KEMOSZINTÉZIS: FÁZISOK, SZERVEZETEK, KÜLÖNBSÉGEK A FOTOSZINTÉZISSEL - BIOLÓGIA - 2025

A kemoszintézis jellemző bizonyos biológiai folyamatokban előforduló autotrofikus szervezetekre, amelyek kémiai energiát hasznosítanak a szervetlen anyagok szerves anyagban való átalakításához. A fotoszintézistől abban különbözik, hogy az utóbbi a napfényből származó energiát használja fel.

A kemoszintézisre képes organizmusok általában prokarióták, például baktériumok és más mikroorganizmusok, például archaea, amelyek energiát nyernek olyan reakciók során, amelyek során nagyon kicsi vegyületek oxidálódnak.

Fénykép a Riftia pachyptila-tól, egy kemoszintetikus organizmusról (Forrás: NOAA Okeanos Explorer program, Galapagos Rift Expedition 2011, a Wikimedia Commons segítségével)

A kemoszintetikus baktériumok leggyakoribb példái a nitrifikáló baktériumok, amelyek az ammóniát oxidálják nitrogén-dioxid előállításához, valamint a kén baktériumok, amelyek képesek kénsav, kén és más kénvegyületek oxidálására.

A koncepció eredete

Szergej Winogradsky, 1890-ben mikrobiológus volt az első tudós, aki a kemoszintézis folyamatainak lehetséges létezéséről beszélt, mivel azt feltételezte, hogy léteznie kell egy olyan fotoszintézishez hasonló folyamatnak, amely a napfénytől eltérő energiaforrást használ fel.

A "kemoszintézis" kifejezést azonban Pfeffer 1897-ben megalkotta. Winogradsky elméleteit 1977-ben bizonyították az Alvin tengeralattjárónak a mély óceáni vizekbe, a Galapagos-szigetek körüli expedíciója során.

Az expedíció során a tengeralattjáró fedélzetén lévő tudósok felfedezték néhány baktérium-ökoszisztémát, amelyek szervetlen anyag jelenlétében fennmaradtak, mások pedig néhány gerinctelen tengeri állattal szimbiózisban.

Jelenleg a világ minden tájáról ismertek különféle kemoszintetikus ökoszisztémák, különös tekintettel a tengeri és óceáni környezetre, és kisebb mértékben a szárazföldi ökoszisztémákra. Ezekben a környezetekben a kemoszintetikus mikroorganizmusok a szerves anyagok fontos elsődleges termelői.

fázisai

A kemoszintézis szinte mindig az aerob és anaerob környezet felületén zajlik, ahol az anaerob bomlás végtermékei és nagy mennyiségű oxigén koncentrálódnak.

A fotoszintézishez hasonlóan a kemoszintézisnek jól definiált fázisa van: oxidatív és bioszintetikus. Az első szervetlen vegyületeket használ, a második során pedig szerves anyagokat állítanak elő.

Oxidatív szakasz

Ezen első szakasz során és a vizsgált organizmus típusától függően különféle redukált szervetlen vegyületek oxidálódnak, például ammónia, kén és származékai, vas, egyes nitrogén-származékok, hidrogén stb.

Ebben a fázisban ezeknek a vegyületeknek az oxidációja felszabadítja azt az energiát, amelyet az ADP foszforilációjához használnak, és így az ATP-t képezi, amely az élőlények egyik fő energiadevizája, és emellett a csökkentő energiát NADH-molekulák formájában generálják.

A kemoszintézis folyamatának sajátossága azzal függ össze, hogy az előállított ATP melyik részét használják az elektronlánc fordított transzportjának meghajtására annak érdekében, hogy nagyobb mennyiségű redukálószert kapjanak NADH formájában.

Összefoglalva, ez a szakasz az ATP képződéséből áll a megfelelő elektrondonorok oxidációjából, amelyek biológiailag hasznos energiáját a bioszintézis szakaszában használják fel.

Bioszintézis fázis

A szerves anyag (szénvegyületek) bioszintézise az ATP nagy energiájú kötéseiben található energia és a NADH-molekulákban tárolt redukálóerő felhasználásával valósul meg.

A kemoszintézis második fázisa "homológ" azzal, ami a fotoszintézis során megy végbe, mivel a szénatomok rögzítése a szerves molekulákban történik.

Ebben a szén-dioxid (CO2) szerves szén formájában rögzül, míg az ATP átalakul ADP-ként és szervetlen foszfáttá.

Kemozintetikus szervezetek

Különböző típusú kemoszintetikus mikroorganizmusok léteznek, néhányuk választható, mások kötelezőek. Ez azt jelenti, hogy egyesek kizárólag a kemoszintézistől függenek az energia és a szerves anyag előállításához, mások pedig akkor, ha a környezet megkívánja őket.

A kemo-szintetikus mikroorganizmusok nem különböznek nagyban más mikroorganizmusoktól, mivel energiát nyernek olyan elektronszállító folyamatokból is, amelyekben molekulák, például flavinok, kinonok és citokrómok vesznek részt.

Ebből az energiaból képesek celluláris komponenseket szintetizálni olyan cukrokból, amelyeket belsőleg szintetizálnak a szén-dioxid reduktív asszimilációjának köszönhetően.

Egyes szerzők szerint a kemoszintetikus organizmusok kemo-organoautotrófokra és kemo-litoautotrófokra oszthatók annak a vegyületnek a típusa szerint, amelyből energiát nyernek, amely lehet szerves vagy szervetlen.

Ami a prokariótokat illeti, a kemoszintézisű szervezetek többsége gram-negatív baktériumok, általában a Pseudomonas nemzetségbe tartozó és más rokon baktériumok. Ezek között vannak:

- Nitrifikáló baktériumok.

- Kén és kénvegyületek oxidálására képes baktériumok (kénbaktériumok).

- A hidrogént oxidálni képes baktériumok (hidrogén baktériumok).

- Vas oxidálására képes baktériumok (vas baktériumok).

A kemoszintetikus mikroorganizmusok olyan energiát használnak, amely elveszne a bioszféra rendszerében. Ezek a sok ökoszisztéma biodiverzitásának és népsűrűségének nagy részét teszik ki, ahol a szerves anyagok bevezetése nagyon korlátozott.

Osztályozásukat azon vegyületekkel kell elvégezni, amelyeket elektron donorokként képesek felhasználni.

Nitrifikáló baktériumok

1890-ben fedezte fel őket Winogradsky, és az eddig leírt nemzetségek egy része aggregátumokat képez, amelyeket ugyanaz a membrán vesz körül. Általában el vannak szigetelve a földi környezettől.

A nitrifikáció magában foglalja az ammónium (NH4) nitritekké (NO2-) és a nitritek (NO2-) nitrátokké (NO3) oxidációját. Az ebben a folyamatban részt vevő két baktériumcsoport gyakran létezik ugyanabban az élőhelyben, hogy kihasználhassa mindkét vegyület típusát, amely szénforrásként CO2-t használ.

A kén és kénvegyületek oxidálására képes baktériumok

Ezek olyan baktériumok, amelyek képesek a szervetlen kénvegyületek oxidálására és a sejten belül a meghatározott részekben a kén lerakására. Ebbe a csoportba sorolunk néhány fonalas és nem fonalas baktériumot, amelyek különféle nemzetségi fakultív és kötelező baktériumokat tartalmaznak.

Ezek az organizmusok képesek olyan kénvegyületek felhasználására, amelyek a legtöbb organizmusra nagyon mérgezőek.

Az ilyen típusú baktériumok által leggyakrabban használt vegyület a H2S gáz (kénsav). Elemi ként, tioszulfátokat, politionátokat, fém-szulfidokat és más molekulákat is használhatnak elektron donorokként.

Ezeknek a baktériumoknak némelyikéhez savas pH szükséges a növekedéshez, ezért acidofil baktériumnak nevezik őket, míg mások semleges pH mellett, közelebb a "normálhoz".

Ezek közül a baktériumok közül sok "ágyat" vagy biofilmet képezhet különféle környezetekben, de különösen a bányászat csatornáiban, kénes meleg forrásokban és az óceán üledékeiben.

Általában színtelen baktériumnak nevezik őket, mivel abban különböznek a fotoautotrófikus zöld és lila baktériumoktól, hogy nem tartalmaznak semmilyen pigmentet, amellett, hogy nincs szükségük napfényre.

Baktériumok, amelyek képesek oxidálni a hidrogént

Ebben a csoportban olyan baktériumok találhatók, amelyek ásványi közegekben képesek növekedni hidrogénben és oxigénnel gazdag légkörben, és amelyek egyetlen szénforrása a szén-dioxid.

Itt találhatók mind a gram-negatív, mind a gram-pozitív baktériumok, amelyek heterotróf körülmények között képesek növekedni és amelyek különféle típusú metabolizmusok lehetnek.

A hidrogén a szerves molekulák anaerob lebontásából halmozódik fel, amelyet különböző fermentációs baktériumok érnek el. Ez az elem fontos baktériumforrás és a kemo-szintetikus archaea.

A mikroorganizmusok, amelyek képesek elektron donorként felhasználni, ezt a membránjaikhoz kapcsolódó hidrogén enzim jelenlétének, valamint az oxigén elektronikus akceptornak köszönhetően teszik meg.

Baktériumok, amelyek képesek oxidálni a vasat és a mangánt

Ez a baktériumcsoport képes felhasználni azt a energiát, amely a vas- és mangán- vagy vasoxid oxidációjából nyerhető vasállapotba. Ide tartoznak azok a baktériumok is, amelyek tioszulfátok jelenlétében képesek növekedni szervetlen hidrogén donorokként.

Ökológiai szempontból a vas és magnézium-oxidáló baktériumok fontosak a környezet méregtelenítésében, mivel csökkentik az oldott mérgező fémek koncentrációját.

Szimbiotikus organizmusok

A szabadon élő baktériumok mellett vannak olyan gerinctelen állatok is, amelyek élhatatlan környezetben élnek, és bizonyos túléléshez társulnak bizonyos kemoszintézis baktériumokkal.

Az első szimbólumok felfedezésére egy óriás csőféreg, a Riftia pachyptila tanulmányozása után került sor, amelyben nem volt emésztőcső, és amely élettani energiát nyert a kapcsolódó baktériumok által végrehajtott reakciók során.

Különbségek a fotoszintézisben

A kemoszintetikus organizmusok legkülönlegesebb jellemzője, hogy kombinálják a szervetlen vegyületek felhasználásának képességét energiának és energiájának csökkentésére, valamint a szén-dioxid molekulák hatékony megkötésére. Valami, ami történhet teljes napfény hiányában.

A fotoszintézist növények, algák, valamint bizonyos baktériumok és protozoák végzik. A napfényből származó energiát felhasználja a szén-dioxid és víz átalakulásához (fotolízis) oxigénné és szénhidrátokká, az ATP és NADH előállításával.

A kemoszintézis éppen ellenkezőleg, az oxidációs-redukciós reakciók során felszabaduló kémiai energiát kiaknázza, hogy rögzítse a szén-dioxid molekulákat, és cukrokat és vizet termeljen, köszönhetően az energia előállításának ATP formájában és csökkentve az energiát.

A kemoszintézisben, a fotoszintézissel ellentétben, nem vesznek részt pigmentekben, és az oxigént nem termelik melléktermékként.

Irodalom

1. Dubilier, N., Bergin, C., és Lott, C. (2008). Szimbiotikus sokféleség a tengeri állatokban: A kemoszintézis kihasználásának művészete. Nature Reviews Microbiology, 6 (10), 725–740.
2. Engel, AS (2012). Chemoautotrophy. A barlangok enciklopédia, (1997), 125–134.
3. Enger, E., Ross, F. és Bailey, D. (2009). Koncepciók a biológiában (13. kiadás). McGraw-Hill.
4. Kinne, O. (1975). Tengeri ökológia. (O. Kinne, szerk.), Comput. Szórakoztatás. (2. kiadás, II. Kötet). John Wiley & Sons.
5. Lees, H. (1962). IV. Néhány gondolat a kemoszintézis energetikájáról. Szimpózium az autotrófiáról.
6. Pace, M., és Lovett, G. (2013). Elsődleges termelés: Az Ökoszisztéma Alapítvány. Az ökoszisztéma tudományának alapjaiban (27–51. Oldal). Elsevier Inc.