Chemosynteza

Definicja chemosyntezy

Chemosynteza to przekształcanie nieorganicznych związków zawierających węgiel w materię organiczną, taką jak cukry i aminokwasy. Chemosynteza wykorzystuje energię nieorganicznych chemikaliów do wykonania tego zadania.

Nieorganiczne „źródło energii” to zwykle cząsteczka, która ma wolne elektrony, na przykład gazowy wodór, siarkowodór, amoniak lub żelazo. Podobnie jak fotosynteza i oddychanie komórkowe, chemosynteza wykorzystuje łańcuch transportu elektronów do syntezy ATP.

Po przejściu elektronów przez łańcuch transportu elektronów, substancja chemiczna źródło paliwa pojawia się w innej formie. Na przykład gazowy siarkowodór przekształca się w stałą siarkę elementarną plus wodę.

Termin „chemosynteza” pochodzi od słów „chemo” oznaczających „chemikalia” i „ synteza ”dla„ do zrobienia ”. Jego funkcja jest podobna do fotosyntezy, która również zamienia materię nieorganiczną w materię organiczną – ale wykorzystuje do tego energię światła słonecznego zamiast energii chemicznej.

Obecnie chemosynteza jest wykorzystywana przez mikroorganizmy, takie jak bakterie i archaea. Ponieważ sama chemosynteza jest mniej wydajna niż fotosynteza lub oddychanie komórkowe, nie można jej używać do zasilania złożonych organizmów wielokomórkowych.

Kilka organizmów wielokomórkowych żyje w symbiotycznym związku z bakteriami chemosyntetycznymi, co czyni je częściowym źródłem energii. Na przykład gigantyczne robaki rurkowe są żywicielami bakterii chemosyntetycznych, które dostarczają im cukry i aminokwasy.

Jednak te robaki rurkowe są częściowo zależne od fotosyntezy, ponieważ wykorzystują tlen (produkt organizmów fotosyntetycznych), aby wytworzyć swoje chemosynteza wydajniejsza.

Równanie chemosyntezy

Istnieje wiele różnych sposobów osiągnięcia chemosyntezy. Równanie chemosyntezy będzie wyglądać inaczej w zależności od używanego źródła energii chemicznej. Jednak wszystkie równania chemosyntezy zwykle obejmują:

Reagenty:

Produkty:

Powszechnie używane przykładowe równanie chemosyntezy przedstawia przemianę dwutlenku węgla w cukier pomoc gazowego siarkowodoru:

12H2S + 6CO2 → C6H12O6 (cząsteczka cukru) + 6H2O + 12S

To równanie jest czasami sprowadzane do najprostszego możliwego stosunku składników. Pokazuje to względne proporcje każdego składnika niezbędnego do reakcji, chociaż nie wychwytuje pełnej ilości siarkowodoru i dwutlenku węgla potrzebnej do stworzenia pojedynczej cząsteczki cukru.

Wersja zredukowana wygląda następująco:

2H2S + CO2 → CH2O (cząsteczka cukru) + H2O + 2S

Funkcja chemosyntezy

Chemosynteza pozwala organizmom żyć bez wykorzystywania energii światła słonecznego lub polegania na innych organizmach jako pożywienia.

Podobnie jak chemosynteza, pozwala organizmom wytwarzać więcej z siebie. Zamieniając cząsteczki nieorganiczne w cząsteczki organiczne, procesy chemosyntezy zamieniają materię nieożywioną w materię żywą.

Obecnie jest używany przez mikroby żyjące w głębinach oceanów, do których nie przenika światło słoneczne; ale jest również używany przez niektóre organizmy żyjące w słonecznym środowisku, takie jak bakterie żelaza i niektóre bakterie glebowe.

Niektórzy naukowcy uważają, że chemosynteza może być wykorzystywana przez formy życia w bezsłonecznych środowiskach pozaziemskich, takich jak oceany Europy lub podziemnych środowisk na Marsie.

Zaproponowano, że chemosynteza mogła być w rzeczywistości pierwszą formą metabolizmu na Ziemi, a fotosynteza i oddychanie komórkowe ewoluowały później, gdy formy życia stały się bardziej złożone. Być może nigdy nie wiemy na pewno, czy to prawda, ale niektórzy naukowcy uważają, że interesujące jest rozważenie, czy światło słoneczne lub energia chemiczna były pierwszym paliwem dla życia na Ziemi.

Rodzaje bakterii chemosyntetycznych

Bakterie siarkowe

Podane powyżej przykładowe równanie chemosyntezy pokazuje bakterie wykorzystujące związek siarki jako źródło energii.

Bakterie w tym równaniu zużywają siarkowodór (12H2S), a następnie wytwarza stałą siarkę elementarną jako produkt odpadowy (12S).

Niektóre bakterie stosujące chemosyntezę wykorzystują samą siarkę elementarną lub bardziej złożone związki siarki jako źródła paliwa zamiast siarkowodoru.

Bakterie metalowo-jonowe

Najbardziej dobrze znanym rodzajem bakterii, które wykorzystują jony metali do chemosyntezy, są bakterie żelaza.

Bakterie żelaza mogą w rzeczywistości stanowić problem dla systemów wodnych w środowiskach bogatych w żelazo, ponieważ pochłaniają rozpuszczone jony metali w glebie i wodzie – i wytwarzają nierozpuszczalne grudki przypominającego rdzę żelaza żelaznego, które mogą plamić armaturę wodociągową, a nawet ją zatykać.

Jednak bakterie żelaza nie są jedynymi organizmami, które wykorzystują jony metali jako źródło energii do chemosyntezy. Inne rodzaje bakterii wykorzystują arszenik, mangan, a nawet uran jako źródła elektronów do swoich łańcuchów transportu elektronów!

Bakterie azotowe

Bakterie azotowe to wszelkie bakterie, które wykorzystują związki azotu w swoim metabolizmie proces. Chociaż wszystkie te bakterie wykorzystują elektrony ze związków azotu do tworzenia związków organicznych, mogą mieć bardzo różny wpływ na swój ekosystem w zależności od tego, jakich związków używają.

Bakterie azotowe można zwykle podzielić na trzy klasy:

1. Bakterie nitryfikacyjne:

Bakterie nitryfikacyjne rosną w glebach zawierających amoniak. Amoniak to nieorganiczny związek azotu, który jest toksyczny dla większości roślin i zwierząt – ale bakterie nitryfikacyjne mogą go używać do pożywienia, a nawet przekształcić go w pożyteczną substancję.

Bakterie nitryfikujące pobierają elektrony z amoniaku i przekształcają amoniak na azotyny, a ostatecznie na azotany. Azotany są niezbędne dla wielu ekosystemów, ponieważ większość roślin potrzebuje ich do produkcji niezbędnych aminokwasów.

Nitryfikacja jest często procesem dwuetapowym: jedna bakteria przekształca amoniak w azotyn, a następnie inny gatunek bakterii to przekształca azotyn w azotan.

Bakterie nitryfikacyjne mogą zamienić wrogie gleby w żyzne podłoże dla roślin, a następnie dla zwierząt.

2. Bakterie denitryfikacyjne:

Bakterie denitryfikacyjne wykorzystują związki azotanowe jako źródło energii. W trakcie tego procesu rozkładają te związki na formy, których rośliny i zwierzęta nie mogą wykorzystać.

Oznacza to, że bakterie denitryfikacyjne mogą stanowić bardzo duży problem dla roślin i zwierząt – większość gatunków roślin potrzebuje azotanów w glebie w w celu wyprodukowania niezbędnych dla siebie i zwierząt, które je jedzą.

Bakterie denitryfikacyjne konkurują o te związki i mogą zubożać glebę, co skutkuje ograniczoną zdolnością wzrostu roślin.

3. Bakterie wiążące azot:

Bakterie te są bardzo korzystne dla ekosystemów, w tym dla rolnictwa człowieka. Mogą zamienić azot – który stanowi większość naszej atmosfery – w azotany, których rośliny mogą używać do produkcji niezbędnych białek.

Historycznie rzecz biorąc, problemy z płodnością, a nawet głód miały miejsce, gdy gleba została zubożona azotanami z powodu naturalnych procesy lub nadużywanie gruntów uprawnych.

Wiele kultur nauczyło się utrzymywać żyzność gleby, obracając uprawami pochłaniającymi azot roślinami wiążącymi azot.

Sekret upraw wiążących azot polega na tym, że rośliny same nie wiążą azotu: zamiast tego mają symbiotyczne związki z bakteriami wiążącymi azot. Bakterie te często rosną w koloniach wokół korzeni roślin, uwalniając azotany do otaczającej gleby.

Poniższy obrazek przedstawia korzenie „rośliny wiążącej azot” – zwróć uwagę na okrągłe guzki, które w rzeczywistości są , kolonie bakterii chemosyntetycznych wiążących azot:

Nowoczesne nawozy są często wykonane ze sztucznych azotanów, takich jak związki wytwarzane przez bakterie wiążące azot.

Metanobakterie

Metanobakterie to tak naprawdę archeabakterie – ale naukowcy zaczęli je badać na długo zanim w pełni zrozumieli różnice między archeabakteriami a „prawdziwymi bakteriami”.

Zarówno archeabakterie, jak i prawdziwe bakterie są jednokomórkowymi prokariotami – co oznacza, że pod mikroskopem wyglądają bardzo podobnie. Jednak współczesne metody analizy genetycznej i biochemicznej ujawniły, że istnieją między nimi istotne różnice chemiczne, przy czym archeabakterie wykorzystują wiele związków chemicznych i posiadają wiele genów niespotykanych w królestwie bakterii.

Jedna ze zdolności znalezionych w archeabakterie, których nie ma w „prawdziwych bakteriach”, to proces metaboliczny, w wyniku którego powstaje metan. Tylko gatunki archeabakterii mogą łączyć dwutlenek węgla i wodór w celu wytworzenia metanu.

Metanobakterie żyją w różnych środowiskach – w tym we własnym ciała! Metanobakterie znajdują się na dnie oceanu, na bagnach i mokradłach, w żołądkach krów – a nawet w ludzkich żołądkach, gdzie rozkładają niektóre cukry, których nie możemy strawić, aby wyprodukować metan i energię.

• Archaeabacteria – starożytna linia prokariotów.Kiedyś uważano je za podtyp bakterii, współczesne analizy ujawniły, że archeabakterie są zupełnie inną linią niż współczesne bakterie.
• Bakterie – nowoczesne królestwo prokariotów. Obecnie nazywa się je czasami „eubakteriami” lub „prawdziwymi bakteriami”, aby odróżnić je od archeabakterii.
• Łańcuch transportu elektronów – zasada często używana przez komórki do zbierania energii ze środowiska. Elektrony przechodzą przez szereg białek, które zbierają swoją energię, aby wytworzyć życiodajne cząsteczki, takie jak ATP.

Quiz

1. Które z poniższych stwierdzeń NIE jest prawdziwe w odniesieniu do chemosyntezy?
A. Jest to proces wykorzystywania energii z substancji chemicznych do tworzenia związków organicznych.
B. Nie można go ukończyć bez energii słonecznej.
C. Wykorzystuje łańcuch transportu elektronów do wydobywania energii z elektronów.
D. Wymaga zarówno wyjściowego związku węgla, jak i źródła energii chemicznej.

2. Które z poniższych stwierdzeń NIE jest prawdziwe w odniesieniu do równania chemosyntezy?
A. Wymaga związku nieorganicznego zawierającego węgiel, takiego jak dwutlenek węgla, po stronie reagenta.
B. Wymaga źródła energii chemicznej po stronie reagenta.
C. Kończy się cząsteczką organiczną, taką jak cukier, po stronie produktu.
D. Kończy się przekształconą wersją źródła energii chemicznej po stronie produktu.
E. Żadne z powyższych.

3. Która z poniższych NIE jest rodzajem bakterii chemosyntetycznej?
A. Bakterie żelazne
B. Bakterie wytwarzające metan
C. Bakterie siarkowe
D. Bakterie wiążące azot
E. Żadne z powyższych.