Kemosyntese

Kemosyntese Definition

Kemosyntese er omdannelsen af uorganiske carbonholdige forbindelser til organisk stof såsom sukker og aminosyrer. Kemosyntese bruger energi fra uorganiske kemikalier til at udføre denne opgave.

Den uorganiske “energikilde” er normalt et molekyle, der har elektroner til rådighed, såsom hydrogengas, hydrogensulfid, ammoniak eller jernholdigt jern. Som fotosyntese og cellulær respiration, kemosyntese bruger en elektrontransportkæde til at syntetisere ATP.

Efter at have fået elektronerne passeret gennem elektrontransportkæden, kemikaliet brændstofkilde opstår i en anden form. Hydrogensulfidgas omdannes for eksempel til fast elementært svovl plus vand.

Udtrykket “kemosyntese” kommer fra rodordene “kemo” for “kemisk” og ” syntese ”for” at lave. ” Dens funktion svarer til fotosyntese, som også omdanner uorganisk stof til organisk materiale – men bruger energien fra sollys i stedet for kemisk energi til at gøre det.

I dag anvendes kemosyntese af mikrober som bakterier og archaea. Fordi kemosyntese alene er mindre effektiv end fotosyntese eller cellulær respiration, kan den ikke bruges til at drive komplekse flercellede organismer.

Et par flercellede organismer lever i symbiotiske forhold med kemosyntetiske bakterier, hvilket gør dem til en delvis energikilde. Kæmpe rørorme er for eksempel vært for kemosyntetiske bakterier, der forsyner dem med sukker og aminosyrer.

Disse rørorme er dog delvist afhængige af fotosyntese, fordi de bruger ilt (et produkt af fotosyntetiske organismer) til at fremstille deres kemosyntese mere effektiv.

Kemosyntese ligning

Der er mange forskellige måder at opnå kemosyntese på. Ligningen for kemosyntese vil se anderledes ud, afhængigt af hvilken kemisk energikilde der anvendes. Imidlertid inkluderer alle ligninger til kemosyntese typisk:

Reaktanter:

Produkter:

En almindeligt anvendt eksempelligning til kemosyntese viser omdannelsen af kuldioxid til sukker med hjælp fra hydrogensulfidgas:

12H2S + 6CO2 → C6H12O6 (sukkermolekyle) + 6H2O + 12S

Denne ligning er undertiden reduceret til sit enklest mulige forhold mellem ingredienser. Dette viser de relative andele af hver ingrediens, der er nødvendig for reaktionen, selvom den ikke fanger den fulde mængde hydrogensulfid og kuldioxid, der er nødvendig for at skabe et enkelt sukkermolekyle.

Den reducerede version ser sådan ud:

2H2S + CO2 → CH2O (sukkermolekyle) + H2O + 2S

Kemosyntese funktion

Kemosyntese gør det muligt for organismer at leve uden at bruge sollysens energi eller stole på andre organismer til mad.

Ligesom kemosyntese tillader det levende ting at gøre mere af sig selv. Ved at omdanne uorganiske molekyler til organiske molekyler, omdanner processerne med kemosyntese ikke-levende stof til levende stof.

I dag bruges det af mikrober, der lever i de dybe have, hvor intet sollys trænger ind; men det bruges også af nogle organismer, der lever i solrige miljøer, såsom jernbakterier og nogle jordbakterier.

Nogle forskere mener, at kemosyntese kan bruges af livsformer i solløse udenjordiske miljøer, såsom i havene af Europa eller underjordiske miljøer på Mars.

Det er blevet foreslået, at kemosyntese faktisk kunne have været den første form for stofskifte på Jorden, hvor fotosyntese og cellulær respiration udviklede sig senere, da livsformer blev mere komplekse. Vi ved måske aldrig med sikkerhed, om dette er sandt, men nogle forskere mener, at det er interessant at overveje, om sollys eller kemisk energi var det første brændstof for livet på jorden.

Typer af kemosyntetiske bakterier

Svovlbakterier

Eksemplets ligning for kemosyntese, der er angivet ovenfor, viser bakterier, der bruger en svovlforbindelse som energikilde.

Bakterierne i ligningen bruger hydrogensulfidgas (12H2S), og derefter producerer fast, elementært svovl som affaldsprodukt (12S).

Nogle bakterier, der bruger kemosyntese, bruger elementært svovl i sig selv eller mere komplekse svovlforbindelser som brændstofkilder i stedet for hydrogensulfid.

Metalionbakterier

De mest velkendt type bakterier, der bruger metalioner til kemosyntese, er jernbakterier.

Jernbakterier kan faktisk udgøre et problem for vandsystemer i jernrige miljøer, fordi de forbruger opløste metalioner i jord og vand – og producerer uopløselige klumper af rustlignende jern jern, som kan plette VVS-armaturer og endda tilstoppe dem.

Jernbakterier er dog ikke de eneste organismer, der bruger metalioner som en energikilde til kemosyntese. Andre typer bakterier bruger arsen, mangan eller endda uran som kilder til elektroner til deres elektrontransportkæder!

Nitrogenbakterier

Nitrogenbakterier er alle bakterier, der bruger nitrogenforbindelser i deres metaboliske behandle. Mens alle disse bakterier bruger elektroner fra nitrogenforbindelser til at skabe organiske forbindelser, kan de have meget forskellige virkninger på deres økosystem afhængigt af hvilke forbindelser de bruger.

Kvælstofbakterier kan normalt opdeles i tre klasser:

1. Nitrifierende bakterier:

Nitrifierende bakterier vokser i jord, der indeholder ammoniak. Ammoniak er en uorganisk nitrogenforbindelse, der er giftig for de fleste planter og dyr – men nitrificerende bakterier kan bruge den til mad og endda omdanne den til et gavnligt stof.

Nitrifierende bakterier tager elektroner fra ammoniak og omdanner ammoniak. i nitritter og i sidste ende nitrater. Nitrater er essentielle for mange økosystemer, fordi de fleste planter har brug for dem til at producere essentielle aminosyrer.

Nitrifikering er ofte en totrinsproces: en bakterie omdanner ammoniak til en nitrit, og derefter konverterer en anden bakterieart det nitrit til et nitrat.

Nitrifierende bakterier kan ellers gøre fjendtlig jord til frugtbar grund for planter og derefter for dyr.

2. Denitrifierende bakterier:

Denitrifiserende bakterier bruger nitratforbindelser som deres energikilde. I processen nedbryder de disse forbindelser i former, som planter og dyr ikke kan bruge.

Dette betyder, at denitrifierende bakterier kan være et meget stort problem for planter og dyr – de fleste plantearter har brug for nitrater i jorden i for at producere essentielle proteiner for sig selv og for de dyr, der spiser dem.

Denitrifierende bakterier konkurrerer om disse forbindelser og kan nedbryde jord, hvilket resulterer i begrænset evne for planter at vokse.

3. Kvælstoffikserende bakterier:

Disse bakterier er meget gavnlige for økosystemer, herunder humant landbrug. De kan gøre nitrogengas – som udgør det meste af vores atmosfære – til nitrater, som planter kan bruge til at fremstille essentielle proteiner.

Historisk set er der sket fertilitetsproblemer og endda hungersnød, da jorden blev udtømt af nitrater på grund af naturlige processer eller overforbrug af landbrugsjord.

Mange kulturer lærte at holde jorden frugtbar ved at rotere kvælstofforbrugende afgrøder med kvælstoffikserende afgrøder.

Hemmeligheden bag kvælstoffikserende afgrøder er, at planterne selv fikserer de ikke kvælstof: i stedet har de symbiotiske forhold til kvælstoffikserende bakterier. Disse bakterier vokser ofte i kolonier omkring planterødderne og frigiver nitrater i den omgivende jord.

Billedet nedenfor viser rødderne til en “kvælstoffikserende plante” – bemærk de runde knuder, der faktisk er , kolonier af kvælstoffikserende kemosyntetiske bakterier:

Moderne gødning er ofte lavet af kunstige nitrater, ligesom de forbindelser, der er fremstillet af kvælstoffikserende bakterier.

Methanobakterier

Methanobakterier er faktisk archaeabacteria – men forskere begyndte at studere dem længe før de fuldt ud forstod forskellene mellem archaeabacteria og “ægte bakterier.”

Både archaeabacteria og true bakterier er encellede prokaryoter – hvilket betyder, at de ser ret ens ud under mikroskopet. Men moderne metoder til genetisk og biokemisk analyse har afsløret, at der er vigtige kemiske forskelle mellem de to, idet arkebakterier bruger mange kemiske forbindelser og har mange gener, der ikke findes i bakterieriget.

En af de evner, der findes i archaeabacteria, der ikke findes i “ægte bakterier”, er den metaboliske proces, der skaber metan. Kun archaeabacteria arter kan kombinere kuldioxid og brint til at producere methan.

Methanobacteria lever i en række miljøer – inklusive i din egen krop! Methanobakterier findes i bunden af havet, i sumpe og vådområder, i køernes maver – og endda inde i menneskelige maver, hvor de nedbryder nogle sukkerarter, som vi ikke kan fordøje for at producere metan og energi.

• Archaeabacteria – En gammel slægt af prokaryoter.Når man engang troede at være en undertype af bakterier, har moderne analyse afsløret, at arkæbakterier er en helt anden afstamning fra moderne bakterier.
• Bakterier – Et moderne kongerige af prokaryoter. I dag kaldes de undertiden “eubakterier” eller “ægte bakterier” for at skelne dem fra arkæbakterier.
• Elektrontransportkæde – Et princip, der ofte bruges af celler til at høste energi fra miljøet. Elektroner ledes gennem en række proteiner, der høster deres energi til at producere livgivende molekyler som ATP.

Quiz

1. Hvilket af følgende er IKKE tilfældet med kemosyntese?
A. Det er processen med at bruge energi fra kemikalier til at skabe organiske forbindelser.
B. Det kan ikke fuldføres uden energi fra sollys.
C. Den bruger en elektrontransportkæde til at udvinde energi fra elektroner.
D. Det kræver både en startkulstofforbindelse og en kilde til kemisk energi.

2. Hvilket af følgende er IKKE sandt for ligningen af kemosyntese?
A. Det kræver en kulstofholdig uorganisk forbindelse, såsom kuldioxid, på reaktantsiden.
B. Det kræver en kemisk energikilde på reaktantsiden.
C. Det slutter med et organisk molekyle, såsom et sukker, på produktsiden.
D. Det slutter med en transformeret version af den kemiske energikilde på produktsiden.
E. Intet af ovenstående.

3. Hvilket af følgende er IKKE en type kemosyntetiske bakterier?
A. Jernbakterier
B. Metanproducerende bakterier
C. Svovlbakterier
D. Kvælstoffikserende bakterier
E. Intet af ovenstående.