтеза на поверхности. Так что называть оазисы у горячих источников независимыми от Солнца можно только с оговоркой. Большинство хемосинтетиков аэробы, и в задании про «полную независимость от света» проверяют именно эту оговорку.

Пещера, закрытая пять миллионов лет

В 1986 году под румынским городом Мангалия рабочие пробили шурф под будущую электростанцию, а геолог Кристиан Ласку спустился в него и вышел в пещеру Мовиле. Воздух там держит семь, самое большее десять процентов кислорода вместо привычного двадцати одного, углекислого газа в полсотни раз больше, чем снаружи, плюс метан и сероводород. Вода и воздух круглый год на двадцати одном градусе. Свет сюда не попадал примерно пять с половиной миллионов лет.

Живет там пятьдесят семь видов животных, тридцать семь из них больше нигде не встречаются. Пиявки, пауки, многоножки, мокрицы, слепые водяные скорпионы. Всех кормит пленка на поверхности воды, в которой бактерии окисляют сероводород и метан. В 1996 году группа Сербана Сарбу опубликовала в «Сайенс» доказательство, что углерод во всех этих телах прошел через бактериальный хемосинтез, а с поверхности не пришло ничего.

Мовиле и рифты закрывают на экзамене один и тот же вопрос, могут ли хемосинтетики держать на себе экосистему. Могут, и это одно из редких мест кодификатора, где на школьный вопрос отвечают открытия последних десятилетий.

Кроме серобактерий и нитрификаторов в учебниках упоминают еще две группы. Железобактерии окисляют соединения двухвалентного железа до трехвалентного, из-за них ржавеют трубы и появляются рыжие наросты в колодцах. Водородные бактерии окисляют водород, и на них когда-то пытались строить замкнутые системы жизнеобеспечения для космоса. Отдельно стоят пурпурные серные бактерии. Они тоже живут в сероводороде, и на этом сходство кончается, энергию они берут из света. Это фотосинтез, только без выделения кислорода, и такой пример в задании ставят специально.

Что из этого спрашивают на ЕГЭ

В варианте 2027 года 28 заданий на 235 минут, потолок 57 первичных баллов. Хемосинтез сидит в блоке «Клетка как биологическая система», то есть в заданиях с 5 по 8. Задание 5 стоит один балл, задание 6 два, там обычно дают либо ряд признаков процесса с выбором трех верных, либо соответствие «процесс, характеристика» для фотосинтеза и хемосинтеза. Структура и содержание работы в 2027 году прежние, спецификация ФИПИ называет две правки в оценивании, задание 21 подешевело с двух баллов до одного, а задание 26 подорожало с трех до четырех.

Во второй части хемосинтез приходит через теоретические задания 25 и 26, в том числе через то самое подорожавшее, и изредка через эксперимент в задании 22. Типичные формулировки, «почему хемосинтезирующие бактерии относят к автотрофам», «какова роль нитрифицирующих бактерий в природе», «чем хемосинтез отличается от фотосинтеза, укажите два различия». Проверяющий ждет двух строк из первого раздела, источник углерода и источник энергии, плюс следствие про отсутствие пигментов и света.

Ошибки на этой теме однотипны. Хемосинтетиков записывают в гетеротрофы, потому что «они же питаются серой». Хемосинтез помещают в хлоропласты, которых у прокариот нет, все реакции идут на мембране и в цитоплазме бактериальной клетки. Процесс называют анаэробным, хотя окисление аммиака или сероводорода требует кислорода. Пурпурных серных бактерий записывают в хемосинтетики по одному слову «серные». И путают хемосинтез с брожением, хотя брожение органику разбирает, а не строит.

Куда двигаться дальше

Проверить, где у выпускника дыра именно в этом узле, можно за один вечер. Взять любые три формулировки из второй части выше и попросить ответить письменно, без учебника. Если в ответах нет пары «углерод и энергия», стоит вернуться к первому разделу и к фотосинтезу, они учатся только вместе.

Когда хочется разобрать блок «Клетка» целиком и в спокойном темпе, помогает консультация с методистом на classicum.ru, первая встреча бесплатна. Дальше занятия по биологии идут онлайн, в малых группах, по кодификатору текущего года.

Частые вопросы про хемосинтез на экзамене