CHEMOSINTEZA: FAZE, ORGANISME, DIFERENȚE CU FOTOSINTEZA - BIOLOGIE - 2025

Chemosynthesis este o caracteristică a anumitor organisme autotrofe proces biologic care exploatează energia chimică pentru a transforma substanțele anorganice în materie organică. Diferă de fotosinteză prin faptul că acesta din urmă folosește energia de lumina soarelui.

Organismele capabile de chemosinteză sunt, în general, procariote precum bacteriile și alte microorganisme precum arhaea, care extrag energie din reacții care implică oxidarea compușilor foarte mici.

Fotografie a Riftia pachyptila, un organism chemosintetic (Sursa: NOAA Okeanos Explorer Program, Galapagos Rift Expedition 2011 prin Wikimedia Commons)

Cele mai frecvente exemple de bacterii chimosintetice sunt bacteriile nitrifiante, care oxidează amoniacul pentru a produce dioxid de azot, precum și bacteriile cu sulf, capabile să oxideze acid sulfuric, sulf și alți compuși de sulf.

Originea conceptului

Microbiologul Serghei Winogradsky, în 1890, a fost primul om de știință care a vorbit despre existența posibilă a proceselor chimio-sintetice, de vreme ce a presupus că trebuie să existe un proces similar cu fotosinteza care să folosească o altă sursă de energie decât lumina solară.

Cu toate acestea, termenul de „chemosinteză” a fost inventat în 1897 de Pfeffer. Teoriile lui Winogradsky au fost dovedite în 1977 în timpul expediției efectuate de submarinul "Alvin" în apele oceanului adânc, în jurul insulelor Galapagos.

În timpul acestei expediții, oamenii de știință de la bordul submarinului au descoperit unele ecosisteme bacteriene care au existat în prezența materiei anorganice și altele în simbioză cu unele animale marine nevertebrate.

În prezent, diverse ecosisteme chemosintetice sunt cunoscute în întreaga lume, în special asociate cu mediile marine și oceanice și, într-o măsură mai mică, cu ecosistemele terestre. În aceste medii, microorganismele chemosintetice reprezintă importanți producători primari de materie organică.

faze

Chemosinteza apare aproape întotdeauna la interfața mediilor aerobe și anaerobe, unde se concentrează produsele finale ale descompunerii anaerobe și cantități mari de oxigen.

La fel ca fotosinteza, chemosinteza are faze bine definite: un oxidativ și o biosinteză. Primul folosește compuși anorganici și în timpul celui de-al doilea este produs materie organică.

Faza oxidativă

În această primă fază și în funcție de tipul de organism considerat, sunt oxidate diferite tipuri de compuși anorganici redusi, cum ar fi amoniacul, sulful și derivații săi, fierul, unii derivați ai azotului, hidrogenului etc.

În această fază, oxidarea acestor compuși eliberează energia utilizată pentru fosforilarea ADP, formând ATP, una dintre principalele monede energetice ale ființelor vii și, în plus, reducerea puterii este generată sub formă de molecule NADH.

O particularitate a procesului chimosintetic are legătură cu partea din ATP care este generată este utilizată pentru a propulsa transportul invers al lanțului de electroni, pentru a obține o cantitate mai mare de agenți reducători sub formă de NADH.

În rezumat, această etapă constă în formarea ATP din oxidarea donatorilor de electroni adecvați, a căror energie utilă biologic este utilizată în faza de biosinteză.

Faza de biosinteză

Biosinteza materiei organice (compuși de carbon) apare datorită utilizării energiei conținute în legăturile cu energie mare a ATP și puterii de reducere stocate în moleculele NADH.

Această a doua fază a chemosintezei este „omologă” cu cea care apare în timpul fotosintezei, deoarece are loc fixarea atomilor de carbon în moleculele organice.

În ea, dioxidul de carbon (CO2) este fixat sub formă de carboni organici, în timp ce ATP este transformat în ADP și fosfat anorganic.

Organisme chiosintetice

Există diverse tipuri de microorganisme chemosintetice, unele fiind opționale, iar altele obligatorii. Aceasta înseamnă că unii depind exclusiv de chemosinteză pentru a obține energie și materie organică, iar alții o fac dacă mediul le condiționează.

Microorganismele chiosintetice nu sunt foarte diferite de alte microorganisme, deoarece obțin energie și din procesele de transport de electroni, unde sunt implicate molecule precum flavine, chinone și citocrome.

Din această energie, ei sunt capabili să sintetizeze componente celulare din zaharuri care sunt sintetizate intern datorită asimilării reductive a dioxidului de carbon.

Unii autori consideră că organismele chimosintetice pot fi împărțite în chimio-organoautotrofe și chimio-litoautotrofe, în funcție de tipul de compus din care extrag energie, care poate fi organic sau respectiv anorganic.

În ceea ce privește procariotele, majoritatea organismelor chimosintetice sunt bacterii gram-negative, de obicei din genul Pseudomonas și altele conexe. Printre acestea se numără:

- Bacterii nitrificante.

- Bacterii capabile să oxideze sulful și compușii cu sulf (Bacterii cu sulf).

- Bacterii capabile să oxideze hidrogenul (Bacterii cu hidrogen).

- Bacterii capabile să oxideze fierul (Bacteriile de fier).

Microorganismele chiosintetice folosesc un tip de energie care s-ar pierde în sistemul biosferei. Acestea constituie o mare parte din biodiversitatea și densitatea populației din multe ecosisteme, unde introducerea materiei organice este foarte limitată.

Clasificarea lor are legătură cu compușii pe care sunt capabili să-i utilizeze ca donatori de electroni.

Bacterii nitrificante

Au fost descoperite în 1890 de Winogradsky și unii dintre genurile descrise până acum formează agregate care sunt înconjurate de aceeași membrană. Sunt izolate în mod obișnuit de mediile terestre.

Nitrificarea implică oxidarea amoniului (NH4) la nitriți (NO2-) și a nitriților (NO2-) la nitrați (NO3-). Cele două grupuri de bacterii care participă la acest proces adesea coexistă în același habitat pentru a profita de ambele tipuri de compuși folosind CO2 ca sursă de carbon.

Bacterii capabile să oxideze sulful și compușii cu sulf

Acestea sunt bacterii capabile să oxideze compuși anorganici de sulf și să depună sulf în interiorul celulei în compartimente specifice. În cadrul acestui grup sunt clasificate câteva bacterii filamentoase și nefilamentare din diferite genuri de bacterii facultative și obligatorii.

Aceste organisme sunt capabile să utilizeze compuși de sulf care sunt foarte toxici pentru majoritatea organismelor.

Compusul cel mai frecvent utilizat de acest tip de bacterii este gazul H2S (acid sulfuric). Cu toate acestea, pot utiliza, de asemenea, sulf elementar, tiosulfat, polionionați, sulfuri metalice și alte molecule ca donatori de electroni.

Unele dintre aceste bacterii necesită creșterea pH-ului acid, motiv pentru care sunt cunoscute sub numele de bacterii acidofile, în timp ce altele pot face acest lucru la un pH neutru, mai aproape de „normal”.

Multe dintre aceste bacterii pot forma „paturi” sau biofilme în diferite tipuri de medii, dar mai ales în canalizările din industria minieră, izvoarele calde sulfuroase și sedimentele oceanice.

De obicei, sunt numite bacterii incolore, întrucât diferă de alte bacterii verzi și violet care sunt fotoautotrofice prin faptul că nu au pigmenți de niciun fel, pe lângă faptul că nu au nevoie de lumina soarelui.

Bacterii capabile să oxideze hidrogenul

În acest grup se găsesc bacterii capabile să crească în medii minerale cu atmosfere bogate în hidrogen și oxigen și a căror singură sursă de carbon este dioxidul de carbon.

Atât se găsesc atât bacterii gram negative, cât și gram pozitive, capabile să crească în condiții heterotrofe și care pot avea diferite tipuri de metabolisme.

Hidrogenul se acumulează din descompunerea anaerobă a moleculelor organice, ceea ce este obținut prin diferite bacterii fermentative. Acest element este o sursă importantă de bacterii și arheea chemosintetică.

Microorganismele capabile să-l folosească ca donator de electroni fac acest lucru datorită prezenței unei enzime a hidrogenazei asociate cu membranele lor, precum și prezenței oxigenului ca acceptor electronic.

Bacterii capabile să oxideze fierul și manganul

Acest grup de bacterii este capabil să utilizeze energia generată de oxidarea manganului sau a fierului în stare feroasă la starea sa ferică. De asemenea, include bacterii capabile să crească în prezența tiosulfatilor ca donatori de hidrogen anorganic.

Din punct de vedere ecologic, bacteriile oxidante din fier și magneziu sunt importante pentru detoxifierea mediului, deoarece reduc concentrația metalelor toxice dizolvate.

Organisme simbiotice

Pe lângă bacteriile cu viață liberă, există unele animale nevertebrate care trăiesc în medii inospitale și care se asociază cu anumite tipuri de bacterii chimosintetice pentru a supraviețui.

Descoperirea primelor simbionți a avut loc după studiul unui vierme cu tub gigant, Riftia pachyptila, lipsit de un tub digestiv și obținerea de energie vitală din reacțiile efectuate de bacteriile cu care este asociat.

Diferențe cu fotosinteza

Cea mai distinctivă caracteristică a organismelor chimosintetice este aceea că acestea combină capacitatea de a utiliza compuși anorganici pentru a câștiga energie și a reduce puterea, precum și pentru a lega eficient moleculele de dioxid de carbon. Ceva care se poate întâmpla în absența totală a luminii solare.

Fotosinteza este realizată de plante, alge și de anumite tipuri de bacterii și protozoare. Folosește energia din lumina soarelui pentru a transforma dioxidul de carbon și apa (fotoliza) în oxigen și carbohidrați, prin producerea de ATP și NADH.

Chimiosinteza, dimpotrivă, exploatează energia chimică eliberată din reacțiile de oxidare-reducere pentru a fixa moleculele de dioxid de carbon și pentru a produce zaharuri și apă, datorită obținerii de energie sub formă de ATP și a reducerii puterii.

În chimiosinteză, spre deosebire de fotosinteză, nu sunt implicați pigmenți și oxigenul nu este produs ca produs secundar.

Referințe

1. Dubilier, N., Bergin, C., & Lott, C. (2008). Diversitate simbiotică la animalele marine: arta de a valorifica chemosinteza. Nature Review Microbiology, 6 (10), 725–740.
2. Engel, AS (2012). Chemoautotrophy. Enciclopedia peșterilor, (1997), 125–134.
3. Enger, E., Ross, F., & Bailey, D. (2009). Conceptele în Biologie (ediția a 13-a). McGraw-Hill.
4. Kinne, O. (1975). Ecologie marină. (O. Kinne, Ed.), Calcul. Distra. (Ediția a II-a, vol. II). John Wiley & Sons. https://doi.org/10.1145/973801.973803
5. Lees, H. (1962). IV. Câteva gânduri asupra energiei chimio-sintezei. Simpozion despre autotrofie.
6. Pace, M., & Lovett, G. (2013). Producția primară: Fundația ecosistemelor. În Fundamentals of Ecosystem Science (pp. 27–51). Elsevier Inc.