Quá trình tổng hợp các chất trong hệ sinh thái Từ khi Trái Đất hình thành, quá trình tổng hợp các chất bằng con đường hóa học đã xuất hiện, tạo tiền đề cho sự sống ra đời. Song quá trình đó chậm chạp, sản vật được tạo ra nghèo nàn, sự sống do đó, sống chật vật trong những năm tháng dài của thời kỳ được mệnh danh là Tiền Cambri (Precambri). Sự xuất hiện thực vật quang hợp là “cuộc cách mạng vĩ đại” của hành tinh Cũng từ đây, sinh vật tiến hóa một cách bùng nổ, sức sản xuất tăng lên gấp bội, đáp ứng đủ đến dư thừa nhu cầu sinh sống của cả thế giới sinh vật cũng ngày một đông vui này. Quá trình tổng hợp các chất được tiến hành bằng 2 phương thức: Quang hợp và hoá tổng hợp. Những cây xanh sống trên Trái Đất có khả năng quang hợp, mỗi năm sản xuất ra khoảng 100 tỷ tấn chất hữu cơ để nuôi sống những nhóm sinh vật khác. Trong quang hợp, diệp lục (chlorophyl) đóng vai trò rất quan trọng, như một chất xúc tác, giúp cho cây sử dụng được năng lượng Mặt Trời để biến đổi cacbon đioxyt (CO2) và nước thành cacbon hyđrat, đồng thời thải ra khí oxy (O2) phân tử theo công thức : CO 2 + 2H 2 O Năng lượng Mặt trời -> (CH 2 O) + H 2 O + O 2 Như vậy, bất kỳ ở nơi nào có mặt cây xanh, có ánh sáng Mặt Trời, nước, khí cacbonic (CO2) và muối khoáng thì nơi đó xuất hiện quá trình quang hợp, nơi đó nguồn thức ăn sơ cấp được tạo thành. Ở nơi nào thành phần cây xanh đa dạng, ánh sáng càng nhiều, muối khoáng giàu có, nơi đó sức sản xuất sơ cấp càng lớn. Rừng ẩm nhiệt đới, các rạn san hô, các cửa sông là những bằng chứng hùng hồn cho nhũng nhận định ở trên. + Quang hợp của vi khuẩn Những vi khuẩn có màu đều có khả năng tiếp nhận năng lượng từ ánh sáng Mặt Trời để thực hiện quá trình quang hợp. Vi khuẩn quang hợp chủ yếu là sinh vật sống ở nước (nước ngọt và nước mặn). Phần lớn chúng đóng vai trò không đáng kể trong sản xuất nguồn thức ăn sơ cấp, song chúng lại có khả năng hoạt động ở những điều kiện hoàn toàn không thích hợp cho các “cây cối” khác. Do vậy, chúng có vai trò nhất định trong các chu trình sinh địa hóa. Trong quang hợp, chất bị oxy hóa (cho điện tử) không phải là nước mà là những chất vô cơ chứa lưu huỳnh như hydro sunphua (H2S) chẳng hạn, với sự tham gia của vi khuẩn lưu huỳnh xanh và đỏ (Chlorobacteriaceae và Thiorhodaceae), hoặc các hợp chất vô cơ với sự tham gia của các nhóm vi khuấn không lưu huỳnh đỏ và nâu (Athiorhodaceae) thì quá trình đó không giải phóng oxy phân tử. CO 2 + 2H 2 S Năng lượng mặt trời > (CH 2 O) + H 2 O + 2S Từ những ví dụ trên, công thức quang hợp có thể viết dưới dạng tổng quát. CO 2 + 2H 2 A Năng lượng mặt trời > (CH 2 O) + H 2 O + 2A ở đây chất khử (hay chất bị oxy hóa) tức là chất cho điện tử là H 2 A có thể là nước hoặc các chất vô cơ hay hữu cơ chứa lưu huỳnh, còn A có thể là oxy phân tử hay lưu huỳnh nguyên tố. - Quá trình hóa tổng hợp Quá trình hóa tổng hợp với sự tham gia của một số nhóm vi khuẩn xác định không cần ánh sáng Mặt Trời, song lại cần oxy để oxy hóa các chất. Các vi khuẩn hóa tổng hợp lấy năng lượng từ phản ứng oxy hóa các hợp chất vô cơ để đưa cacbon dioxyt vào trong thành phần của chất tế bào. Những hợp chất vô cơ đơn giản trong hóa tổng hợp được biến đổi, chẳng hạn từ amoniac thành nitrit, nitrit thành nitrat, sunphit thành lưu huỳnh, sắt 2 thành sắt 3 với sự tham gia của các nhóm vi khuẩn Beggiatoa (ở nơi giàu Sunphat) và vi khuẩn Azotobacter, v.v. Hoặc như Thyobacillus rất phong phú trong các suối nước nóng giàu lưu huỳnh, vi khuẩn nitơ (Pseudomonas, Nitrobacter ) có mặt trong nhiều công đoạn của chu trình nitơ. Những vi khuẩn như thế có thể phát triển trong bóng tối, nhưng đa số chúng cần O2. Vi khuẩn hóa tổng hợp chủ yếu tham gia vào việc sử dụng lại (thứ sinh) các hợp chất cacbon hữu cơ chứ không tham gia vào việc tạo thành nguồn thức ăn sơ cấp, nói một cách khác, chúng sống nhờ vào những sản phẩm phân hủy của các chất hữu cơ được tạo ra bởi quá trình quang hợp của cây xanh hay vi khuẩn quang hợp khác. Nhờ khả năng hoạt động trong bóng tối ở các lớp trầm tích, trong đất hay trên đáy các thủy vực, vi khuẩn hóa tổng hợp không chỉ lôi cuốn các chất dinh dưỡng vào sản xuất chất hữu cơ mà còn sử dụng cả nguồn năng lượng “rơi vãi” mà các sinh vật tiêu thụ không tài nào tiết kiệm được trong cuộc sống của mình. Phần lớn thực vật bậc cao (thực vật có hạt) và nhiều loài tảo chỉ sử dụng những chất vô cơ đơn giản để sinh sống nên chúng là những sinh vật hoàn toàn tự dưỡng, song một số ít loài tảo lại cần các chất hữu cơ tương đối phức tạp để tăng trưởng, do chúng không có khả năng tổng hợp. Những loài khác lại cần 2, 3 hoặc nhiều chất tăng trưởng như thế, do đó, chúng là những sinh vật dị dưỡng một phần. Những loài đứng ở vị trí trung gian giữa sinh vật tự dưỡng và sinh vật dị dưỡng thường được gọi là sinh vật “nửa tự dưỡng” (auxiotrophy). W. Rodhe (1955) chỉ ra rằng, ở các nước “đêm đông” như phần Bắc Thụy Điển, vào mùa hè phytoplankton đóng vai trò là sinh vật tự dưỡng trong các ao, hồ, nhưng trong suốt “đêm đông” kéo dài hàng tháng, chúng lại sử dụng các chất hữu cơ hòa tan trong nước để sinh sống, giống như các sinh vật dị dưỡng khác. Tất nhiên, trong phạm vi rộng của sự tiến hóa, người ta chỉ chia sinh vật thành 2 dạng chính: sinh vật tự dưỡng và sinh vật dị dưỡng, còn các dạng trung gian khác, tuy cũng có những giá trị nhất định trong sinh giới, song chúng không đặc trưng và không phổ biến. Hương Thảo . Quá trình tổng hợp các chất trong hệ sinh thái Từ khi Trái Đất hình thành, quá trình tổng hợp các chất bằng con đường hóa. cầu sinh sống của cả thế giới sinh vật cũng ngày một đông vui này. Quá trình tổng hợp các chất được tiến hành bằng 2 phương thức: Quang hợp và hoá tổng