Kemosynteesi

kemosynteesin määritelmä

Kemosynteesi on epäorgaanisten hiiltä sisältävien yhdisteiden muuntaminen orgaanisiksi aineiksi, kuten sokereiksi ja aminohapoiksi. Kemosynteesi käyttää epäorgaanisten kemikaalien energiaa tämän tehtävän suorittamiseen.

Epäorgaaninen ”energialähde” on yleensä molekyyli, jolla on varaa elektroneja, kuten vetykaasu, rikkivety, ammoniakki tai rautarauta. Kuten fotosynteesi ja soluhengitys, kemosynteesi käyttää elektroninsiirtoketjua ATP: n syntetisoimiseksi.

Sen jälkeen kun elektronit on kulkenut elektroninsiirtoketjun läpi, kemikaali polttoaineen lähde esiintyy eri muodossa. Esimerkiksi rikkivetykaasu muuttuu kiinteäksi alkyylirikiksi ja vedeksi.

Termi ”kemosynteesi” tulee juurisanoista ”kemo” sanoille ”kemikaali” ja ” synteesi ”tekemistä varten. Sen toiminta on samanlainen kuin fotosynteesissä, joka muuttaa myös epäorgaanisen aineen orgaaniseksi aineeksi – mutta käyttää auringonvalon energiaa kemiallisen energian sijasta.

Nykyään kemosynteesiä käyttävät mikrobit, kuten bakteerit ja arkea. Koska kemosynteesi yksinään on vähemmän tehokasta kuin fotosynteesi tai soluhengitys, sitä ei voida käyttää monimutkaisten monisoluisten organismien käyttämiseen.

Muutama monisoluinen organismi elää symbioottisissa suhteissa kemosynteettisten bakteerien kanssa, mikä tekee niistä osittaisen energialähteen. Esimerkiksi jättiläisputkimadot isännöivät kemosynteettisiä bakteereja, jotka toimittavat heille sokereita ja aminohappoja.

Nämä putkimatoista riippuvat kuitenkin osittain fotosynteesistä, koska ne käyttävät happea (fotosynteettisten organismien tuote) niiden valmistamiseksi. kemosynteesi tehokkaampaa.

Kemosynteesiyhtälö

Kemosynteesin saavuttamiseksi on monia eri tapoja. Kemosynteesin yhtälö näyttää erilaiselta riippuen käytettävästä kemiallisesta energialähteestä. Kaikki kemosynteesin yhtälöt sisältävät kuitenkin tyypillisesti:

Reagenssit:

Tuotteet:

Yleisesti käytetty kemosynteesin esimerkkiyhtälö osoittaa hiilidioksidin muuttumisen sokeriksi rikkivetykaasun avulla:

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

Tämä yhtälö supistetaan joskus sen yksinkertaisimpaan mahdolliseen ainesosien suhteeseen. Tämä osoittaa kunkin reaktion kannalta välttämättömän ainesosan suhteellisen osuuden, vaikkakin se ei siepata yhtä monta rikkivetyä ja hiilidioksidia, joka tarvitaan yhden sokerimolekyylin luomiseen.

Pelkistetty versio näyttää tältä:

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

Kemosynteesin toiminta

Kemosynteesi antaa organismien elää käyttämättä auringonvalon energiaa tai turvautumatta muihin organismeihin ruoaksi.

Kuten kemosynteesi, se antaa elävien esineiden tehdä enemmän itsestään. Muuttamalla epäorgaaniset molekyylit orgaanisiksi molekyyleiksi kemosynteesiprosessit muuttavat elämättömän aineen eläväksi aineeksi.

Nykyään sitä käyttävät mikrobit, jotka elävät syvissä valtamerissä, joissa auringonvalo ei tunkeudu; mutta sitä käyttävät myös jotkut aurinkoisissa ympäristöissä elävät organismit, kuten rautabakteerit ja jotkut maaperäbakteerit.

Jotkut tutkijat uskovat, että elämänmuodot saattavat käyttää kemosynteesiä aurinkoisissa maapallon ulkopuolisissa ympäristöissä, kuten valtamerissä. Euroopasta tai maanalaisista ympäristöistä Marsissa.

On ehdotettu, että kemosynteesi olisi voinut olla ensimmäinen aineenvaihdunnan muoto maapallolla. Emme ehkä koskaan tiedä varmasti, onko tämä totta, mutta joidenkin tutkijoiden mielestä on mielenkiintoista pohtia, oliko auringonvalo tai kemiallinen energia ensimmäinen elämän polttoaine maapallolla. > Rikkibakteerit

Edellä annettu kemosynteesin esimerkkiyhtälö osoittaa, että bakteerit käyttävät rikkiyhdistettä energialähteenä.

Yhtälön bakteerit kuluttavat rikkivetykaasua (12H2S) ja sitten tuottaa kiinteää, alkuainerikkiä jätetuotteena (12S).

Jotkut kemosynteesiä käyttävät bakteerit käyttävät rikkihapon sijasta itse alkyylirikkiä tai monimutkaisempia rikkiyhdisteitä polttoaineena.

Metalli-ionibakteerit

Tunnetut bakteerityypit, jotka käyttävät metalli-ioneja kemosynteesissä, ovat rautabakteereja.

Rautabakteerit voivat itse asiassa aiheuttaa ongelmia vesijärjestelmille rikkaissa ympäristöissä, koska ne kuluttavat liuenneita metalli-ioneja maaperässä ja vedessä – ja tuottavat liukenemattomia ruosteen kaltaisen rautaraudan osia, jotka voivat tahrata putkityökalut ja jopa tukkia ne.

Rautabakteerit eivät kuitenkaan ole ainoat organismit, jotka käyttävät metalli-ioneja kemosynteesin energialähteenä. Muun tyyppiset bakteerit käyttävät arseenia, mangaania tai jopa uraania elektronien lähteenä elektroninsiirtoketjuissaan!

Typpibakteerit

Typpibakteerit ovat bakteereja, jotka käyttävät typpiyhdisteitä aineenvaihdunnassaan prosessi. Vaikka kaikki nämä bakteerit käyttävät typpiyhdisteiden elektroneja orgaanisten yhdisteiden luomiseen, niillä voi olla hyvin erilaisia vaikutuksia ekosysteemiinsä riippuen siitä, mitä yhdisteitä ne käyttävät.

Typpibakteerit voidaan yleensä jakaa kolmeen luokkaan:

1. Nitrifioivat bakteerit:

Nitrifioivat bakteerit kasvavat ammoniakkia sisältävässä maaperässä. Ammoniakki on epäorgaaninen typpiyhdiste, joka on myrkyllistä useimmille kasveille ja eläimille – mutta nitrifioivat bakteerit voivat käyttää sitä ruokaan ja jopa muuttaa siitä hyödyllisen aineen. nitriiteiksi ja lopulta nitraateiksi. Nitraatit ovat välttämättömiä monille ekosysteemeille, koska useimmat kasvit tarvitsevat niitä välttämättömien aminohappojen tuottamiseksi.

Nitrifikaatio on usein kaksivaiheinen prosessi: yksi bakteeri muuntaa ammoniakin nitriitiksi ja sitten toinen bakteerilaji muuntaa sen nitriitti nitraatiksi.

Nitrifioivat bakteerit voivat muuttaa muuten vihamieliset maaperät hedelmälliseksi maaperäksi kasveille ja myöhemmin eläimille.

2. Denitrifioivat bakteerit:

Denitrifioivat bakteerit käyttävät nitraattiyhdisteitä energialähteenään. Prosessissa ne hajottavat nämä yhdisteet muotoihin, joita kasvit ja eläimet eivät voi käyttää.

Tämä tarkoittaa, että denitrifioivat bakteerit voivat olla erittäin suuri ongelma kasveille ja eläimille – useimmat kasvilajit tarvitsevat nitraatteja maaperässä välttämättömien proteiinien tuottamiseksi itselleen ja niitä syöville eläimille.

Denitrifioivat bakteerit kilpailevat näistä yhdisteistä ja voivat heikentää maaperää, mikä johtaa kasvien kasvukyvyn rajallisuuteen.

3. Typpiä sitovat bakteerit:

Nämä bakteerit ovat erittäin hyödyllisiä ekosysteemeille, myös ihmisen maataloudelle. Ne voivat muuttaa typpikaasun – joka muodostaa suurimman osan ilmakehästä – nitraateiksi, joita kasvit voivat käyttää välttämättömien proteiinien valmistamiseen.

Historiallisesti hedelmällisyysongelmia ja jopa nälänhätää on tapahtunut, kun maaperästä on kulunut nitraatteja luonnollisen luonnon vuoksi. viljelymaan prosessit tai liikakäyttö.

Monet kulttuurit oppivat pitämään maaperän hedelmällisenä kiertämällä typpeä kuluttavia kasveja typpeä sitovien kasvien kanssa.

Typpia sitovien kasvien salaisuus on, että kasvit itse eivät kiinnitä typpeä: sen sijaan niillä on symbioottiset suhteet typpeä sitoviin bakteereihin. Nämä bakteerit kasvavat usein kasvien juurien ympärillä olevissa pesäkkeissä ja päästävät nitraatteja ympäröivään maaperään.

Alla olevassa kuvassa on ”typpeä sitovan kasvin” juuret – huomioi pyöreät kyhmyt, jotka ovat itse asiassa , typpeä sitovien kemosynteettisten bakteerien pesäkkeet:

Nykyaikaiset lannoitteet valmistetaan usein keinotekoisista nitraateista, kuten typpeä sitovien bakteerien valmistamat yhdisteet.

Metanobakteerit

Metanobakteerit ovat itse asiassa arkeologisia bakteereja – mutta tutkijat alkoivat tutkia niitä kauan ennen kuin he ymmärsivät täysin arkeologisten bakteerien ja ”todellisten bakteerien” erot.

Sekä arkeologiset että todelliset bakteerit. bakteerit ovat yksisoluisia prokaryootteja – mikä tarkoittaa, että ne näyttävät melko samanlaisilta mikroskoopin alla. Mutta nykyaikaiset geneettisen ja biokemiallisen analyysin menetelmät ovat paljastaneet, että näiden kahden välillä on merkittäviä kemiallisia eroja. Arkeologisissa bakteereissa käytetään monia kemiallisia yhdisteitä ja niillä on monia geenejä, joita ei löydy bakteerikunnasta.

Yksi kyvyistä löytyy arkeibakteerit, joita ei löydy ”todellisista bakteereista”, on metaanin muodostava aineenvaihduntaprosessi. Vain arkeibakteerilajit voivat yhdistää hiilidioksidia ja vetyä metaanin tuottamiseksi.

Metanobakteerit elävät monissa ympäristöissä – myös omassa. Metanobakteereja esiintyy valtameren pohjassa, suoissa ja kosteikoissa, lehmien vatsassa – ja jopa ihmisen vatsassa, jossa ne hajottavat joitain sokereita, joita emme voi sulattaa metaanin ja energian tuottamiseksi.

• Arkeologiset bakteerit – muinainen prokaryoottien suku.Aikaisemmin ajateltu olevan bakteerien alatyyppi, mutta nykyaikainen analyysi on paljastanut, että arkeologiset bakteerit ovat täysin erilainen linja kuin nykyiset bakteerit.
• Bakteerit – moderni prokaryoottien valtakunta. Nykyään niitä kutsutaan joskus ”eubakteereiksi” tai ”todellisiksi bakteereiksi” erottaakseen ne arkeologisista bakteereista.
• Elektronien siirtoketju – Periaate, jota solut käyttävät usein energian keräämiseksi ympäristöstä. Elektronit kulkevat sarjan proteiinien läpi, jotka keräävät energiansa tuottamaan elämää antavia molekyylejä, kuten ATP.

Tietokilpailu

1. Mikä seuraavista EI koske kemosynteesiä?
A. Se on prosessi, jossa kemikaaleista peräisin olevaa energiaa käytetään orgaanisten yhdisteiden muodostamiseen.
B. Sitä ei voida toteuttaa ilman auringonvaloa.
C. Se käyttää elektronien siirtoketjua energian talteenottamiseksi elektronista.
D. Se vaatii sekä lähtöhiiliyhdisteen että kemiallisen energian lähteen.

2. Mikä seuraavista EI TOSI kemosynteesin yhtälölle?
A. Se vaatii reagenssipuolelta hiiltä sisältävän epäorgaanisen yhdisteen, kuten hiilidioksidin.
B. Se vaatii kemiallisen energian lähteen reagenssipuolelta.
C. Se päättyy orgaanisella molekyylillä, kuten sokerilla, tuotepuolella.
D. Se päättyy muunnetulla versiolla kemiallisesta energialähteestä tuotepuolella.
E. Mikään yllä mainituista.

3. Mikä seuraavista EI OLE kemosynteettisten bakteerien tyyppi?
A. Rautabakteerit
B. Metaania tuottavat bakteerit
C. Rikkibakteerit
D. Typpiä sitovat bakteerit
E. Mikään yllä mainituista.