CHEMOSYNTEZA: FAZY, ORGANIZMY, RÓŻNICE W FOTOSYNTEZIE - BIOLOGIA - 2025

Chemosynteza jest charakterystyczne dla pewnych procesów biologicznych samożywnych organizmów wykorzystujących energię chemiczną w celu przekształcenia w substancje nieorganiczne, substancje organiczne. Różni się od fotosyntezy tym, że ta ostatnia wykorzystuje energię słoneczną.

Organizmy zdolne do chemosyntezy to na ogół prokarioty, takie jak bakterie i inne mikroorganizmy, takie jak archeony, które pobierają energię z reakcji obejmujących utlenianie bardzo małych związków.

Zdjęcie Riftia pachyptila, organizmu chemosyntetycznego (źródło: NOAA Okeanos Explorer Program, Galapagos Rift Expedition 2011 za pośrednictwem Wikimedia Commons)

Najpowszechniejszymi przykładami bakterii chemosyntetycznych są bakterie nitryfikacyjne, które utleniają amoniak do produkcji dwutlenku azotu, a także bakterie siarkowe zdolne do utleniania kwasu siarkowego, siarki i innych związków siarki.

Geneza koncepcji

Mikrobiolog Siergiej Winogradsky w 1890 roku był pierwszym naukowcem, który mówił o możliwym istnieniu procesów chemosyntetycznych, ponieważ zakładał, że musi istnieć proces podobny do fotosyntezy, który wykorzystuje inne źródło energii niż światło słoneczne.

Jednak termin „chemosynteza” został wymyślony w 1897 roku przez Pfeffera. Teorie Winogradsky'ego zostały udowodnione w 1977 roku podczas wyprawy okrętu podwodnego „Alvin” na głębokie wody oceaniczne wokół wysp Galapagos.

Podczas tej wyprawy naukowcy na pokładzie łodzi podwodnej odkryli niektóre ekosystemy bakteryjne, które istniały w obecności materii nieorganicznej, a inne w symbiozie z niektórymi bezkręgowymi zwierzętami morskimi.

Obecnie na całym świecie znane są różne ekosystemy chemosyntetyczne, zwłaszcza związane ze środowiskiem morskim i oceanicznym oraz, w mniejszym stopniu, z ekosystemami lądowymi. W tych środowiskach mikroorganizmy chemosyntetyczne są ważnymi pierwotnymi producentami materii organicznej.

Fazy

Chemosynteza prawie zawsze zachodzi na styku środowisk tlenowych i beztlenowych, gdzie koncentrują się końcowe produkty rozkładu beztlenowego i duże ilości tlenu.

Podobnie jak fotosynteza, chemosynteza ma dobrze zdefiniowane fazy: oksydacyjną i biosyntetyczną. Pierwsza wykorzystuje związki nieorganiczne, a podczas drugiej wytwarzana jest materia organiczna.

Faza oksydacyjna

Podczas tej pierwszej fazy, w zależności od rodzaju rozpatrywanego organizmu, utleniane są różne typy zredukowanych związków nieorganicznych, takie jak amoniak, siarka i jej pochodne, żelazo, niektóre pochodne azotu, wodór itp.

W tej fazie utlenianie tych związków uwalnia energię, która jest wykorzystywana do fosforylacji ADP, tworząc ATP, jedną z głównych walut energetycznych istot żywych, a ponadto generowana jest moc redukcyjna w postaci cząsteczek NADH.

Specyfika procesu chemosyntezy wiąże się z tym, która część generowanego ATP jest wykorzystywana do napędzania transportu zwrotnego łańcucha elektronowego w celu uzyskania większej ilości środków redukujących w postaci NADH.

Podsumowując, etap ten polega na tworzeniu ATP z utleniania odpowiednich donorów elektronów, których biologicznie użyteczna energia jest wykorzystywana w fazie biosyntezy.

Faza biosyntezy

Biosynteza materii organicznej (związków węgla) zachodzi dzięki wykorzystaniu energii zawartej w wysokoenergetycznych wiązaniach ATP oraz mocy redukującej zmagazynowanej w cząsteczkach NADH.

Ta druga faza chemosyntezy jest „homologiczna” do tej, która zachodzi podczas fotosyntezy, ponieważ zachodzi wiązanie atomów węgla w cząsteczkach organicznych.

W nim dwutlenek węgla (CO2) jest wiązany w postaci organicznych węgli, podczas gdy ATP jest przekształcany w ADP i nieorganiczny fosforan.

Organizmy chemosyntetyczne

Istnieją różne rodzaje mikroorganizmów chemosyntetycznych, niektóre są opcjonalne, a inne obowiązkowe. Oznacza to, że niektórzy polegają wyłącznie na chemosyntezie, aby uzyskać energię i materię organiczną, a inni robią to, jeśli warunkuje je środowisko.

Mikroorganizmy chemosyntetyczne nie różnią się zbytnio od innych mikroorganizmów, ponieważ pozyskują energię również z procesów transportu elektronów, w których zaangażowane są cząsteczki takie jak flawiny, chinony i cytochromy.

Z tej energii są w stanie syntetyzować składniki komórkowe z cukrów, które są syntetyzowane wewnętrznie dzięki redukcyjnej asymilacji dwutlenku węgla.

Niektórzy autorzy uważają, że organizmy chemosyntetyczne można podzielić na chemo-organoautotrofy i chemo-litoautotrofy, ze względu na rodzaj związku, z którego pobierają energię, która może być odpowiednio organiczna lub nieorganiczna.

Jeśli chodzi o prokarionty, większość organizmów chemosyntetyzujących to bakterie Gram-ujemne, zwykle z rodzaju Pseudomonas i inne pokrewne. Wśród nich są:

- Bakterie nitryfikacyjne.

- Bakterie zdolne do utleniania siarki i związków siarki (Bakterie Siarki).

- Bakterie zdolne do utleniania wodoru (bakterie wodorowe).

- Bakterie zdolne do utleniania żelaza (Iron Bacteria).

Mikroorganizmy chemosyntetyczne wykorzystują rodzaj energii, która byłaby tracona w systemie biosfery. Stanowią one dużą część różnorodności biologicznej i gęstości zaludnienia wielu ekosystemów, w których wprowadzanie materii organicznej jest bardzo ograniczone.

Ich klasyfikacja dotyczy związków, które są w stanie wykorzystać jako donory elektronów.

Bakterie nitryfikacyjne

Zostały odkryte w 1890 roku przez Winogradsky'ego, a niektóre z opisanych do tej pory rodzajów tworzą agregaty otoczone tą samą membraną. Są powszechnie izolowane od środowisk lądowych.

Nitryfikacja obejmuje utlenianie amonu (NH4) do azotynów (NO2-) i azotynów (NO2-) do azotanów (NO3-). Dwie grupy bakterii biorących udział w tym procesie często współistnieją w tym samym środowisku, aby wykorzystać oba typy związków wykorzystujących CO2 jako źródło węgla.

Bakterie zdolne do utleniania związków siarki i siarki

Są to bakterie zdolne do utleniania nieorganicznych związków siarki i osadzania siarki w komórce w określonych przedziałach. Do tej grupy zalicza się bakterie nitkowate i niewłókniste z różnych rodzajów bakterii fakultatywnych i obligatoryjnych.

Organizmy te mogą wykorzystywać związki siarki, które są wysoce toksyczne dla większości organizmów.

Związkiem najczęściej wykorzystywanym przez tego typu bakterie jest gaz H2S (kwas siarkowy). Mogą jednak również wykorzystywać siarkę elementarną, tiosiarczany, politioniany, siarczki metali i inne cząsteczki jako donory elektronów.

Niektóre z tych bakterii do wzrostu wymagają kwaśnego pH, dlatego są znane jako bakterie kwasofilne, podczas gdy inne mogą to robić przy pH obojętnym, bliższym „normalnemu”.

Wiele z tych bakterii może tworzyć „złoża” lub biofilmy w różnych typach środowisk, ale szczególnie w drenach przemysłu górniczego, siarkowych gorących źródłach i osadach oceanicznych.

Zwykle nazywa się je bakteriami bezbarwnymi, ponieważ różnią się od innych bakterii fotoautotroficznych zielonych i fioletowych tym, że nie mają żadnych pigmentów i nie potrzebują światła słonecznego.

Bakterie zdolne do utleniania wodoru

W tej grupie znajdują się bakterie zdolne do wzrostu w pożywkach mineralnych o atmosferze bogatej w wodór i tlen, których jedynym źródłem węgla jest dwutlenek węgla.

Występują tu zarówno bakterie Gram-ujemne, jak i Gram-dodatnie, zdolne do wzrostu w warunkach heterotroficznych i mające różne rodzaje metabolizmu.

Wodór gromadzi się w wyniku beztlenowego rozkładu cząsteczek organicznych, który jest osiągany przez różne bakterie fermentacyjne. Pierwiastek ten jest ważnym źródłem bakterii i archeonów chemosyntetycznych.

Mikroorganizmy zdolne do wykorzystania go jako donora elektronów robią to dzięki obecności enzymu hydrogenazy związanego z ich błonami, a także obecności tlenu jako akceptora elektronicznego.

Bakterie zdolne do utleniania żelaza i manganu

Ta grupa bakterii jest zdolna do wykorzystania energii wytworzonej z utleniania manganu lub żelaza w stanie żelaznym do stanu żelazowego. Obejmuje również bakterie zdolne do wzrostu w obecności tiosiarczanów jako nieorganicznych donorów wodoru.

Z ekologicznego punktu widzenia bakterie utleniające żelazo i magnez są ważne dla detoksykacji środowiska, ponieważ zmniejszają stężenie rozpuszczonych toksycznych metali.

Organizmy symbiotyczne

Oprócz wolno żyjących bakterii istnieją bezkręgowce, które żyją w niegościnnym środowisku i aby przeżyć, łączą się z określonymi typami bakterii chemosyntetycznych.

Odkrycie pierwszych symbiontów nastąpiło po zbadaniu gigantycznego robaka rurkowego Riftia pachyptila, pozbawionego przewodu pokarmowego i pozyskującego energię życiową z reakcji przeprowadzanych przez bakterie, z którymi jest powiązany.

Różnice w fotosyntezie

Najbardziej charakterystyczną cechą organizmów chemosyntetycznych jest to, że łączą one zdolność wykorzystywania związków nieorganicznych do pozyskiwania energii i mocy redukcyjnej, a także do skutecznego wiązania cząsteczek dwutlenku węgla. Coś, co może się zdarzyć przy całkowitym braku światła słonecznego.

Fotosynteza jest prowadzona przez rośliny, algi oraz niektóre rodzaje bakterii i pierwotniaków. Wykorzystuje energię słoneczną do napędzania przemiany dwutlenku węgla i wody (fotoliza) w tlen i węglowodany poprzez produkcję ATP i NADH.

Natomiast chemosynteza wykorzystuje energię chemiczną uwolnioną w reakcjach utleniania-redukcji do wiązania cząsteczek dwutlenku węgla oraz produkcji cukrów i wody dzięki pozyskiwaniu energii w postaci ATP i mocy redukcyjnej.

W chemosyntezie, w przeciwieństwie do fotosyntezy, nie są zaangażowane żadne pigmenty, a tlen nie jest wytwarzany jako produkt uboczny.

Bibliografia

1. Dubilier, N., Bergin, C. i Lott, C. (2008). Symbiotyczna różnorodność zwierząt morskich: Sztuka wykorzystywania chemosyntezy. Nature Reviews Microbiology, 6 (10), 725–740.
2. Engel AS (2012). Chemoautotrofia. Encyclopedia of Caves, (1997), s. 125–134.
3. Enger, E., Ross, F. i Bailey, D. (2009). Concepts in Biology (13th ed.). McGraw-Hill.
4. Kinne, O. (1975). Ekologia morska. (O. Kinne, red.), Comput. Bawić. (Wyd. 2, tom II). John Wiley & Sons. https://doi.org/10.1145/973801.973803
5. Lees, H. (1962). IV. Kilka uwag na temat energetyki chemosyntezy. Sympozjum na temat autotrofii.
6. Pace, M. i Lovett, G. (2013). Produkcja podstawowa: podstawa ekosystemów. W: Fundamentals of Ecosystem Science (s. 27–51). Elsevier Inc.