ХЕМОСИНТЕЗ: ФАЗИ, ОРГАНИЗМИ, РАЗЛИКИ С ФОТОСИНТЕЗАТА - БИОЛОГИЯ - 2025

В хемосинтеза е характеристика на някои биологични процеси автотрофните организми, насочен химическа енергия за преобразуване на неорганични вещества в органична материя. Тя се различава от фотосинтезата по това, че последната използва енергия от слънчевата светлина.

Организмите, способни да хемосинтезират, обикновено са прокариоти като бактерии и други микроорганизми като археи, които извличат енергия от реакции, които включват окисляване на много малки съединения.

Снимка на Riftia pachyptila, хемосинтетичен организъм (Източник: NOAA Okeanos Explorer Explorer, Galapagos Rift Expedition 2011 чрез Wikimedia Commons)

Най-честите примери за хемосинтетични бактерии са нитрифициращи бактерии, които окисляват амония за получаване на азотен диоксид, както и серни бактерии, способни да окисляват сярна киселина, сяра и други серни съединения.

Произход на концепцията

Микробиологът Сергей Виноградски през 1890 г. е първият учен, който говори за възможното съществуване на хемосинтетични процеси, тъй като предполага, че трябва да има процес, подобен на фотосинтезата, който използва източник на енергия, различен от слънчевата светлина.

Терминът "хемосинтеза" обаче е въведен през 1897 г. от Pfeffer. Теориите на Виноградски са доказани през 1977 г. по време на експедицията, проведена от подводницата „Алвин“ в дълбоки океански води, около островите Галапагос.

По време на тази експедиция учените на борда на подводницата откриха някои бактериални екосистеми, които са пресъхнали в присъствието на неорганична материя и други в симбиоза с някои безгръбначни морски животни.

Понастоящем в целия свят са известни различни химиосинтетични екосистеми, особено свързани с морска и океанска среда и в по-малка степен с наземни екосистеми. В тези среди химиосинтетичните микроорганизми представляват важни първични производители на органични вещества.

Фази

Хемосинтезата почти винаги се случва на границата на аеробна и анаеробна среда, където са концентрирани крайните продукти на анаеробно разлагане и големи количества кислород.

Подобно на фотосинтезата, химиосинтезата има добре дефинирани фази: окислително и биосинтетично. Първата използва неорганични съединения, а по време на втората се получава органично вещество.

Окислителна фаза

По време на тази първа фаза и в зависимост от вида на разглеждания организъм, различните видове редуцирани неорганични съединения се окисляват, като амоняк, сяра и нейните производни, желязо, някои производни на азот, водород и др.

В тази фаза окисляването на тези съединения освобождава енергията, която се използва за фосфорилиране на ADP, образувайки АТФ, една от основните енергийни валути на живите същества и в допълнение намаляващата мощност се генерира под формата на молекули NADH.

Една особеност на хемосинтетичния процес е свързана с това коя част от генерираната АТФ се използва за задвижване на обратния транспорт на електронната верига, за да се получи по-голямо количество редуциращи агенти под формата на NADH.

В обобщение, този етап се състои в образуването на АТФ от окисляването на съответните донори на електрон, чиято биологично полезна енергия се използва във фазата на биосинтеза.

Фаза на биосинтеза

Биосинтезата на органични вещества (въглеродни съединения) се осъществява благодарение на използването на енергията, съдържаща се във високоенергийните връзки на АТФ и намаляващата мощност, съхранявана в молекулите на NADH.

Тази втора фаза на хемосинтеза е "хомоложна" на тази, която се случва по време на фотосинтезата, тъй като се извършва фиксирането на въглеродни атоми в органичните молекули.

В него въглеродният диоксид (CO2) се фиксира под формата на органични въглероди, докато ATP се превръща в ADP и неорганичен фосфат.

Хемосинтетични организми

Има различни видове хемосинтетични микроорганизми, някои от които са незадължителни, а други задължителни. Това означава, че някои зависят изключително от хемосинтеза за получаване на енергия и органична материя, а други го правят, ако средата ги обуславя.

Хемосинтетичните микроорганизми не се различават много от другите микроорганизми, тъй като те също получават енергия от електроносни транспортни процеси, в които участват молекули като флавини, хинони и цитохроми.

От тази енергия те са в състояние да синтезират клетъчни компоненти от захари, които се синтезират вътре, благодарение на редуктивното асимилиране на въглероден диоксид.

Някои автори смятат, че хемосинтетичните организми могат да бъдат разделени на химио-органоавтотрофи и хемо-литоавтотрофи, според вида на съединението, от което те извличат енергия, която може да бъде съответно органична или неорганична.

Що се отнася до прокариотите, повечето от хемосинтетичните организми са грам-отрицателни бактерии, обикновено от род Pseudomonas и други свързани с тях. Сред тях са:

- Нитрифициращи бактерии.

- Бактерии, способни да окисляват сяра и серни съединения (серни бактерии).

- Бактерии, способни да окисляват водород (Водородни бактерии).

- Бактерии, способни да окисляват желязо (желязо бактерии).

Хемосинтетичните микроорганизми използват вид енергия, която би се загубила в биосферната система. Те представляват голяма част от биоразнообразието и гъстотата на населението в много екосистеми, където въвеждането на органична материя е много ограничено.

Тяхната класификация е свързана със съединенията, които те са способни да използват като донори на електрон.

Нитрифициращи бактерии

Те са открити през 1890 г. от Виноградски и някои от описаните дотук родове образуват агрегати, които са заобиколени от една и съща мембрана. Те обикновено са изолирани от земната среда.

Нитрификацията включва окисляване на амоний (NH4) до нитрити (NO2-) и от нитрити (NO2-) до нитрати (NO3-). Двете групи бактерии, които участват в този процес, често съжителстват в едно и също местообитание, за да се възползват от двата вида съединения, използващи CO2 като източник на въглерод.

Бактерии, способни да окисляват сяра и серни съединения

Това са бактерии, способни да окисляват неорганични серни съединения и да отлагат сяра в клетката в специфични отделения. В рамките на тази група се класифицират някои нишковидни и нишковидни бактерии от различни родове факултативни и облигативни бактерии.

Тези организми са способни да използват серни съединения, които са силно токсични за повечето организми.

Съединението, което най-често се използва от този тип бактерии, е H2S газ (сярна киселина). Те обаче могат да използват елементарна сяра, тиосулфати, политионати, метални сулфиди и други молекули като донори на електрон.

Някои от тези бактерии се нуждаят от киселинно рН, за да растат, поради което са известни като ацидофилни бактерии, докато други могат да го правят при неутрално pH, по-близо до "нормалното".

Много от тези бактерии могат да образуват "легла" или биофилми в различни видове околна среда, но особено в дренажите на минната промишленост, в горещите извори на сярата и в океанските седименти.

Обикновено се наричат ​​безцветни бактерии, тъй като се различават от другите зелени и лилави бактерии, които са фотоавтотрофни по това, че нямат пигменти от всякакъв вид и не се нуждаят от слънчева светлина.

Бактерии, способни да окисляват водорода

В тази група са открити бактерии, способни да растат в минерални среди с атмосфера, богата на водород и кислород и чийто единствен източник на въглерод е въглеродният диоксид.

Тук се откриват както грам отрицателни, така и грам положителни бактерии, способни да растат при хетеротрофни условия и които могат да имат различни видове метаболизми.

Водородът се натрупва от анаеробното разграждане на органичните молекули, което се постига от различни ферментативни бактерии. Този елемент е важен източник на бактерии и хемосинтетични археи.

Микроорганизмите, способни да го използват като донор на електрон, правят това благодарение на наличието на хидрогеназен ензим, свързан с мембраните им, както и наличието на кислород като електронен акцептор.

Бактерии, способни да окисляват желязо и манган

Тази група бактерии е в състояние да използва енергията, генерирана от окисляването на манган или желязо в своето железно състояние до феридно състояние. Той включва също бактерии, способни да растат в присъствието на тиосулфати като неорганични водородни донори.

От екологична гледна точка желязото и магнезиевите окислители са важни за детоксикацията на околната среда, тъй като намаляват концентрацията на разтворени токсични метали.

Симбиотични организми

В допълнение към свободно живеещите бактерии има някои безгръбначни животни, които живеят в негостоприемна среда и които се свързват с определени видове химиосинтетични бактерии, за да оцелеят.

Откриването на първите симбионти става след изследването на гигантски тръбен червей, Riftia pachyptila, липсващ храносмилателна тръба и получаване на жизненоважна енергия от реакциите, проведени от бактериите, с които е свързан.

Разлики с фотосинтезата

Най-отличителната характеристика на хемосинтетичните организми е, че те съчетават способността да използват неорганични съединения за получаване на енергия и намаляване на мощността, както и за ефективно свързване на молекулите на въглеродния диоксид. Нещо, което може да се случи при пълното отсъствие на слънчева светлина.

Фотосинтезата се осъществява от растения, водорасли, както и от някои видове бактерии и протозои. Той използва енергия от слънчевата светлина, за да управлява трансформацията на въглероден диоксид и вода (фотолиза) в кислород и въглехидрати, чрез производството на ATP и NADH.

Хемосинтезата, напротив, използва химическата енергия, освободена от окислително-редукционните реакции, за да фиксира молекулите на въглеродния диоксид и да произвежда захари и вода, благодарение на получаването на енергия под формата на АТФ и намаляване на мощността.

При химиосинтезата, за разлика от фотосинтезата, не участват пигменти и кислородът не се произвежда като страничен продукт.

Препратки

1. Dubilier, N., Bergin, C., & Lott, C. (2008). Симбиотично разнообразие при морски животни: Изкуството да се използва хемосинтеза. Nature Reviews Microbiology, 6 (10), 725–740.
2. Engel, AS (2012). Chemoautotrophy. Енциклопедия на пещерите, (1997), 125–134.
3. Enger, E., Ross, F., & Bailey, D. (2009). Концепции по биология (13-то изд.). McGraw-Hill.
4. Кине, О. (1975). Морска екология. (О. Кине, изд.), Изчислителна техника. Entertain. (2-ро издание, том II). John Wiley & Sons.
5. Лийс, Х. (1962). IV. Някои мисли за енергетиката на химиосинтезата. Симпозиум по автотрофия.
6. Пейс, М., & Lovett, G. (2013). Първично производство: Основа на екосистемите. В основите на екосистемната наука (стр. 27–51). Elsevier Inc.