Kemosyntes

Kemosyntesdefinition

Kemosyntes är omvandlingen av oorganiska kolinnehållande föreningar till organiskt material såsom sockerarter och aminosyror. Kemosyntes använder energi från oorganiska kemikalier för att utföra denna uppgift.

Den oorganiska ”energikällan” är vanligtvis en molekyl som har elektroner att spara, såsom vätgas, vätesulfid, ammoniak eller järn. Som fotosyntes och cellulär andning använder kemosyntes en elektrontransportkedja för att syntetisera ATP.

Efter att ha fått elektronerna passerade genom elektrontransportkedjan är kemikalien bränslekälla uppstår i en annan form. Svavelvätegas omvandlas till exempel till fast elementärt svavel plus vatten.

Uttrycket ”kemosyntes” kommer från grundorden ”kemo” för ”kemisk” och ” syntes ”för” att göra. ” Dess funktion liknar den för fotosyntes, som också gör oorganiskt material till organiskt material – men använder solenergins energi istället för kemisk energi för att göra det.

Idag används kemosyntes av mikrober som bakterier och archaea. Eftersom kemosyntes ensam är mindre effektiv än fotosyntes eller cellulär andning kan den inte användas för att driva komplexa flercelliga organismer.

Några flercelliga organismer lever i symbiotiska förhållanden med kemosyntetiska bakterier, vilket gör dem till en partiell energikälla. Jätte rörmaskar är till exempel värd för kemosyntetiska bakterier som förser dem med socker och aminosyror.

Dessa rörmaskar är emellertid delvis beroende av fotosyntes eftersom de använder syre (en produkt av fotosyntetiska organismer) för att göra sina kemosyntes effektivare.

Kemosyntesekvation

Det finns många olika sätt att uppnå kemosyntes. Ekvationen för kemosyntes kommer att se annorlunda ut beroende på vilken kemisk energikälla som används. Emellertid inkluderar alla ekvationer för kemosyntes typiskt:

Reaktanter:

Produkter:

En vanlig ekvation för kemosyntes visar omvandlingen av koldioxid till socker med hjälp av vätesulfidgas:

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

Denna ekvation reduceras ibland till sitt enklast möjliga förhållande av ingredienser. Detta visar de relativa proportionerna av varje ingrediens som är nödvändig för reaktionen, även om den inte fångar upp den fulla mängden vätesulfid och koldioxid som krävs för att skapa en enda sockermolekyl.

Den reducerade versionen ser ut så här:

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

Kemosyntesens funktion

Kemosyntes tillåter organismer att leva utan att använda solenergins energi eller förlita sig på andra organismer för mat.

Liksom kemosyntes tillåter det levande saker att göra mer av sig själva. Genom att förvandla oorganiska molekyler till organiska molekyler förvandlas kemosyntesprocessen icke-levande materia till levande materia.

Idag används den av mikrober som lever i de djupa haven, där inget solljus tränger in; men det används också av vissa organismer som lever i soliga miljöer, såsom järnbakterier och vissa jordbakterier.

Vissa forskare tror att kemosyntes kan användas av livsformer i solfria utomjordiska miljöer, såsom i haven av Europa eller underjordiska miljöer på Mars.

Det har föreslagits att kemosyntes faktiskt kan ha varit den första formen av ämnesomsättning på jorden, med fotosyntes och cellulär andning utvecklats senare när livsformer blev mer komplexa. Vi kanske aldrig vet säkert om detta är sant, men vissa forskare anser att det är intressant att överväga om solljus eller kemisk energi var det första bränslet för livet på jorden.

Typer av kemosyntetiska bakterier

Svavelbakterier

Exempelekvationen för kemosyntes som anges ovan visar bakterier som använder en svavelförening som energikälla.

Bakterierna i den ekvationen förbrukar vätesulfidgas (12H2S) och sedan producerar fast, elementärt svavel som avfallsprodukt (12S).

Vissa bakterier som använder kemosyntes använder själva elementärt svavel, eller mer komplexa svavelföreningar som bränslekällor, istället för vätesulfid.

Metalljonbakterier

Det mest välkänd typ av bakterier som använder metalljoner för kemosyntes är järnbakterier.

Järnbakterier kan faktiskt utgöra ett problem för vattensystem i järnrika miljöer, eftersom de konsumerar upplösta metalljoner i jord och vatten – och producerar olösliga klumpar av rostliknande järn, som kan fläcka VVS-fixturer och till och med täppa till dem.

Järnbakterier är dock inte de enda organismerna som använder metalljoner som en energikälla för kemosyntes. Andra typer av bakterier använder arsenik, mangan eller till och med uran som elektronkällor för sina elektrontransportkedjor!

Kvävebakterier

Kvävebakterier är alla bakterier som använder kväveföreningar i sin metaboliska bearbeta. Medan alla dessa bakterier använder elektroner från kväveföreningar för att skapa organiska föreningar, kan de ha mycket olika effekter på deras ekosystem beroende på vilka föreningar de använder.

Kvävebakterier kan vanligtvis delas in i tre klasser:

1. Nitrifierande bakterier:

Nitrifierande bakterier växer i jord som innehåller ammoniak. Ammoniak är en oorganisk kväveförening som är giftig för de flesta växter och djur – men nitrifierande bakterier kan använda den för mat och till och med göra den till en fördelaktig substans.

Kvävande bakterier tar elektroner från ammoniak och omvandlar ammoniak till nitrit och slutligen nitrater. Nitrater är väsentliga för många ekosystem eftersom de flesta växter behöver dem för att producera essentiella aminosyror.

Nitrifiering är ofta en tvåstegsprocess: en bakterie omvandlar ammoniak till en nitrit, och sedan omvandlar en annan bakterieslag det nitrit till ett nitrat.

Nitrifierande bakterier kan på annat sätt göra fientliga jordar till bördiga grunder för växter och därefter för djur.

2. Denitrifierande bakterier:

Denitrifierande bakterier använder nitratföreningar som sin energikälla. Under processen bryter de ner dessa föreningar i former som växter och djur inte kan använda.

Detta innebär att denitrifierande bakterier kan vara ett mycket stort problem för växter och djur – de flesta växtarter behöver nitrater i jorden i för att producera essentiella proteiner för sig själva och för de djur som äter dem.

Denitrifierande bakterier tävlar om dessa föreningar och kan tömma jord, vilket resulterar i begränsad förmåga för växter att växa.

3. Kvävebindande bakterier:

Dessa bakterier är mycket fördelaktiga för ekosystem, inklusive mänskligt jordbruk. De kan förvandla kvävgas – som utgör det mesta av vår atmosfär – till nitrater som växter kan använda för att tillverka viktiga proteiner.

Historiskt sett har fertilitetsproblem och till och med hungersnöd inträffat när jorden tömdes av nitrater på grund av naturliga processer eller överanvändning av jordbruksmark.

Många kulturer lärde sig att hålla jorden bördig genom att rotera kväveförbrukande grödor med kvävefixerande grödor.

Hemligheten med kvävefixerande grödor är att växterna själva fixerar inte kväve: istället har de symbiotiska förhållanden med kvävebindande bakterier. Dessa bakterier växer ofta i kolonier runt växternas rötter och släpper ut nitrater i den omgivande jorden.

Bilden nedan visar rötterna till en ”kvävefixerande växt” – notera de runda knölarna som faktiskt är , kolonier av kvävebindande kemosyntetiska bakterier:

Moderna gödningsmedel tillverkas ofta av konstgjorda nitrater, som de föreningar som tillverkas av kvävefixerande bakterier.

Metanobakterier

Metanobakterier är faktiskt archaeabacteria – men forskare började studera dem långt innan de förstod helt skillnaderna mellan archaeabacteria och ”sanna bakterier.”

Både archaeabacteria och true bakterier är encelliga prokaryoter – vilket betyder att de ser ganska lika ut under mikroskopet. Men moderna metoder för genetisk och biokemisk analys har visat att det finns viktiga kemiska skillnader mellan de två, med arkebakterier som använder många kemiska föreningar och har många gener som inte finns i bakterieriket.

En av de förmågor som finns i arkebakterier som inte finns i ”sanna bakterier” är den metaboliska processen som skapar metan. Endast arkebakterier kan kombinera koldioxid och väte för att producera metan.

Metanobakterier lever i en mängd olika miljöer – inklusive i din egen kropp! Metanobakterier finns på havets botten, i träsk och våtmarker, i magsäcken hos kor – och även i människans magar, där de bryter ner vissa sockerarter som vi inte kan smälta för att producera metan och energi.

• Archaeabacteria – En gammal härstamning av prokaryoter.En gång tänkt att vara en sub-typ av bakterier, har modern analys visat att archaeabacteria är en helt annan härstamning från moderna bakterier.
• Bakterier – Ett modernt rike av prokaryoter. Idag kallas de ibland ”eubakterier” eller ”sanna bakterier” för att skilja dem från arkebakterier.
• Elektrontransportkedja – En princip som ofta används av celler för att skörda energi från miljön. Elektroner passeras genom en serie proteiner som skördar sin energi för att producera livgivande molekyler som ATP.

Quiz

1. Vilket av följande är INTE sant för kemosyntes?
A. Det är processen att använda energi från kemikalier för att skapa organiska föreningar.
B. Det kan inte slutföras utan energi från solljus.
C. Den använder en elektrontransportkedja för att extrahera energi från elektroner.
D. Det kräver både en startkolförening och en källa för kemisk energi.

2. Vilket av följande är INTE sant för kemosyntesekvationen?
A. Det kräver en kolinnehållande oorganisk förening, såsom koldioxid, på reaktantsidan.
B. Det kräver en kemisk energikälla på reaktantsidan.
C. Det slutar med en organisk molekyl, som socker, på produktsidan.
D. Det slutar med en transformerad version av den kemiska energikällan på produktsidan.
E. Inget av ovanstående.

3. Vilket av följande är INTE en typ av kemosyntetiska bakterier?
A. Järnbakterier
B. Metanproducerande bakterier
C. Svavelbakterier
D. Kvävebindande bakterier
E. Inget av ovanstående.