KEMOSYNTESEN: FASER, ORGANISMER, FORSKELLE MED FOTOSYNTESEN - BIOLOGI - 2025

Den kemosyntese er karakteristisk for visse biologisk proces autotrofe organismer udnytter kemisk energi til at omdanne uorganiske stoffer i organisk materiale. Det adskiller sig fra fotosyntesen, idet sidstnævnte bruger energi fra sollys.

De organismer, der er i stand til kemosyntesen, er generelt prokaryoter, såsom bakterier og andre mikroorganismer, såsom archaea, som ekstraherer energi fra reaktioner, der involverer oxidation af meget små forbindelser.

Fotografi af Riftia pachyptila, en kemosyntetisk organisme (Kilde: NOAA Okeanos Explorer-program, Galapagos Rift Expedition 2011 via Wikimedia Commons)

De mest almindelige eksempler på kemosyntetiske bakterier er nitrifiserende bakterier, der oxiderer ammonium til fremstilling af nitrogenoxid samt svovlbakterier, der er i stand til at oxidere svovlsyre, svovl og andre svovlforbindelser.

Konceptets oprindelse

Mikrobiologen Sergei Winogradsky var i 1890 den første videnskabsmand, der talte om den mulige eksistens af kemosyntetiske processer, da han antog, at der må være en proces, der ligner fotosyntesen, der bruger en anden energikilde end sollys.

Imidlertid blev udtrykket "kemosynthese" myntet i 1897 af Pfeffer. Winogradskys teorier blev bevist i 1977 under ekspeditionen, der blev udført af ubåden "Alvin" i dybt havvand omkring Galapagosøerne.

Under denne ekspedition opdagede videnskabsmændene ombord på ubåden nogle bakterielle økosystemer, der levede i nærvær af uorganisk stof og andre i symbiose med nogle hvirvelløse havdyr.

På nuværende tidspunkt er forskellige kemosyntetiske økosystemer kendt over hele verden, især forbundet med marine og oceaniske miljøer og i mindre grad med jordbaserede økosystemer. I disse miljøer repræsenterer kemosyntetiske mikroorganismer vigtige primære producenter af organisk stof.

faser

Kemosyntesen forekommer næsten altid ved grænsefladen mellem aerobe og anaerobe miljøer, hvor slutprodukterne af anaerob nedbrydning og store mængder ilt koncentreres.

Ligesom fotosyntesen har kemosyntesen veldefinerede faser: et oxidativt og et biosyntetisk stof. Den første bruger uorganiske forbindelser og i løbet af det andet organiske stof fremstilles.

Oxidativ fase

I løbet af denne første fase og afhængigt af den betragtede organisme, oxideres forskellige typer af reducerede uorganiske forbindelser, såsom ammoniak, svovl og dets derivater, jern, nogle derivater af nitrogen, brint osv.

I denne fase frigiver oxidationen af ​​disse forbindelser energien, der bruges til fosforylering af ADP, og danner ATP, en af ​​de vigtigste energivalutaer i levende væsener, og derudover genereres reducerende magt i form af NADH-molekyler.

En særlighed ved den kemosyntetiske proces har at gøre med, hvilken del af ATP, der genereres, bruges til at drive den omvendte transport af elektronkæden for at opnå en større mængde reduktionsmidler i form af NADH.

I resumé består dette trin af dannelsen af ​​ATP fra oxidationen af ​​de passende elektrondonorer, hvis biologisk nyttige energi bruges i biosyntesefasen.

Biosyntesefase

Biosyntesen af ​​organisk stof (kulstofforbindelser) forekommer takket være brugen af ​​den energi, der er indeholdt i ATP's højenergibinding og den reducerende effekt, der er lagret i NADH-molekylerne.

Denne anden fase af kemosyntesen er "homolog" med den, der forekommer under fotosyntesen, da fikseringen af ​​carbonatomer i organiske molekyler forekommer.

I den fikseres kuldioxid (CO2) i form af organiske kulhydrater, mens ATP omdannes til ADP og uorganisk fosfat.

Kemosyntetiske organismer

Der er forskellige typer kemosyntetiske mikroorganismer, nogle er valgfri og andre obligatoriske. Dette betyder, at nogle udelukkende er afhængige af kemosyntesen for at få energi og organisk stof, og andre gør det, hvis miljøet konditionerer dem.

Kemosyntetiske mikroorganismer er ikke meget forskellige fra andre mikroorganismer, da de også henter energi fra elektrontransportprocesser, hvor molekyler såsom flaviner, quinoner og cytokromer er involveret.

Fra denne energi er de i stand til at syntetisere cellulære komponenter fra sukkerarter, der syntetiseres internt takket være den reduktive assimilering af kuldioxid.

Nogle forfattere mener, at kemosyntetiske organismer kan opdeles i kemo-organoautotrofer og kemolithoautotrofer i henhold til den type forbindelse, hvorfra de udvinder energi, som kan være henholdsvis organisk eller uorganisk.

Hvad angår prokaryoter, er de fleste af de kemosyntetiske organismer gramnegative bakterier, normalt af slægten Pseudomonas og andre beslægtede. Blandt disse er:

- Nitrifiserende bakterier.

- Bakterier, der er i stand til at oxidere svovl og svovlforbindelser (svovlbakterier).

- Bakterier, der er i stand til at oxidere brint (brintbakterier).

- Bakterier, der er i stand til at oxidere jern (jernbakterier).

Kemosyntetiske mikroorganismer bruger en type energi, der ville gå tabt i biosfæresystemet. Disse udgør en stor del af biodiversiteten og befolkningstætheden i mange økosystemer, hvor introduktionen af ​​organisk stof er meget begrænset.

Deres klassificering har at gøre med de forbindelser, de er i stand til at bruge som elektrondonorer.

Nitrifiserende bakterier

De blev opdaget i 1890 af Winogradsky, og nogle af de hidtil beskrevne slægter danner aggregater, der er omgivet af den samme membran. De er ofte isoleret fra jordbaserede miljøer.

Nitrificering involverer oxidation af ammonium (NH4) til nitritter (NO2-) og af nitriter (NO2-) til nitrater (NO3-). De to grupper af bakterier, der deltager i denne proces, eksisterer ofte i den samme habitat for at drage fordel af begge typer forbindelser, der bruger CO2 som en kulstofkilde.

Bakterier, der er i stand til at oxidere svovl og svovlforbindelser

Disse er bakterier, der er i stand til at oxidere uorganiske svovlforbindelser og afsætte svovl i cellen i specifikke rum. I denne gruppe klassificeres nogle filamentøse og ikke-filamentøse bakterier af forskellige slægter af fakultative og obligatoriske bakterier.

Disse organismer er i stand til at bruge svovlforbindelser, der er meget giftige for de fleste organismer.

Den forbindelse, der oftest bruges af denne type bakterier, er H2S-gas (svovlsyre). De kan imidlertid også bruge elementært svovl, thiosulfater, polythionater, metallsulfider og andre molekyler som elektrondonorer.

Nogle af disse bakterier kræver en sur pH-værdi for at vokse, hvorfor de er kendt som syrefilmiske bakterier, mens andre kan gøre det ved neutral pH, tættere på "normal".

Mange af disse bakterier kan danne "senge" eller biofilm i forskellige typer miljøer, men især i dræning af minedrift, i svovlholdige varme kilder og i oceaniske sedimenter.

De kaldes normalt farveløse bakterier, da de adskiller sig fra andre grønne og lilla bakterier, der er fotoautotrofiske, idet de ikke har pigmenter af nogen art, og de har ikke brug for sollys.

Bakterier, der er i stand til at oxidere brint

I denne gruppe findes bakterier, der er i stand til at vokse i mineralmedier med atmosfærer, der er rige på brint og ilt, og hvis eneste carbonkilde er kuldioxid.

Både gramnegative og grampositive bakterier findes her, der er i stand til at vokse under heterotrofiske tilstande, og som kan have forskellige typer af metabolisme.

Hydrogen akkumuleres fra den anaerobe nedbrydning af organiske molekyler, som opnås ved forskellige fermentative bakterier. Dette element er en vigtig kilde til bakterier og kemosyntetisk archaea.

Mikroorganismer, der er i stand til at bruge det som en elektrondonor, gør det takket være tilstedeværelsen af ​​et hydrogenaseenzym, der er forbundet med deres membraner, såvel som tilstedeværelsen af ​​ilt som en elektronisk acceptor.

Bakterier, der er i stand til at oxidere jern og mangan

Denne gruppe af bakterier er i stand til at bruge den energi, der genereres fra oxidation af mangan eller jern i dens jernholdige tilstand til dens jernholdige tilstand. Det inkluderer også bakterier, der er i stand til at vokse i nærværelse af thiosulfater som uorganiske brintdonorer.

Fra et økologisk synspunkt er jern- og magnesiumoxiderende bakterier vigtige for afgiftning af miljøet, da de reducerer koncentrationen af ​​opløste giftige metaller.

Symbiotiske organismer

Ud over fritlevende bakterier er der nogle hvirvelløse dyr, der lever i uvurderlige miljøer, og som forbindes med visse typer kemosyntetiske bakterier for at overleve.

Opdagelsen af ​​de første symbionter fandt sted efter undersøgelsen af ​​en kæmpe rørorm, Riftia pachyptila, manglende et fordøjelsesrør og opnåede vital energi fra reaktionerne udført af de bakterier, som den er forbundet med.

Forskelle med fotosyntesen

Det mest karakteristiske kendetegn ved kemosyntetiske organismer er, at de kombinerer evnen til at bruge uorganiske forbindelser til at få energi og reducerende kraft samt effektivt at binde kuldioxidmolekyler. Noget, der kan ske i det totale fravær af sollys.

Fotosyntese udføres af planter, alger og af nogle slags bakterier og protozoer. Den bruger energi fra sollys til at drive omdannelsen af ​​kuldioxid og vand (fotolyse) til ilt og kulhydrater gennem produktionen af ​​ATP og NADH.

Kemosyntese, tværtimod, udnytter den kemiske energi frigivet fra oxidationsreduktionsreaktioner for at fikse kuldioxidmolekyler og producerer sukker og vand takket være opnåelse af energi i form af ATP og reducerende magt.

I kemosyntesen er der i modsætning til fotosyntesen ikke involveret nogen pigmenter, og ilt produceres ikke som et biprodukt.

Referencer

1. Dubilier, N., Bergin, C., & Lott, C. (2008). Symbiotisk mangfoldighed hos havdyr: Kunsten at udnytte kemosyntesen. Nature Reviews Microbiology, 6 (10), 725–740.
2. Engel, AS (2012). Chemoautotrophy. Encyclopedia of Caves, (1997), 125–134.
3. Enger, E., Ross, F., & Bailey, D. (2009). Begreber i biologi (13. udg.). McGraw-Hill.
4. Kinne, O. (1975). Marine økologi. (O. Kinne, red.), Comput. Underholde. (2. udgave, bind II). John Wiley & sønner.
5. Lees, H. (1962). IV. Nogle tanker om energiforbruget ved kemosyntesen. Symposium om autotrofi.
6. Pace, M., & Lovett, G. (2013). Primær produktion: The Foundation of Ecosystems. I Fundamentals of Ecosystem Science (s. 27–51). Elsevier Inc.