ХЕМОСИНТЕЗА: ФАЗЕ, ОРГАНИЗМИ, РАЗЛИКЕ СА ФОТОСИНТЕЗОМ - БИОЛОГИЈА - 2025

Хемосинтеза је карактеристика одређених биолошког процеса аутотрофних организама користеци хемијске енергије за претварање неорганских супстанци органским материјама. Од фотосинтезе се разликује по томе што последња користи енергију из сунчеве светлости.

Организми способни за хемосинтезу су углавном прокариоти попут бактерија и других микроорганизама, попут археје, који енергију извлаче из реакција које укључују оксидацију веома малих једињења.

Фотографија Рифтиа пацхиптила, хемосинтетског организма (Извор: НОАА Океанос Екплорер Екплорер, Галапагос Рифт Екпедитион 2011 путем Викимедиа Цоммонс)

Најчешћи примери хемосинтетских бактерија су нитрификујуће бактерије, које оксидују амонијак до стварања азот диоксида, као и сумпорне бактерије, способне да оксидују сумпорну киселину, сумпор и друга једињења сумпора.

Поријекло концепта

Микробиолог Сергеј Виноградски, 1890. године, први је научник који је говорио о могућем постојању хемосинтетских процеса, пошто је претпоставио да мора постојати процес сличан фотосинтези који користи извор енергије који није сунчева светлост.

Међутим, израз "хемосинтеза" је сковао 1897. године Пфеффер. Теорије Виноградског доказане су 1977. године током експедиције коју је подморница "Алвин" спровела у дубоке океанске воде, око острва Галапагос.

Током ове експедиције, научници на подморници открили су неке бактеријске екосистеме који су инсистирали у присуству неорганске материје и друге у симбиози са неким бескраљежњацима морским животињама.

Тренутно су широм света познати разни хемосинтетски екосистеми, посебно повезани са морским и океанским окружењем, ау мањој мери и са копненим екосистемима. У тим срединама, хемосинтетски микроорганизми представљају важне примарне произвођаче органске материје.

Фазе

Хемосинтеза се готово увек дешава на интерфејсу аеробног и анаеробног окружења, где су концентровани крајњи производи анаеробног распадања и велике количине кисеоника.

Као и фотосинтеза, и хемосинтеза има добро дефинисане фазе: оксидацијску и биосинтетску. У првом се користе неорганска једињења, а током другог се производи органска материја.

Оксидативна фаза

Током ове прве фазе и зависно од врсте организма који се разматрају оксидирају се различите врсте редукованих неорганских једињења, попут амонијака, сумпора и његових деривата, гвожђа, неких деривата азота, водоника итд.

У овој фази, оксидацијом ових једињења ослобађа се енергија која се користи за фосфорилацију АДП-а, формирајући АТП, једну од главних валутних енергија живих бића и, уз то, редуцирајућу снагу ствара у облику НАДХ молекула.

Посебност хемосинтетског процеса има везе са оним делом АТП који се ствара користи да се покрене повратни транспорт електронског ланца, како би се добила већа количина редукционих агенса у облику НАДХ.

Укратко, ова фаза се састоји од формирања АТП-а из оксидације одговарајућих давалаца електрона, чија се биолошки корисна енергија користи у фази биосинтезе.

Фаза биосинтезе

Биосинтеза органске материје (једињења угљеника) настаје захваљујући употреби енергије садржане у високоенергетским везама АТП-а и смањене снаге ускладиштене у молекулама НАДХ.

Ова друга фаза хемосинтезе је "хомологна" оној која се догађа током фотосинтезе, пошто долази до фиксације атома угљеника у органским молекулама.

У њему се угљендиоксид (ЦО2) фиксира у облику органских угљеника, док се АТП претвара у АДП и неоргански фосфат.

Хемосинтетски организми

Постоје разне врсте хемосинтетских микроорганизама, од којих су неки необвезна, а други обавезни. То значи да неки зависе искључиво од хемосинтезе ради добијања енергије и органске материје, а други то чине ако их окружење условљава.

Кемосинтетски микроорганизми се не разликују баш од других микроорганизама, јер они добијају енергију и у процесима преноса електрона у којима учествују молекули попут флавина, хинона и цитохрома.

Из те енергије способни су да синтетишу ћелијске компоненте из шећера који се синтетишу унутра захваљујући редуктивној асимилацији угљен-диоксида.

Неки аутори сматрају да се хемосинтетски организми могу поделити на хемо-органоаутотрофе и хемо-литоаутотрофе, у складу са врстом једињења из кога се црпе енергија, која може бити органска или неорганска.

Што се тиче прокариота, већина хемосинтетских организама су грам-негативне бактерије, обично из рода Псеудомонас и других сродних врста. Међу њима су:

- Нитрификујуће бактерије.

- Бактерије које могу да оксидују сумпор и сумпорна једињења (сумпорне бактерије).

- Бактерије које могу да оксидују водоник (водоничне бактерије).

- Бактерије које могу да оксидирају гвожђе (Ирон Бакцтериа).

Хемосинтетски микроорганизми користе врсту енергије која би се изгубила у систему биосфере. Оне представљају велики део биолошке разноликости и густине насељености многих екосистема где је уношење органске материје врло ограничено.

Њихова класификација се односи на једињења која су способна да користе као даваоци електрона.

Нитрификујуће бактерије

Открио их је 1890. године Виноградски, а неки до сада описани родови формирају агрегате који су окружени истом мембраном. Обично су изоловане од земаљских окружења.

Нитрификација укључује оксидацију амонијума (НХ4) у нитрите (НО2-), а од нитрита (НО2-) у нитрате (НО3-). Две групе бактерија које учествују у овом процесу често коегзистирају на истом станишту како би искористиле обе врсте једињења која користе ЦО2 као извор угљеника.

Бактерије које могу да оксидују сумпор и сумпорна једињења

То су бактерије способне да оксидирају неорганска једињења сумпора и таложе сумпор у ћелији у одређеним деловима. Унутар ове групе сврставају се неке влакнасте и нефиламентне бактерије различитих родова факултативних и облигацијских бактерија.

Ови организми су способни да користе сумпорна једињења која су високо токсична за већину организама.

Једињење које најчешће користи ова врста бактерија је Х2С гас (сумпорна киселина). Међутим, они такође могу да користе елементарни сумпор, тиосулфате, политионате, металне сулфиде и друге молекуле као доноре електрона.

Неким од ових бактерија је потребан кисели пХ да би расли, због чега су познате и као ацидофилне бактерије, док друге могу то учинити при неутралном пХ, ближем „нормалном“.

Многе од ових бактерија могу да формирају "кревете" или биофилмове у различитим врстама окружења, посебно у одводима рударске индустрије, врелим изворима сумпора и у океанским седиментима.

Обично их називају безбојним бактеријама, јер се разликују од осталих зелених и љубичастих бактерија које су фотоаутотрофне по томе што немају никакве пигменте и не требају им сунчеву светлост.

Бактерије које могу да оксидују водоник

У овој групи налазе се бактерије способне да расту у минералним медијима са атмосфером богатом водоником и кисеоником и чији је једини извор угљеника угљен диоксид.

Овде се налазе и грам-негативне и грам-позитивне бактерије које су способне да расту у хетеротрофичним условима и које могу имати различите врсте метаболизма.

Водоник се накупља од анаеробног распада органских молекула, што се постиже различитим ферментативним бактеријама. Овај елемент је важан извор бактерија и хемосинтетских арха.

Микроорганизми који су способни да га користе као давалац електрона то чине захваљујући присуству ензима хидрогеназе који је повезан са њиховим мембранама, као и присуству кисеоника као електронског акцептора.

Бактерије које могу да оксидирају гвожђе и манган

Ова група бактерија је способна да користи енергију која настаје оксидацијом мангана или гвожђа у ферозном стању до ферричног стања. Такође укључује бактерије које могу да расту у присуству тиосулфата као неорганских донатора водоника.

Са еколошког становишта, гвожђе и магнезијум оксидирајуће бактерије важне су за детоксикацију животне средине, јер смањују концентрацију растворених токсичних метала.

Симбиотски организми

Поред бактерија које слободно живе, постоје и неке бескраљежњаке које живе у неприступачном окружењу и које се повезују са одређеним врстама хемосинтетских бактерија да би преживеле.

Откривање првих симбионата догодило се након испитивања џиновског црева, Рифтиа пацхиптила, којем недостаје пробавна цев и добија виталну енергију реакцијама које су вршиле бактерије са којима је повезан.

Разлике са фотосинтезом

Најкарактеристичнија карактеристика хемосинтетских организама је та што они комбинују способност коришћења неорганских једињења за добијање енергије и смањене снаге, као и за ефикасно везање молекула угљен-диоксида. Нешто што се може догодити у потпуном одсуству сунчеве светлости.

Фотосинтезу врше биљке, алге и неке врсте бактерија и протозоа. Користи енергију из сунчеве светлости за покретање трансформације угљен-диоксида и воде (фотолиза) у кисеоник и угљене хидрате, производњом АТП-а и НАДХ.

Кемосинтеза, с друге стране, користи хемијску енергију ослобођену реакцијама редукције оксидације да би фиксирала молекуле угљен-диоксида и произвела шећере и воду захваљујући добијању енергије у облику АТП-а и смањењу снаге.

У хемосинтези, за разлику од фотосинтезе, не укључују се пигменти и кисеоник се не производи као нуспроизвод.

Референце

1. Дубилиер, Н., Бергин, Ц., & Лотт, Ц. (2008). Симбиотска разноликост морских животиња: Уметност искориштавања хемосинтезе. Натуре Ревиевс Мицробиологи, 6 (10), 725–740.
2. Енгел, АС (2012). Хемоаутотрофија. Енцицлопедиа оф Цавес, (1997), 125–134.
3. Енгер, Е., Росс, Ф., и Бејли, Д. (2009). Појмови из биологије (13. изд.). МцГрав-Хилл.
4. Кинне, О. (1975). Морска екологија. (О. Кинне, ур.), Рачунарство. Забавити. (ИИ изд., Вол. ИИ). Јохн Вилеи & Сонс. хттпс://дои.орг/10.1145/973801.973803
5. Леес, Х. (1962). ИВ. Неке мисли о енергетици хемосинтезе. Симпозијум о аутотрофији.
6. Паце, М., и Ловетт, Г. (2013). Примарна производња: Основа екосистема. У основама науке о екосистему (стр. 27–51). Елсевиер Инц.