KJEMOSYNTESE: FASER, ORGANISMER, FORSKJELLER MED FOTOSYNTESEN - BIOLOGI - 2026

Den chemosynthesis er karakteristisk for visse biologisk prosess autotrofe organismer som utnytter kjemisk energi for å omdanne uorganiske stoffer på organisk materiale. Det skiller seg fra fotosyntesen ved at sistnevnte bruker energi fra sollys.

Organismene som er i stand til kjemosyntese er generelt prokaryoter som bakterier og andre mikroorganismer som archaea, som utvinner energi fra reaksjoner som involverer oksidasjon av veldig små forbindelser.

Fotografi av Riftia pachyptila, en kjemosyntetisk organisme (Kilde: NOAA Okeanos Explorer Program, Galapagos Rift Expedition 2011 via Wikimedia Commons)

De vanligste eksemplene på kjemosyntetiske bakterier er nitrifiserende bakterier, som oksiderer ammoniakk for å produsere nitrogendioksid, så vel som svovelbakterier, som er i stand til å oksidere svovelsyre, svovel og andre svovelforbindelser.

Opprinnelsen til konseptet

Mikrobiologen Sergej Winogradsky var i 1890 den første forskeren som snakket om den mulige eksistensen av kjemosyntetiske prosesser, siden han antok at det må være en prosess som ligner fotosyntesen som bruker en annen energikilde enn sollys.

Imidlertid ble begrepet "kjemosyntese" myntet i 1897 av Pfeffer. Winogradskys teorier ble påvist i 1977 under ekspedisjonen som ble utført av ubåten "Alvin" i dypt havvann, rundt Galapagosøyene.

Under denne ekspedisjonen oppdaget forskerne ombord ubåten noen bakterielle økosystemer som levde i nærvær av uorganisk materiale og andre i symbiose med noen marine virvelløse dyr.

For tiden er forskjellige kjemosyntetiske økosystemer kjent over hele verden, spesielt assosiert med marine og oseaniske miljøer, og i mindre grad med terrestriske økosystemer. I disse miljøene representerer kjemosyntetiske mikroorganismer viktige primære produsenter av organisk materiale.

faser

Kjemosyntese skjer nesten alltid ved grensesnittet til aerobe og anaerobe miljøer, der sluttproduktene av anaerob nedbrytning og store mengder oksygen konsentreres.

I likhet med fotosyntesen har kjemosyntese veldefinerte faser: et oksidativt og et biosyntese. Den første bruker uorganiske forbindelser og i løpet av det andre organiske materialet blir produsert.

Oksidativ fase

I løpet av denne første fasen og avhengig av hvilken type organisme som ble vurdert, oksideres forskjellige typer reduserte uorganiske forbindelser, så som ammoniakk, svovel og derivater derav, jern, noen derivater av nitrogen, hydrogen, etc.

I denne fasen frigjør oksidasjonen av disse forbindelsene energien som brukes til fosforylering av ADP, og danner ATP, en av de viktigste energivalutaene til levende vesener, og i tillegg genereres reduserende kraft i form av NADH-molekyler.

En spesiell karakter av den kjemosyntetiske prosessen har å gjøre med hvilken del av ATP som blir generert som blir brukt for å fremheve den omvendte transporten av elektronkjeden, for å oppnå en større mengde reduksjonsmidler i form av NADH.

Oppsummert består dette trinnet av dannelse av ATP fra oksidasjon av de passende elektrondonorer, hvis biologisk nyttige energi blir brukt i biosyntesefasen.

Biosyntesefase

Biosyntesen av organisk materiale (karbonforbindelser) forekommer takket være bruken av energien i ATP-høye energibindinger og den reduserende kraften som er lagret i NADH-molekylene.

Denne andre fasen av kjemosyntese er "homolog" med den som oppstår under fotosyntesen, siden fikseringen av karbonatomer i organiske molekyler forekommer.

I den fikseres karbondioksid (CO2) i form av organiske karbonatomer, mens ATP omdannes til ADP og uorganisk fosfat.

Kjemosyntetiske organismer

Det finnes forskjellige typer kjemosyntetiske mikroorganismer, noen er valgfrie og andre obligatoriske. Dette betyr at noen utelukkende er avhengige av kjemosyntese for å få tak i energi og organisk materiale, og andre gjør det hvis miljøet kårer dem.

Kjemosyntetiske mikroorganismer er ikke veldig forskjellige fra andre mikroorganismer, siden de også henter energi fra elektrontransportprosesser der molekyler som flaviner, kinoner og cytokromer er involvert.

Fra denne energien er de i stand til å syntetisere cellulære komponenter fra sukkerarter som er syntetisert internt takket være den reduksive assimilasjonen av karbondioksid.

Noen forfattere vurderer at kjemosyntetiske organismer kan deles inn i kjemoorganoautotrofer og kjemo-litoautotrofer, i henhold til hvilken type forbindelse de henter ut energi fra, som kan være henholdsvis organisk eller uorganisk.

Når det gjelder prokaryoter, er de fleste av de kjemosyntetiske organismer gramnegative bakterier, vanligvis av slekten Pseudomonas og andre beslektede. Blant disse er:

- Nitrifiserende bakterier.

- Bakterier som er i stand til å oksidere svovel og svovelforbindelser (svovelbakterier).

- Bakterier som er i stand til å oksidere hydrogen (Hydrogen Bacteria).

- Bakterier som er i stand til å oksidere jern (Iron Bacteria).

Kjemosyntetiske mikroorganismer bruker en type energi som ville gå tapt i biosfærsystemet. Disse utgjør en stor del av biologisk mangfold og befolkningstetthet i mange økosystemer der introduksjonen av organisk materiale er svært begrenset.

Klassifiseringen deres har å gjøre med forbindelsene som de er i stand til å bruke som elektron donorer.

Nitrifiserende bakterier

De ble oppdaget i 1890 av Winogradsky, og noen av de slekter som er beskrevet så langt danner aggregater som er omgitt av den samme membranen. De er ofte isolert fra landsmiljøer.

Nitrifisering innebærer oksidasjon av ammonium (NH4) til nitritter (NO2-) og av nitritter (NO2-) til nitrater (NO3-). De to gruppene av bakterier som deltar i denne prosessen sameksisterer ofte i samme habitat for å dra nytte av begge typer forbindelser som bruker CO2 som en karbonkilde.

Bakterier som er i stand til å oksidere svovel og svovelforbindelser

Dette er bakterier som er i stand til å oksidere uorganiske svovelforbindelser og avsette svovel i cellen i spesifikke rom. Innenfor denne gruppen er det klassifisert noen filamentøse og ikke-filamentøse bakterier av forskjellige slektninger av fakultative og obligatoriske bakterier.

Disse organismer er i stand til å bruke svovelforbindelser som er svært giftige for de fleste organismer.

Forbindelsen som oftest brukes av denne typen bakterier er H2S-gass (svovelsyre). Imidlertid kan de også bruke elementært svovel, tiosulfater, polionionater, metallsulfider og andre molekyler som elektrondonorer.

Noen av disse bakteriene krever sur pH for å vokse, og det er grunnen til at de er kjent som acidofile bakterier, mens andre kan gjøre det ved nøytral pH, nærmere "normalt".

Mange av disse bakteriene kan danne "senger" eller biofilmer i forskjellige typer miljøer, men særlig i avløp fra gruveindustrien, svovelholdige varme kilder og havsedimenter.

De kalles vanligvis fargeløse bakterier, da de skiller seg fra andre grønne og lilla bakterier som er fotoautotrofiske ved at de ikke har pigmenter av noe slag, i tillegg til at de ikke trenger sollys.

Bakterier som er i stand til å oksidere hydrogen

I denne gruppen finnes bakterier som er i stand til å vokse i mineralmedier med atmosfærer rike på hydrogen og oksygen, og hvis eneste karbonkilde er karbondioksid.

Både gramnegative og grampositive bakterier finnes her, som er i stand til å vokse under heterotrofiske forhold og som kan ha forskjellige typer metabolisme.

Hydrogen akkumuleres fra den anaerobe nedbrytningen av organiske molekyler, som oppnås av forskjellige fermentative bakterier. Dette elementet er en viktig kilde til bakterier og kjemosyntetisk archaea.

Mikroorganismer som er i stand til å bruke den som en elektronisk donor, gjør det takket være tilstedeværelsen av et hydrogenaseenzym assosiert med deres membraner, samt tilstedeværelsen av oksygen som en elektronisk akseptor.

Bakterier som er i stand til å oksidere jern og mangan

Denne gruppen av bakterier er i stand til å bruke energien som genereres fra oksidasjon av mangan eller jern i sin jernholdige tilstand til dens jernholdige tilstand. Det inkluderer også bakterier som kan vokse i nærvær av tiosulfater som uorganiske hydrogengivere.

Fra et økologisk synspunkt er jern og magnesiumoksiderende bakterier viktig for avgiftning av miljøet, siden de reduserer konsentrasjonen av oppløste giftige metaller.

Symbiotiske organismer

I tillegg til frittlevende bakterier, er det noen virvelløse dyr som lever i ugjestmilde omgivelser og som assosieres med visse typer kjemosyntetiske bakterier for å overleve.

Oppdagelsen av de første symbiontene skjedde etter undersøkelsen av en gigantisk rørorm, Riftia pachyptila, som manglet et fordøyelsesrør og innhentet vital energi fra reaksjonene som ble utført av bakteriene det er forbundet med.

Forskjeller med fotosyntesen

Det mest særegne kjennetegnet ved kjemosyntetiske organismer er at de kombinerer evnen til å bruke uorganiske forbindelser for å få energi og redusere kraft, samt til å binde karbondioksydmolekyler effektivt. Noe som kan skje i det totale fraværet av sollys.

Fotosyntese utføres av planter, alger og av noen slags bakterier og protosoer. Den bruker energi fra sollys for å drive transformasjonen av karbondioksid og vann (fotolyse) til oksygen og karbohydrater, gjennom produksjon av ATP og NADH.

Kjemosyntese utnytter tvert imot den kjemiske energien som frigjøres fra oksidasjonsreduksjonsreaksjoner for å fikse karbondioksydmolekyler og produsere sukker og vann takket være å skaffe energi i form av ATP og redusere kraft.

I kjemosyntesen, i motsetning til fotosyntesen, er ingen pigmenter involvert og oksygen produseres ikke som biprodukt.

referanser

1. Dubilier, N., Bergin, C., & Lott, C. (2008). Symbiotisk mangfold hos marine dyr: Kunsten å utnytte cellegift. Nature Reviews Microbiology, 6 (10), 725–740.
2. Engel, AS (2012). Chemoautotrophy. Encyclopedia of Caves, (1997), 125–134.
3. Enger, E., Ross, F., & Bailey, D. (2009). Concepts in Biology (13. utg.). McGraw-Hill.
4. Kinne, O. (1975). Marine økologi. (O. Kinne, red.), Comput. Underholde. (2. utg., Bind II). John Wiley & Sons. https://doi.org/10.1145/973801.973803
5. Lees, H. (1962). IV. Noen tanker om energiforeningen til kjemosyntese. Symposium om autotrofi.
6. Pace, M., & Lovett, G. (2013). Primærproduksjon: The Foundation of Ecosystems. I Fundamentals of Ecosystem Science (s. 27–51). Elsevier Inc.