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2.24: 화학 합성 - 생물학

2.24: 화학 합성 - 생물학


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175°F 이상의 온도에서 살 수 있습니까?

당신이 폼페이 벌레라면 말입니다. 지구상에서 가장 열에 강한 동물인 폼페이 벌레는 과열된 열수 분출구에서 깊은 바다에 살고 있습니다. 이 심해 벌레의 등을 덮고 있는 것은 박테리아 양털입니다. 이 미생물에는 극한 환경에서 생활하는 데 필요한 모든 유전자가 포함되어 있습니다.

화학합성

바다 표면 깊숙이 사는 박테리아가 음식을 만드는 에너지로 햇빛 대신 화학 물질에 의존하는 이유는 무엇입니까?

대부분의 독립 영양 생물은 광합성을 통해 음식을 만들지만 이것이 독립 영양 생물이 음식을 생산하는 유일한 방법은 아닙니다. 일부 박테리아는 빛 에너지 대신 화학 에너지를 사용하는 다른 과정을 통해 음식을 만듭니다. 이 과정을 화학 합성. 화학 합성에서 하나 이상의 탄소 분자(보통 이산화탄소 또는 메탄,4) 및 영양소는 무기 분자(예: 수소 가스, 황화수소(H))의 산화를 사용하여 유기 물질로 전환됩니다.2S) 또는 암모니아(NH3)) 또는 메탄을 햇빛이 아닌 에너지원으로 사용합니다. 황화수소 화학 합성에서 이산화탄소와 산소가 있는 상태에서 탄수화물(CH2O) 생산 가능:

CO2 + 오2 + 4시간2에스 → 채널2O + 4S + 3H2영형

화학 합성을 사용하는 많은 유기체는 극한성애자, 햇빛이 없고 넓은 범위의 수온과 같은 가혹한 조건에서 생활하며 일부는 끓는점에 접근합니다. 일부 화학 합성 박테리아는 "검은 흡연자"로 알려진 심해 분출구 주변에 살고 있습니다. 지구 내부의 통풍구에서 나오는 황화수소와 같은 화합물은 박테리아가 음식을 만드는 에너지로 사용합니다. 음식을 생산하기 위해 이 박테리아에 의존하는 소비자는 다음 그림과 같은 거대 관벌레를 포함합니다. 수치 아래에. 이러한 유기체는 다음과 같이 알려져 있습니다. 화학자가영양생물. 많은 화학 합성 미생물은 바다의 다른 유기체에 의해 소비되며, 이러한 유기체와 호흡 종속영양생물 사이의 공생 관계는 매우 일반적입니다.

갈라파고스 열곡 깊숙한 곳에 있는 Tubeworms는 화학 합성 박테리아에서 에너지를 얻습니다. Tubeworms에는 입, 눈 또는 위가 없습니다. 그들의 생존은 내부에 살고 있는 수십억 개의 박테리아와의 공생 관계에 달려 있습니다. 이 박테리아는 열수 분출구에서 나오는 화학 물질을 벌레의 먹이로 전환합니다.

요약

  • 화학 합성은 일부 유기체가 "음식"을 생산하기 위해 빛 에너지 대신 화학 에너지를 사용하는 과정입니다.

검토

  1. 화학 합성이란 무엇입니까?
  2. 바다 표면 깊숙이 사는 박테리아가 음식을 만드는 에너지로 햇빛 대신 화학 물질에 의존하는 이유는 무엇입니까?
  3. 극한동물의 서식지를 설명할 수 있습니까?

화학합성

iTunes U 또는 인터넷 아카이브에서 비디오를 다운로드하십시오.

그래서 오늘 우리는 지난 시간에 삶의 주제에 대한 변형에 대해 더 구체적으로 이야기했던 부분에서 계속할 것입니다.

그리고 작년에 저는 PowerPoint를 사용하여 이 강의를 하려고 했습니다. 그리고 그것은 총체적 재앙이었습니다. 그래서 저는 게시판으로 돌아가겠습니다. PowerPoint 슬라이드가 있습니다. 기본적으로 내가 칠판에 그리는 내용을 요약하기 위해 웹에서 다운로드할 수 있습니다.

그러나 게시판에서는 약간 다를 것입니다. 그러나 이 자료의 경우 PowerPoint만 사용하는 것은 실제로 작동하지 않는다는 것을 알았습니다.

지난번에 우리가 이야기했을 때, 기억하세요. 지구에서의 제 삶은 어디에서 -- -- 우리가 광합성을 통해 포도당을 만들거나 유기 탄소에 산소를 더한 것? 그리고 이것의 반대는 호흡이었습니다.

그리고 중간에 요소 순환이 있었습니다. 그리고 저는 이것이 지구상의 모든 생명체가 작동하는 방식을 아주 아주 간략하게 표현했다고 말했습니다. 그래서 오늘 제가 하려는 것은 그것이 옳지 않다고 말하는 것입니다. 그것은 지나치게 단순화되었습니다.

그리고 에너지와 탄소를 추출하고 지구 시스템에서 에너지와 전자를 줄여 생명을 창조하는 방법에 대한 주제에 대해 정말 흥미로운 변형이 있습니다.

그리고 이러한 다양한 가능성을 가진 것은 대부분 미생물입니다.

그리고 다시, 제가 오늘 여러분에게 이야기하려고 하는 것조차도 지나치게 단순화되었습니다. 미생물학 교과서에 가보면 에너지원, 탄소원 및 전자원의 가능한 모든 조합이 생명체를 통해 얻을 수 있는 일부 미생물의 어딘가에 있다는 것을 알게 될 것입니다. 그래서 다시 한 번 단순화된 버전을 제공합니다. 그렇지 않으면 너무 복잡해지기 때문입니다. 그래서 모든 생명체는 탄소와 에너지를 필요로 하며 다른 많은 요소들도 필요합니다. 하지만 이것들은 오늘날 우리가 우주를 구성할 주요 축입니다.

따라서 탄소에 대한 선택은 무기 또는 유기입니다.

이것은 CO2이고 이것은 포도당이나 설탕, 어떤 설탕이든 될 수 있습니다. 그런 다음 에너지 축에서 광합성에서와 같이 태양 에너지를 사용하거나 화학 에너지를 사용할 수 있습니다.

그리고 화학 에너지원 내에서 그것들은 설탕과 같은 무기 또는 유기일 수 있습니다. 그리고 종종 여기에 황화수소, 암모니아와 같은 환원된 화합물이 있습니다. 그리고 우리는 이에 대해 이야기할 것입니다.

이것이 우리가 탄소와 에너지원이 살아있을 가능성을 나누는 방법입니다. 모든 유기체는 또한 세포에 에너지 통화가 있어야 합니다. 그리고 당신은 이미 생화학 강의에서 이것에 대해 많이 이야기했습니다. 그래서 저는 다시 말하지만, 이것에 대한 인상주의적 견해를 여러분에게 드리고자 합니다. 당신은 세부 사항을 알고 있습니다.

이것은 단지 당신을 정리하기 위한 것입니다. 그래서 모든 생명체는 산화 환원 반응을 사용합니다. 그리고 오늘의 유인물에는 산화 환원 반응에 대한 입문서가 있습니다.

그리고 오늘 우리가 이야기할 주요 반응 중 하나는 NADP의 전환입니다. 에너지를 넣으면 NADPH로 줄일 수 있습니다.

그래서 감소입니다. 그리고 반대로 산화되면 에너지가 나옵니다. 오늘은 산화와 환원에 대해 이야기해보겠습니다. 그리고 그들은 모두 당신이 여기서 많이 이야기한 ATP를 사용합니다. 그리고 여기 커플은 ADP입니다. 에너지를 넣습니다.

당신은 고 에너지 중간체 인 ATP를 만듭니다. 그리고 그것을 ADP로 다시 변환할 때 에너지가 방출될 수 있습니다. 그리고 이것은 세포의 생화학에 사용됩니다. 따라서 모든 세포에는 이 두 가지 에너지 변환 과정이 공통적으로 있습니다. 자, 그럼 오늘 다룰 내용을 간단히 요약해 보겠습니다. 이것은 삶을 위한 옵션의 요약입니다. Freeman, 25장을 참조하십시오. 이에 대한 논의가 있습니다.

그리고 우리는 여기에서 생명을 독립 영양체라고 부르는 것으로 나눌 수 있습니다.

이들은 스스로 유기 탄소를 만들 수 있는 유기체입니다.

즉, 이산화탄소를 유기탄소로 전환할 수 있습니다.

종속영양생물은 유기탄소만을 사용할 수 있는 유기체입니다.

그들은 생명을 유지하기 위해 다른 유기체의 내장에 의존합니다. 이제 우리는 각각에 해당하는 이러한 프로세스를 체계적으로 살펴볼 것입니다. 산소 광합성은 우리가 지난 시간에 그리고 지구상의 생명에 대한 저의 축약된 버전에서 이야기했던 것입니다.

그리고 이것은 진핵 생물, 식물, 나무 등, 그리고 원핵 생물에 의해 수행됩니다.

바로 시아노박테리아(cyanobacteria)라는 미세한 광합성 식물입니다.

그들은 CO2와 햇빛을 사용합니다. 따라서 이 주제에 대한 첫 번째 변종은 산소발생 광합성을 하는 박테리아 그룹입니다. Oxygenic은 그들이 산소를 진화시킨다는 것을 의미합니다.

이 사람들은 태양 에너지를 사용하지만 산소를 진화시키지는 않습니다.

그리고 우리는 그것이 어떻게 작동하는지 알아볼 것입니다. 그리고 여전히 CO2를 사용하는 유기체 그룹이 있습니다. 그리고 매우 유사한 경로에서 캘빈 주기는 광합성입니다. 그러나 그들은 CO2를 고정하기 위해 이러한 중간체를 만들기 위해 화학 에너지를 사용합니다. 좋아, 그럼 먼저 그것들에 대해 이야기하자. 그래서 우리는 autotrophs에 대해 이야기할 것입니다.

그리고 그들 모두는 이 경로, CO2에서 C6H12를 공유합니다. 이것은 포도당이 될 것입니다.

그리고 이 반응을 실행하려면 ATP가 필요하고 이 반응을 실행하려면 감소된 NADPH도 필요합니다. 그것은 또한 당신이 말한 리비스코 효소인 ribulose bisphosphate carboxylase를 필요로 합니다.

그리고 이것은 처음에 대기에서 CO2를 취하여 유기 탄소에 결합시키는 효소입니다.

자, 이것에 대한 자세한 버전은 캘빈 주기 또는 캘빈/벤슨 주기라고 하는 것입니다. 나는 당신의 책이 그것을 무엇이라고 부르는지 모릅니다. Calvin은 노벨상을 받았지만 Benson은 모든 일을 한 대학원생이었습니다. 그래서 당신은 그것을 인식해야 합니다.

어쨌든, 당신은 이것을 많이 공부했습니다. 그러나 흥미로운 사실은 리비스코가 지구상에서 가장 풍부한 단백질이라는 것입니다.

이것은 이 반응이 지상에서 생명을 유지하는 데 얼마나 중요한지를 알려줍니다. 따라서 Calvin Cycle인 이 반응을 일으키기 위해서는 에너지와 환원력이 필요합니다. 그래서 그들은 그것을 어디에서 얻습니까?

자, 독립 영양 생물이 에너지를 얻고 이 반응을 유도하는 힘을 줄이는 세 가지 방법이 있습니다. 그리고 첫 번째는 산소 광합성입니다. 그리고 두 번째는 무산소성입니다. 그리고 세 번째는 화학 합성입니다.

알겠습니다. 처음 3개입니다. 이제 우리는 이들 각각을 살펴보고 그것들이 모두 그것을 구동하기 위해 ATP와 NADPH를 생성한다는 것을 기억하면서 어떻게 작동하는지 살펴볼 것입니다. 그래서 모든 독립영양생물에는 공통점이 있습니다. 자, 산소 광합성은 여러분이 이미 잘 알고 있는 것입니다. 생화학에서 아주 자세하게 공부했습니다. 그래서 우리는 여기에 다른 것들을 매핑할 템플릿을 가질 수 있도록 여기에서 다시 축약된 버전을 제공할 것입니다.

이들은 광합성의 광 반응으로 알려진 것, Z 방식은 태양 에너지를 취하고, 물을 분해하고, 산소를 생성하고, ATP와 NADPH를 합성합니다. 이 모든 것이 익숙하지 않습니까? 매우 친숙합니다. 그냥 만화 버전으로 쓰고 있습니다. 자, 이것은 그 과정에 연료를 공급하는 NADPH와 ADP입니다.

자, 이제 적어도 저는 그 게시판에서 할 수 있습니다.

이 게시판에서 하도록 하겠습니다. 무산소성 -- -- 이 과정과 거의 동일하지만 물을 분해하는 대신 이 사람들이 황화수소를 산화시킵니다. 여기 ATP와 NADPH가 있습니다.

그리고 그들은 이것을 하기 위해 햇빛을 사용합니다.

그래서 이것을 광합성 세균이라고 합니다. 그리고 그들은 아주 일찍 지구에 있었습니다. 지구의 대기에 산소가 공급되기 오래 전에 이들은 태양 에너지를 사용하고 유기 탄소를 만들 수 있었지만 산소를 진화시키지 않은 사람들이었습니다.

그런 다음 어딘가에 세포가 진화하고 돌연변이가 발생하여 이 풍부한 물이 황화수소보다 훨씬 더 나은 전자 공여체라는 것을 알아냈습니다.

그리고 일단 생화학이 이것을 알아내면, 여기에서 간단한 치환을 볼 수 있습니다. 지구 전체가 다른 방향으로 움직이기 시작했습니다. 따라서 이것은 작은 생화학적 혁신이 지구의 전체 자연을 어떻게 극적으로 변화시킬 수 있는지에 대한 흥미로운 예입니다. 자, 이 녀석들은 여전히 ​​지구에 존재합니다. 사실, 몇 가지를 보여 드리겠습니다.

나는 이것을 마지막에 설명할 것이지만 여기에는 몇 가지 캡처가 있습니다.

저 보라색 밴드 보이시죠? 바로 그 녀석들입니다.

여기에 다른 작은 트릭이 있지만 저장하겠습니다.

글쎄, 당신은 실제로 보라색 밴드를 볼 수 없습니다. 그러나 나중에 와서 볼 수 있습니다. 그것들은 광합성 박테리아입니다.

그래서 그들은 여전히 ​​지구 주위에 있지만 산소가 없는 곳에 갇혀 있습니다. 그래서 그들은 현재 행성에서 다소 제한된 틈새 시장을 가지고 있지만 여전히 매우 중요합니다. 제가 무엇을 했나요? 오, 여기 있습니다.

그래서 그것들이 발견될 수 있는 장소 중 하나입니다. 그리고 만약 당신이 그들에 관심이 있다면 찾아갈 수 있는 좋은 장소는 알링턴의 신비한 호수에 있습니다. 이 호수는 영구적으로 성층화된 호수이므로 호수의 바닥은 항상 혐기성입니다. 그곳에는 결코 산소가 없습니다.

그런 전형적인 호수에서는 바닥에 많은 진흙이 있고 우리가 이야기할 박테리아 과정에서 진흙에서 많은 황화수소가 나옵니다. 그리고 여기에 빛이 있습니다.

그리고 여기의 기울기가 있습니다. 이것은 산소이고 이것은 H2S입니다.

그리고 이 광합성 박테리아는 광합성에 충분한 빛이 있고 반응의 이 부분에서 사용할 수 있는 충분한 황화수소가 있는 어딘가에서 살아야 합니다. 그러나 그들은 산소에 매우 민감하여 호수의 산소가 있는 부분에 있을 수 없습니다.

따라서 레이어에서 찾을 수 있습니다. 스퀴즈라고 합니다. 그들은 빛이 있어야 일어나야 하지만 산소가 없기 때문에 내려야 합니다. 그리고 그들은 황화수소가 필요하므로 아래로 내려와야 합니다. 그래서 그들은 호수에 층을 이루고 있습니다.

좋아요. 그렇다면 이 사람들은 어떻습니까? 화학합성?

그들은 태양 에너지에 의존하지 않습니다. 다시 말하지만, 그들은 여전히 ​​캘빈 사이클을 추진하여 공기에서 CO2를 유기 탄소로 환원하지만 햇빛을 사용하지 않습니다. 그래서 그들은 무엇을합니까? 그들은 산화 환원 반응에서 에너지를 얻습니다. 그리고 한 가지 예를 보여드리겠습니다.

산화환원 반응은 산소가 H2O로 전환되는 것과 연결됩니다. 따라서 산소는 이러한 반응에 관여합니다. 예를 들어 한 유기체는 암모니아를 섭취하여 아질산염으로 전환할 수 있습니다. 다른 유형의 유기체는 아질산염을 취하여 질산염으로 전환할 수 있습니다. 그리고 황화수소를 취하여 황산염으로 전환시킬 수 있는 다른 유기체가 있습니다.

그리고 일부는 황화수소를 취할 수 있습니다. 오, 아니요, 철, 철, Fe2+를 취하여 Fe3+로 전환할 수 있습니다. 이 모든 경우에 이 화합물에 무슨 일이 일어나고 있습니까? 산화되거나 환원되고 있습니까?

산화되었다고 들었습니다. 예, 산화되고 있습니다.

따라서 이러한 환원된 화합물, 상대적으로 환원된 화합물을 산화시켜 활용할 수 있다. 유기체는 필요한 에너지를 방출할 수 있습니다. 여기에서 ATP가 생성됩니다.

그리고 NADPH는 이러한 산화 환원 커플에 의해 생성됩니다. 따라서 이 에너지를 사용하여 세포는 환원된 NADPH와 ATP를 취하고 캘빈 회로, 즉 화학 합성을 실행합니다. 좋아요. 자, 여러분은 이것들이 산소가 없는 지구의 이상한 주머니에 사는 일종의 이상하고 이상한 박테리아라고 생각할 수 있습니다. 그리고 누가 상관합니까? 그들은 구식입니다.

그들은 지구의 초기 단계에서 훨씬 더 지구를 지배했지만 지금은 그렇게 중요하지 않습니다. 그건 사실이 아닙니다. 그것들은 매우 중요합니다. 일부 생태계에서는 전체 생태계의 전체 기반입니다. 그러나 또한 전지구적 차원에서 배우게 되겠지만, 이 강의가 끝날 때쯤에는 이에 대한 느낌이 들 것입니다. 또한 우리가 전지구적 생지화학적 주기에 대해 이야기할 때 이 미생물이 실제로 환경에서 전자의 메신저라는 것을 배우게 될 것입니다. . 그들 없이는 지구의 산화 환원 균형이 유지되지 않을 것입니다. 알겠습니다. 당신은 산화 반응 또는 환원 반응 외에는 아무것도 할 수 없으며 시스템이 자체적으로 유지됩니다. 따라서 지구의 산화환원 균형을 유지하는 데 정말 중요한 역할을 하는 것은 바로 이 미생물입니다. 좋아요. 자, 제가 DVD로 보여드릴 시스템은 여기 있는 제 그림보다 훨씬 더 잘 정의될 것입니다. 그것은 여러분이 인식하지 못할 경우를 대비한 심해 화산입니다. 그리고 이것은 해저 2,500미터입니다. 아주 아주 깊습니다. 그리고 심한 더위가 있습니다. 지구 표면의 화산을 생각하면 됩니다. 강렬한 열과 환원된 화합물이 이 심해 화산을 통해 분출할 준비가 된 지구의 맨틀에서 발견됩니다. 그리고 여기를 통해 스며드는 바닷물에 황산염이 있습니다. 그리고 그것이 스며들고 여기에서 나오는 화산 물질 속으로 빨려들어감에 따라 화산에서 나오는 황화수소로 환원됩니다.

하지만 심해의 물에는 산소가 있습니다. 그리고 우리는 해양 순환에 대해 이야기할 때 이것에 대해 이야기할 것입니다. 그러나 바다는 대기와 평형을 이루고 있는 지표수가 실제로 가라앉고 바다의 바닥을 따라 이동하는 전지구적 해양 순환을 가지고 있습니다. 따라서 산소가 없는 많은 호수와 달리 바다 바닥에는 산소가 있습니다.

그리고 우리는 그 차이점에 대해 이야기할 것입니다. 그리고 뜨거운 통풍구에서 여기에서 나오는 물은 매우, 매우 뜨거울 수 있지만 더 차가운 바닷물과 만나면서 나오는 기울기가 있습니다.

여기 있는 것은 화학 합성 박테리아를 위한 완벽한 인큐베이터입니다. 여기 산소를 사용하여 이산화탄소를 고정하기 위해 화학 합성에서 황화수소를 사용합니다. 그리고 그것은 깊은 바다에 있는 전체 먹이 사슬의 기초를 형성합니다. 왜냐하면 거기에는 빛이 없기 때문입니다.

광합성이 없습니다. 화학 합성 만 있습니다.

그리고 제가 1976년에 조교수로 처음 MIT에 왔을 때로 돌아가는 작은 이야기입니다. 당신은 태어나지도 않았습니다. 하지만 내가 어렸을 때 우리는 일과 후에 주기적으로 머디 찰스 펍에 가서 맥주를 ​​마시곤 했습니다. 그리고 이 부서에는 실제로 존 에드먼드 교수가 있었습니다. 그는 몇 년 전에 세상을 떠났지만 그곳에 있었습니다. 그것은 일종의 우리의 Cheers와 비슷했습니다.

그리고 나는 그가 크루즈에서 돌아온 날을 결코 잊지 못할 것입니다.

그는 술집에 왔습니다. 그는 화학자이고 나는 생물학자입니다.

그리고 그는 우리가 바다 밑바닥에서 발견한 것을 믿지 못할 것이라고 말했습니다. 그는 이 2인승 잠수정 앨빈에 타고 있었습니다.

그리고 그는 이 거대한 조개와 이 거대한 튜브 벌레 그리고 이 모든 것에 대해 이야기하기 시작했고 저는 그가 맥주를 너무 많이 마셨다고 생각했습니다. 믿기 ​​어려웠습니다. 음, 그것이 이 심해 분출구의 첫 번째 발견이었고 그는 그 탐험에 있었습니다. 그리고 그 동료 관계를 통해 저는 실제로 그곳에서 조개 껍질 중 하나를 얻었습니다. 그것은 대왕조개 중 하나입니다.

그들의 고기는 핏빛 붉은색을 띤다. 왜냐하면 그들은 이 화학 합성 박테리아에 완벽한 산소 장력을 유지하기 위해 사용하는 특별한 종류의 헤모글로빈을 가지고 있기 때문입니다. 산소가 너무 높으면 H2S를 자발적으로 산화시키기 때문에 이것을 할 수 없습니다.

따라서 산소 장력은 매우 중요합니다.

그리고 그들은 그것을 하는 특별한 종류의 헤모글로빈을 가지고 있습니다.

따라서 이러한 주장에는 공생 화학 합성 박테리아가 있었습니다.

글쎄, 그 이후로 이러한 통풍구는 모든 곳에서 발견되었으며 유사한 생태계가 표면에서 발견되었습니다.

그리고 온갖 종류의 통풍구가 있습니다.

이 비디오에서 열수 통풍구, 뜨거운 통풍구뿐만 아니라 정말 중요한 메탄 박테리아가 있는 곳이라고 불리는 냉수 통풍구에 대해 배우게 될 것입니다. 좋아요.

이것이 유기체가 CO2를 유기 탄소로 전환하는 에너지를 얻을 수 있는 주요 방법입니다. 그러면 유기탄소를 사용하는 종속영양생물이 모두 있고 다양한 방식으로 이를 수행합니다. 당신은 생화학에서 매우 강력한 기본 방법을 배웠습니다. 그것은 호기성 호흡을 사용하여 그렇게 하는 것입니다.

그래서 우리는 여기에서 그것을 축약할 것입니다.

그것은 광합성의 역순입니다. 그래서 종속 영양.

그리고 슬라이드로 앞으로 나아가도록 하겠습니다.

알겠습니다. 이것은 유산소 호흡의 만화 버전입니다. 그래서 우리는 포도당을 넣고 Krebs' Cycle로 넘어갈 것입니다. 그리고 우리는 여기에서 전자를 흐르게 하고 산소가 물을 생성하는 최종 전자 수용체가 되도록 할 것입니다. 그래서 우리는 정말로 광합성의 절대 역전을 달성했고 이것을 하는 데 NADH를 만들고 ATP를 만들었습니다. 그래서 이 사람들은 다른 모든 유기체가 만든 포도당에서 에너지를 얻고 있습니다.

그리고 산소는 주변에 산소가 있을 때 말단 전자 수용체입니다. 하지만 지구에는 산소가 없는 환경이 많이 있습니다.

그리고 이러한 환경을 이용할 수 있는 박테리아가 있습니다.

그리고 산소가 말단 전자 수용체가 되는 대신 그들이 사용할 수 있는 많은 다른 원소, 사용할 수 있는 화합물이 있습니다.

예를 들어, 질산염을 사용하여 아산화질소로 환원시키는 것이 있습니다. N2. 암모니아. 모든 상대적으로 환원된 형태의 질소. 그래서 이것을 혐기성이라고 합니다.

그리고 이 과정을 젠트리피케이션이라고 합니다. 그리고 이 박테리아가 없었다면 질산염과 질소를 감소시킬 수 있는 이 혐기성 박테리아가 대기로 돌아오지 않았을 것입니다. 지난번에 질소 고정에 대해 이야기했을 때 특정 유형의 미생물이 어떻게 대기에서 N2를 가져와 생태계로 끌어들일 수 있는지 기억하십니까?

글쎄요, 이 박테리아가 이 과정을 하지 않는다면 질소는 절대 대기로 돌아오지 않을 것입니다.

그것들은 질소 순환을 닫는 데 핵심입니다.

그런 다음 황산염을 사용하여 황화수소로 환원시킬 수 있는 것이 있습니다. 상상할 수 있듯이 이들은 다른 공정에서 사용되는 황화수소를 생성하는 데 중요합니다.

CO2를 사용하고 메탄으로 전환하는 일부가 있습니다.

이들은 메탄 생성 박테리아이며 지구 탄소 순환과 메탄 순환에서 매우 중요합니다.

메탄은 정말 강력한 온실 가스이며, 나중에 이에 대해 이야기하겠습니다. 그리고 Fe3+를 Fe2+로 환원시킬 수 있는 것들이 있습니다. 망간도 마찬가지입니다.

그래서 여러분은 여기에서 일종의 대칭성을 느끼기 시작해야 합니다. 맞습니다. 이 혐기성 박테리아가 지구에서 기능을 수행하고 있다는 것입니다. 이것들을 적어 보겠습니다.

이들은 황산염 환원제, 이들은 메탄 생성 물질, 이들은 철 환원제와 망간 환원제입니다.

따라서 우리가 이 모든 요소의 전지구적 생지화학적 순환에 대해 이야기할 때 이것들은 모두 매우 중요하게 될 것입니다.

주기가 계속될 수 있고 산화 또는 환원의 막다른 골목에 빠지지 않도록 하는 것은 바로 이 미생물입니다.

좋아요. 영화를 보기 전에 교과서의 표 25.2를 보면 바로 그 것 같아요.

가장 최신 버전을 사용하고 있다고 가정합니다.

방금 보여드린 이러한 범주에 속하지 않는 유기체 항목이 있는 이 테마의 변형을 볼 수 있습니다. 즉, 빛 에너지와 유기 탄소 에너지를 동시에 사용하는 유기체가 있습니다. 가능한 모든 변이에는 그것을 이용하도록 진화된 유기체가 있습니다. 나는 여기에서 그것을 지나치게 단순화했지만 당신은 그것을 알아야합니다. 그리고 결론은 그것이 열역학적으로 가능한 경우입니다. 그리고 다시, 이 전체 강의는 열역학적 모드에서 수행될 수 있었습니다. 우리는 어떤 산화환원 커플이 에너지적으로 가능한지 살펴보고 특정 미생물에 할당할 수 있었습니다. 하지만 지금은 개요만 알고 싶습니다. 그러나 열역학적으로 가능한 모든 것에는 그것을 하는 미생물이 있습니다.

그리고 사실, 미생물학자들은 실제로 산화환원 표를 샅샅이 뒤지고 서로 다른 산화환원 커플을 조합하고 가설을 세웁니다.

나는 그 환경에서 이것을 하는 유기체를 찾을 수 있어야 합니다. 그리고 나서 그들은 나간다. 그리고 그들은 거의 항상 그것을 실제로 찾을 수 있습니다. 그래서 그들은 매우 다재다능합니다. 그리고 이것은 여러분에게 이러한 생화학적 과정의 진화를 주도하는 열역학의 힘에 대해 정말 좋은 강한 느낌을 줍니다.

마지막으로 이 영화를 보여드리기 전에 이 영화가 무엇인지 보여드리고 싶습니다. 이전 세기에 Winogradsky라는 이름의 러시아 미생물학자가 있었습니다. 그는 이 광합성 박테리아의 일부를 분리하기를 원했습니다. 그리고 그들의 특성이 무엇인지 알고 그는 나가서 진흙과 연못 물을 얻었습니다. 그리고 그는 우리가 Winogradsky 칼럼이라고 부르는 것을 설정했습니다.

이것은 Winogradsky 주스 병이지만 동일하게 작동합니다. 그리고 당신이 하는 일은 바닥에 진흙을 넣고 여기에 연못 물을 넣는 것입니다.

그리고 연못 물은 기본적으로 접종물을 가지고 있습니다. 그것은 모든 다른 유형의 박테리아를 대표합니다. 포자일 수 있습니다. 그들이 있는 환경이 마음에 들지 않으면 포자를 낳고 발아하지 않습니다. 그러나 아마도 연못 물에는 여기에서 자랄 수 있는 모든 것이 있을 것입니다. 그리고 진흙에 황산염 공급원을 추가합니다. 그래서 황산칼슘을 첨가하고 유기물을 조금 첨가할 수 있습니다. 알다시피 식물의 일부 또는 무언가를 바로 시작하기 위한 것입니다.

그리고 결국 여기에서 황화수소와 산소의 기울기를 설정합니다.

그리고 시간이 지남에 따라 유기체는 그 기울기를 따라 성장합니다.

그래서 당신은 무산소 호흡으로 여기까지 오게 될 것입니다.

사실, 유기체는 이러한 기울기를 생성합니다. 시작하면 모든 것이 산화됩니다.

그리고 이 맥락에서 생각해야 하는 것은 무슨 일이 일어나는가입니다.

완전히 혼합된 시스템, 거기에 있는 모든 것, 모든 것이 산소화된 시스템으로 시작할 때 이러한 그라디언트가 어떻게 생성됩니까? 결국에는 혐기성 호흡을 하게 됩니다. 먼저 혐기성 호흡을 하게 되겠죠?

유기 탄소와 산소를 사용할 수 있는 모든 것은 미친 듯이 갈 것이고, 그것이 산소를 끌어내리게 될 것입니다.

그러면 여기서 무산소 호흡을 하게 됩니다.

여기에서 광합성을 하고 산소를 진화시킵니다. 여기에 약간의 산소가 필요하기 때문에 여기에 화학합성 박테리아가 있을 것입니다. 하지만 여기에는 황화수소와 광합성 박테리아도 필요합니다.

글쎄, 그들은 여기와 같습니다. 그들은 빛이 필요하지만 산소를 가질 수 없기 때문입니다. 그리고 이것들을 설정할 수 있습니다. 여기 이 보라색 띠는 광합성 박테리아가 있음을 알려줍니다.


이제 광합성과 화학 합성의 유사점과 차이점은 무엇인지 분석해 보겠습니다.

  • 화학 합성과 광합성은 신체가 무기물에서 유기물을 방출할 때 일종의 독립 영양 영양입니다.
  • 이러한 반응의 에너지는 아데노신 삼인산(ATP로 약칭)에 저장되고 이후에 유기 물질의 합성에 사용됩니다.

광합성과 화학 합성의 차이점:

  • 그들은 다른 에너지원을 가지고 있으며 결과적으로 다른 산화 환원 반응을 보입니다. 화학 합성 동안 에너지의 주요 원천은 햇빛이 아니라 특정 물질의 산화 화학 반응입니다.
  • 화학 합성 동안 박테리아 세포에는 광합성 동안 엽록소(녹색 색소)가 없고 반대로 엽록소가 있습니다.
  • 화학합성에서 유기물 합성을 위한 탄소의 공급원은 이산화탄소뿐만 아니라 일산화탄소(CO), 포름산, 아세트산, 메탄올 및 탄산염일 수 있습니다.


2.24: 화학 합성 - 생물학

지구상의 대부분의 생명체는 식물이 햇빛으로부터 에너지를 만드는 과정인 광합성에 의존합니다. 그러나 심해의 열수 분출구에서는 햇빛이 없는 상태에서 독특한 생태계가 진화했으며 에너지원은 완전히 다릅니다. 바로 화학 합성입니다. 화학 합성은 특정 미생물이 화학 반응을 매개하여 에너지를 생성하는 과정입니다. 그래서 열수 분출구 주변에 사는 동물들은 분출구 유체의 해저에서 나오는 화학 물질로 생계를 유지합니다! 열수 분출구는 지역 식품 공급원이기 때문에 일반적으로 높은 바이오매스를 가지고 있으며, 이는 동물이 위에서 아래로 떨어지는 먹이에 의존하는 분출구 외부에 동물이 매우 드물게 분포하는 것과 극명하게 대조됩니다.

화학 합성 미생물은 통풍구의 생물학적 식민지화를 위한 기반을 제공합니다. 화학 합성 미생물은 해저 위나 아래에서, 심지어 다른 통풍 동물의 몸 안에서도 공생합니다. 미생물 매트가 통풍구 주변의 해저를 덮고 있는 곳에서는 달팽이, limpets, 비늘벌레와 같은 방목 동물이 매트를 먹고 포식자가 방목을 먹습니다. Tubeworms는 따뜻한 액체를 흔들며 작은 덩어리로 번성합니다. 따라서 활성 열수 분출구의 전형적인 그림은 반짝이는 따뜻한 열수 유체, 관벌레 및 기타 많은 분출구 종으로 이루어진 것으로, 모두 분출구 주위에 밀집되어 있으며 주변 지역을 덮고 있는 흰색 미생물 매트 물질이 있습니다.


화학합성(나노기술)

분자나노기술에서는 화학 합성 임의의 열 운동으로 인해 반응이 발생하는 모든 화학 합성으로 현대 합성 화학의 거의 모든 것을 포괄하는 클래스입니다. 따라서 인간이 작성한 화학 공학 프로세스는 위의 자연 현상의 생체 모방으로 표현되며 복잡한 분자를 구성하는 비 광합성 사슬의 전체 클래스는 다음과 같이 설명됩니다. 화학.

화학 합성은 분자의 위치 조립을 포함하여 다양한 연구 분야에 적용될 수 있습니다. 이것은 분자 빌딩 블록을 사용하여 특정 유형의 화학 합성을 수행하기 위해 분자가 특정 위치에 조립되는 곳입니다. 이 경우 결합이 적은 분자 빌딩 블록을 사용하여 합성이 가장 효율적으로 수행됩니다. 변형되지 않은 분자도 바람직하며, 이는 분자가 최소한의 외부 응력을 받아 분자가 낮은 내부 에너지를 갖게 되는 경우입니다. 합성에는 덧셈과 뺄셈의 두 가지 주요 유형이 있습니다. 가법 합성에서 구조는 아무것도 없는 것으로 시작하여 필요한 구조가 생성될 때까지 점차적으로 분자 빌딩 블록이 추가됩니다. 감산 합성에서 그들은 큰 분자로 시작하여 구조가 달성될 때까지 빌딩 블록을 하나씩 제거합니다. [1]

그런 다음 이러한 형태의 공학은 개별 분자가 인간 사양에 대한 반응을 제어하기 위해 기계적으로 조작되는 가상 프로세스인 기계 합성과 대조됩니다. 광합성 및 기타 자연 과정은 RNA에 포함된 사양에 따라 극도로 복잡한 분자를 생성하고 DNA 형태로 장기간 저장되기 때문에 분자 공학 옹호자들은 인공 과정도 마찬가지로 장기 저장, 단기 저장, 세포에서와 유사한 효소와 같은 복제 메커니즘, 그리고 궁극적으로 단백질일 필요가 없는 복잡한 분자를 생성합니다. 예를 들어, 시트 다이아몬드 또는 탄소 나노튜브는 생물학의 기본 모델을 사용하여 설계된 일련의 비생물학적 반응에 의해 생성될 수 있습니다.

용어의 사용 화학 합성 복합 단백질, 연체 동물 및 갑각류의 광물 껍질 등을 생성하는 여러 대체 수단이 자연적으로 진화했으며, 이들 모두가 엽록소를 통한 태양의 먹이 사슬과 광합성에 의존하지 않는다는 점을 지적함으로써 이것이 실현 가능하다는 견해를 강화합니다. [2] 복잡한 분자, 심지어 물고기가 먹을 수 있는 단백질과 같은 극도로 특정한 분자를 생성하는 경로가 하나 이상 존재하기 때문에 인간이 완전히 새로운 것을 설계할 수 있는 가능성은 (이 옹호자들에 의해) 거의 확실하다고 간주됩니다. 장기적으로, 그리고 한 세대 내에 가능합니다. [2]

나노 스케일 화학 합성의 여러 방법이 개발되었으며 그 중 일반적인 변형은 CBD(Chemical Bath Deposition)입니다. 이 공정은 다양한 재료의 박막층의 대규모 합성을 가능하게 하며, 황화납(PbS) 필름의 효율적인 생성을 통해 광전자공학용 필름을 제공하는 데 특히 유용했습니다. 이러한 필름의 CBD 합성은 주변 수조의 특성에 의해 결정되는 나노 물질의 광학 특성뿐만 아니라 입자 유형 및 크기를 사용하여 비용 효율적이고 정확한 조립을 가능하게 합니다. 이와 같이 이러한 나노스케일 화학합성 방법은 이러한 특성이 필요할 때 종종 구현되며, 조정 가능한 특성으로 인해 황화납뿐만 아니라 광범위한 나노물질에 사용될 수 있습니다. [삼]



코멘트:

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