Kemosünteesi definitsioon ja näited

Kemosüntees on süsinikuühendite ja teiste molekulide muundamine orgaanilisteks ühenditeks. Selles biokeemilises reaktsioonis on metaan või anorgaaniline ühend, näiteks vesiniksulfiid või gaasiline vesinik oksüdeerunud energiaallikana tegutseda. Seevastu energiaallikas fotosüntees (reaktsioonide kogum, mille kaudu süsinikdioksiid ja vesi muundatakse glükoosiks ja hapnikuks) kasutab protsessi võimendamiseks päikesevalgusest saadavat energiat.

Idee, et mikroorganismid saaksid elada anorgaanilistel ühenditel, pakkus välja Sergei Nikolajevitš Vinogradnsii (Winogradsky) 1890. aastal, tuginedes uuringutele, mis käsitlevad baktereid, mis näisid elavat lämmastikust, rauast või lämmastikust väävel. Hüpotees kinnitati 1977. aastal, kui süvamerealune sukelduv Alvin vaatles torusid ja muid ümbritsevaid elusid hüdrotermilised õhuavad galapagose riftil. Harvardi tudeng Colleen Cavanaugh tegi ettepaneku ja kinnitas hiljem, et tuub ussid jäid ellu nende suhte tõttu kemosünteetiliste bakteritega. Kemosünteesi ametlikku avastust krediteeritakse Cavanaugh'le.

Organisme, mis saavad energiat elektronidoonorite oksüdeerimise teel, nimetatakse kemotroofideks. Kui molekulid on orgaanilised, nimetatakse organisme kemoorganotroofideks. Kui molekulid on anorgaanilised, on organismid terminid kemolitotroofid. Seevastu päikeseenergiat kasutavaid organisme nimetatakse fototroofideks.

Kemoautotroofid saavad oma energia keemilistest reaktsioonidest ja sünteesivad süsinikdioksiidist orgaanilisi ühendeid. Kemosünteesi energiaallikaks võib olla elementaarne väävel, vesiniksulfiid, molekulaarne vesinik, ammoniaak, mangaan või raud. Kemoautotroofide näideteks on süvamere õhuavades elavad bakterid ja metanogeensed arhaad. Sõna "kemosüntees" lõi algselt Wilhelm Pfeffer 1897. aastal, et kirjeldada energiatootmist anorgaaniliste molekulide oksüdeerimise teel autotroofide abil (kemolitioautotroofia). Kaasaegse määratluse kohaselt kirjeldab kemosüntees ka energia tootmist kemoorganoautotroofia kaudu.

Kemoheterotroofid ei suuda süsinikku orgaaniliste ühendite moodustamiseks fikseerida. Selle asemel saavad nad kasutada anorgaanilisi energiaallikaid, näiteks väävel (kemolithoheterotroofid) või orgaanilised energiaallikad, näiteks valgud, süsivesikud ja lipiidid (kemoorganoheterotroofid).

Kemosünteesi on tuvastatud hüdrotermilistes õhuavades, isoleeritud koobastes, metaanklaklaraatides, vaalalangustes ja külmaveevooludes. On hüpotees, et protsess võib lubada elu Marsi ja Jupiteri kuu Europa pinna all. nagu ka päikesesüsteemi teistes kohtades. Hapniku esinemisel võib toimuda kemosüntees, kuid see pole vajalik.

Lisaks bakteriaalsele ja arhaeale tuginevad mõned suuremad organismid ka kemosünteesile. Hea näide on hiiglaslik tuub, mida leidub palju sügavaid hüdrotermilisi ventilatsioone ümbritsevates kohtades. Igas ussis asuvad kemosünteesi tekitavad bakterid elundis, mida nimetatakse trofosoomiks. Bakterid oksüdeerivad ussi keskkonnast pärit väävlit, et saada loomale vajalikku toitu. Kasutades energiaallikana vesiniksulfiidi, on kemosünteesi reaktsioon järgmine:

12 H₂S + 6 CO₂ → C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O + 12 S

See sarnaneb sarnaselt reaktsiooniga süsivesikute tootmiseks fotosünteesi teel, v.a. fotosüntees vabastab hapniku gaasi, samal ajal kui kemosüntees annab tahke väävli. Kollase väävli graanulid on nähtavad reaktsiooni läbi viivate bakterite tsütoplasmas.

Veel üks kemosünteesi näide avastati 2013. aastal, kui leiti baktereid, kes elasid basalttes ookeanipõhja sette all. Neid baktereid ei seostatud hüdrotermilise õhuavaga. On öeldud, et bakterid kasutavad kivimi suplemisel merevees mineraalide redutseerimisel tekkinud vesinikku. Bakterid võivad reageerida vesinikule ja süsinikdioksiidile, moodustades metaani.

Ehkki terminit "kemosüntees" kasutatakse kõige sagedamini bioloogiliste süsteemide puhul, saab seda üldisemalt kasutada keemilise sünteesi mis tahes vormi kirjeldamiseks, mille põhjustab juhuslik termiline liikumine. reagendid. Seevastu molekulide mehaanilist manipuleerimist nende reaktsiooni kontrollimiseks nimetatakse "mehaanosünteesiks". Nii kemosünteesil kui ka mehaanosünteesil on potentsiaal konstrueerida keerukaid ühendeid, sealhulgas uusi molekule ja orgaanilisi molekule.

• Campbell, Neil A., et al. Bioloogia. 8. väljaanne, Pearson, 2008.
• Kelly, Donovan P. ja Ann P. Puit. “Kemolitotroofsed prokarüoodid.” Prokarüoodid, toimetanud Martin Dworkin jt, 2006, lk. 441-456.
• Schlegel, H. G. “Kemo-autotroofia mehhanismid.” Mereökoloogia: põhjalik, integreeritud käsitlus elust ookeanides ja rannikuvetes, toimetanud Otto Kinne, Wiley, 1975, lk. 9-60.
• Somero, Gn. “Vesiniksulfiidi sümbiootiline kasutamine.” Füsioloogia, vol. 2, ei. 1, 1987, lk. 3-6.