CHEMOSYNTÉZA: FÁZE, ORGANISMY, ROZDÍLY S FOTOSYNTÉZOU - BIOLOGIE - 2025

Chemosynthesis je charakteristika některých biologických procesů autotrofních organismů, využívajících chemické energie převést anorganické látky na organické látky. Liší se od fotosyntézy tím, že používá energii ze slunečního světla.

Organizmy schopné chemosyntézy jsou obecně prokaryoty, jako jsou bakterie a jiné mikroorganismy, jako je archaea, které extrahují energii z reakcí, které zahrnují oxidaci velmi malých sloučenin.

Fotografie chemosyntetického organismu Riftia pachyptila (Zdroj: Průzkumný program NOAA Okeanos Explorer, Expedice Galapagos Rift 2011 prostřednictvím Wikimedia Commons)

Nejběžnějšími příklady chemosyntetických bakterií jsou nitrifikační bakterie, které oxidují amoniak za vzniku oxidu dusičitého, jakož i bakterie síry, schopné oxidovat kyselinu sírovou, síru a další sloučeniny síry.

Původ konceptu

Mikrobiolog Sergei Winogradsky, v roce 1890, byl prvním vědcem, který hovořil o možné existenci chemosyntetických procesů, protože předpokládal, že musí existovat proces podobný fotosyntéze, který používá jiný zdroj energie než sluneční světlo.

Nicméně termín „chemosyntéza“ byl vytvořen v roce 1897 Pfefferem. Winogradského teorie byly prokázány v roce 1977 během expedice prováděné ponorkou „Alvin“ do hlubinných oceánských vod kolem Galapágských ostrovů.

Během této výpravy vědci na palubě ponorky objevili některé bakteriální ekosystémy, které existovaly v přítomnosti anorganické hmoty a další v symbióze s některými mořskými živočichy bezobratlých.

V současnosti jsou po celém světě známy různé chemosyntetické ekosystémy, zejména spojené s mořským a oceánským prostředím a v menší míře s suchozemskými ekosystémy. V těchto prostředích představují chemosyntetické mikroorganismy důležité primární producenty organické hmoty.

Fáze

Chemosyntéza se téměř vždy vyskytuje na rozhraní aerobního a anaerobního prostředí, kde se koncentrují konečné produkty anaerobního rozkladu a velkého množství kyslíku.

Podobně jako fotosyntéza má chemosyntéza dobře definované fáze: oxidační a biosyntetickou. První používá anorganické sloučeniny a během druhé organické hmoty se vytváří.

Oxidační fáze

Během této první fáze av závislosti na typu uvažovaného organismu jsou oxidovány různé typy redukovaných anorganických sloučenin, jako je amoniak, síra a její deriváty, železo, některé deriváty dusíku, vodík atd.

V této fázi oxidace těchto sloučenin uvolňuje energii, která se používá pro fosforylaci ADP, vytváří ATP, jednu z hlavních energetických měn živých bytostí a kromě toho se generuje redukční energie ve formě NADH molekul.

Specifičnost chemosyntetického procesu má co do činění s tím, která část generovaného ATP se používá k pohonu zpětného transportu elektronového řetězce, aby se získalo větší množství redukčních činidel ve formě NADH.

Stručně řečeno, tato fáze sestává z tvorby ATP z oxidace příslušných dárců elektronů, jejichž biologicky užitečná energie se používá ve fázi biosyntézy.

Fáze biosyntézy

K biosyntéze organických látek (sloučenin uhlíku) dochází díky využití energie obsažené ve vysokoenergetických vazbách ATP a redukující energii uložené v molekulách NADH.

Tato druhá fáze chemosyntézy je „homologní“ k té, která nastává během fotosyntézy, protože dochází k fixaci atomů uhlíku v organických molekulách.

V něm je oxid uhličitý (CO2) fixován ve formě organických uhlíků, zatímco ATP je přeměňován na ADP a anorganický fosfát.

Chemosyntetické organismy

Existují různé typy chemosyntetických mikroorganismů, některé jsou volitelné a jiné povinné. To znamená, že někteří závisí výhradně na chemosyntéze, aby získali energii a organickou hmotu, jiní tak učiní, pokud je podmínky prostředí.

Chemosyntetické mikroorganismy se příliš neliší od jiných mikroorganismů, protože také získávají energii z procesů přenosu elektronů, kde se podílejí molekuly, jako jsou flaviny, chinony a cytochromy.

Z této energie jsou schopni syntetizovat buněčné složky z cukrů, které jsou syntetizovány interně díky redukční asimilaci oxidu uhličitého.

Někteří autoři se domnívají, že chemosyntetické organismy lze rozdělit na chemoorganoautotrofy a chemo-lithoautotrofy podle typu sloučeniny, ze které extrahují energii, která může být organická nebo anorganická.

Pokud jde o prokaryoty, většina chemosyntetických organismů jsou gramnegativní bakterie, obvykle z rodu Pseudomonas a další příbuzné. Mezi ně patří:

- Nitrifikační bakterie.

- Bakterie schopné oxidovat síru a sloučeniny síry (bakterie síry).

- Bakterie schopné oxidovat vodík (vodíkové bakterie).

- Bakterie schopné oxidovat železo (železné bakterie).

Chemosyntetické mikroorganismy používají druh energie, která by se v biosférickém systému ztratila. Představují velkou část biologické rozmanitosti a hustoty obyvatelstva mnoha ekosystémů, kde je zavádění organických látek velmi omezené.

Jejich klasifikace se týká sloučenin, které jsou schopny použít jako donory elektronů.

Nitrifikační bakterie

Byly objeveny v roce 1890 Winogradským a některá z dosud popsaných rodů tvoří agregáty, které jsou obklopeny stejnou membránou. Obvykle jsou izolovány od pozemního prostředí.

Nitrifikace zahrnuje oxidaci amoniaku (NH4) na dusitany (NO2-) a dusitany (NO2-) na dusičnany (NO3-). Obě skupiny bakterií, které se účastní tohoto procesu, často koexistují ve stejném prostředí, aby využily oba typy sloučenin využívajících CO2 jako zdroj uhlíku.

Bakterie schopné oxidovat síru a sloučeniny síry

Jsou to bakterie schopné oxidovat anorganické sloučeniny síry a ukládat síru v buňce ve specifických kompartmentech. Do této skupiny jsou zařazeny některé vláknité a nefilamentové bakterie různých rodů fakultativních a povinných bakterií.

Tyto organismy jsou schopné používat sloučeniny síry, které jsou vysoce toxické pro většinu organismů.

Nejběžněji používanou sloučeninou u tohoto typu bakterií je plynný H2S (kyselina sírová). Jako donory elektronů však mohou také použít elementární síru, thiosulfáty, polythionáty, sulfidy kovů a další molekuly.

Některé z těchto bakterií vyžadují růst kyselého pH, proto jsou známé jako acidofilní bakterie, zatímco jiné to mohou dělat při neutrálním pH, blíže „normálnímu“.

Mnoho z těchto bakterií může tvořit „postele“ nebo biofilmy v různých typech prostředí, ale zejména v drenážních odvětvích, sirných horkých pramenech a oceánských sedimentech.

Obvykle se nazývají bezbarvé bakterie, protože se liší od ostatních zelených a purpurových bakterií, které jsou fotoautotropní v tom, že nemají pigmenty žádného druhu a nepotřebují sluneční světlo.

Bakterie schopné oxidovat vodík

V této skupině se nacházejí bakterie schopné růstu v minerálních médiích s atmosférami bohatými na vodík a kyslík, jejichž jediným zdrojem uhlíku je oxid uhličitý.

Jsou zde nalezeny gramnegativní i grampozitivní bakterie, schopné růstu v heterotrofních podmínkách a které mohou mít různé typy metabolismu.

Vodík se hromadí z anaerobního rozkladu organických molekul, kterého se dosahuje různými fermentačními bakteriemi. Tento prvek je důležitým zdrojem bakterií a chemosyntetických archaea.

Mikroorganismy, které je mohou použít jako dárce elektronů, to dělají díky přítomnosti enzymu hydrogenázy asociovaného s jejich membránami, jakož i přítomnosti kyslíku jako elektronického akceptoru.

Bakterie schopné oxidovat železo a mangan

Tato skupina bakterií je schopna využívat energii generovanou oxidací manganu nebo železa v železném stavu do železitého stavu. Zahrnuje také bakterie schopné růstu v přítomnosti thiosíranů jako anorganických donorů vodíku.

Z ekologického hlediska jsou bakterie oxidující železo a hořčík důležité pro detoxikaci prostředí, protože snižují koncentraci rozpuštěných toxických kovů.

Symbiotické organismy

Kromě volně žijících bakterií existují i ​​bezobratlí živočichové, kteří žijí v nehostinném prostředí a kteří přežívají ve spojení s určitými typy chemosyntetických bakterií.

Objev prvních symbiontů nastal po studiu obřího červího tubusu Riftia pachyptila, postrádajícího trávicí trubici a získávání vitální energie z reakcí bakterií, se kterými je spojen.

Rozdíly s fotosyntézou

Nejvýraznější vlastností chemosyntetických organismů je to, že kombinují schopnost používat anorganické sloučeniny k získání energie a snížení energie a také efektivně vázat molekuly oxidu uhličitého. Něco, co se může stát při úplné nepřítomnosti slunečního světla.

Fotosyntézu provádějí rostliny, řasy a některé druhy bakterií a prvoků. Využívá energii ze slunečního světla k přeměně oxidu uhličitého a vody (fotolýza) na kyslík a uhlohydráty prostřednictvím produkce ATP a NADH.

Chemosyntéza naopak využívá chemickou energii uvolněnou z oxidačně-redukčních reakcí, aby fixovala molekuly oxidu uhličitého a produkovala cukry a vodu díky získávání energie ve formě ATP a snižování energie.

V chemosyntéze, na rozdíl od fotosyntézy, nejsou zahrnuty žádné pigmenty a kyslík není produkován jako vedlejší produkt.

Reference

1. Dubilier, N., Bergin, C., & Lott, C. (2008). Symbiotická rozmanitost u mořských zvířat: Umění využití chemosyntézy. Nature Reviews Microbiology, 6 (10), 725–740.
2. Engel, AS (2012). Chemoautotropie. Encyclopedia of Caves, (1997), 125–134.
3. Enger, E., Ross, F. a Bailey, D. (2009). Pojmy v biologii (13. vydání). McGraw-Hill.
4. Kinne, O. (1975). Mořská ekologie. (O. Kinne, Ed.), Comput. Bavit. (2. vydání, svazek II). John Wiley a synové.
5. Lees, H. (1962). IV. Některé myšlenky na energetiku chemosyntézy. Symposium on autotrophy.
6. Pace, M., & Lovett, G. (2013). Primární produkce: založení ekosystémů. In Základy ekosystémové vědy (str. 27–51). Elsevier Inc.