KEMOSYNTEESI: VAIHEET, ORGANISMIT, EROT FOTOSYNTEESIN KANSSA - BIOLOGIA - 2025

Kemosynteesi on ominaista tietty biologisen prosessin autotrofisia organismien hyödyntämiseen kemiallista energiaa muuntaa epäorgaanisten aineiden orgaanista ainesta. Se eroaa fotosynteesistä siinä, että jälkimmäinen käyttää auringonvalon energiaa.

Kemosynteesiin kykenevät organismit ovat yleensä prokaryootteja, kuten bakteereja ja muita mikro-organismeja, kuten archaeaa, jotka poimivat energiaa reaktioista, joihin liittyy hyvin pienten yhdisteiden hapettuminen.

Valokuva Riftia pachyptilasta, kemosynteettisestä organismista (Lähde: NOAA Okeanos Explorer -ohjelma, Galapagos Rift Expedition 2011 Wikimedia Commonsin kautta)

Yleisimmät esimerkit kemosynteettisistä bakteereista ovat nitrifioivia bakteereja, jotka hapettavat ammoniakkia tuottamaan typpidioksidia, samoin kuin rikkibakteerit, jotka kykenevät hapettamaan rikkihappoa, rikkiä ja muita rikkiyhdisteitä.

Konseptin alkuperä

Mikrobiologi Sergei Winogradsky, vuonna 1890, oli ensimmäinen tutkija, joka puhui kemosynteettisten prosessien mahdollisesta olemassaolosta, koska hän oletti, että on oltava fotosynteesin kaltainen prosessi, joka käyttää muuta energialähdettä kuin auringonvaloa.

Pfeffer keksi kuitenkin termin "kemosynteesi" vuonna 1897. Winogradskyn teoriat todistettiin vuonna 1977 Alvin-sukellusveneen suorittaman retkikunnan aikana syvänmeren vesiin Galapagossaarten ympärille.

Tämän retkikunnan aikana sukellusveneessä olleet tutkijat löysivät joitain bakteeriekosysteemejä, jotka pysyivät epäorgaanisen aineen läsnäollessa, ja toiset symbioosissa joidenkin selkärangattomien merieläinten kanssa.

Nykyään eri puolilla maailmaa tunnetaan erilaisia ​​kemosynteettisiä ekosysteemejä, jotka liittyvät erityisesti meri- ja valtameriympäristöihin ja vähemmässä määrin maanpäällisiin ekosysteemeihin. Näissä ympäristöissä kemosynteettiset mikro-organismit edustavat tärkeitä orgaanisen aineen alkutuottajia.

vaiheissa

Kemosynteesi tapahtuu melkein aina aerobisten ja anaerobisten ympäristöjen rajapinnalla, missä anaerobisen hajoamisen lopputuotteet ja suuret määrät happea konsentroidaan.

Kuten fotosynteesillä, myös kemosynteesillä on selkeästi määritellyt vaiheet: oksidatiivinen ja biosynteesi. Ensimmäisessä käytetään epäorgaanisia yhdisteitä ja toisen aikana syntyy orgaanista ainetta.

Hapetusvaihe

Tämän ensimmäisen vaiheen aikana hapettuu erityyppisiä pelkistettyjä epäorgaanisia yhdisteitä tyypistä riippuen, minkä tyyppisillä pelkistetyillä epäorgaanisilla yhdisteillä on esimerkiksi ammoniakki, rikki ja sen johdannaiset, rauta, jotkut typen johdannaiset, vety jne.

Tässä vaiheessa näiden yhdisteiden hapetus vapauttaa energiaa, jota käytetään ADP: n fosforylointiin, muodostaen ATP: n, joka on yksi elävien olentojen pääenergian valuutoista ja lisäksi vähentävä teho syntyy NADH-molekyylien muodossa.

Kemosynteettisen prosessin erityispiirteellä on tekemistä sen kanssa, mitä muodostuvaa ATP: tä käytetään elektroniketjun käänteisen kuljetuksen kuljettamiseen, jotta saadaan suurempi määrä pelkistimiä NADH: n muodossa.

Yhteenvetona voidaan todeta, että tämä vaihe koostuu ATP: n muodostumisesta sopivien elektronien luovuttajien hapetuksesta, joiden biologisesti käyttökelpoista energiaa käytetään biosynteesivaiheessa.

Biosynteesivaihe

Orgaanisen aineen (hiiliyhdisteiden) biosynteesi tapahtuu ATP: n korkeaenergisissä sidoksissa olevan energian ja NADH-molekyyleihin varastoituneen pelkistävän tehon käytön ansiosta.

Tämä kemosynteesin toinen vaihe on "homologinen" fotosynteesin aikana tapahtuvan kanssa, koska hiiliatomien kiinnittyminen orgaanisiin molekyyleihin tapahtuu.

Siinä hiilidioksidi (CO2) kiinnittyy orgaanisten hiilien muodossa, kun taas ATP muuttuu ADP: ksi ja epäorgaaniseksi fosfaatiksi.

Kemosynteettiset organismit

Kemosynteettisiä mikro-organismeja on erityyppisiä, jotkut ovat valinnaisia ​​ja toiset pakollisia. Tämä tarkoittaa, että jotkut ovat riippuvaisia ​​yksinomaan kemosynteesistä energian ja orgaanisen aineen saamiseksi, ja toiset tekevät niin, jos ympäristö vaatii niitä.

Kemosynteettiset mikro-organismit eivät eroa kovin paljon muista mikro-organismeista, koska ne saavat energiaa myös elektroninkuljetusprosesseista, joissa molekyylit, kuten flaviinit, kinonit ja sytokromit, ovat mukana.

Tästä energiasta he pystyvät syntetisoimaan solukomponentit sokereista, jotka syntetisoidaan sisäisesti hiilidioksidin pelkistävän assimilaation ansiosta.

Jotkut kirjoittajat katsovat, että kemosynteettiset organismit voidaan jakaa kemo-organoautotrofeihin ja kemo-litoautotrofeihin sen yhdistelmätyypin mukaan, josta ne uuttavat energiaa, joka voi olla vastaavasti orgaaninen tai epäorgaaninen.

Prokaryoottien suhteen suurin osa kemosynteesi-organismeista on gram-negatiivisia bakteereja, yleensä Pseudomonas-sukuisia ja muita sukulaisia. Näihin kuuluvat:

- Typpeä aiheuttavat bakteerit.

- Bakteerit, jotka pystyvät hapettamaan rikkiä ja rikkiyhdisteitä (rikkibakteerit).

- Bakteerit, jotka pystyvät hapettamaan vetyä (vetybakteerit).

- Bakteerit, jotka pystyvät hapettamaan rautaa (rautabakteerit).

Kemosynteettiset mikro-organismit käyttävät tietyn tyyppistä energiaa, joka menetetään biosfäärijärjestelmässä. Ne muodostavat suuren osan monien ekosysteemien biologisesta monimuotoisuudesta ja väestötiheydestä, joissa orgaanisen aineen kulkeutuminen on hyvin vähäistä.

Niiden luokittelu liittyy yhdisteisiin, joita ne voivat käyttää elektroninluovuttajina.

Typpeä aiheuttavat bakteerit

Winogradsky löysi ne vuonna 1890 ja jotkut tähän mennessä kuvatuista suvuista muodostavat aggregaatteja, joita ympäröi sama membraani. Ne on yleensä eristetty maanpäällisistä ympäristöistä.

Nitrifikaatio sisältää ammoniumin (NH4) hapettumisen nitriiteiksi (NO2-) ja nitriittien (NO2-) nitraateiksi (NO3-). Kaksi bakteeriryhmää, jotka osallistuvat tähän prosessiin, esiintyvät usein samanaikaisesti samassa elinympäristössä hyödyntääkseen molemmat tyyppisiä yhdisteitä, joissa hiililähteenä käytetään CO2: ta.

Bakteerit, jotka pystyvät hapettamaan rikkiä ja rikkiyhdisteitä

Nämä ovat bakteereja, jotka kykenevät hapettamaan epäorgaanisia rikkiyhdisteitä ja laskemaan rikkiä soluun erityisissä osastoissa. Tähän ryhmään luokitellaan joitain rihmasia ja ei-rihmasia bakteereja, jotka ovat erilaisissa fakultatiivisten ja pakollisten bakteerien suvuissa.

Nämä organismit kykenevät käyttämään rikkiyhdisteitä, jotka ovat erittäin myrkyllisiä useimmille organismeille.

Tämän tyyppisten bakteerien yleisimmin käyttämä yhdiste on H2S-kaasu (rikkihappo). Ne voivat kuitenkin käyttää myös alkuaine rikkiä, tiosulfaatteja, polytionaatteja, metallisulfideja ja muita molekyylejä elektroninluovuttajina.

Jotkut näistä bakteereista vaativat happaman pH: n kasvuaan, minkä vuoksi niitä kutsutaan happofiilisiksi bakteereiksi, kun taas toiset voivat tehdä niin neutraalissa pH: ssa, lähempänä "normaalia".

Monet näistä bakteereista voivat muodostaa "sänkyjä" tai biokalvoja erityyppisissä ympäristöissä, mutta etenkin kaivosteollisuuden viemäröissä, rikkipitoisissa kuumissa lähteissä ja valtameren sedimenteissä.

Niitä kutsutaan yleensä värittömiksi bakteereiksi, koska ne eroavat muista fotoautotrofisista vihreistä ja purppuraisista bakteereista siinä, että niissä ei ole minkäänlaisia ​​pigmenttejä eikä he tarvitse auringonvaloa.

Bakteerit, jotka kykenevät hapettamaan vetyä

Tähän ryhmään löytyy bakteereja, jotka kykenevät kasvamaan mineraaliväliaineissa, joissa ilmakehä on rikas vedyssä ja hapessa ja joiden ainoa hiililähde on hiilidioksidi.

Täältä löytyy sekä gram-negatiivisia että gram-positiivisia bakteereja, jotka kykenevät kasvamaan heterotrofisissa olosuhteissa ja joilla voi olla erityyppisiä metabolismeja.

Vety kertyy orgaanisten molekyylien anaerobisesta hajoamisesta, joka saavutetaan erilaisten käymisbakteerien avulla. Tämä elementti on tärkeä bakteerien ja kemosynteettisen arhaan lähde.

Mikro-organismit, jotka kykenevät käyttämään sitä elektroninluovuttajana, tekevät niin niiden membraaneihin liittyvän vetyaseentsyymin läsnäolon, samoin kuin hapen läsnäolon vuoksi elektronisena vastaanottajana.

Bakteerit, jotka kykenevät hapettamaan rautaa ja mangaania

Tämä bakteeriryhmä kykenee käyttämään rautatilassa olevan mangaanin tai raudan hapettumisesta syntyvää energiaa rautatilaansa. Se sisältää myös bakteerit, jotka kykenevät kasvamaan tiosulfaattien läsnä ollessa epäorgaanisina vedyn luovuttajina.

Ekologiselta kannalta rautaa ja magnesiumia hapettavat bakteerit ovat tärkeitä ympäristön vieroituksessa, koska ne vähentävät liuenneiden myrkyllisten metallien pitoisuutta.

Symbioottiset organismit

Vapaaelävien bakteerien lisäksi on joitakin selkärangattomia eläimiä, jotka asuvat epätyypillisissä ympäristöissä ja jotka liittyvät tiettyihin kemosynteettisiin bakteereihin selviytyäkseen.

Ensimmäiset symbiontit löydettiin jättiläisputkimatoa, Riftia pachyptilaa, tutkittaessa, josta puuttui ruuansulatusputki ja joka sai elintärkeää energiaa bakteerien suorittamissa reaktioissa, joihin siihen liittyy.

Eroja fotosynteesissä

Kemosynteettisten organismien erottuvin ominaisuus on, että ne yhdistävät kyvyn käyttää epäorgaanisia yhdisteitä energian saamiseksi ja voiman vähentämiseksi, samoin kuin tehokkaasti sitoa hiilidioksidimolekyylejä. Jotain, mitä voi tapahtua ilman auringonvaloa.

Fotosynteesiä suorittavat kasvit, levät ja jotkut bakteeri- ja alkueläimet. Se käyttää auringonvalosta saatua energiaa hiilidioksidin ja veden muuttumiseen (fotolyysi) happea ja hiilihydraatteja tuottamalla ATP: tä ja NADH: ta.

Kemosynteesi sitä vastoin hyödyntää hapetus-pelkistysreaktioista vapautunutta kemiallista energiaa hiilidioksidimolekyylien kiinnittämiseksi ja sokerien ja veden tuottamiseksi ansiosta, että saadaan energiaa ATP: n muodossa ja vähennetään tehoa.

Kemosynteesissä, toisin kuin fotosynteesissä, ei ole mukana pigmenttejä eikä happea tuoteta sivutuotteena.

Viitteet

1. Dubilier, N., Bergin, C., ja Lott, C. (2008). Merieläinten symbioottinen monimuotoisuus: Taide kemosynteesin valjastamiseksi. Nature Reviews Microbiology, 6 (10), 725–740.
2. Engel, AS (2012). Chemoautotrophy. Encyclopedia of Caves, (1997), 125–134.
3. Enger, E., Ross, F., ja Bailey, D. (2009). Käsitteet biologiassa (13. painos). McGraw-Hill.
4. Kinne, O. (1975). Meriekologia. (O. Kinne, toim.), Comput. Viihdyttää. (2. painos, osa II). John Wiley & Sons.
5. Lees, H. (1962). IV. Jotkut ajatukset kemosynteesin energetiikasta. Autostrofian symposium.
6. Pace, M., ja Lovett, G. (2013). Alkutuotanto: Ekosysteemien perusta. Ekosysteemitieteen perusteissa (s. 27–51). Elsevier Inc.