KEMOSYNTES: FASER, ORGANISMER, SKILLNADER MED FOTOSYNTES - BIOLOGI - 2025

Den chemosynthesis är en egenskap hos vissa biologiska process autotrofa organismer utnyttjar kemisk energi för att omvandla oorganiska ämnen i organiskt material. Det skiljer sig från fotosyntesen genom att den senare använder energi från solljus.

De organismer som kan kemosyntes är i allmänhet prokaryoter såsom bakterier och andra mikroorganismer såsom archaea, som extraherar energi från reaktioner som involverar oxidation av mycket små föreningar.

Fotografi av Riftia pachyptila, en kemosyntetisk organisme (Källa: NOAA Okeanos Explorer-programmet, Galapagos Rift Expedition 2011 via Wikimedia Commons)

De vanligaste exemplen på kemosyntetiska bakterier är nitrerande bakterier som oxiderar ammoniak för att producera kvävedioxid samt svavelbakterier, som kan oxidera svavelsyra, svavel och andra svavelföreningar.

Konceptets ursprung

1890 var mikrobiologen Sergei Winogradsky den första forskaren som talade om den möjliga förekomsten av kemosyntetiska processer, eftersom han antog att det måste finnas en process som liknar fotosyntes som använder en annan energikälla än solljus.

Emellertid myntades termen "kemosyntes" 1897 av Pfeffer. Winogradskys teorier bevisades 1977 under expeditionen som utfördes av ubåten "Alvin" i djupa havsvatten, runt Galapagosöarna.

Under denna expedition upptäckte forskarna ombord på ubåten vissa bakteriella ekosystem som fanns i närvaro av oorganiskt ämne och andra i symbios med vissa marina djur utan ryggrad.

För närvarande är olika kemosyntetiska ekosystem kända över hela världen, speciellt förknippade med marina och oceaniska miljöer och, i mindre utsträckning, med markbundna ekosystem. I dessa miljöer representerar kemosyntetiska mikroorganismer viktiga primära producenter av organiskt material.

faser

Kemosyntes förekommer nästan alltid vid gränssnittet i aeroba och anaeroba miljöer, där slutprodukterna av anaerob nedbrytning och stora mängder syre koncentreras.

Liksom fotosyntes har kemosyntesen väldefinierade faser: ett oxidativt och ett biosyntetiskt. Den första använder oorganiska föreningar och under det andra organiska materialet produceras.

Oxidativ fas

Under denna första fas och beroende på vilken typ av organism som beaktas, oxideras olika typer av reducerade oorganiska föreningar, såsom ammoniak, svavel och dess derivat, järn, vissa derivat av kväve, väte, etc.

I denna fas frigör oxidationen av dessa föreningar energin som används för fosforylering av ADP, och bildar ATP, en av de viktigaste energivärterna för levande varelser och dessutom genereras reducerande kraft i form av NADH-molekyler.

En särskildhet i den kemosyntetiska processen har att göra med vilken del av ATP som genereras används för att driva den omvända transporten av elektronkedjan för att erhålla en större mängd reduktionsmedel i form av NADH.

Sammanfattningsvis består detta steg av bildandet av ATP från oxidationen av lämpliga elektrondonatorer, vars biologiskt användbara energi används i biosyntesfasen.

Biosyntesfas

Biosyntesen av organiskt material (kolföreningar) sker tack vare användningen av energin i ATP: s högenergibindningar och den reducerande kraften som lagras i NADH-molekylerna.

Denna andra fas av kemosyntesen är "homolog" med den som inträffar under fotosyntesen, eftersom fixeringen av kolatomer i organiska molekyler sker.

I den fixas koldioxid (CO2) i form av organiska kolatomer, medan ATP omvandlas till ADP och oorganiskt fosfat.

Kemosyntetiska organismer

Det finns olika typer av kemosyntetiska mikroorganismer, vissa är valfria och andra obligatoriska. Detta innebär att vissa uteslutande är beroende av kemosyntes för att få energi och organiska ämnen, och andra gör det om miljön förutsätter dem.

Kemosyntetiska mikroorganismer skiljer sig inte så mycket från andra mikroorganismer, eftersom de också erhåller energi från elektrontransportprocesser där molekyler som flaviner, kinoner och cytokromer är involverade.

Från denna energi kan de syntetisera cellkomponenter från sockerarter som syntetiseras internt tack vare den reducerande assimilationen av koldioxid.

Vissa författare anser att kemosyntetiska organismer kan delas upp i kemo-organoautotrofer och kemolitoautotrofer, beroende på vilken typ av förening de utvinner energi, som kan vara organiska eller oorganiska.

När det gäller prokaryoter är de flesta av de kemosyntetiska organismerna gramnegativa bakterier, vanligtvis av släktet Pseudomonas och andra besläktade. Bland dessa är:

- Nitrifierande bakterier.

- Bakterier som kan oxidera svavel- och svavelföreningar (svavelbakterier).

- Bakterier som kan oxidera väte (vätebakterier).

- Bakterier som kan oxidera järn (Iron Bacteria).

Kemosyntetiska mikroorganismer använder en typ av energi som skulle gå förlorad i biosfärsystemet. Dessa utgör en stor del av den biologiska mångfalden och befolkningstätheten i många ekosystem där införandet av organiskt material är mycket begränsat.

Deras klassificering har att göra med de föreningar som de kan använda som elektroniska givare.

Nitrifierande bakterier

De upptäcktes 1890 av Winogradsky och några av de hittills beskrivna släkten bildar aggregat som är omgivna av samma membran. De är vanligtvis isolerade från markmiljöer.

Nitrifikation innefattar oxidation av ammonium (NH4) till nitriter (NO2-) och av nitriter (NO2-) till nitrater (NO3-). De två grupperna av bakterier som deltar i denna process existerar ofta i samma livsmiljö för att dra fördel av båda typerna av föreningar som använder koldioxid som kolkälla.

Bakterier som kan oxidera svavel och svavelföreningar

Dessa är bakterier som kan oxidera oorganiska svavelföreningar och avsätta svavel i cellen i specifika fack. Inom denna grupp klassificeras några filamentösa och icke-filamentösa bakterier av olika släkten av fakultativa och obligatoriska bakterier.

Dessa organismer kan använda svavelföreningar som är mycket giftiga för de flesta organismer.

Den förening som oftast används av denna typ av bakterier är H2S-gas (svavelsyra). De kan emellertid också använda elementärt svavel, tiosulfater, polionjonater, metallsulfider och andra molekyler som elektrondonatorer.

En del av dessa bakterier kräver surt pH för att växa, varför de är kända som sura filila bakterier, medan andra kan göra det vid neutralt pH, närmare "normalt".

Många av dessa bakterier kan bilda "bäddar" eller biofilmer i olika typer av miljöer, men särskilt i gruvbranschavlopp, svavelformiga varma källor och havssediment.

De kallas vanligtvis färglösa bakterier, eftersom de skiljer sig från andra gröna och lila bakterier som är fotoautotrofa eftersom de inte har pigment av något slag, och de behöver inte solljus.

Bakterier som kan oxidera väte

I denna grupp finns bakterier som kan växa i mineralmedier med atmosfärer som är rika på väte och syre och vars enda koldioxid är koldioxid.

Både gramnegativa och grampositiva bakterier finns här, som kan växa under heterotrofa tillstånd och som kan ha olika typer av metabolism.

Väte ackumuleras från den anaeroba nedbrytningen av organiska molekyler, vilket uppnås av olika fermentativa bakterier. Detta element är en viktig källa till bakterier och kemosyntetisk archaea.

Mikroorganismer som kan använda den som en elektrondonator gör det tack vare närvaron av ett hydrasasenzym associerat med deras membran, samt närvaron av syre som en elektronisk acceptor.

Bakterier som kan oxidera järn och mangan

Denna grupp av bakterier kan använda energin som genereras från oxidation av mangan eller järn i dess järn tillstånd till dess järn tillstånd. Det inkluderar också bakterier som kan växa i närvaro av tiosulfater som oorganiska vätedonatorer.

Ur ekologisk synvinkel är järn- och magnesiumoxiderande bakterier viktiga för avgiftning av miljön, eftersom de minskar koncentrationen av upplösta toxiska metaller.

Symbiotiska organismer

Förutom frittlevande bakterier finns det några ryggradslösa djur som lever i omöjliga miljöer och som förknippas med vissa typer av kemosyntetiska bakterier för att överleva.

Upptäckten av de första symbionterna inträffade efter studien av en jätte rörmask, Riftia pachyptila, saknade ett matsmältningsrör och erhöll vital energi från reaktionerna som utförts av bakterierna som den är förknippad med.

Skillnader med fotosyntes

Det mest utmärkande kännetecknet för kemosyntetiska organismer är att de kombinerar förmågan att använda oorganiska föreningar för att få energi och reducera kraft, samt att effektivt binda koldioxidmolekyler. Något som kan hända i den totala frånvaron av solljus.

Fotosyntes utförs av växter, alger och av vissa typer av bakterier och protoso. Den använder energi från solljus för att driva omvandlingen av koldioxid och vatten (fotolys) till syre och kolhydrater genom produktion av ATP och NADH.

Kemosyntes utnyttjar tvärtom den kemiska energin som frigörs från oxidationsreduktionsreaktioner för att fixera koldioxidmolekyler och producera socker och vatten tack vare att man erhåller energi i form av ATP och reducerar kraft.

I kemosyntes, till skillnad från fotosyntes, är inga pigment involverade och syre produceras inte som en biprodukt.

referenser

1. Dubilier, N., Bergin, C., & Lott, C. (2008). Symbiotisk mångfald hos marina djur: konsten att utnyttja kemosyntes. Nature Reviews Microbiology, 6 (10), 725–740.
2. Engel, AS (2012). Chemoautotrophy. Encyclopedia of Caves, (1997), 125–134.
3. Enger, E., Ross, F., & Bailey, D. (2009). Concepts in Biology (13: e upplagan). McGraw-Hill.
4. Kinne, O. (1975). Marin ekologi. (O. Kinne, red.), Comput. Underhålla. (2: a upplagan, vol. II). John Wiley & Sons. https://doi.org/10.1145/973801.973803
5. Lees, H. (1962). IV. Några tankar om kemosyntesens energikraft. Symposium om autotrofi.
6. Pace, M., & Lovett, G. (2013). Primärproduktion: The Foundation of Ecosystems. I Fundamentals of Ecosystem Science (s. 27–51). Elsevier Inc.