KEMOSINTEZA: FAZE, ORGANIZMI, RAZLIKE S FOTOSINTEZO - BIOLOGIJA - 2026

Chemosynthesis je značilnost nekaterih bioloških procesov avtotrofnih organizmov, ki izkorišča kemično energijo za pretvorbo anorganske snovi z organskimi snovmi. Od fotosinteze se razlikuje po tem, da slednja porablja energijo iz sončne svetlobe.

Organizmi, ki so sposobni kemosinteze, so na splošno prokarioti, kot so bakterije in drugi mikroorganizmi, kot so arheje, ki črpajo energijo iz reakcij, ki vključujejo oksidacijo zelo majhnih spojin.

Fotografija Riftia pachyptila, kemosintetskega organizma (Vir: NOAA Okeanos Explorer Explorer, Galapagos Rift Expedition 2011 prek Wikimedia Commons)

Najpogostejši primeri hemosintetskih bakterij so nitrificirajoče bakterije, ki oksidirajo amonijak, da ustvari dušikov dioksid, in žveplove bakterije, ki lahko oksidirajo žveplovo kislino, žveplo in druge žveplove spojine.

Izvor koncepta

Mikrobiolog Sergej Winogradski je bil leta 1890 prvi znanstvenik, ki je spregovoril o možnem obstoju kemosintetskih procesov, saj je domneval, da mora obstajati postopek, podoben fotosintezi, ki uporablja energijski vir, ki ni sončna svetloba.

Vendar je izraz "kemosinteza" leta 1897 skoval Pfeffer. Teorije Winogradskega so dokazale leta 1977 med odpravo, ki jo je podmornica "Alvin" izvedla v globoke oceanske vode, okoli otokov Galapagos.

Med to ekspedicijo so znanstveniki na podmornici odkrili nekatere bakterijske ekosisteme, ki so sesali v prisotnosti anorganske snovi in ​​druge v simbiozi z nekaterimi nevretenčarji.

Trenutno so po svetu znani različni kemosintetski ekosistemi, zlasti povezani z morskim in oceanskim okoljem ter v manjši meri s kopenskimi ekosistemi. V teh okoljih so kemosintetski mikroorganizmi pomembni primarni proizvajalci organske snovi.

Faze

Kemosinteza se skoraj vedno pojavlja na meji aerobnega in anaerobnega okolja, kjer so koncentrirani končni produkti anaerobne razgradnje in velike količine kisika.

Tako kot fotosinteza ima tudi hemosinteza dobro opredeljene faze: oksidativno in biosintetsko. Pri prvem se uporabljajo anorganske spojine, med drugim nastajajo organske snovi.

Faza oksidacije

V tej prvi fazi in glede na vrsto obravnavanega organizma se oksidirajo različne vrste reduciranih anorganskih spojin, kot so amoniak, žveplo in njegovi derivati, železo, nekateri derivati ​​dušika, vodika itd.

V tej fazi se pri oksidaciji teh spojin sprosti energija, ki jo porabimo za fosforilacijo ADP, pri čemer nastane ATP, ena glavnih valut energije živih bitij, poleg tega pa se zmanjša moč, ki nastane v obliki molekul NADH.

Posebnost kemosintetskega procesa je povezana s tem, kateri del ATP, ki se ustvari, se uporablja za poganjanje obratnega transporta elektronske verige, da se pridobi večja količina redukcijskih snovi v obliki NADH.

Če povzamemo, ta faza obsega tvorbo ATP iz oksidacije ustreznih dajalcev elektronov, katerih biološko koristna energija se uporablja v fazi biosinteze.

Faza biosinteze

Do biosinteze organske snovi (ogljikovih spojin) pride zaradi uporabe energije, ki jo vsebujejo visokoenergijske vezi ATP, in zmanjšane moči, shranjene v molekulah NADH.

Ta druga faza kemosinteze je "homologna" tistemu, ki se zgodi med fotosintezo, saj prihaja do fiksacije ogljikovih atomov v organskih molekulah.

V njem se ogljikov dioksid (CO2) fiksira v obliki organskih ogljikov, medtem ko se ATP pretvori v ADP in anorganski fosfat.

Kemosintetski organizmi

Obstajajo različne vrste kemosintetskih mikroorganizmov, nekateri so neobvezni, drugi pa obvezni. To pomeni, da so nekateri odvisni izključno od kemosinteze, da pridobijo energijo in organsko snov, drugi pa, če jih okolje pogojuje.

Kemosintetski mikroorganizmi se ne razlikujejo zelo od drugih mikroorganizmov, saj pridobivajo energijo tudi pri postopkih prenosa elektronov, pri katerih sodelujejo molekule, kot so flavini, kinoni in citokromi.

Iz te energije so sposobni sintetizirati celične sestavine iz sladkorjev, ki se sintetizirajo notranje zahvaljujoč reduktivni asimilaciji ogljikovega dioksida.

Nekateri avtorji menijo, da lahko kemosintetske organizme delimo na kemo-organoavtrotrofe in kemo-litoavtrotrofe glede na vrsto spojine, iz katere pridobivajo energijo, ki je lahko organska ali anorganska.

Kar zadeva prokariote, je večina kemosintetskih organizmov gram-negativnih bakterij, običajno iz rodu Pseudomonas in drugih sorodnih. Med njimi so:

- Nitrificirajoče bakterije.

- Bakterije, ki lahko oksidirajo žveplo in žveplove spojine (žveplove bakterije).

- Bakterije, ki lahko oksidirajo vodik (vodikove bakterije).

- Bakterije, ki lahko oksidirajo železo (železove bakterije).

Kemosintetski mikroorganizmi uporabljajo vrsto energije, ki bi se izgubila v biosfernem sistemu. Ti predstavljajo velik del biotske raznovrstnosti in gostote prebivalstva mnogih ekosistemov, kjer je vnos organske snovi zelo omejen.

Njihova razvrstitev se nanaša na spojine, ki jih lahko uporabijo kot darovalci elektronov.

Nitrificirajoče bakterije

Leta 1890 jih je odkril Winogradski, nekateri opisani rodi pa tvorijo agregate, ki jih obdaja ista membrana. Običajno so izolirani od kopenskih okolij.

Nitrifikacija vključuje oksidacijo amonijaka (NH4) v nitrite (NO2-) in nitritov (NO2-) v nitrate (NO3-). Dve skupini bakterij, ki sodelujeta v tem procesu, pogosto obstajata v istem habitatu, da bi izkoristili obe vrsti spojin, ki uporabljajo CO2 kot vir ogljika.

Bakterije, ki lahko oksidirajo žveplo in žveplove spojine

To so bakterije, ki lahko oksidirajo anorganske žveplove spojine in odložijo žveplo v celici v posebnih oddelkih. V to skupino uvrščamo nekatere nitaste in nefilamentne bakterije različnih rodov fakultativnih in obligacijskih bakterij.

Ti organizmi lahko uporabljajo žveplove spojine, ki so za večino organizmov zelo strupene.

Spojina, ki jo najpogosteje uporabljajo te vrste bakterij, je plin H2S (žveplova kislina). Vendar pa lahko kot darovalce elektronov uporabljajo tudi elementarno žveplo, tiosulfate, potionatiote, kovinske sulfide in druge molekule.

Nekatere od teh bakterij potrebujejo kisli pH, da rastejo, zato jih poznamo kot acidofilne bakterije, druge pa lahko pri nevtralnem pH, bližje "normalnemu".

Mnoge od teh bakterij lahko tvorijo "postelje" ali biofilme v različnih vrstah okolja, predvsem pa v odtokih rudarske industrije, žveplanih vrelcih in oceanskih usedlinah.

Običajno jih imenujemo brezbarvne bakterije, saj se razlikujejo od drugih zelenih in vijoličnih bakterij, ki so fotoavtrotrofne po tem, da nimajo kakršnih koli pigmentov in ne potrebujejo sončne svetlobe.

Bakterije, ki lahko oksidirajo vodik

V tej skupini so bakterije, ki lahko rastejo v mineralnih medijih z atmosfero, bogato z vodikom in kisikom in katere edini vir ogljika je ogljikov dioksid.

Tu najdemo tako gram negativne kot gram pozitivne bakterije, ki lahko rastejo v heterotrofnih pogojih in imajo lahko različne vrste presnove.

Vodik se nabira zaradi anaerobne razgradnje organskih molekul, kar dosežejo različne fermentativne bakterije. Ta element je pomemben vir bakterij in kemosintetskih arhe.

Mikroorganizmi, ki jih lahko uporabljajo kot darovalca elektronov, to storijo zaradi prisotnosti encima hidrogenaze, povezanega z njihovimi membranami, in zaradi prisotnosti kisika kot elektronskega akceptorja.

Bakterije, ki lahko oksidirajo železo in mangan

Ta skupina bakterij lahko energijo, ki nastane pri oksidaciji mangana ali železa v železovem stanju, porabi v železno stanje. Vključuje tudi bakterije, ki lahko rastejo v prisotnosti tiosulfatov kot darovalci anorganskih vodikov.

Z ekološkega vidika so za razstrupljanje okolja pomembne bakterije, ki oksidirajo železo in magnezij, saj zmanjšujejo koncentracijo raztopljenih strupenih kovin.

Simbiotični organizmi

Poleg prosto živečih bakterij obstajajo nekatere nevretenčarje, ki živijo v negostoljubnem okolju in se povezujejo z nekaterimi vrstami kemosintetskih bakterij, da preživijo.

Odkritje prvih simbiontov se je zgodilo po preučevanju orjaškega črvičastega črva, Riftia pachyptila, ki je imel premalo prebavne cevi in ​​pridobivanje vitalne energije iz reakcij, ki jih izvajajo bakterije, s katerimi je povezan.

Razlike s fotosintezo

Najbolj značilna značilnost kemosintetskih organizmov je, da združujejo sposobnost uporabe anorganskih spojin za pridobivanje energije in zmanjšanje moči, pa tudi za učinkovito vezanje molekul ogljikovega dioksida. Nekaj, kar se lahko zgodi ob popolni odsotnosti sončne svetlobe.

Fotosintezo izvajajo rastline, alge ter nekatere vrste bakterij in protozojev. Energijo sončne svetlobe porabi za pretvorbo ogljikovega dioksida in vode (fotoliza) v kisik in ogljikove hidrate s proizvodnjo ATP in NADH.

Kemosinteza nasprotno izkorišča kemično energijo, ki se sprošča iz oksidacijsko-redukcijskih reakcij, da fiksira molekule ogljikovega dioksida in proizvaja sladkorje in vodo zahvaljujoč pridobivanju energije v obliki ATP in zmanjšanju moči.

V kemosintezo, za razliko od fotosinteze, ne sodelujejo pigmenti in kisik ne nastaja kot stranski produkt.

Reference

1. Dubilier, N., Bergin, C., & Lott, C. (2008). Simbiotska raznolikost pri morskih živalih: Umetnost izkoriščanja kemosinteze. Nature Review Microbiology, 6 (10), 725–740.
2. Engel, AS (2012). Kemoavtrotrofija. Enciklopedija jam, (1997), 125–134.
3. Enger, E., Ross, F., & Bailey, D. (2009). Pojmi iz biologije (13. izv.). McGraw-Hill.
4. Kinne, O. (1975). Morska ekologija. (O. Kinne, ur.), Računalništvo. Zabavati. (2. izd., Letnik II). John Wiley & Sons. https://doi.org/10.1145/973801.973803
5. Lees, H. (1962). IV. Nekaj ​​misli o energiji kemosinteze. Simpozij o avtotrofiji.
6. Pace, M., & Lovett, G. (2013). Primarna proizvodnja: Fundacija ekosistemov. V Osnove znanosti o ekosistemu (str. 27–51). Elsevier Inc.