Хемосинтез
В биохимии хемосинтез — это биологическое преобразование одной или нескольких углеродсодержащих молекул (обычно углекислого газа или метана ) и питательных веществ в органические вещества с использованием окисления неорганических соединений (например, газообразного водорода, сероводорода ) или ионов железа в качестве источника энергию, а не солнечный свет, как при фотосинтезе . Хемоавтотрофы , организмы , получающие углерод из углекислого газа посредством хемосинтеза, филогенетически разнообразны. Группы, которые включают заметные или биогеохимически важные таксоны, включают сероокисляющие гаммапротеобактерии , кампилобактерии , аквификоты , метаногенные археи и нейтрофильные железоокисляющие бактерии .
Многие микроорганизмы в темных регионах океанов используют хемосинтез для производства биомассы из одноуглеродных молекул. Можно выделить две категории. В тех редких местах, где имеются молекулы водорода (H 2 ), энергия реакции между CO 2 и H 2 (приводящей к образованию метана CH 4 ) может быть достаточно большой, чтобы стимулировать производство биомассы. Альтернативно, в большинстве океанических сред энергия для хемосинтеза получается в результате реакций, в которых такие вещества, как сероводород или аммиак окисляются . Это может происходить как в присутствии кислорода, так и без него.
Многие хемосинтезирующие микроорганизмы потребляются другими организмами океана, а симбиотические ассоциации между хемосинтезирующими микроорганизмами и дышащими гетеротрофами довольно распространены. Большие популяции животных могут поддерживаться за счет вторичного хемосинтетического производства в гидротермальных источниках , клатратах метана , холодных просачиваниях , падениях китов и изолированной пещерной воде .
Была выдвинута гипотеза, что анаэробный хемосинтез может поддерживать жизнь под поверхностью Марса , Юпитера спутника Европы и других планет. [ 1 ] Хемосинтез, возможно, также был первым типом метаболизма, развившимся на Земле, проложив путь к развитию клеточного дыхания и фотосинтеза позднее.
Процесс хемосинтеза сероводорода
[ редактировать ]Гигантские трубчатые черви используют бактерии в своих трофосомах для фиксации углекислого газа (используя сероводород в качестве источника энергии) и производства сахаров и аминокислот . [ 2 ] Некоторые реакции производят серу:
- хемосинтез сероводорода: [ 3 ]
- 18 H 2 S + 6CO 2 + 3 O 2 → C 6 H 12 O 6 ( углевод ) + 12 H 2 O + 18 S
Вместо выделения газообразного кислорода при фиксации углекислого газа, как при фотосинтезе , хемосинтез сероводорода производит твердые шарики серы в процессе . У бактерий, способных к хемоавтотрофии (форме хемосинтеза), таких как пурпурные серобактерии , [ 4 ] В цитоплазме присутствуют и видны желтые шарики серы.
Открытие
[ редактировать ]
В 1890 году Сергей Виноградский предложил новый тип жизненного процесса, названный «анороксидант». Его открытие предположило, что некоторые микробы могут жить исключительно на неорганических веществах, и появилось во время его физиологических исследований в 1880-х годах в Страсбурге и Цюрихе серо-, железо- и азотсодержащих бактерий.
В 1897 году Вильгельм Пфеффер ввел термин «хемосинтез» для обозначения производства энергии путем окисления неорганических веществ в сочетании с автотрофной ассимиляцией углекислого газа — то, что сегодня будет называться хемолитоавтотрофией. Позже этот термин будет расширен и будет включать также хемоорганоавтотрофы, то есть организмы, которые используют органические энергетические субстраты для ассимиляции углекислого газа. [ 5 ] Таким образом, хемосинтез можно рассматривать как синоним хемоавтотрофии .
Термин « хемотрофия », менее ограничительный, был введен в 1940-х годах Андре Львоффом для обозначения производства энергии путем окисления доноров электронов, органических или нет, связанных с авто- или гетеротрофией. [ 6 ] [ 7 ]
Гидротермальные источники
[ редактировать ]
Предположение Виноградского подтвердилось почти 90 лет спустя, когда гидротермальных океанских в 1970-х годах было предсказано существование жерл. Горячие источники и странные существа были обнаружены Элвином , первым в мире глубоководным аппаратом, погружающимся под воду, в 1977 году у Галапагосского разлома . Примерно в то же время тогдашняя аспирантка Коллин Кавано предложила хемосинтезирующие бактерии, окисляющие сульфиды или элементарную серу, в качестве механизма, с помощью которого трубочные черви могут выжить вблизи гидротермальных источников. Позже Кавано удалось подтвердить, что это действительно был метод, с помощью которого черви могли процветать, и что ему обычно приписывают открытие хемосинтеза. [ 8 ]
2004 года Телесериал , который вел Билл Най, назвал хемосинтез одним из 100 величайших научных открытий всех времен. [ 9 ] [ 10 ]
Океаническая кора
[ редактировать ]В 2013 году исследователи сообщили об открытии бактерий, живущих в породах океанической коры под толстыми слоями осадочных пород, а также помимо гидротермальных жерл, образующихся по краям тектонических плит . По предварительным данным, эти бактерии питаются водородом, вырабатываемым в результате химического восстановления оливина морской водой, циркулирующей в небольших жилах, пронизывающих базальт , составляющий океаническую кору. Бактерии синтезируют метан путем соединения водорода и углекислого газа. [ 11 ]
Хемосинтез как инновационное направление дальнейших исследований
[ редактировать ]Несмотря на то, что процесс хемосинтеза известен уже более ста лет, его значение и значение актуальны и сегодня при превращениях химических элементов в биогеохимических циклах. Сегодня процессы жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий, приводящие к окислению аммиака до азотной кислоты, требуют научного обоснования и дополнительных исследований. Способность бактерий превращать неорганические вещества в органические позволяет предположить, что хемосинтетики могут аккумулировать ценные ресурсы для нужд человека.
Хемосинтезирующие сообщества в различных средах являются важными биологическими системами с точки зрения их экологии, эволюции и биогеографии, а также их потенциала в качестве индикаторов наличия постоянных источников энергии на основе углеводородов. В процессе хемосинтеза бактерии производят органические вещества там, где фотосинтез невозможен. Выделение термофильных сульфатредуцирующих бактерий Thermodesulfovibrio Yellowstonii и других видов хемосинтетиков открывает перспективы для дальнейших исследований. Таким образом, значение хемосинтеза остается актуальным для использования в инновационных технологиях, сохранении экосистем, жизни человека в целом. Сергей Виноградский помог открыть явление хемосинтеза. [ 12 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Джулиан Чела-Флорес (2000): «Земные микробы как кандидаты на выживание на Марсе и Европе», в: Зекбах, Джозеф (ред.) « Путешествие в разнообразные микробные миры: адаптация к экзотической среде» , Springer, стр. 387–398. ISBN 0-7923-6020-6
- ^ Биотехнология для управления окружающей средой и восстановления ресурсов . Спрингер. 2013. с. 179. ИСБН 978-81-322-0876-1 .
- ^ «Хемолитотрофия | Безграничная микробиология» . Courses.lumenlearning.com . Проверено 11 апреля 2020 г.
- ^ Пурпурные фототрофные бактерии . Хантер, К. Нил. Дордрехт: Спрингер. 2009. ISBN 978-1-4020-8814-8 . OCLC 304494953 .
{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка ) - ^ Келлерман, штат Миссури; и др. (2012). «Автотрофия как преобладающий способ фиксации углерода в анаэробных метанокисляющих микробных сообществах» . Учеб. Натл. акад. наук. США 109 (47): 19321–19326. Бибкод : 2012PNAS..10919321K . дои : 10.1073/pnas.1208795109 . ПМЦ 3511159 . ПМИД 23129626 .
- ^ Келли, ДП; Вуд, AP (2006). «Хемолитотрофные прокариоты» . Прокариоты . Нью-Йорк: Спрингер. стр. 441–456. дои : 10.1007/0-387-30742-7_15 . ISBN 978-0-387-25492-0 .
- ^ Шлегель, Х.Г. (1975). «Механизмы химиоавтотрофии» (PDF) . Ин Кинне, О. (ред.). Морская экология . Том. 2, Часть I. С. 9–60. ISBN 0-471-48004-5 .
- ^ Кавена, Коллин М.; и др. (1981). «Прокариотические клетки гидротермальных червей вентиляционной трубки Рифтия Джонс: возможные хемоавтотрофные симбионты». Наука . 213 (4505): 340–342. дои : 10.1126/science.213.4505.340 . ПМИД 17819907 .
- ^ «100 величайших открытий (2004–2005)» . IMDB .
- ^ «Величайшие открытия» . Наука . Архивировано из оригинала 19 марта 2013 года. Смотрите «Величайшие открытия в эволюции» онлайн.
- ^ «Жизнь глубоко внутри океанической коры, поддерживаемая энергией недр Земли» . ScienceDaily . 14 марта 2013 года . Проверено 16 марта 2013 г.
- ^ Параска, ОА; Horban, A. Ye; Матселюк, ВП; Shchur, SA; Шендеровский, В. А. (24.07.2022). "Chemosynthesis: history of innovation" . Infusion & Chemotherapy (2): 50–56. doi : 10.32902/2663-0338-2022-2-50-56 . ISSN 2709-0957 . S2CID 251045231 .