Chemiosintesi

Definizione di chemiosintesi

La chemiosintesi è la conversione di composti inorganici contenenti carbonio in materia organica come zuccheri e amminoacidi. La chemiosintesi utilizza lenergia proveniente da sostanze chimiche inorganiche per svolgere questo compito.

La “fonte di energia” inorganica è solitamente una molecola che ha elettroni di riserva, come idrogeno gassoso, idrogeno solforato, ammoniaca o ferro ferroso. Come la fotosintesi e la respirazione cellulare, la chemiosintesi utilizza una catena di trasporto degli elettroni per sintetizzare lATP.

Dopo che i suoi elettroni sono passati attraverso la catena di trasporto degli elettroni, la sostanza chimica la fonte di combustibile emerge in una forma diversa. Lidrogeno solforato gassoso, ad esempio, viene convertito in zolfo elementare solido più acqua.

Il termine “chemiosintesi” deriva dalla radice delle parole “chemio” per “chimica” e ” sintesi “per” fare “. La sua funzione è simile a quella della fotosintesi, che trasforma anche la materia inorganica in materia organica, ma per farlo utilizza lenergia della luce solare invece di quella chimica.

Oggi la chemiosintesi è utilizzata da microbi come batteri e archaea. Poiché da sola la chemiosintesi è meno efficiente della fotosintesi o della respirazione cellulare, non può essere utilizzata per alimentare organismi multicellulari complessi.

Alcuni organismi multicellulari vivono in relazioni simbiotiche con i batteri chemiosintetici, rendendoli una parziale fonte di energia. I vermi tubolari giganti, ad esempio, ospitano batteri chemiosintetici che forniscono loro zuccheri e amminoacidi.

Tuttavia, questi vermi tubulari sono parzialmente dipendenti dalla fotosintesi perché usano lossigeno (un prodotto di organismi fotosintetici) per produrre il loro chemiosintesi più efficiente.

Equazione della chemiosintesi

Esistono molti modi diversi per ottenere la chemiosintesi. Lequazione per la chemiosintesi avrà un aspetto diverso a seconda della fonte di energia chimica utilizzata. Tuttavia, tutte le equazioni per la chemiosintesi includono tipicamente:

Reattanti:

Prodotti:

Unequazione di esempio comunemente usata per la chemiosintesi mostra la trasformazione dellanidride carbonica in zucchero con laiuto di idrogeno solforato gassoso:

12H2S + 6CO2 → C6H12O6 (molecola di zucchero) + 6H2O + 12S

Questa equazione a volte è ridotta al suo rapporto più semplice possibile di ingredienti. Questo mostra le proporzioni relative di ciascun ingrediente necessario per la reazione, sebbene non catturi lintera quantità di idrogeno solforato e anidride carbonica necessaria per creare una singola molecola di zucchero.

La versione ridotta ha questo aspetto:

2H2S + CO2 → CH2O (molecola di zucchero) + H2O + 2S

Funzione della chemiosintesi

La chemiosintesi consente agli organismi di vivere senza utilizzare lenergia della luce solare o fare affidamento su altri organismi per il cibo.

Come la chemiosintesi, consente agli esseri viventi di ottenere di più da se stessi. Trasformando le molecole inorganiche in molecole organiche, i processi di chemiosintesi trasformano la materia non vivente in materia vivente.

Oggi è utilizzata dai microbi che vivono negli oceani profondi, dove la luce solare non penetra; ma è anche utilizzato da alcuni organismi che vivono in ambienti soleggiati, come i batteri del ferro e alcuni batteri del suolo.

Alcuni scienziati ritengono che la chemiosintesi potrebbe essere utilizzata da forme di vita in ambienti extraterrestri senza sole, come gli oceani di Europa o ambienti sotterranei su Marte.

È stato proposto che la chemiosintesi potrebbe effettivamente essere stata la prima forma di metabolismo sulla Terra, con la fotosintesi e la respirazione cellulare che si evolvono in seguito man mano che le forme di vita diventano più complesse. Potremmo non sapere mai con certezza se questo è vero, ma alcuni scienziati ritengono che sia interessante considerare se la luce solare o lenergia chimica sia stata il primo combustibile per la vita sulla Terra.

Tipi di batteri chemiosintetici

Batteri dello zolfo

Lequazione di esempio per la chemiosintesi fornita sopra mostra i batteri che usano un composto di zolfo come fonte di energia.

I batteri in quellequazione consumano gas idrogeno solforato (12H2S), e poi produce zolfo solido ed elementare come prodotto di scarto (12S).

Alcuni batteri che utilizzano la chemiosintesi utilizzano lo stesso zolfo elementare o composti di zolfo più complessi come fonti di combustibile, invece del solfuro di idrogeno.

I batteri degli ioni metallici

Il più un tipo ben noto di batteri che utilizzano ioni metallici per la chemiosintesi sono i batteri del ferro.

I batteri del ferro possono effettivamente rappresentare un problema per i sistemi idrici in ambienti ricchi di ferro, perché consumano ioni metallici disciolti nel suolo e nellacqua – e producono grumi insolubili di ferro ferrico simile alla ruggine, che possono macchiare gli impianti idraulici e persino ostruirli.

Tuttavia, i batteri del ferro non sono gli unici organismi che utilizzano ioni metallici come fonte di energia per la chemiosintesi. Altri tipi di batteri utilizzano arsenico, manganese o persino uranio come fonti di elettroni per le loro catene di trasporto degli elettroni!

I batteri dellazoto

I batteri dellazoto sono tutti i batteri che utilizzano composti dellazoto nel loro metabolismo processi. Sebbene tutti questi batteri utilizzino gli elettroni dei composti dellazoto per creare composti organici, possono avere effetti molto diversi sul loro ecosistema a seconda dei composti che usano.

I batteri dellazoto possono solitamente essere suddivisi in tre classi:

1. Batteri nitrificanti:

I batteri nitrificanti crescono nei terreni che contengono ammoniaca. Lammoniaca è un composto inorganico dellazoto che è tossico per la maggior parte delle piante e degli animali, ma i batteri nitrificanti possono usarlo per il cibo e persino trasformarlo in una sostanza benefica.

I batteri nitrificanti prendono elettroni dallammoniaca e convertono lammoniaca in nitriti e infine nitrati. I nitrati sono essenziali per molti ecosistemi perché la maggior parte delle piante ne ha bisogno per produrre amminoacidi essenziali.

La nitrificazione è spesso un processo in due fasi: un batterio convertirà lammoniaca in nitrito, e poi unaltra specie di batteri lo convertirà nitrito in un nitrato.

I batteri nitrificanti possono trasformare terreni altrimenti ostili in terreni fertili per le piante e, successivamente, per gli animali.

2. Batteri denitrificanti:

I batteri denitrificanti utilizzano composti di nitrato come fonte di energia. Nel processo, scompongono questi composti in forme che piante e animali non possono usare.

Ciò significa che i batteri denitrificanti possono essere un grosso problema per piante e animali: la maggior parte delle specie vegetali ha bisogno di nitrati nel suolo per produrre proteine essenziali per se stessi e per gli animali che le mangiano.

I batteri denitrificanti competono per questi composti e possono impoverire il suolo, con conseguente capacità limitata di crescita delle piante.

3. Batteri che fissano lazoto:

Questi batteri sono molto utili per gli ecosistemi, compresa lagricoltura umana. Possono trasformare lazoto gassoso, che costituisce la maggior parte della nostra atmosfera, in nitrati che le piante possono utilizzare per produrre proteine essenziali.

Storicamente, problemi di fertilità e persino carestia si sono verificati quando il suolo si è impoverito di nitrati a causa del processi o uso eccessivo dei terreni agricoli.

Molte culture hanno imparato a mantenere il suolo fertile ruotando le colture che consumano azoto con colture che fissano lazoto.

Il segreto delle colture che fissano lazoto è che le piante essi stessi non fissano lazoto: hanno invece relazioni simbiotiche con i batteri che fissano lazoto. Questi batteri spesso crescono in colonie attorno alle radici delle piante, rilasciando nitrati nel terreno circostante.

Limmagine sotto mostra le radici di una “pianta che fissa lazoto” – nota i noduli rotondi che sono, in effetti , colonie di batteri chemiosintetici azoto-fissatori:

I fertilizzanti moderni sono spesso fatti di nitrati artificiali, come quei composti prodotti dai batteri azoto-fissatori.

Metanobatteri

I metanobatteri sono in realtà archeobatteri, ma gli scienziati hanno iniziato a studiarli molto prima di aver compreso appieno le differenze tra archeobatteri e “veri batteri”.

Sia archeobatteri che veri i batteri sono procarioti unicellulari, il che significa che sembrano abbastanza simili al microscopio. Ma i moderni metodi di analisi genetica e biochimica hanno rivelato che ci sono importanti differenze chimiche tra i due, con archeobatteri che utilizzano molti composti chimici e possiedono molti geni non presenti nel regno dei batteri.

Una delle abilità trovate in gli archeobatteri che non si trovano nei “veri batteri” sono il processo metabolico che crea metano. Solo le specie di archeobatteri possono combinare anidride carbonica e idrogeno per produrre metano.

I metanobatteri vivono in una varietà di ambienti, incluso il tuo corpo! I metanobatteri si trovano sul fondo delloceano, nelle paludi e nelle zone umide, negli stomaci delle mucche e persino negli stomaci umani, dove abbattono alcuni zuccheri che non possiamo digerire per produrre metano ed energia.

• Archaeabacteria – Unantica stirpe di procarioti.Una volta pensato per essere un sottotipo di batteri, lanalisi moderna ha rivelato che gli archeobatteri sono una discendenza completamente diversa dai batteri moderni.
• Batteri – Un regno moderno di procarioti. Oggi, sono talvolta chiamati “eubatteri” o “veri batteri” per differenziarli dagli archeobatteri.
• Catena di trasporto degli elettroni: un principio spesso utilizzato dalle cellule per raccogliere energia dallambiente. Gli elettroni vengono fatti passare attraverso una serie di proteine che raccolgono la loro energia per produrre molecole vivificanti come lATP.

Quiz

1. Quale delle seguenti affermazioni NON è vera per la chemiosintesi?
A. È il processo di utilizzo dellenergia dalle sostanze chimiche per creare composti organici.
B. Non può essere completato senza lenergia della luce solare.
C. Utilizza una catena di trasporto degli elettroni per estrarre energia dagli elettroni.
D. Richiede sia un composto di carbonio di partenza che una fonte di energia chimica.

2. Quale delle seguenti affermazioni NON è vera per lequazione della chemiosintesi?
A. Richiede un composto inorganico contenente carbonio, come lanidride carbonica, sul lato reagente.
B. Richiede una fonte di energia chimica sul lato reagente.
C. Termina con una molecola organica, come uno zucchero, sul lato del prodotto.
D. Termina con una versione trasformata della fonte di energia chimica sul lato del prodotto.
E. Nessuna delle risposte precedenti.

3. Quale dei seguenti NON è un tipo di batterio chemiosintetico?
A. Batteri di ferro
B. Batteri produttori di metano
C. Batteri di zolfo
D. Batteri che fissano lazoto
E. Nessuna delle risposte precedenti.