KEMOSINTĒZE: FĀZES, ORGANISMI, ATŠĶIRĪBAS AR FOTOSINTĒZI - BIOLOĢIJA - 2025

Hemosintēze ir noteiktu bioloģisko procesu Autotrofisks organismu izmanto ķīmisko enerģiju pārvērst neorganiskas vielas organisko vielu pazīme. No fotosintēzes tas atšķiras ar to, ka pēdējais izmanto enerģiju no saules gaismas.

Organismi, kas spēj veikt ķīmisko sintēzi, parasti ir prokarioti, piemēram, baktērijas un citi mikroorganismi, piemēram, arhaea, kas enerģiju iegūst no reakcijām, kas saistītas ar ļoti mazu savienojumu oksidēšanu.

Ķīmiski sintētiskā organisma Riftia pachyptila fotogrāfija (Avots: NOAA Okeanos Explorer programma, Galapagos Rift Expedition 2011, izmantojot Wikimedia Commons)

Biežākie ķemosintētisko baktēriju piemēri ir nitrificējošās baktērijas, kas oksidē amonjaku, iegūstot slāpekļa dioksīdu, kā arī sēra baktērijas, kas spēj oksidēt sērskābi, sēru un citus sēra savienojumus.

Koncepcijas izcelsme

Mikrobiologs Sergejs Vinogradskis 1890. gadā bija pirmais zinātnieks, kurš runāja par iespējamo ķemosintētisko procesu pastāvēšanu, jo viņš uzskatīja, ka jābūt procesam, kas līdzīgs fotosintēzei un kurā tiek izmantots cits enerģijas avots, nevis saules gaisma.

Tomēr Pfeffer 1897. gadā izgudroja terminu "chemosynthesis". Vinogradska teorijas tika pierādītas 1977. gadā ekspedīcijas laikā, ko zemūdene "Alvin" veica dziļos okeāna ūdeņos, ap Galapagu salām.

Šīs ekspedīcijas laikā zinātnieki, kas atradās uz zemūdens, atklāja dažas baktēriju ekosistēmas, kas pastāvēja neorganiskas vielas klātbūtnē, bet citas - simbiozē ar dažiem bezmugurkaulniekiem.

Pašlaik visā pasaulē ir zināmas dažādas ķīmiski sintētiskās ekosistēmas, kas jo īpaši saistītas ar jūras un okeāna vidi un mazākā mērā ar sauszemes ekosistēmām. Šajās vidēs ķīmiski sintētiskie mikroorganismi ir svarīgi organisko vielu primārie ražotāji.

Fāzes

Ķīmiskā sintēze gandrīz vienmēr notiek aerobās un anaerobās vides saskarnē, kur koncentrējas anaerobās sadalīšanās gala produkti un liels skābekļa daudzums.

Tāpat kā fotosintēze, arī kemosintēzei ir skaidri noteiktas fāzes: oksidējoša un biosintētiska. Pirmajā izmanto neorganiskos savienojumus, bet otrajā - organiskās vielas.

Oksidācijas fāze

Šīs pirmās fāzes laikā un atkarībā no aplūkotā organisma veida oksidējas dažāda veida reducētie neorganiskie savienojumi, piemēram, amonjaks, sērs un tā atvasinājumi, dzelzs, daži slāpekļa atvasinājumi, ūdeņradis utt.

Šajā fāzē šo savienojumu oksidēšana atbrīvo enerģiju, kas tiek izmantota ADP fosforilēšanai, veidojot ATP, kas ir viena no dzīvu būtņu galvenajām enerģijas valūtām, un turklāt NADH molekulu veidā tiek samazināta enerģija.

Ķīmiski sintētiskā procesa īpatnība ir saistīta ar to, kura izveidotā ATP daļa tiek izmantota elektronu ķēdes apgrieztā transportēšanai, lai iegūtu lielāku daudzumu reducējošu vielu NADH formā.

Rezumējot, šis posms sastāv no ATP veidošanās no atbilstošo elektronu donoru oksidācijas, kuru bioloģiski noderīgā enerģija tiek izmantota biosintēzes fāzē.

Biosintēzes fāze

Organisko vielu (oglekļa savienojumu) biosintēze notiek, pateicoties enerģijas izmantošanai, kas atrodas ATP augstas enerģijas saitēs, un reducējošajai jaudai, kas tiek glabāta NADH molekulās.

Šī otrā ķīmiskās sintēzes fāze ir "homoloģiska" tai, kas notiek fotosintēzes laikā, jo notiek oglekļa atomu fiksācija organiskajās molekulās.

Tajā oglekļa dioksīds (CO2) tiek fiksēts organisko oglekļu formā, bet ATP tiek pārveidots par ADP un neorganisko fosfātu.

Ķemosintētiskie organismi

Ir dažāda veida ķīmiski sintētiski mikroorganismi, daži no tiem nav obligāti, bet citi ir obligāti. Tas nozīmē, ka daži no enerģijas un organisko vielu iegūšanas ir atkarīgi tikai no ķīmiskās sintēzes, bet citi to dara, ja vide tos ietekmē.

Ķīmiski sintētiskie mikroorganismi nav ļoti atšķirīgi no citiem mikroorganismiem, jo ​​tie arī iegūst enerģiju elektronu transporta procesos, kur iesaistītas tādas molekulas kā flavīni, hinoni un citohromi.

No šīs enerģijas viņi spēj sintezēt šūnu komponentus no cukuriem, kas tiek sintezēti iekšēji, pateicoties oglekļa dioksīda reduktīvajai asimilācijai.

Daži autori uzskata, ka ķemosintētiskos organismus var iedalīt ķīmijorganoautotrofos un ķemolitoautotrofos atkarībā no savienojuma veida, no kura tie iegūst enerģiju, kas var būt attiecīgi organiska vai neorganiska.

Ciktāl tas attiecas uz prokariotiem, vairums ķemosintētisko organismu ir gramnegatīvas baktērijas, parasti Pseudomonas ģints un citas radniecīgas. Starp tiem ir:

- Nitrificējošās baktērijas.

- Baktērijas, kas spēj oksidēt sēru un sēra savienojumus (sēra baktērijas).

- Baktērijas, kas spēj oksidēt ūdeņradi (Ūdeņraža baktērijas).

- Baktērijas, kas spēj oksidēt dzelzi (dzelzs baktērijas).

Ķemosintētiskie mikroorganismi izmanto tādu enerģijas veidu, kas biosfēras sistēmā tiktu zaudēts. Tie veido lielu daļu no daudzu ekosistēmu bioloģiskās daudzveidības un iedzīvotāju blīvuma, kurās organisko vielu ieviešana ir ļoti ierobežota.

To klasifikācija ir saistīta ar savienojumiem, kurus viņi var izmantot kā elektronu donorus.

Nitrificējošās baktērijas

Tos 1890. gadā atklāja Vinogradskis, un dažas no līdz šim aprakstītajām ģintīm veido agregātus, kurus ieskauj viena un tā pati membrāna. Parasti tos izolē no sauszemes vidēm.

Nitrifikācija ietver amonija (NH4) oksidēšanu par nitrītiem (NO2-) un nitrītu (NO2-) par nitrātiem (NO3-). Divas baktēriju grupas, kas piedalās šajā procesā, bieži eksistē vienā un tajā pašā dzīvotnē, lai izmantotu abu veidu savienojumu priekšrocības, izmantojot oglekļa avotu CO2.

Baktērijas, kas spēj oksidēt sēru un sēra savienojumus

Tās ir baktērijas, kas spēj oksidēt neorganiskos sēra savienojumus un nogulsnēt sēru šūnā īpašos nodalījumos. Šajā grupā tiek klasificētas dažas pavedienu un ne pavedienu baktērijas no dažādām ģenētiskām fakultatīvām un obligātām baktērijām.

Šie organismi spēj izmantot sēra savienojumus, kas ir ļoti toksiski lielākajai daļai organismu.

Savienojums, ko visbiežāk izmanto šāda veida baktērijas, ir H2S gāze (sērskābe). Tomēr kā elektronu donorus viņi var izmantot arī elementāro sēru, tiosulfātus, politionatus, metālu sulfīdus un citas molekulas.

Dažām no šīm baktērijām ir nepieciešams skābs pH, lai tās augtu, tāpēc tās sauc par acidofilām baktērijām, bet citas to var izdarīt pie neitrāla pH līmeņa, tuvāk "normālai".

Daudzas no šīm baktērijām var veidot "gultnes" vai bioplēves dažāda veida vidēs, bet jo īpaši ieguves rūpniecības notekūdeņos, sērainos karstajos avotos un okeāna nogulumos.

Parasti tās sauc par bezkrāsainām baktērijām, jo ​​tās atšķiras no citām zaļajām un purpursarkanām baktērijām, kas ir fotoautotrofiskas, ar to, ka tām nav nekāda veida pigmentu, un tām nav nepieciešama saules gaisma.

Baktērijas, kas spēj oksidēt ūdeņradi

Šajā grupā ir atrodamas baktērijas, kuras spēj augt minerālvielu vidē ar atmosfēru, kurā ir daudz ūdeņraža un skābekļa un kuru vienīgais oglekļa avots ir oglekļa dioksīds.

Šeit atrodamas gan gramnegatīvas, gan grampozitīvas baktērijas, kas spēj augt heterotrofiskos apstākļos un kurām var būt dažāda veida metabolisms.

Ūdeņradis uzkrājas organisko molekulu anaerobos sadalījumos, ko panāk dažādas fermentācijas baktērijas. Šis elements ir svarīgs baktēriju un chemosynthetic archaea avots.

Mikroorganismi, kas to var izmantot kā elektronu donoru, to dara, pateicoties ar to membrānām saistītā hidrogēzes enzīma klātbūtnei, kā arī skābekļa kā elektroniska akceptora klātbūtnei.

Baktērijas, kas spēj oksidēt dzelzi un mangānu

Šī baktēriju grupa ir spējīga izmantot enerģiju, kas rodas no mangāna vai dzelzs oksidācijas dzelzs stāvoklī līdz dzelzs stāvoklim. Tajā ietilpst arī baktērijas, kuras spēj augt tiosulfātu klātbūtnē kā neorganisko ūdeņraža donori.

No ekoloģiskā viedokļa dzelzs un magniju oksidējošās baktērijas ir svarīgas vides detoksikācijai, jo tās samazina izšķīdušo toksisko metālu koncentrāciju.

Simbiotiskie organismi

Papildus brīvi dzīvojošām baktērijām, ir arī daži bezmugurkaulnieki, kas dzīvo nevietīgā vidē un, lai izdzīvotu, ir saistīti ar noteiktiem ķemosintētisko baktēriju veidiem.

Pirmie simbionti tika atklāti pēc tam, kad tika pētīts milzu caurulīšu tārps - Riftia pachyptila, kuram trūka gremošanas caurules un kas iegūst dzīvībai svarīgu enerģiju no reakcijām, kuras veic baktērijas, ar kurām tas ir saistīts.

Atšķirības ar fotosintēzi

Ķīmiski sintētisko organismu atšķirīgākā īpašība ir tā, ka tie apvieno spēju izmantot neorganiskos savienojumus enerģijas iegūšanai un spēka samazināšanai, kā arī efektīvi saistīt oglekļa dioksīda molekulas. Kaut kas var notikt, ja nav saules staru.

Fotosintēzi veic augi, aļģes, kā arī dažu veidu baktērijas un vienšūņi. Tas izmanto saules gaismas enerģiju, lai veicinātu oglekļa dioksīda un ūdens pārveidošanos (fotolīzi) skābeklī un ogļhidrātos, iegūstot ATP un NADH.

No otras puses, ķīmiskajā sintēzē tiek izmantota ķīmiskā enerģija, kas izdalās no oksidācijas-reducēšanās reakcijām, lai fiksētu oglekļa dioksīda molekulas un iegūtu cukuru un ūdeni, iegūstot enerģiju ATP formā un samazinot jaudu.

Kemosintēzē atšķirībā no fotosintēzes pigmenti nav iesaistīti, un skābeklis netiek ražots kā blakusprodukts.

Atsauces

1. Dubilier, N., Bergin, C., & Lott, C. (2008). Jūras dzīvnieku simbiotiskā daudzveidība: māksla izmantot ķīmisko sintēzi. Dabas apskats, Mikrobioloģija, 6 (10), 725–740.
2. Engel, AS (2012). Kemoautotrofija. Alu enciklopēdija, (1997), 125–134.
3. Engers, E., Ross, F., un Beilijs, D. (2009). Jēdzieni bioloģijā (13. izdevums). Makgreivs.
4. Kinne, O. (1975). Jūras ekoloģija. (O. Kinne, Red.), Comput. Izklaidē. (2. izdevums, II sējums). Džons Vilijs un dēli. https://doi.org/10.1145/973801.973803
5. Līss, H. (1962). IV. Dažas domas par kemosintēzes enerģētiku. Simpozijs par autotrofiju.
6. Pace, M., & Lovett, G. (2013). Primārā produkcija: Ekosistēmu fonds. Ekosistēmu zinātnes pamatos (27. – 51. Lpp.). Elsevier Inc.