CHEMOSINTEZĖ: FAZĖS, ORGANIZMAI, SKIRTUMAI SU FOTOSINTEZE - BIOLOGIJA - 2025

Chemosynthesis yra tam tikrų biologinių procesų autotrofinių organizmų būdų cheminę energiją konvertuoti neorganinių medžiagų organinių medžiagų charakteristika. Nuo fotosintezės jis skiriasi tuo, kad pastarasis naudoja energiją iš saulės spindulių.

Organizmai, galintys chemosintezuoti, paprastai yra prokariotai, tokie kaip bakterijos ir kiti mikroorganizmai, tokie kaip archaja, kurie energiją išskiria iš reakcijų, susijusių su labai mažų junginių oksidacija.

Chemiškai sintetinio organizmo „Riftia pachyptila“ nuotrauka (šaltinis: NOAA „Okeanos Explorer“ programa, „Galapagos Rift Expedition 2011“ per „Wikimedia Commons“)

Dažniausi chemosintetinių bakterijų pavyzdžiai yra nitrifikuojančios bakterijos, kurios oksiduoja amoniaką, kad susidarytų azoto dioksidas, taip pat sieros bakterijos, gebančios oksiduoti sieros rūgštį, sierą ir kitus sieros junginius.

Sąvokos kilmė

Mikrobiologas Sergejus Winogradskis 1890 m. Buvo pirmasis mokslininkas, kalbėjęs apie galimą chemosintezės procesų egzistavimą, nes jis manė, kad turi būti procesas, panašus į fotosintezę, kuriame naudojamas ne energijos, o kitų saulės energijos šaltinis.

Tačiau 1899 m. Pfefferis sugalvojo terminą „chemosintezė“. Winogradskio teorijos buvo įrodytos 1977 m. Povandeninio laivo „Alvin“ ekspedicijos metu į giluminius vandenynų vandenis, aplink Galapagų salas.

Šios ekspedicijos metu povandeniniame laive esantys mokslininkai atrado bakterijų ekosistemas, kurios egzistavo esant neorganinėms medžiagoms, o kitos - simbiozėje su kai kuriais bestuburiais jūros gyvūnais.

Šiuo metu visame pasaulyje žinomos įvairios chemosintetinės ekosistemos, ypač susijusios su jūrine ir vandenynine aplinka, o mažesniu mastu - su sausumos ekosistemomis. Tokioje aplinkoje svarbūs pirminiai organinių medžiagų gamintojai yra chemosintetiniai mikroorganizmai.

Fazės

Chemosintezė beveik visada vyksta aerobinės ir anaerobinės aplinkos sąsajoje, kur yra sukoncentruoti galutiniai anaerobinio skilimo produktai ir didelis deguonies kiekis.

Kaip ir fotosintezė, chemosintezė turi aiškiai apibrėžtas fazes: oksidacinę ir biosintetinę. Pirmasis naudoja neorganinius junginius, o antruoju metu susidaro organinės medžiagos.

Oksidacinė fazė

Šios pirmosios fazės metu ir atsižvelgiant į nagrinėjamo organizmo tipą, oksiduojami įvairių tipų redukuoti neorganiniai junginiai, tokie kaip amoniakas, siera ir jos dariniai, geležis, kai kurie azoto dariniai, vandenilis ir kt.

Šioje fazėje šių junginių oksidacija išskiria energiją, kuri naudojama ADP fosforilinimui, formuojant ATP, vieną iš pagrindinių gyvų būtybių energetinių valiutų, ir, be to, mažinančią galią, sukuriama NADH molekulių pavidalu.

Cheminės sintezės proceso ypatumas yra susijęs su tuo, kokia susidarančio ATP dalis naudojama atvirkštiniam elektronų grandinės transportavimui varyti, kad būtų gautas didesnis redukcinių agentų kiekis NADH pavidalu.

Apibendrinant galima pasakyti, kad šį etapą sudaro ATP susidarymas iš atitinkamų elektronų donorų, kurių biologiškai naudinga energija naudojama biosintezės fazėje, oksidacijos.

Biosintezės fazė

Organinių medžiagų (anglies junginių) biosintezė vyksta dėl to, kad naudojama energija, esanti ATP didelės energijos jungtyse, ir redukuojamoji galia, kaupiama NADH molekulėse.

Ši antroji chemosintezės fazė yra „homologiška“ tam, kas vyksta fotosintezės metu, nes įvyksta anglies atomų fiksacija organinėse molekulėse.

Jame anglies dioksidas (CO2) yra fiksuotas organinių anglių pavidalu, o ATP paverčiamas ADP ir neorganiniu fosfatu.

Chemosintetiniai organizmai

Yra įvairių tipų chemosintetinių mikroorganizmų, kai kurie yra neprivalomi, o kiti yra privalomi. Tai reiškia, kad kai kurie energijai ir organinėms medžiagoms gauti priklauso tik nuo chemosintezės, o kiti tai daro, jei aplinka juos sąlygoja.

Chemosintetiniai mikroorganizmai nelabai skiriasi nuo kitų mikroorganizmų, nes jie taip pat gauna energiją elektronų pernešimo procesuose, kuriuose dalyvauja tokios molekulės kaip flavinai, chinonai ir citochromai.

Iš šios energijos jie gali sintetinti ląstelinius komponentus iš cukrų, kurie sintetinami viduje dėl redukuojamo anglies dioksido įsisavinimo.

Kai kurie autoriai mano, kad chemosintetinius organizmus galima suskirstyti į chemo-organoautotrofus ir chemo-litoautotrofus pagal junginio, iš kurio jie išskiria energiją, tipą, kuris gali būti atitinkamai organinis arba neorganinis.

Kalbant apie prokariotus, dauguma chemosintetinių organizmų yra gramneigiamos bakterijos, dažniausiai Pseudomonas genties ir kitos giminingos. Tarp jų yra:

- Maitinančios bakterijos.

- Bakterijos, galinčios oksiduoti sierą ir sieros junginius (Sieros bakterijos).

- Bakterijos, galinčios oksiduoti vandenilį (vandenilio bakterijos).

- Bakterijos, galinčios oksiduoti geležį (geležies bakterijos).

Chemosintetiniai mikroorganizmai naudoja tam tikros rūšies energiją, kuri būtų prarasta biosferos sistemoje. Tai sudaro didelę daugelio ekosistemų biologinės įvairovės ir gyventojų tankio dalį, kur organinių medžiagų patekimas yra labai ribotas.

Jų klasifikacija yra susijusi su junginiais, kuriuos jie gali naudoti kaip elektronų donorus.

Maitinančios bakterijos

Jas 1890 m. Atrado Winogradsky ir kai kurios iki šiol aprašytos gentys sudaro agregatus, kuriuos supa ta pati membrana. Paprastai jie yra izoliuojami nuo sausumos aplinkos.

Nitrifikacija apima amonio (NH4) oksidaciją į nitritus (NO2-) ir nitritų (NO2-) į nitratus (NO3-). Dvi bakterijų grupės, kurios dalyvauja šiame procese, dažnai egzistuoja toje pačioje buveinėje ir naudojasi abiejų tipų junginiais, naudojančiais CO2 kaip anglies šaltinį.

Bakterijos, galinčios oksiduoti sierą ir sieros junginius

Tai yra bakterijos, galinčios oksiduoti neorganinius sieros junginius ir nusodinti sierą ląstelėje tam tikruose skyriuose. Šioje grupėje klasifikuojamos kai kurios gijinės ir neflamentinės bakterijos, priklausančios skirtingų fakultatyvinių ir įpareigojančių bakterijų genoms.

Šie organizmai gali naudoti sieros junginius, kurie yra labai toksiški daugumai organizmų.

Junginys, dažniausiai naudojamas šios rūšies bakterijoms, yra H2S dujos (sieros rūgštis). Tačiau kaip elektronų donorus jie taip pat gali naudoti elementariąsias sieras, tiosulfatus, politionatus, metalo sulfidus ir kitas molekules.

Kai kurioms iš šių bakterijų augti reikalingas rūgštus pH, todėl jos yra žinomos kaip acidofilinės bakterijos, o kitos gali tai padaryti esant neutraliam pH, arčiau „normalios“.

Daugelis iš šių bakterijų gali sudaryti „lovas“ arba bioplėveles įvairaus tipo aplinkoje, bet ypač kasybos pramonės kanalizacijos kanaluose, sieros karštuose šaltiniuose ir vandenyno nuosėdose.

Paprastai jie vadinami bespalvėmis bakterijomis, nes skiriasi nuo kitų žalios ir violetinės bakterijų, kurios yra fotoautotrofinės, tuo, kad neturi jokių pigmentų, o joms nereikia saulės spindulių.

Bakterijos, galinčios oksiduoti vandenilį

Šioje grupėje randamos bakterijos, galinčios augti mineralinėse terpėse, kuriose yra daug vandenilio ir deguonies ir kurių vienintelis anglies šaltinis yra anglies dioksidas.

Čia randamos ir gramneigiamos, ir gramteigiamos bakterijos, galinčios augti heterotrofinėmis sąlygomis ir turinčios skirtingą metabolizmą.

Vandenilis kaupiasi dėl anaerobinio organinių molekulių skilimo, kurį pasiekia skirtingos fermentacijos bakterijos. Šis elementas yra svarbus bakterijų ir chemosintetinės archajos šaltinis.

Mikroorganizmai, galintys jį panaudoti kaip elektronų donoras, tai daro dėl to, kad yra jų membranose esantis hidratazės fermentas, taip pat dėl ​​deguonies, kaip elektroninio akceptoriaus, buvimo.

Bakterijos, galinčios oksiduoti geležį ir manganą

Ši bakterijų grupė sugeba sunaudoti energiją, gautą oksidavus manganą ar geležį geležies būsenoje iki geležies būklės. Tai taip pat apima bakterijas, galinčias augti esant tiosulfatams kaip neorganiniams vandenilio donorams.

Ekologiniu požiūriu geležį ir magnį oksiduojančios bakterijos yra svarbios aplinkos detoksikacijai, nes jos sumažina ištirpusių toksiškų metalų koncentraciją.

Simbiotiniai organizmai

Be laisvai gyvenančių bakterijų, yra ir keletas bestuburių gyvūnų, kurie gyvena nepalankioje aplinkoje ir, kad išgyventų su tam tikromis chemosintetinių bakterijų rūšimis.

Pirmieji simbionai buvo aptikti ištyrus milžinišką vamzdinį kirminą Riftia pachyptila, neturintį virškinimo vamzdelio ir gaunantį gyvybinės energijos iš reakcijų, kurias vykdo bakterijos, su kuriomis jos yra susijusios.

Fotosintezės skirtumai

Ryškiausia chemosintetinių organizmų savybė yra ta, kad jie sujungia galimybę naudoti neorganinius junginius, kad gautų energijos ir sumažintų galią, taip pat efektyviai surištų anglies dioksido molekules. Kažkas, kas gali nutikti, kai nėra saulės spindulių.

Fotosintezę vykdo augalai, dumbliai ir kai kurios bakterijos bei pirmuonys. Saulės energija sunaudoja anglies dioksido ir vandens virsmą (fotolizę) į deguonį ir angliavandenius, gaminant ATP ir NADH.

Chemosintezė, priešingai, naudoja cheminę energiją, išsiskiriančią iš oksidacijos-redukcijos reakcijų, kad pritvirtintų anglies dioksido molekules ir gautų cukrų bei vandenį, nes gauna energiją ATP forma ir sumažina galią.

Chemosintezėje, skirtingai nei fotosintezėje, nedalyvauja pigmentai, o deguonis nėra gaminamas kaip šalutinis produktas.

Nuorodos

1. Dubilier, N., Bergin, C., ir Lott, C. (2008). Simbiozinė jūrų gyvūnų įvairovė: chemosintezės panaudojimo menas. „Nature Reviews Microbiology“, 6 (10), 725–740.
2. „Engel“, AS (2012). Chemoautotrofija. „Urvų enciklopedija“ (1997), 125–134.
3. Enger, E., Ross, F., ir Bailey, D. (2009). Biologijos sąvokos (13-asis leidimas). McGraw-Hill.
4. Kinne, O. (1975). Jūrų ekologija. (O. Kinne, red.), Kompiuterija. Pramogauti. (2-asis leidimas, II tomas). Johnas Wiley ir sūnūs. https://doi.org/10.1145/973801.973803
5. Lees, H. (1962). IV. Keletas minčių apie chemosintezės energetiką. Autotrofijos simpoziumas.
6. Pace, M., & Lovett, G. (2013). Pirminė produkcija: Ekosistemų fondas. Straipsnyje „Ekosistemų mokslo pagrindai“ (p. 27–51). „Elsevier Inc.“