Chemosynthese

Definitie van chemosynthese

Chemosynthese is de omzetting van anorganische koolstofhoudende verbindingen in organisch materiaal zoals suikers en aminozuren. Chemosynthese gebruikt energie van anorganische chemicaliën om deze taak uit te voeren.

De anorganische “energiebron” is meestal een molecuul dat elektronen over heeft, zoals waterstofgas, waterstofsulfide, ammoniak of ferro-ijzer. Zoals fotosynthese en cellulaire ademhaling gebruikt chemosynthese een elektronentransportketen om ATP te synthetiseren.

Nadat de elektronen door de elektronentransportketen zijn gegaan, brandstofbron komt in een andere vorm tevoorschijn. Waterstofsulfidegas wordt bijvoorbeeld omgezet in vaste elementaire zwavel plus water.

De term chemosynthese komt van de stamwoorden chemo voor chemisch en synthese voor maken . Zijn functie is vergelijkbaar met die van fotosynthese, die ook anorganische materie omzet in organische materie – maar daarvoor de energie van zonlicht gebruikt in plaats van chemische energie.

Tegenwoordig wordt chemosynthese gebruikt door microben zoals bacteriën en archaea. Omdat chemosynthese alleen minder efficiënt is dan fotosynthese of cellulaire ademhaling, kan het niet worden gebruikt om complexe meercellige organismen van stroom te voorzien.

Enkele meercellige organismen leven in symbiotische relaties met chemosynthetische bacteriën, waardoor ze een gedeeltelijke energiebron zijn. Reuzenkokerwormen herbergen bijvoorbeeld chemosynthetische bacteriën die hen voorzien van suikers en aminozuren.

Deze kokerwormen zijn echter gedeeltelijk afhankelijk van fotosynthese omdat ze zuurstof (een product van fotosynthetische organismen) gebruiken om hun chemosynthese efficiënter.

Vergelijking van chemosynthese

Er zijn veel verschillende manieren om chemosynthese te bereiken. De vergelijking voor chemosynthese ziet er anders uit, afhankelijk van welke chemische energiebron wordt gebruikt. Alle vergelijkingen voor chemosynthese bevatten echter doorgaans:

Reactanten:

Producten:

Een veelgebruikte voorbeeldvergelijking voor chemosynthese toont de omzetting van kooldioxide in suiker met de hulp van waterstofsulfidegas:

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

Deze vergelijking wordt soms teruggebracht tot de eenvoudigst mogelijke verhouding van ingrediënten. Dit toont de relatieve verhoudingen van elk ingrediënt dat nodig is voor de reactie, hoewel het niet de volledige hoeveelheid waterstofsulfide en kooldioxide vastlegt die nodig is om een enkel suikermolecuul te maken.

De gereduceerde versie ziet er als volgt uit:

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

Functie van chemosynthese

Chemosynthese stelt organismen in staat om te leven zonder de energie van zonlicht te gebruiken of voor voedsel te vertrouwen op andere organismen.

Net als chemosynthese kunnen levende wezens meer van zichzelf maken. Door anorganische moleculen om te zetten in organische moleculen, veranderen de processen van chemosynthese niet-levende materie in levende materie.

Tegenwoordig wordt het gebruikt door microben die in de diepe oceanen leven, waar geen zonlicht doordringt; maar het wordt ook gebruikt door sommige organismen die in zonnige omgevingen leven, zoals ijzerbacteriën en sommige bodembacteriën.

Sommige wetenschappers geloven dat chemosynthese kan worden gebruikt door levensvormen in buitenaardse omgevingen zonder zon, zoals in de oceanen van Europa of ondergrondse omgevingen op Mars.

Er is geopperd dat chemosynthese misschien wel de eerste vorm van metabolisme op aarde was, waarbij fotosynthese en cellulaire ademhaling zich later ontwikkelden naarmate levensvormen complexer werden. We zullen misschien nooit zeker weten of dit waar is, maar sommige wetenschappers denken dat het interessant is om te overwegen of zonlicht of chemische energie de eerste brandstof was voor het leven op aarde.

Soorten chemosynthetische bacteriën

Zwavelbacteriën

De bovenstaande voorbeeldvergelijking voor chemosynthese laat zien dat bacteriën een zwavelverbinding als energiebron gebruiken.

De bacteriën in die vergelijking verbruiken waterstofsulfidegas (12H2S), en vervolgens produceert vaste, elementaire zwavel als afvalproduct (12S).

Sommige bacteriën die chemosynthese gebruiken, gebruiken elementaire zwavel zelf, of meer complexe zwavelverbindingen als brandstof, in plaats van waterstofsulfide.

Metaalionbacteriën

De meeste Bekende soorten bacteriën die metaalionen gebruiken voor chemosynthese zijn ijzerbacteriën.

IJzerbacteriën kunnen zelfs een probleem vormen voor watersystemen in ijzerrijke omgevingen, omdat ze opgeloste metaalionen in bodem en water consumeren – en produceren onoplosbare klonten roestachtig ijzerijzer, dat leidingen kan bevlekken en zelfs verstoppen.

IJzerbacteriën zijn echter niet de enige organismen die metaalionen gebruiken als energiebron voor chemosynthese. Andere soorten bacteriën gebruiken arseen, mangaan of zelfs uranium als elektronenbronnen voor hun elektronentransportketens!

Stikstofbacteriën

Stikstofbacteriën zijn alle bacteriën die stikstofverbindingen gebruiken in hun stofwisseling werkwijze. Hoewel al deze bacteriën elektronen uit stikstofverbindingen gebruiken om organische verbindingen te maken, kunnen ze heel verschillende effecten hebben op hun ecosysteem, afhankelijk van de verbindingen die ze gebruiken.

Stikstofbacteriën kunnen gewoonlijk in drie klassen worden onderverdeeld:

1. Nitrificerende bacteriën:

Nitrificerende bacteriën groeien in bodems die ammoniak bevatten. Ammoniak is een anorganische stikstofverbinding die giftig is voor de meeste planten en dieren, maar nitrificerende bacteriën kunnen het als voedsel gebruiken en er zelfs een nuttige stof van maken.

Nitrificerende bacteriën halen elektronen uit ammoniak en zetten de ammoniak om in nitrieten, en uiteindelijk in nitraten. Nitraten zijn essentieel voor veel ecosystemen omdat de meeste planten ze nodig hebben om essentiële aminozuren te produceren.

Nitrificatie is vaak een proces in twee stappen: de ene bacterie zet ammoniak om in een nitriet, en een andere bacteriesoort zet dat om. nitriet in een nitraat.

Nitrificerende bacteriën kunnen anders vijandige bodems veranderen in vruchtbare gronden voor planten en vervolgens voor dieren.

2. Denitrificerende bacteriën:

Denitrificerende bacteriën gebruiken nitraatverbindingen als hun energiebron. Daarbij breken ze deze verbindingen af in vormen die planten en dieren niet kunnen gebruiken.

Dit betekent dat denitrificerende bacteriën een zeer groot probleem kunnen zijn voor planten en dieren – de meeste plantensoorten hebben nitraten in de bodem nodig bij om essentiële eiwitten te produceren voor zichzelf en voor de dieren die ze eten.

Denitrificerende bacteriën strijden om deze verbindingen en kunnen de bodem uitputten, wat resulteert in een beperkt vermogen van planten om te groeien.

3. Stikstofbindende bacteriën:

Deze bacteriën zijn zeer gunstig voor ecosystemen, inclusief de menselijke landbouw. Ze kunnen stikstofgas – dat het grootste deel van onze atmosfeer vormt – omzetten in nitraten die planten kunnen gebruiken om essentiële eiwitten te maken.

Historisch gezien hebben vruchtbaarheidsproblemen en zelfs hongersnood zich voorgedaan toen de bodem nitraten bevatte als gevolg van natuurlijke processen of overmatig gebruik van landbouwgrond.

Veel culturen hebben geleerd de bodem vruchtbaar te houden door stikstofverbruikende gewassen te wisselen met stikstofbindende gewassen.

Het geheim van stikstofbindende gewassen is dat de planten zelf fixeren ze geen stikstof: in plaats daarvan hebben ze symbiotische relaties met stikstofbindende bacteriën. Deze bacteriën groeien vaak in kolonies rond de wortels van de planten en geven nitraten af aan de omringende grond.

De onderstaande afbeelding toont de wortels van een stikstofbindende plant – let op de ronde knobbeltjes die in feite , kolonies stikstofbindende chemosynthetische bacteriën:

Moderne meststoffen worden vaak gemaakt van kunstmatige nitraten, zoals die verbindingen die worden gemaakt door stikstofbindende bacteriën.

Methanobacteriën

Methanobacteriën zijn eigenlijk archaeabacteriën – maar wetenschappers begonnen ze te bestuderen lang voordat ze de verschillen tussen archaeabacteriën en echte bacteriën volledig begrepen.

Zowel archaeabacteriën als true bacteriën zijn eencellige prokaryoten – wat betekent dat ze er onder de microscoop ongeveer hetzelfde uitzien. Maar moderne methoden van genetische en biochemische analyse hebben onthuld dat er belangrijke chemische verschillen tussen de twee zijn, waarbij archaeabacteriën veel chemische verbindingen gebruiken en veel genen bezitten die niet in het bacteriënrijk voorkomen.

Een van de vaardigheden die we aantreffen in archaeabacteriën die niet in echte bacteriën worden aangetroffen, is het metabolische proces dat methaan aanmaakt. Alleen archaeabacteria-soorten kunnen kooldioxide en waterstof combineren om methaan te produceren.

Methanobacteriën leven in verschillende omgevingen, ook in uw eigen omgeving. Methanobacteriën worden aangetroffen op de bodem van de oceaan, in moerassen en moerassen, in de magen van koeien – en zelfs in de magen van mensen, waar ze sommige suikers afbreken die we niet kunnen verteren om methaan en energie te produceren.

• Archaeabacteria – Een oude lijn van prokaryoten.Eens werd gedacht dat het een subtype van bacteriën was, heeft moderne analyse onthuld dat archaeabacteriën een geheel andere afstamming zijn dan moderne bacteriën.
• Bacteriën – een modern koninkrijk van prokaryoten. Tegenwoordig worden ze soms “eubacteria” of “echte bacteriën” genoemd om ze te onderscheiden van archaeabacteria.
• Elektronentransportketen – Een principe dat vaak door cellen wordt gebruikt om energie uit de omgeving te halen. Elektronen worden door een reeks eiwitten geleid, die hun energie oogsten om levengevende moleculen zoals ATP te produceren.

Quiz

1. Welke van de volgende uitspraken is NIET waar voor chemosynthese?
A. Het is het proces waarbij energie uit chemicaliën wordt gebruikt om organische verbindingen te maken.
B. Het kan niet worden voltooid zonder energie uit zonlicht.
C. Het gebruikt een elektronentransportketen om energie uit elektronen te halen.
D. Het vereist zowel een koolstofverbinding als een bron van chemische energie.

2. Welke van de volgende uitspraken is NIET waar voor de vergelijking van chemosynthese?
A. Het vereist een koolstofhoudende anorganische verbinding, zoals kooldioxide, aan de reactantzijde.
B. Het vereist een bron van chemische energie aan de reactantzijde.
C. Het eindigt met een organisch molecuul, zoals een suiker, aan de productzijde.
D. Het eindigt met een getransformeerde versie van de chemische energiebron aan de productzijde.
E. Geen van bovenstaande.

3. Welke van de volgende is GEEN soort chemosynthetische bacterie?
A. IJzerbacteriën
B. Methaanproducerende bacteriën
C. Zwavelbacteriën
D. Stikstofbindende bacteriën
E. Geen van bovenstaande.