Определение и примеры хемосинтеза

Хемосинтез - это превращение соединений углерода и других молекул в органические соединения. В этой биохимической реакции метан или неорганическое соединение, такое как сероводород или газообразный водород, представляет собой окисленный выступать в качестве источника энергии. Напротив, источник энергии для фотосинтез (набор реакций, посредством которых углекислый газ и вода превращаются в глюкозу и кислород) использует энергию солнечного света для питания процесса.

Идея о том, что микроорганизмы могут жить на неорганических соединениях, была предложена Сергеем Николаевичем Виноградным (Виноградский) в 1890 году, основываясь на исследованиях, проведенных на бактериях, которые, по-видимому, живут от азота, железа или серы. Гипотеза была подтверждена в 1977 году, когда глубоководный подводный Элвин наблюдал трубчатых червей и других живых существ гидротермальные жерла на Галапагосском рифте. Студентка Гарварда Коллин Кавано предложила, а затем подтвердила, что трубчатые черви выжили благодаря их связи с хемосинтетическими бактериями. Официальное открытие хемосинтеза приписывается Кавано.

Организмы, которые получают энергию путем окисления доноров электронов, называются хемотрофами. Если молекулы являются органическими, организмы называются хемоорганотрофами. Если молекулы неорганические, организмы являются терминами хемолитотрофов. Напротив, организмы, которые используют солнечную энергию, называются фототрофами.

Хемоавтотрофы получают энергию из химических реакций и синтезируют органические соединения из углекислого газа. Источником энергии для хемосинтеза может быть элементарная сера, сероводород, молекулярный водород, аммиак, марганец или железо. Примеры хемоавтотрофов включают бактерии и метаногенные археи, живущие в глубоководных жерлах. Слово «хемосинтез» было первоначально придумано Вильгельмом Пфеффером в 1897 году для описания производства энергии путем окисления неорганических молекул автотрофами (хемолитоавтотрофия). По современному определению, хемосинтез также описывает производство энергии посредством хемоорганоавтотрофии.

Хемогетеротрофы не могут связывать углерод с образованием органических соединений. Вместо этого они могут использовать неорганические источники энергии, такие как сера (хемолитогетеротрофы) или органические источники энергии, такие как белки, углеводы и липиды (хемоорганогетеротрофы).

Хемосинтез был обнаружен в гидротермальных жерлах, изолированных пещерах, клатратах метана, падениях китов и холодных утечках. Было выдвинуто предположение, что процесс может позволить жизнь под поверхностью Марса и Луны Юпитера Европы. а также в других местах Солнечной системы. Хемосинтез может происходить в присутствии кислорода, но это не обязательно.

Помимо бактерий и архей, некоторые более крупные организмы полагаются на хемосинтез. Хорошим примером является гигантский трубчатый червь, который в большом количестве находится вокруг глубоких гидротермальных жерл. Каждый червь содержит хемосинтетические бактерии в органе, называемом трофосомой. Бактерии окисляют серу из окружающей среды червя, чтобы произвести питание, в котором нуждается животное. Используя сероводород в качестве источника энергии, реакция для хемосинтеза является:

12 ч₂S + 6 CO₂ → C₆ЧАС₁₂О₆ + 6 ч₂O + 12 S

Это очень похоже на реакцию по производству углеводов путем фотосинтеза, за исключением фотосинтез выделяет газообразный кислород, в то время как хемосинтез дает твердую серу. Желтые гранулы серы видны в цитоплазме бактерий, которые проводят реакцию.

Другой пример хемосинтеза был обнаружен в 2013 году, когда были обнаружены бактерии, живущие в базальте под осадком дна океана. Эти бактерии не были связаны с гидротермальным жерлом. Было высказано предположение, что бактерии используют водород при восстановлении минералов в морской воде, омывающей скалу. Бактерии могут реагировать водородом и углекислым газом с образованием метана.

Хотя термин «хемосинтез» чаще всего применяется к биологическим системам, его можно использовать более широко для описания любой формы химического синтеза, вызванного случайным тепловым движением реагенты. Напротив, механическое манипулирование молекулами для контроля их реакции называется «механосинтез». И хемосинтез, и механосинтез могут создавать сложные соединения, включая новые молекулы и органические молекулы.

• Кэмпбелл, Нил А. и др. Биология. 8-е изд., Пирсон, 2008.
• Келли, Донован П. и Энн П. Дерево. “Хемолитотрофные прокариоты.” Прокариотыпод редакцией Мартина Дворкина и др., 2006, с. 441-456.
• Шлегель Х.Г. «Механизмы хемоавтотрофии». Экология моря: комплексный комплексный трактат о жизни в океанах и прибрежных водахпод редакцией Отто Кинне, Wiley, 1975, стр. 9-60.
• Сомеро, Гн. «Симбиотическая эксплуатация сероводорода.” физиологиятом 2, нет 1, 1987, с. 3-6.