CHEMOSYNTÉZA: FÁZY, ORGANIZMY, ROZDIELY S FOTOSYNTÉZOU - BIOLÓGIE - 2026

Chemosynthesis je charakteristika niektorých biologických procesov autotrofních organizmov, využívajúcich chemickej energie previesť anorganické látky na organické látky. Od fotosyntézy sa líši tým, že druhá využíva energiu zo slnečného svetla.

Organizmy schopné chemosyntézy sú všeobecne prokaryoty, ako sú baktérie a iné mikroorganizmy, ako je archaea, ktoré extrahujú energiu z reakcií, ktoré zahŕňajú oxidáciu veľmi malých zlúčenín.

Fotografia chemosyntetického organizmu Riftia pachyptila (Zdroj: Program Prieskum NOAA Okeanos, Expedícia Galapagos Rift 2011 prostredníctvom Wikimedia Commons)

Najbežnejšími príkladmi chemosyntetických baktérií sú nitrifikačné baktérie, ktoré oxidujú amoniak za vzniku oxidu dusičitého, ako aj sírne baktérie schopné oxidovať kyselinu sírovú, síru a ďalšie zlúčeniny síry.

Pôvod koncepcie

Mikrobiológ Sergei Winogradsky, v roku 1890, bol prvým vedcom, ktorý hovoril o možnej existencii chemosyntetických procesov, pretože predpokladal, že musí existovať proces podobný fotosyntéze, ktorý využíva iný zdroj energie ako slnečné svetlo.

Termín „chemosyntéza“ bol však vytvorený v roku 1897 Pfefferom. Winogradského teórie boli dokázané v roku 1977 počas expedície ponorkou „Alvin“ do hlbokomorských vôd okolo Galapágskych ostrovov.

Počas tejto expedície vedci na palube objavili niektoré bakteriálne ekosystémy, ktoré existovali v prítomnosti anorganických látok a iné v symbióze s niektorými morskými živočíchmi bezstavovcov.

V súčasnosti sú na celom svete známe rôzne chemosyntetické ekosystémy, ktoré sú spojené najmä s morským a oceánskym prostredím av menšej miere s suchozemskými ekosystémami. V týchto prostrediach predstavujú chemosyntetické mikroorganizmy dôležitých primárnych producentov organických látok.

fázy

Chemosyntéza sa takmer vždy vyskytuje na rozhraní aeróbneho a anaeróbneho prostredia, kde sa koncentrujú konečné produkty anaeróbneho rozkladu a veľké množstvá kyslíka.

Chemosyntéza má, rovnako ako fotosyntéza, dobre definované fázy: oxidačnú a biosyntetickú. Prvý používa anorganické zlúčeniny a počas druhej organickej hmoty sa vytvára.

Oxidačná fáza

Počas tejto prvej fázy av závislosti od typu uvažovaného organizmu sa oxidujú rôzne typy redukovaných anorganických zlúčenín, ako sú amoniak, síra a jej deriváty, železo, niektoré deriváty dusíka, vodík atď.

V tejto fáze oxidácia týchto zlúčenín uvoľňuje energiu, ktorá sa používa na fosforyláciu ADP, vytvára ATP, jednu z hlavných energetických mien živých bytostí a okrem toho sa generuje redukčná energia vo forme molekúl NADH.

Špecifickosť chemosyntetického procesu sa týka toho, ktorá časť generovaného ATP sa používa na pohon spätného transportu elektrónového reťazca, aby sa získalo väčšie množstvo redukčných činidiel vo forme NADH.

Stručne povedané, táto fáza pozostáva z tvorby ATP z oxidácie príslušných donorov elektrónov, ktorých biologicky užitočná energia sa používa vo fáze biosyntézy.

Fáza biosyntézy

K biosyntéze organických látok (zlúčenín uhlíka) dochádza vďaka využívaniu energie obsiahnutej vo vysokoenergetických väzbách ATP a redukčnej energii uloženej v molekulách NADH.

Táto druhá fáza chemosyntézy je „homologická“ k tej, ktorá sa vyskytuje počas fotosyntézy, pretože dochádza k fixácii atómov uhlíka v organických molekulách.

V ňom je oxid uhličitý (CO2) fixovaný vo forme organických uhlíkov, zatiaľ čo ATP sa premieňa na ADP a anorganický fosfát.

Chemosyntetické organizmy

Existujú rôzne typy chemosyntetických mikroorganizmov, niektoré sú voliteľné a iné povinné. To znamená, že niektoré sú závislé výlučne od chemosyntézy, aby sa získala energia a organická hmota, a iné to robia, ak ich podmienky prostredia.

Chemosyntetické mikroorganizmy sa príliš nelíšia od iných mikroorganizmov, pretože získavajú energiu aj z procesov prenosu elektrónov, v ktorých sú obsiahnuté molekuly ako sú flavíny, chinóny a cytochrómy.

Z tejto energie sú schopné syntetizovať bunkové zložky z cukrov, ktoré sa syntetizujú interne vďaka redukčnej asimilácii oxidu uhličitého.

Niektorí autori sa domnievajú, že chemosyntetické organizmy možno rozdeliť na chemoorganoutrofy a chemolito-lithoautotrofy podľa typu zlúčeniny, z ktorej extrahujú energiu, ktorá môže byť organická alebo anorganická.

Pokiaľ ide o prokaryoty, väčšina chemosyntetických organizmov sú gramnegatívne baktérie, zvyčajne rodu Pseudomonas a ďalšie príbuzné. Medzi ne patria:

- Nitrifikujúce baktérie.

- Baktérie schopné oxidovať síru a zlúčeniny síry (Sírové baktérie).

- Baktérie schopné oxidovať vodík (vodíkové baktérie).

- Baktérie schopné oxidovať železo (železné baktérie).

Chemosyntetické mikroorganizmy využívajú druh energie, ktorá by sa v biosférickom systéme stratila. Predstavujú veľkú časť biodiverzity a hustoty obyvateľstva mnohých ekosystémov, kde je zavádzanie organických látok veľmi obmedzené.

Ich klasifikácia súvisí so zlúčeninami, ktoré sú schopné použiť ako donory elektrónov.

Nitrifikačné baktérie

Boli objavené v roku 1890 Winogradským a niektoré z doteraz popísaných rodov tvoria agregáty, ktoré sú obklopené rovnakou membránou. Zvyčajne sú izolované od suchozemského prostredia.

Nitrifikácia zahŕňa oxidáciu amónneho (NH4) na dusitany (NO2-) a dusitany (NO2-) na dusičnany (NO3-). Obidve skupiny baktérií, ktoré sa zúčastňujú na tomto procese, často koexistujú v rovnakom prostredí, aby využili oba typy zlúčenín, ktoré používajú CO2 ako zdroj uhlíka.

Baktérie schopné oxidovať síru a zlúčeniny síry

Sú to baktérie schopné oxidovať anorganické zlúčeniny síry a ukladať síru v bunke v špecifických kompartmentoch. Do tejto skupiny sú zaradené niektoré vláknité a nevláknité baktérie rôznych rodov fakultatívnych a povinných baktérií.

Tieto organizmy sú schopné používať zlúčeniny síry, ktoré sú vysoko toxické pre väčšinu organizmov.

Najbežnejšie používanou zlúčeninou tohto typu baktérií je plynný H2S (kyselina sírová). Ako donory elektrónov však môžu použiť aj elementárnu síru, tiosulfáty, polytionáty, sulfidy kovov a ďalšie molekuly.

Niektoré z týchto baktérií vyžadujú kyslé pH, a preto sú známe ako acidofilné baktérie, zatiaľ čo iné to môžu robiť pri neutrálnom pH bližšie k „normálnym“.

Mnohé z týchto baktérií môžu tvoriť „postele“ alebo biofilmy v rôznych typoch prostredí, ale najmä v banských odtokoch, v sírnych horúcich prameňoch a v oceánskych sedimentoch.

Zvyčajne sa nazývajú bezfarebné baktérie, pretože sa líšia od ostatných zelených a purpurových baktérií, ktoré sú fotoautotropné tým, že neobsahujú pigmenty žiadneho druhu a nepotrebujú slnečné svetlo.

Baktérie schopné oxidovať vodík

V tejto skupine sú baktérie schopné rásť v minerálnych médiách s atmosférami bohatými na vodík a kyslík, ktorých jediným zdrojom uhlíka je oxid uhličitý.

Nachádzajú sa tu gram gramnegatívne aj grampozitívne baktérie, ktoré sú schopné rásť v heterotrofných podmienkach a ktoré môžu mať rôzne typy metabolizmu.

Vodík sa hromadí pri anaeróbnom rozklade organických molekúl, čo sa dosahuje rôznymi fermentačnými baktériami. Tento prvok je dôležitým zdrojom baktérií a chemosyntetických archaea.

Mikroorganizmy, ktoré sú schopné ich použiť ako donory elektrónov, to robia vďaka prítomnosti enzýmu hydrogenázy spojeného s ich membránami, ako aj prítomnosti kyslíka ako elektronického akceptora.

Baktérie schopné oxidovať železo a mangán

Táto skupina baktérií je schopná využívať energiu generovanú oxidáciou mangánu alebo železa v železnom stave na železitý. Patria sem aj baktérie schopné rásť v prítomnosti tiosíranov ako anorganických donorov vodíka.

Z ekologického hľadiska sú baktérie oxidujúce železo a horčík dôležité pre detoxikáciu životného prostredia, pretože znižujú koncentráciu rozpustených toxických kovov.

Symbiotické organizmy

Okrem voľne žijúcich baktérií existujú niektoré bezstavovce, ktoré žijú v nehostinných prostrediach a ktoré prežívajú s určitými typmi chemosyntetických baktérií.

Objav prvých symbiontov sa objavil po štúdiu obrovského trubicového červa Riftia pachyptila, ktorý nemal tráviacu trubicu a získaval životnú energiu z reakcií baktérií, s ktorými je spojený.

Rozdiely vo fotosyntéze

Najvýraznejšou vlastnosťou chemosyntetických organizmov je to, že kombinujú schopnosť používať anorganické zlúčeniny na získanie energie a zníženie energie, ako aj účinne viazať molekuly oxidu uhličitého. Niečo, čo sa môže stať pri úplnej absencii slnečného svetla.

Fotosyntézu vykonávajú rastliny, riasy a niektoré druhy baktérií a prvokov. Využíva energiu zo slnečného svetla na poháňanie premeny oxidu uhličitého a vody (fotolýza) na kyslík a uhľohydráty prostredníctvom výroby ATP a NADH.

Chemosyntéza naopak využíva chemickú energiu uvoľnenú z oxidačno-redukčných reakcií na fixáciu molekúl oxidu uhličitého a na produkciu cukrov a vody vďaka získaniu energie vo forme ATP a zníženiu energie.

V chemosyntéze, na rozdiel od fotosyntézy, nie sú zahrnuté žiadne pigmenty a kyslík sa nevytvára ako vedľajší produkt.

Referencie

1. Dubilier, N., Bergin, C. a Lott, C. (2008). Symbiotická diverzita morských živočíchov: Umenie využívania chemosyntézy. Nature Reviews Microbiology, 6 (10), 725–740.
2. Engel, AS (2012). Chemoautotrophy. Encyclopedia of Caves, (1997), 125–134.
3. Enger, E., Ross, F. a Bailey, D. (2009). Concepts in Biology (13. vydanie). McGraw-Hill.
4. Kinne, O. (1975). Morská ekológia. (O. Kinne, Ed.), Comput. Zábava. (2. vydanie, zväzok II). John Wiley a synovia. https://doi.org/10.1145/973801.973803
5. Lees, H. (1962). IV. Niektoré myšlienky o energetike chemosyntézy. Symposium on autotrophy.
6. Pace, M., & Lovett, G. (2013). Primárna produkcia: Založenie ekosystémov. In Základy ekosystémovej vedy (s. 27–51). Elsevier Inc.