Chemosynthesis

Chemosynthesis Definition

Chemosinteza este conversia compușilor anorganici care conțin carbon în materie organică, cum ar fi zaharurile și aminoacizii. Chemosinteza folosește energie din substanțe chimice anorganice pentru a îndeplini această sarcină.

„Sursa de energie” anorganică este de obicei o moleculă care are de rezervă electroni, precum hidrogen gazos, hidrogen sulfurat, amoniac sau fier feros. Ca și fotosinteza și respirația celulară, chemosinteza folosește un lanț de transport al electronilor pentru a sintetiza ATP.

După ce electronii săi sunt trecuți prin lanțul de transport al electronilor, substanța chimică sursa de combustibil apare într-o formă diferită. Hidrogenul sulfhidric, de exemplu, este transformat în sulf solid elementar plus apă.

Termenul „chemosinteză” provine din cuvintele rădăcină „chimio” pentru „chimic” și „ sinteză ”pentru„ a face ”. Funcția sa este similară cu cea a fotosintezei, care transformă și materia anorganică în materie organică – dar folosește energia luminii solare, în loc de energie chimică pentru a face acest lucru.

Astăzi chemosinteza este utilizată de microbi precum bacteriile și archaea. Deoarece chimiosinteza singură este mai puțin eficientă decât fotosinteza sau respirația celulară, nu poate fi utilizată pentru a alimenta organismele multicelulare complexe.

âteva organisme multicelulare trăiesc în relații simbiotice cu bacteriile chemosintetice, făcându-le o sursă parțială de energie. Viermii tubi uriași, de exemplu, găzduiesc bacterii chemosintetice care le furnizează zaharuri și aminoacizi.

Cu toate acestea, acești viermi tubari sunt parțial dependenți de fotosinteză, deoarece utilizează oxigen (un produs al organismelor fotosintetice) pentru a-și face chemosinteza mai eficientă.

Ecuația chemosintezei

Există multe modalități diferite de a realiza chemosinteza. Ecuația pentru chemosinteză va arăta diferit în funcție de sursa chimică de energie utilizată. Cu toate acestea, toate ecuațiile pentru chemosinteză includ de obicei:

Reactanți:

Produse:

Un exemplu de ecuație utilizat în mod obișnuit pentru chemosinteza arată transformarea dioxidului de carbon în zahăr cu ajutorul hidrogenului sulfurat gazos:

12H2S + 6CO2 → C6H12O6 (moleculă de zahăr) + 6H2O + 12S

Această ecuație este uneori redusă la cel mai simplu raport posibil de ingrediente. Aceasta arată proporțiile relative ale fiecărui ingredient necesare reacției, deși nu captează cantitatea completă de hidrogen sulfurat și dioxid de carbon necesare pentru a crea o singură moleculă de zahăr.

Versiunea redusă arată astfel:

2H2S + CO2 → CH2O (moleculă de zahăr) + H2O + 2S

Funcția chemosintezei

Chemosinteza permite organismelor să trăiască fără a folosi energia luminii solare sau să se bazeze pe alte organisme pentru hrană.

La fel ca și chemosinteza, permite ființelor vii să facă mai mult din ele. Transformând moleculele anorganice în molecule organice, procesele de chemosinteză transformă materia non-vie în materie vie.

Astăzi este folosită de microbii care trăiesc în oceanele profunde, unde nu pătrunde lumina soarelui; dar este, de asemenea, utilizat de unele organisme care trăiesc în medii însorite, cum ar fi bacteriile de fier și unele bacterii ale solului.

Unii oameni de știință consideră că chemosinteza ar putea fi utilizată de formele de viață în medii extraterestre fără soare, cum ar fi în oceane din Europa sau mediile subterane de pe Marte.

S-a propus că chemosinteza ar fi putut fi de fapt prima formă de metabolism pe Pământ, fotosinteza și respirația celulară evoluând mai târziu pe măsură ce formele de viață au devenit mai complexe. S-ar putea să nu știm niciodată cu siguranță dacă acest lucru este adevărat, dar unii oameni de știință consideră că este interesant să ne gândim dacă lumina soarelui sau energia chimică a fost primul combustibil pentru viața pe Pământ.

Tipuri de bacterii chemosintetice

Bacteriile de sulf

Exemplul de ecuație pentru chemosinteza prezentat mai sus arată bacteriile care utilizează un compus de sulf ca sursă de energie.

Bacteriile din acea ecuație consumă hidrogen sulfurat gazos (12H2S) și apoi produce sulf solid, elementar ca produs rezidual (12S).

Unele bacterii care utilizează chemosinteza utilizează sulf elementar în sine, sau compuși mai complexi de sulf ca surse de combustibil, în loc de hidrogen sulfurat.

Bacterii metalice ionice

Cele mai tipul bine cunoscut de bacterii care utilizează ioni metalici pentru chemosinteză sunt bacterii de fier.

Bacteriile de fier pot pune de fapt o problemă pentru sistemele de apă din medii bogate în fier, deoarece consumă ioni metalici dizolvați în sol și apă – și produc grămezi insolubile de fier feric asemănător ruginii, care pot pata corpurile de instalații sanitare și chiar le pot înfunda.

Cu toate acestea, bacteriile de fier nu sunt singurele organisme care folosesc ioni metalici ca sursă de energie pentru chimiosinteză. Alte tipuri de bacterii folosesc arsenic, mangan sau chiar uraniu ca surse de electroni pentru lanțurile lor de transport de electroni!

Bacterii azotate

Bacteriile azotate sunt bacterii care utilizează compuși azotanți în metabolismul lor proces. În timp ce toate aceste bacterii folosesc electroni din compușii azotului pentru a crea compuși organici, ele pot avea efecte foarte diferite asupra ecosistemului lor, în funcție de ce compuși utilizează.

Bacteriile azotate pot fi de obicei împărțite în trei clase:

1. Bacterii nitrificante:

Bacteriile nitrificante cresc în soluri care conțin amoniac. Amoniacul este un compus anorganic de azot care este toxic pentru majoritatea plantelor și animalelor – dar bacteriile nitrificante îl pot folosi pentru hrană și chiar îl pot transforma într-o substanță benefică.

Bacteriile nitrificante iau electroni din amoniac și transformă amoniacul în nitriți și, în cele din urmă, nitrați. Nitrații sunt esențiali pentru multe ecosisteme, deoarece majoritatea plantelor au nevoie de aceștia pentru a produce aminoacizi esențiali.

Nitrificarea este adesea un proces în doi pași: o bacterie va transforma amoniacul într-un nitrit, iar apoi o altă specie de bacterie va transforma acest lucru nitritul într-un nitrat.

Bacteriile nitrificante pot transforma solurile ostile în terenuri fertile pentru plante și ulterior pentru animale.

2. Bacteriile denitrifiante:

Bacteriile denitrifiante folosesc compușii nitrați ca sursă de energie. În acest proces, descompun acești compuși în forme pe care plantele și animalele nu le pot folosi.

Aceasta înseamnă că bacteriile denitrifiante pot fi o problemă foarte mare pentru plante și animale – majoritatea speciilor de plante au nevoie de nitrați în sol în pentru a produce proteine esențiale pentru ei înșiși și pentru animalele care le mănâncă.

Bacteriile denitrifiante concurează pentru acești compuși și pot epuiza solul, ducând la capacitatea limitată a plantelor de a crește.

3. Bacterii care fixează azotul:

Aceste bacterii sunt foarte benefice pentru ecosisteme, inclusiv pentru agricultura umană. Pot transforma gazul azotat – care alcătuiește cea mai mare parte a atmosferei noastre – în nitrați pe care plantele îi pot folosi pentru a produce proteine esențiale.

Din punct de vedere istoric, problemele de fertilitate și chiar foametea s-au întâmplat atunci când solul a epuizat nitrații din cauza procesele sau utilizarea excesivă a terenurilor agricole.

Multe culturi au învățat să mențină solul fertil prin rotirea culturilor care consumă azot cu culturi care fixează azot.

Secretul culturilor care fixează azotul este că plantele ei înșiși nu fixează azotul: au în schimb relații simbiotice cu bacteriile care fixează azotul. Aceste bacterii cresc adesea în colonii în jurul rădăcinilor plantelor, eliberând nitrați în solul înconjurător.

Imaginea de mai jos prezintă rădăcinile unei „plante care fixează azotul” – rețineți nodulii rotunzi care sunt, de fapt, , colonii de bacterii chemosintetice care fixează azotul:

Îngrășămintele moderne sunt adesea fabricate din nitrați artificiali, ca acei compuși produși de bacterii fixatoare de azot.

Metanobacterii

Metanobacteriile sunt de fapt archaeabacteria – dar oamenii de știință au început să le studieze cu mult înainte de a înțelege pe deplin diferențele dintre archaeabacteria și „bacteriile adevărate”.

Atât archaeabacteria cât și adevărata bacteriile sunt procariote unicelulare – ceea ce înseamnă că arată destul de asemănător la microscop. Dar metodele moderne de analiză genetică și biochimică au arătat că există diferențe chimice importante între cele două, archaeabacteria utilizând mulți compuși chimici și posedând multe gene care nu se găsesc în regnul bacteriilor.

Una dintre abilitățile găsite în archaeabacteria care nu se găsește în „bacteriile adevărate” este procesul metabolic care creează metan. Numai speciile de archaeabacteria pot combina dioxidul de carbon și hidrogenul pentru a produce metan.

Metanobacteriile trăiesc într-o varietate de medii – inclusiv în interiorul propriului dvs. corp! Metanobacteriile se găsesc la fundul oceanului, în mlaștini și zone umede, în stomacul vacilor – și chiar în interiorul stomacurilor umane, unde descompun niște zaharuri pe care nu le putem digera pentru a produce metan și energie.

• Archaeabacteria – O descendență veche de procariote.Odată ce se credea că este un subtip de bacterii, analiza modernă a relevat că archaeabacteriile sunt o descendență complet diferită de bacteriile moderne.
• Bacteriile – Un regat modern al procariotelor. Astăzi, acestea sunt uneori numite „eubacterii” sau „bacterii adevărate” pentru a le diferenția de archaeabacteriile. Electronii sunt trecuți printr-o serie de proteine, care își recoltează energia pentru a produce molecule dătătoare de viață, cum ar fi ATP.

Test

1. Care dintre următoarele NU este adevărat pentru chemosinteză?
A. Este procesul de utilizare a energiei din substanțe chimice pentru a crea compuși organici.
B. Nu poate fi finalizat fără energia din lumina soarelui.
C. Folosește un lanț de transport al electronilor pentru a extrage energia din electroni.
D. Necesită atât un compus de carbon inițial, cât și o sursă de energie chimică.

2. Care dintre următoarele NU este adevărat pentru ecuația chemosintezei?
A. Necesită un compus anorganic care conține carbon, cum ar fi dioxidul de carbon, pe partea reactantului.
B. Necesită o sursă de energie chimică pe partea reactantului.
C. Se termină cu o moleculă organică, cum ar fi un zahăr, pe partea produsului.
D. Se încheie cu o versiune transformată a sursei de energie chimică din partea produsului.
E. Niciunul dintre cele de mai sus.

3. Care dintre următoarele NU este un tip de bacterii chemosintetice?
A. Bacterii de fier
B. Bacterii producătoare de metan
C. Bacterii de sulf
D. Bacterii fixatoare de azot
E. Niciunul dintre cele de mai sus.