Ορισμός και παραδείγματα χημικής σύνθεσης

Η χημικοσύνθεση είναι η μετατροπή των ενώσεων άνθρακα και άλλων μορίων σε οργανικές ενώσεις. Σε αυτή τη βιοχημική αντίδραση, το μεθάνιο ή μια ανόργανη ένωση, όπως υδρόθειο ή αέριο υδρογόνο, είναι οξειδωμένο να ενεργεί ως πηγή ενέργειας. Αντίθετα, η πηγή ενέργειας για φωτοσύνθεση (το σύνολο των αντιδράσεων μέσω των οποίων το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό μετατρέπονται σε γλυκόζη και οξυγόνο) χρησιμοποιεί ενέργεια από το ηλιακό φως για να τροφοδοτήσει τη διαδικασία.

Η ιδέα ότι οι μικροοργανισμοί μπορούσαν να ζουν σε ανόργανες ενώσεις προτάθηκε από τον Sergei Nikolaevich Vinogradnsii (Winogordsky) το 1890, με βάση έρευνα που διεξήχθη σε βακτήρια που φαίνεται να ζουν από άζωτο, σίδηρο ή θείο. Η υπόθεση επικυρώθηκε το 1977, όταν ο υποβρύχιος βαθέων υδάτων Alvin παρατηρούσε σκουλήκια και άλλα περιβάλλοντα περιβάλλοντα υδροθερμικοί αεραγωγοί στο Galapagos Rift. Ο σπουδαστής του Harvard Colleen Cavanaugh πρότεινε και αργότερα επιβεβαίωσε ότι τα σκουλήκια των σωληναρίων επέζησαν λόγω της σχέσης τους με χημειοσυνθετικά βακτηρίδια. Η επίσημη ανακάλυψη της χημειοσύνθεσης πιστώνεται στον Cavanaugh.

Οι οργανισμοί που λαμβάνουν ενέργεια με οξείδωση των δοτών ηλεκτρονίων ονομάζονται χημειοτρόφη. Εάν τα μόρια είναι οργανικά, οι οργανισμοί ονομάζονται χημειοργανοτρόφα. Εάν τα μόρια είναι ανόργανα, οι οργανισμοί είναι χημολιθοτρόφες. Αντίθετα, οι οργανισμοί που χρησιμοποιούν ηλιακή ενέργεια καλούνται φωτοτροφοί.

Τα χημειοατροτροφεία αποκτούν την ενέργειά τους από χημικές αντιδράσεις και συνθέτουν οργανικές ενώσεις από διοξείδιο του άνθρακα. Η πηγή ενέργειας για τη χημική σύνθεση μπορεί να είναι στοιχειακό θείο, υδρόθειο, μοριακό υδρογόνο, αμμωνία, μαγγάνιο ή σίδηρος. Παραδείγματα χημειοαυτοτόπων περιλαμβάνουν βακτήρια και μεθανογενείς αρχαιές που ζουν σε ανοιχτές θάλασσες. Η λέξη "χημειοσύνθεση" σχεδιάστηκε αρχικά από τον Wilhelm Pfeffer το 1897 για να περιγράψει την παραγωγή ενέργειας με την οξείδωση των ανόργανων μορίων από τα αυτοτροφοειδή (χημολιθοαυτοτροπία). Σύμφωνα με τον σύγχρονο ορισμό, η χημειοσύνθεση περιγράφει επίσης την παραγωγή ενέργειας μέσω της χημειοργανωτοτροφίας.

Τα χημειοετεροτρόφια δεν μπορούν να σταθεροποιήσουν τον άνθρακα για να σχηματίσουν οργανικές ενώσεις. Αντ 'αυτού, μπορούν να χρησιμοποιήσουν ανόργανες πηγές ενέργειας, όπως θείο (χημειολιθοετεροτροφικές) ή πηγές οργανικής ενέργειας, όπως πρωτεΐνες, υδατάνθρακες και λιπίδια (χημειοργανοετεροτρόπια).

Η χημειοσύνθεση έχει ανιχνευθεί σε υδροθερμικές οπές, σε απομονωμένες σπηλιές, σε clathrates του μεθανίου, σε πτώσεις φαλαινών και σε κρύες καταβόθρες. Έχει υποτεθεί ότι η διαδικασία μπορεί να επιτρέψει τη ζωή κάτω από την επιφάνεια του Άρη και το φεγγάρι του Δία Europa. καθώς και σε άλλες θέσεις στο ηλιακό σύστημα. Η χημικοσύνθεση μπορεί να συμβεί στην ύπαρξη οξυγόνου, αλλά δεν απαιτείται.

Εκτός από τα βακτηρίδια και τα αρχαία, μερικοί μεγαλύτεροι οργανισμοί βασίζονται στη χημειοσύνθεση. Ένα καλό παράδειγμα είναι ο γιγαντιαίος σκουληκιός που βρίσκεται σε μεγάλους αριθμούς που περιβάλλουν βαθιές υδροθερμικές οπές. Κάθε σκουλήκι στεγάζει χημειοσυνθετικά βακτήρια σε ένα όργανο που ονομάζεται τροπόζωμα. Τα βακτήρια οξειδώνουν το θείο από το περιβάλλον του σκουληκιού για να παράγουν την τροφή που χρειάζεται το ζώο. Χρησιμοποιώντας υδρόθειο ως πηγή ενέργειας, η αντίδραση για τη χημική σύνθεση είναι:

12 Η₂S + 6 CO₂ → C₆H₁₂Ο₆ + 6 Η₂O + 12S

Αυτό μοιάζει πολύ με την αντίδραση για την παραγωγή υδατανθράκων μέσω της φωτοσύνθεσης, με εξαίρεση φωτοσύνθεση απελευθερώνει αέριο οξυγόνο, ενώ η χημειοσύνθεση αποδίδει στερεό θείο. Οι κίτρινοι κόκκοι θείου είναι ορατοί στο κυτταρόπλασμα των βακτηρίων που εκτελούν την αντίδραση.

Ένα άλλο παράδειγμα χημειοσύνθεσης ανακαλύφθηκε το 2013 όταν βρέθηκαν βακτήρια που ζουν σε βασάλτη κάτω από το ίζημα του ωκεάνιου δαπέδου. Αυτά τα βακτήρια δεν συσχετίστηκαν με υδροθερμικό εξαερισμό. Έχει προταθεί ότι τα βακτήρια χρησιμοποιούν υδρογόνο από τη μείωση των ορυκτών στο νερό της θάλασσας που λούζει το βράχο. Τα βακτήρια θα μπορούσαν να αντιδρούν με υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα για να παράγουν μεθάνιο.

Ενώ ο όρος "χημειοσύνθεση" εφαρμόζεται συχνότερα σε βιολογικά συστήματα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί γενικότερα για να περιγράψει οποιαδήποτε μορφή χημικής σύνθεσης που προκαλείται από τυχαία θερμική κίνηση αντιδραστήρια. Αντίθετα, ο μηχανικός χειρισμός μορίων για τον έλεγχο της αντίδρασής τους ονομάζεται "μηχανική σύνθεση". Τόσο η χημειοσύνθεση όσο και η μηχανική σύνθεση έχουν τη δυνατότητα να κατασκευάσουν πολύπλοκες ενώσεις, συμπεριλαμβανομένων νέων μορίων και οργανικών μορίων.

• Campbell, Neil Α., Et αϊ. Βιολογία. 8η έκδοση, Pearson, 2008.
• Kelly, Donovan Ρ. Και Ann Ρ. Ξύλο. “Οι χημειολιθοτροφικοί προκαρυώτες.” Οι Προκαρυώτες, που εκδόθηκε από τον Martin Dworkin, et al., 2006, σελ. 441-456.
• Schlegel, Η. G. "Mechanisms of Chemo-Autotrophy". Θαλάσσια οικολογία: μια ολοκληρωμένη, ολοκληρωμένη πραγματεία για τη ζωή στους ωκεανούς και τα παράκτια ύδατα, που εκδόθηκε από τον Otto Kinne, Wiley, 1975, σελ. 9-60.
• Somero, Gn. "Συμβιωτική εκμετάλλευση του θειούχου υδρογόνου.” Φισιολογία, τομ. 2, όχι. 1, 1987, σελ. 3-6.