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

Kemosintetizirane je karakteristika pojedinih biološki proces autotrofnih organizama iskorištavaju kemijsku energiju za pretvaranje anorganske tvari u organskom tvari. Od fotosinteze se razlikuje po tome što potonja koristi energiju od sunčeve svjetlosti.

Organizmi sposobni za kemosintezu su općenito prokarioti poput bakterija i drugih mikroorganizama, poput arheje, koji crpe energiju iz reakcija koje uključuju oksidaciju vrlo malih spojeva.

Fotografija Riftia pachyptila, kemosintetskog organizma (Izvor: NOAA Okeanos Explorer Explorer, Galapagos Rift Expedition 2011 putem Wikimedia Commons)

Najčešći primjeri kemosintetskih bakterija su nitrificirajuće bakterije, koje oksidiraju amonijak do stvaranja dušičnog dioksida, kao i sumporne bakterije, sposobne oksidirati sumpornom kiselinom, sumporom i drugim sumpornim spojevima.

Podrijetlo koncepta

Mikrobiolog Sergej Winogradsky, 1890. godine, bio je prvi znanstvenik koji je govorio o mogućem postojanju kemosintetskih procesa, budući da je pretpostavio da mora postojati postupak sličan fotosintezi koji koristi izvor energije koji nije sunčeva svjetlost.

No, izraz "kemosinteza" skovao je 1897. godine Pfeffer. Teorije Winogradskog dokazane su 1977. godine tijekom ekspedicije koju je podmornica "Alvin" izvela u duboke oceanske vode, oko Galapagoških otoka.

Tijekom ove ekspedicije, znanstvenici na podmornici otkrili su neke bakterijske ekosustave koji su postojali u anorganskoj tvari i druge u simbiozi s nekim beskralježnjacima morskim životinjama.

Trenutno su diljem svijeta poznati razni kemosintetski ekosustavi, posebno povezani s morskim i oceanskim okruženjem, te u manjoj mjeri s kopnenim ekosustavima. U tim su okruženjima kemosintetski mikroorganizmi važni primarni proizvođači organske tvari.

faze

Kemosinteza se gotovo uvijek događa na sučelju aerobnog i anaerobnog okoliša, gdje su koncentrirani krajnji proizvodi anaerobnog raspada i velike količine kisika.

Kao i fotosinteza, i kemosinteza ima dobro definirane faze: oksidacijsku i biosintetsku. U prvom se koriste anorganski spojevi, a tijekom drugog se stvaraju organske tvari.

Oksidativna faza

Tijekom ove prve faze i ovisno o vrsti organizma koji se razmatraju oksidiraju se različite vrste reduciranih anorganskih spojeva, poput amonijaka, sumpora i njegovih derivata, željeza, nekih derivata dušika, vodika itd.

U ovoj fazi oksidacijom ovih spojeva oslobađa se energija koja se koristi za fosforilaciju ADP-a, formirajući ATP, jednu od glavnih valutnih energija živih bića i, osim toga, smanjujući snagu stvaraju u obliku NADH molekula.

Posebnost kemosintetskog procesa odnosi se na to koji dio ATP-a koji se stvara koristi da se pokrene povratni transport elektronskog lanca, kako bi se dobila veća količina redukcijskih agensa u obliku NADH.

Ukratko, ova faza sastoji se od stvaranja ATP-a iz oksidacije odgovarajućih davalaca elektrona, čija se biološki korisna energija koristi u fazi biosinteze.

Faza biosinteze

Biosinteza organske tvari (ugljičnih spojeva) događa se zahvaljujući korištenju energije sadržane u visokoenergetskim vezama ATP-a i smanjujuće snage pohranjene u molekulama NADH.

Ova druga faza kemosinteze "homologna" je onoj koja se događa tijekom fotosinteze, budući da dolazi do fiksacije ugljikovih atoma u organskim molekulama.

U njemu se ugljični dioksid (CO2) fiksira u obliku organskog ugljika, dok se ATP pretvara u ADP i anorganski fosfat.

Kemosintetski organizmi

Postoje različite vrste kemosintetskih mikroorganizama, od kojih su neki neobvezni, a drugi obvezni. To znači da neki ovise isključivo o kemosintezi kako bi dobili energiju i organsku tvar, a drugi to čine ako ih okoliš uvjetuje.

Kemosintetski mikroorganizmi se ne razlikuju baš od drugih mikroorganizama, jer oni također dobivaju energiju iz procesa transporta elektrona u kojem sudjeluju molekule poput flavina, kinona i citokroma.

Iz te energije sposobni su sintetizirati stanične sastojke iz šećera koji se sintetiraju iznutra zahvaljujući reduktivnoj asimilaciji ugljičnog dioksida.

Neki autori smatraju da se kemosintetski organizmi mogu podijeliti na kemo-organoautotrofe i kemo-litoautotrofe, prema vrsti spoja iz kojeg dobivaju energiju, koja može biti organska ili anorganska.

Što se tiče prokariota, većina kemosintetskih organizama su gram-negativne bakterije, obično iz roda Pseudomonas i drugih srodnih vrsta. Među njima su:

- Nitrificirajuće bakterije.

- Bakterije koje mogu oksidirati sumpor i sumporni spoj (sumporne bakterije).

- Bakterije koje mogu oksidirati vodik (Vodikove bakterije).

- Bakterije koje mogu oksidirati željezo (željezne bakterije).

Kemosintetski mikroorganizmi koriste vrstu energije koja bi se izgubila u sustavu biosfere. Oni predstavljaju veliki dio biološke raznolikosti i gustoće naseljenosti mnogih ekosustava u kojima je unošenje organske tvari vrlo ograničeno.

Njihova klasifikacija odnosi se na spojeve koje su sposobni koristiti kao donori elektrona.

Nitrificirajuće bakterije

Otkrio ih je 1890. Winogradsky, a neki do sada opisani rodovi tvore agregate koji su okruženi istom membranom. Obično su izolirani od zemaljskih okruženja.

Nitrifikacija uključuje oksidaciju amonijaka (NH4) u nitrite (NO2-), a od nitrita (NO2-) u nitrate (NO3-). Dvije skupine bakterija koje sudjeluju u ovom procesu često koegzistiraju na istom staništu kako bi iskoristile obje vrste spojeva koji koriste CO2 kao izvor ugljika.

Bakterije koje mogu oksidirati sumpor i sumporni spoj

To su bakterije sposobne oksidirati anorganske sumporne spojeve i taložiti sumpor unutar stanice u posebnim odjeljcima. Unutar ove skupine svrstavaju se neke vlaknaste i nefilamentne bakterije različitih rodova fakultativnih i obligacijskih bakterija.

Ovi organizmi mogu koristiti sumporne spojeve koji su visoko toksični za većinu organizama.

Spoj koji ove vrste bakterija najčešće koriste je plin H2S (sumporna kiselina). Međutim, oni se također mogu koristiti elementarnim sumporom, tiosulfatima, potionala, metalnim sulfidima i drugim molekulama kao donori elektrona.

Nekima od tih bakterija potreban je kiseli pH da bi rasli, zbog čega su poznate kao acidofilne bakterije, dok druge mogu to učiniti pri neutralnom pH, bližem "normalnom".

Mnoge od ovih bakterija mogu tvoriti "krevete" ili biofilmove u različitim vrstama okruženja, posebno u odvodima rudarske industrije, sumpornim vrelima i u oceanskim sedimentima.

Obično ih zovu bezbojnim bakterijama, jer se razlikuju od ostalih zelenih i ljubičastih bakterija koje su fotoautotrofne po tome što nemaju nikakve pigmente i ne trebaju sunčevu svjetlost.

Bakterije sposobne oksidirati vodik

U ovu su skupinu bakterije sposobne rasti u mineralnim medijima s atmosferom bogatom vodikom i kisikom i čiji je jedini izvor ugljika ugljični dioksid.

Ovdje se nalaze i gram negativne i gram pozitivne bakterije koje mogu rasti u heterotrofnim uvjetima i koje mogu imati različite vrste metabolizma.

Vodik se akumulira iz anaerobnog raspada organskih molekula, što se postiže različitim fermentativnim bakterijama. Ovaj je element važan izvor bakterija i kemosintetskih arha.

Mikroorganizmi koji to mogu koristiti kao davatelj elektrona čine to zahvaljujući prisutnosti enzima hidrogenaze koji je povezan s njihovim membranama, kao i prisutnosti kisika kao elektronskog akceptora.

Bakterije koje mogu oksidirati željezo i mangan

Ova skupina bakterija može koristiti energiju koja nastaje oksidacijom mangana ili željeza u željeznom stanju do ferričnog stanja. Također uključuje bakterije koje mogu rasti u prisutnosti tiosulfata kao anorganskih davatelja vodika.

Sa ekološkog stajališta, željezo i magnezij oksidirajuće bakterije važni su za detoksikaciju okoliša, jer smanjuju koncentraciju otopljenih toksičnih metala.

Simbiotski organizmi

Pored bakterija koje slobodno žive, postoje i neke beskralježnjake koje žive u nepristupačnom okruženju i koje se povezuju s određenim vrstama kemosintetskih bakterija kako bi preživjele.

Otkrivanje prvih simbionata dogodilo se nakon ispitivanja divovskog crvastog crva, Riftia pachyptila, kojem je nedostajala probavna cijev i dobivala se vitalna energija iz reakcija koje su provodile bakterije s kojima je povezan.

Razlike s fotosintezom

Najkarakterističnija karakteristika kemosintetskih organizama je da kombiniraju sposobnost korištenja anorganskih spojeva za dobivanje energije i smanjene snage, kao i za učinkovito vezanje molekula ugljičnog dioksida. Nešto što se može dogoditi u potpunoj odsutnosti sunčeve svjetlosti.

Fotosintezu provode biljke, alge i neke vrste bakterija i protozoa. Koristi energiju iz sunčeve svjetlosti za pokretanje transformacije ugljičnog dioksida i vode (fotoliza) u kisik i ugljikohidrate, proizvodnjom ATP-a i NADH-a.

Kemosinteza, naprotiv, iskorištava kemijsku energiju oslobođenu reakcijama redukcije oksidacije da fiksira molekule ugljičnog dioksida i stvara šećere i vodu zahvaljujući dobivanju energije u obliku ATP-a i smanjenju snage.

U kemosintezi, za razliku od fotosinteze, nisu uključeni pigmenti i kisik se ne proizvodi kao nusproizvod.

Reference

1. Dubilier, N., Bergin, C., & Lott, C. (2008). Simbiotska raznolikost u morskim životinjama: umjetnost iskorištavanja kemosinteze. Nature Nature Microbiology, 6 (10), 725–740.
2. Engel, AS (2012). Chemoautotrophy. Encyclopedia of Caves, (1997), 125–134.
3. Enger, E., Ross, F., i Bailey, D. (2009). Pojmovi iz biologije (13. izd.). McGraw-Hill.
4. Kinne, O. (1975). Morska ekologija. (O. Kinne, ur.), Računarstvo. Zabavljaju. (2. izd., Vol. II). John Wiley & Sinovi.
5. Lees, H. (1962). IV. Neke misli o energetici kemosinteze. Simpozij o autotrofiji.
6. Pace, M., i Lovett, G. (2013). Primarna proizvodnja: Temelj ekosustava. Osnove znanosti o ekosustavima (str. 27–51). Elsevier Inc.