САДЫКОВ БОРИС ФАГИМОВИЧ, к.б.н., доцент. Приглашаю на занятия по биологии и генетике. boris.sadykov@gmail.com; +7 (927) 32-32-052
САДЫКОВ БОРИС ФАГИМОВИЧ, к.б.н., доцент. Приглашаю на занятия по биологии и генетике. boris.sadykov@gmail.com; +7 (927) 32-32-052

Азотфиксация

Главная - А. Общая биология - Азотфиксация

Здравствуйте, уважаемые читатели блога репетитора  биологии по Скайпу biorepet-ufa.ru.

Знаете ли вы что такое азотфиксация?

Вчера мы говорили о фотосинтезе — процессе, обеспечивающем все живое на Земле такими органическими веществами как углеводы.

Углеводы?! И все!  Только «угле-воды»? А это ведь всего три элемента-органогена, необходимые для жизни: С, О, и Н

Прозорливый ум вправе спросить меня, репетитора по биологии,  а откуда же берется на планете для жизни четвертый элемент-органоген азот N?

Без азота ведь не обеспечишь клетки ни белками, ни нуклеиновыми кислотами — этими биополимерными молекулами, составляющими основу жизни. Немного терпения и мы скоро все узнаем.

Значит, наряду с фотосинтезом на нашей планете должен существовать не менее глобальный процесс, связанный с появлением азота N в живых системах. Да, должен существовать. И он существует! Это биологическая азотфиксация.

                                                         Азот и жизнь

Пожалуй нет в биологической науке большего парадокса, чем ее отношение к азоту. Давно известно, что в большом количестве  азот на Земле находится лишь в воздухе в виде молекулярного азота  N2. В атмосферном воздухе азота содержится около 80%.

Впервые азот в воздухе был обнаружен еще в XVIII веке французским химиком Лавуазье. Поместив мышь (не компьютерную — живую) под герметичный стеклянный колпак, через 20 мин он констатировал ее смерть. Как  по вашему назвал  Лавуазье газ под колоколом, «убившем» по его мнению бедное животное?

Все вроде бы правильно — «а-зот». «А» — отрицание, «зоо» — жизнь. Веществом «против жизни», то есть азот — вещество, убивающее жизнь. Но мы то понимаем, что мышь просто задохнулась, так как под колпаком кончился кислород для дыхания.

Но, как говорится, с легкой руки Лавуазье азот — этот непременный компонент всего живого и по сей день фактически произносится как «убийца жизни». Но на этом, поверьте мне, репетитору  по биологии, терминологическая казуистика с азотом не заканчивается.

Уже в XX веке было показано, что действительно азот может быть пагубен для жизни. Но, конечно, не инертный молекулярный азот воздуха, а нитратный азот NO3, вносимый человеком в почву в виде удобрений под растения в избыточном количестве.

Избыточные нитраты в растениях могут превращаться в нитриты NO2. А нитриты — это действительно сильный яд… Так ли уж был не прав Лавуазье?

Не могу не упомянуть и следующий факт. Современный механизм межклеточных взаимодействий основан на концепции образования в клетках продукта, который не  секретировался бы с помощью специализированных систем, распространялся бы посредством простой диффузии и действовал бы прямо на внутриклеточные мишени. Длительное время поиски такого вещества оставались безрезультатными. В 1987 году были получены однозначные доказательства того, что этот фактор есть не что иное, как окись азота

                                         Так что же такое азотфиксация

Азотфиксация — это  процесс связывания молекулярного азота атмосферы N2 некоторыми бактериями-азотфиксаторами, живущими в почве (на фото клетки бактерии азотобактер). Таким образом, весь связанный почвенный азот, а значит и азот всей биомассы ныне живущих  существ на Земле — это результат их многомиллионолетней деятельности.

Представляете, никто другой кроме почвенных бактерий не способен питаться азотом воздуха, несмотря на то, что все живое на Земле буквально купается в нем. Это связано с тем, что молекулярный азот имеет прочную тройную ковалентную связь, которая оказалась «по зубам» лишь бактериям, имеющим в своих  клетках специальный фермент — нитрогеназу.

Сколько «копий было сломано», пока выяснили этот факт. Приписывали возможность к азотфиксации и грибам (один из разделов моей кандидатской диссертации), и растениям, и даже животным.

Очень уж не верилось,  как же так, азот в виде белковой пищи необходим всему живому в огромных количествах. А где его взять? Только в атмосфере его много, а в почве в связанной форме доступной для питания растений его, как говорится,  «с гулькин нос».

              А «изобретенный велосипед» то сразу со ржавчиной

Как восполнить дефицит белковой пищи? Изобрел человек тогда процесс производства азотных удобрений. А из чего их создавать, где азота больше всего на планете? Конечно из воздуха… Но, что это за процесс? Человек научился связывать молекулярный азот с водородом для производства аммиака NH3 по реакции Габера (изобретенной еще в начале  XX века).

Осуществление этого процесса требует затрат огромного количества энергии для поддержания давления в реакционной смеси в 500-1000 атм. и температуры 500 градусов.  Габер, великий Габер, заслуженно получивший за свое изобретение Нобелевскую премию,  знал бы он, что через 50 лет будет описан процесс азотфиксации, осуществляемый непосредственно в природе бактериями…

Оказалось, что азотфиксирующие бактерии, имеющие специальный фермент нитрогеназу, осуществляют ту же реакцию образования аммиака из молекулярного азота и водорода, но при обычных земных условиях, при  давлении  1 атм. и температуре 15-25 градусов.

Это наглядный пример, показывающий насколько рациональна жизнь, насколько биохимические клеточные реакции совершеннее химического катализа.

Связь двух глобальных биосферных процессов фотосинтеза и азотфиксации

Не случайно я вчерашнюю тему по фотосинтезу объединяю с темой азотфиксации, потому что эти два процесса в природе тесно сопряжены.

Оказалось, что частью своих продуктов фотосинтеза,  растения делятся с бактериями-азотфиксаторами, поселяющимися в их корневой зоне. За счет энергии углеводов (а получается за счет солнечной энергии) бактерии связывают азот воздуха и  кормят им растения (ассоциативная азотфиксация).

Таким образом, растительные белки и нуклеиновые кислоты имеют в своем составе N, полученный бактериями из воздуха.

Всё — круговорот замкнулся. Фотосинтез поставляет в экосистемы углеводы (а это значит С,О и Н), а бактерии азотфиксаторы, особенно активно работающие вблизи растений, доставляют еще и N.

Кроме такой ассоциативной азотфиксации в природе существует и более тесная симбиотическая азотфиксация.

Такой способ существования характерен для бобовых растений и некоторых древесных пород растений. У них азотфиксирующие бактерии поселяются не только вблизи корней, но способны проникать в корни, образуя клубеньки (на фото клубеньки с бактериями на корнях сои).

Именно в клубеньках достигается наибольшая сопряженность процессов азотфиксации и фотосинтеза — углеводы растений не растрачиваются куда попало, а все доходят до адресата,  клубеньковых бактерий.

                                    А что в будущем

К сожалению, в своей практической деятельности человек до конца еще не может использовать весь природный потенциал, заложенный в механизме естественной азотфиксации. Здесь, отчасти,  и косность мышления, и верность традициям (надо же продолжать нефтегазодобывающим монополиям вбухивать энергетические ресурсы в работу химических комбинатов по производству азотных удобрений, что бы не разориться).

Поэтому человек продолжает плодить по всей  Земле заводы-монстры по производству азотных удобрений. Заводы, загрязняющие всё вокруг себя и требующие огромных энергетических затрат невосполнимых природных ресурсов. Но думается, что будущее за энергосберегающими и не наносящими вреда окружающей среде технологиями.

Мне, как репетитору по биологии, бывшему заведующему группой биологическоЙ азотфиксации Института биологии БНЦ УрО АН СССР,

Борис Фагимович Садыков 

Биологическая азотфиксация в агроценозах
/ Б. Ф. Садыков ; Башк. науч. центр Урал. отд-ния АН СССР, Ин-т биологии
107,[2] с. ил. 22 см
Уфа БНЦ УрО АН СССР 1989
1989

очень хочется верить, что может быть кому то из вас посчастливится найти способ использования в бОльших масштабах природный процесс биологической азотфиксации и научить человечество как избавиться от гигантских заводов-поработителей.

Ваше будущее — в ваших руках, не правда ли?!

  **************************************

У кого есть вопросы по  статье к репетитору  биологии по Скайпу,   замечания, пожелания — прошу в комментарии.

Репетитор по биологии Садыков Борис Фагимович, 1956 г. рождения. Кандидат биологических наук, доцент. Живу в замечательном городе Уфе. Преподавательский стаж с 1980 года. Репетитор биологии по Скайпу.
А. Общая биология | азотАзотфиксацияаммиакассоциативная азотфиксацияводородкислородЛавуазьенитратынитритырепетитор биологии по Скайпусимбиотическая азотфиксацияфермент нитрогеназа | Отзывов (8)
Отзывов (8)
  1. Ольга Семенова

    День добрый. Встретила такую Б-шку, соотнесение. Клубеньковые бактерии будем соотносить с автотрофами или гетеротрофами? Хемосинтез есть — обычно относим к авто-. Но от растений они берут органику в симбиозе, то есть по типу добывания углерода потребители получается. Если бы разговор о ризобиуме, свободноживущий, даже не сомневалась бы в автотрофности. А тут подрастерялась.

    Ответить
    • Борис Садыков

      Здравствуйте, Ольга! И правильно, что «подрастерявшись» написали сюда. Думаю, что этот вопрос может быть непонятен многим.
      Ни при каких условиях азотфиксирующие бактерии (бактерии, имеющие фермент нитрогеназу, за счет которого они и способны «разрушить» мощнейшую тройную ковалентную связь в молекуле N2), находясь просто в ризосфере растений или уже внедрившись в корни бобовых и образовав клубеньки — не способны к автотрофии. Видимо Вы спутали азотфиксаторов с нитрификаторами. Нитрификаторы — действительно хемотрофы: берут энергию для связывания СО2 за счет окисления нитратного азота в нитритный.
      Азотфиксация же, усвоение молекулярного азота воздуха — это глобальнейший их процессов на Земле, сравнимый по значимости лишь с фотосинтезом, требует для своего осуществления огромного количества энергии в связанной форме. Лучшим источником энергии для азотфиксаторов, как яркого примера гетеротрофного питания, являются углеводы. Поэтому бактерии-азотфиксаторы могут хорошо «работать» только вблизи растений (в их ризосфере, где выделяется растениями много углеводов) или внутри растений.

      Ответить
      • Ольга Семенова

        Понятно, не хватило вренеи и усилий подтянуть теорию по вопросу. Спасибо, предельно понятно. Надеюсь, с ЕГЭ не разойдемся. Но еще почитаю, утрясу, действительно, немного было недопонято где-то.

        Ответить
  2. Анна

    Борис Фагимович, спасибо Вам за Ваш труд, за доступную форму изложения даже самых сложных материалов!
    Остался такой вопрос: если всем растениям необходимы азотные удобрения, то они все могут фиксировать азот? Думала, что это привилегия только бобовых с их клубеньковыми бактериями.

    Ответить
    • Борис Садыков

      Здравствуйте, Анна!
      Никакие растения, ни бобовые, ни растения других семейств не способны фиксировать азот (имеется в виду использовать атмосферный азот N2). Все растения питаются уже связанными формами азота: нитратным азотом или аммонийным азотом. Из воздуха способны усваивать азот только некоторые (их очень мало видов) азотфиксирующие бактерии. Таковыми являются симбиотические клубеньковые бактерии, селящиеся в корнях бобовых растений, и различные свободноживущие бактерии-азотфиксаторы, заселяющие зону вблизи корней любых растений (ризосферные бактерии).
      Симбиотическая фиксация N2 более эффективный процесс, чем фиксация N2 ризосферными бактериями, поэтому бобовые растения меньше требуют для жизни затрат почвенного минерального азота, чем не бобовые. При выращивании бобовых в агроценозах, они, соответственно, будут требовать меньших доз азотных минеральных удобрений, чем, например, злаковые растения.

      Ответить
      • Анна

        Спасибо Вам большое! Теперь разобралась!

        Ответить
  3. Катерина

    Ключевая фраза «Ваше будущее – в ваших руках, не правда ли?»! Просто в точку=)
    Вот такие вопросы у меня появились…
    1. Азотфиксирующие бактерии существуют вблизи всех растений нашей Земли в почве?
    2. Только некоторые виды внедряются непосредственно в корневую системы растений, образуя симбиоз?
    3. А почему именно в бобовые, потому что в них больше всего белков?
    4. Хотела открыть Вашу книгу, чтобы самой найти ответ, но не смогла загрузить…

    Ответить
    • Борис Садыков

      1. Да, некоторые виды почвенных бактерий, относящиеся к разным родам (у которых есть фермент нитрогеназа), способны усваивать молекулярный азот воздуха N2. Процесс энергоемкий, поэтому азотфиксация эффективнее будет протекать там, где высокое содержание легкодоступных углеродсодержащих веществ: вблизи корней любых растений и на поверхности их листьев и стеблей (ассоциативная азотфиксация).
      2. Иммунная система любых живых организмов В НОРМЕ настроена подавлять (уничтожать) проникающие в них чужеродные клетки. Для нас пока неизвестна причина, почему вдруг растения семейства бобовых «разрешили» лишь одному роду почвенных бактерий Ризобиум (способных к азотфиксации) размножаться внутри их корневой системы.
      Попытки «пересадить» найденные в бобовых растениях гены, ответственные за симбиоз с клубеньковыми бактериями, в клетки других растений, например, в злаковые, пока остаются безуспешными.
      3. Известно, что содержание белкового азота в зерне бобовых в 2-3 раза выше, чем в зерне большинства других культур. Вероятно, что их более высокие потребности в азоте могли явиться ПРИЧИНОЙ установления тесного симбиоза с азотфиксирующими клубеньковыми бактериями.
      Но может быть и все наоборот. Высокое содержание азота в бобовых — СЛЕДСТВИЕ их успешного симбиоза с клубеньковыми бактериями.
      4. Этой книги нет в электронном виде.

      Ответить
Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *