כימוסינתזה: שלבים, אורגניזמים, הבדלים עם פוטוסינתזה - ביולוגיה - 2025

Chemosynthesis הוא מאפיין של אורגניזמים אוטוטרופי תהליך ביולוגי מסוימים ניצול אנרגיה כימית כדי להמיר חומרים אורגניים בחומר אורגני. זה שונה מפוטוסינתזה בכך שהאחרון משתמש באנרגיה מאור השמש.

האורגניזמים המסוגלים לכימוסינתזה הם בדרך כלל פרוקריוטים כמו חיידקים ומיקרואורגניזמים אחרים כמו ארכאאה, המוציאים אנרגיה מתגובות הכרוכות בחמצון של תרכובות קטנות מאוד.

תצלום של Riftia pachyptila, אורגניזם כימוסינתטי (מקור: תוכנית סייר אוקיאנוס NOAA, משלחת Rift Expedition 2011 באמצעות ויקימדיה Commons)

הדוגמאות הנפוצות ביותר לחיידקים כימוסינתטיים הם חיידקים מנטרלים, המחמצנים אמוניה לייצור חנקן דו חמצני, כמו גם חיידקי גופרית המסוגלים לחמצן חומצה גופרתית, גופרית ותרכובות גופרית אחרות.

מקור הרעיון

המיקרוביולוג סרגיי וינוגרדסקי, בשנת 1890, היה המדען הראשון שדיבר על קיומם האפשרי של תהליכים כימוסינטטיים, מכיוון שהוא הניח שיש להיות תהליך הדומה לפוטוסינתזה המשתמשת במקור אנרגיה שאינו אור שמש.

עם זאת, המונח "כימוסינתזה" נטבע בשנת 1897 על ידי פפר. התיאוריות של וינוגרדסקי הוכחו בשנת 1977 במהלך המסע שביצעה הצוללת "אלווין" למימי האוקיאנוס העמוק, סביב איי גלפגוס.

במהלך משלחת זו גילו המדענים שעל סיפונה של הצוללת כמה מערכות אקולוגיות של חיידקים שהתקיימו בנוכחות חומר אורגני ואחרים בסימביוזה עם כמה בעלי חיים ימיים חסרי חוליות.

נכון לעכשיו, מערכות אקולוגיות כימוסינתטיות שונות ידועות ברחבי העולם, קשורות במיוחד לסביבות ימיות ואוקיאניות, ובמידה פחותה, עם מערכות אקולוגיות יבשתיות. בסביבות אלה מייצרים מיקרואורגניזמים כימוסינטטיים מייצרים ראשוניים חשובים של חומר אורגני.

שלבים

כימוזינתזה כמעט תמיד מתרחשת בממשק של סביבות אירוביות ואנאירוביות, בהן מרוכזים תוצרי הקצה של פירוק אנאירובי וכמויות חמצן גדולות.

בדומה לפוטוסינתזה, לכימוסינתזה יש שלבים מוגדרים היטב: חמצון וביוסינתטי. הראשון משתמש בתרכובות אורגניות ובמהלך החומר האורגני השני מיוצר.

שלב חמצון

בשלב ראשון זה ובהתאם לסוג האורגניזם הנחשב, מתחמצנים סוגים שונים של תרכובות אורגניות מופחתות, כגון אמוניה, גופרית ונגזרותיו, ברזל, נגזרות מסוימות של חנקן, מימן וכו '.

בשלב זה, חמצון של תרכובות אלה משחרר את האנרגיה המשמשת לזרחן של ADP, ויוצרת ATP, אחד ממטבעות האנרגיה העיקריים של יצורים חיים ובנוסף, הפחתת הכוח נוצרת בצורה של מולקולות NADH.

הספציפיות של התהליך הכימוסינתטי קשורה לאיזה חלק מ- ATP שנוצר משמש להנעה של התובלה הפוכה של שרשרת האלקטרונים, על מנת להשיג כמות גדולה יותר של חומרי צמצום בצורה של NADH.

לסיכום, שלב זה מורכב מהיווצרות ATP מחמצון תורמי האלקטרונים המתאימים, אשר האנרגיה השימושית שלהם מבחינה ביולוגית משמשת בשלב הביוסינתזה.

שלב ביוסינתזה

הביוסינתזה של חומר אורגני (תרכובות פחמן) מתרחשת בזכות השימוש באנרגיה הכלולה בקשרים האנרגיה הגבוהה של ATP והכוח המפחית הנאגר במולקולות NADH.

שלב שני זה של הכימוסינתזה הוא "הומולוגי" לזה המתרחש במהלך פוטוסינתזה, מכיוון שקיבוע אטומי הפחמן במולקולות אורגניות מתרחש.

בתוכו, פחמן דו חמצני (CO2) קבוע בצורה של פחמן אורגני, ואילו ATP מומר ל- ADP ולפוספט אנאורגני.

אורגניזמים כימוסינטטיים

ישנם סוגים שונים של מיקרואורגניזמים כימוסינתטיים, חלקם אופציונליים ואחרים חובה. המשמעות היא שחלקם תלויים אך ורק בכימוסינתזה בכדי להשיג אנרגיה וחומר אורגני, ואחרים עושים זאת אם הסביבה תנאי אותם.

מיקרואורגניזמים כימוסינתטיים אינם שונים מאוד ממיקרואורגניזמים אחרים, מכיוון שהם משיגים אנרגיה גם מתהליכי הובלת אלקטרונים בהם מעורבים מולקולות כמו פלבינים, קינונים וציטוכרומים.

מאנרגיה זו הם מסוגלים לסנתז רכיבים סלולריים מסוכרים המסונתזים באופן פנימי בזכות ההטמעה הרדוקטיבית של פחמן דו חמצני.

חלק מהמחברים סבורים כי ניתן לחלק אורגניזמים כימוסינתטיים לכימואורגנו-אוטוטרופים וכימו-ליטו-אוטוטרופים, לפי סוג התרכובת מהם הם מחלצים אנרגיה, שיכולים להיות אורגניים או אורגניים, בהתאמה.

מבחינת הפרוקריוטות, מרבית האורגניזמים הכימוסינתטיים הם חיידקים שליליים על פי גרם, לרוב של הסוג Pseudomonas וקשורים אחרים. בין אלה הם:

- חיידקים מרגיזים.

- חיידקים המסוגלים לחמצן תרכובות גופרית וגופרית (חיידקי גופרית).

- חיידקים המסוגלים לחמצן מימן (חיידקי מימן).

- חיידקים המסוגלים לחמצן ברזל (חיידקי ברזל).

מיקרואורגניזמים כימוסינתטיים משתמשים בסוג של אנרגיה שתאבד במערכת הביוספירה. אלה מהווים חלק גדול מהמגוון הביולוגי וצפיפות האוכלוסייה של מערכות אקולוגיות רבות בהן הכנסת חומר אורגני מוגבלת מאוד.

הסיווג שלהם קשור לתרכובות בהן הם מסוגלים להשתמש כתורמי אלקטרונים.

חיידקים מרגיזים

הם התגלו בשנת 1890 על ידי וינוגרדסקי וחלק מהז'אנרים שתוארו עד כה יוצרים אגרגטים המוקפים באותה קרום. הם מבודדים בדרך כלל מסביבות יבשתיות.

ניטרציה כוללת חמצון של אמוניום (NH4) לניטריטים (NO2-) ושל ניטריטים (NO2-) לניטרטים (NO3-). שתי קבוצות החיידקים המשתתפות בתהליך זה מתקיימות לעתים קרובות באותו בית גידול כדי לנצל את שני סוגי התרכובות המשתמשות ב- CO2 כמקור פחמן.

חיידקים המסוגלים לחמצן תרכובות גופרית וגופרית

מדובר בחיידקים המסוגלים לחמצן תרכובות גופרית אורגניות ולהפקיד גופרית בתא בתאים ספציפיים. בקבוצה זו מסווגים כמה חיידקים חוטניים ולא חוטים בני סוגים שונים של חיידקים פקולטטיביים ומחייבים.

אורגניזמים אלה מסוגלים להשתמש בתרכובות גופרית הרעילות ביותר לרוב האורגניזמים.

התרכובת הנפוצה ביותר על ידי חיידקים מסוג זה היא גז H2S (חומצה גופרתית). עם זאת, הם יכולים להשתמש גם בגופרית אלמנטרית, תיוסולפטים, פוליתיונאטים, גופרת מתכתית ומולקולות אחרות כתורמי אלקטרונים.

חלק מחיידקים אלו זקוקים לחומציות pH חומצית, וזו הסיבה שהם מכונים חיידקים אסידופיליים, בעוד שאחרים יכולים לעשות זאת ב- pH ניטראלי, קרוב יותר ל"רגיל ".

רבים מחיידקים אלו יכולים ליצור "מיטות" או ביו-סרטים בסוגים שונים של סביבות, אך במיוחד בביוב בתעשיית הכרייה, במעיינות חמים גופרתיים ובמשקעים בים.

הם נקראים בדרך כלל חיידקים חסרי צבע, מכיוון שהם נבדלים מחיידקים אחרים בצבע ירוק וסגול שהם פוטו-אוטוטרופיים מכיוון שאין להם פיגמנטים מכל סוג שהוא, והם אינם זקוקים לאור שמש.

חיידקים המסוגלים לחמצן מימן

בקבוצה זו נמצאים חיידקים המסוגלים לגדול בתקשורת מינרלית עם אטמוספרות עשירות במימן וחמצן ואשר מקורן הפחמן היחיד הוא פחמן דו חמצני.

כאן נמצאים גם חיידקים גרם שליליים וגם חיוביים לגרם חיובי, המסוגלים לצמוח במצבים הטרוטרופיים ויכולים להיות בעלי מטבוליזם מסוגים שונים.

מימן מצטבר מהתמוטטות האנאירובית של מולקולות אורגניות, אשר מושגת על ידי חיידקים תסיסה שונים. אלמנט זה מהווה מקור חשוב לחיידקים וארכיאה כימוסינתטית.

מיקרואורגניזמים המסוגלים להשתמש בו כתורם אלקטרונים עושים זאת בזכות נוכחותו של אנזים הידרוגז הקשור לממברנות שלהם, כמו גם נוכחות חמצן כקולט אלקטרוני.

חיידקים המסוגלים לחמצן ברזל ומנגן

קבוצת חיידקים זו מסוגלת להשתמש באנרגיה הנוצרת מחמצון של מנגן או ברזל במצבו הברזל למצב הברזל שלו. זה כולל גם חיידקים המסוגלים לצמוח בנוכחות תיוסולפטים כתורמים מימן אורגניים.

מנקודת מבט אקולוגית, חיידקים מחמצנים ברזל ומגנזיום חשובים לניקוי רעלים מהסביבה, מכיוון שהם מפחיתים את ריכוז המתכות הרעילות המומסות.

אורגניזמים סימביוטיים

בנוסף לחיידקים החיים בחופשיות, ישנם כמה בעלי חיים חסרי חוליות החיים בסביבות בלתי-מסוכנות ושהם מקשרים עם סוגים מסוימים של חיידקים כימוסינטטיים בכדי לשרוד.

גילוי הסימביוניטים הראשונים התרחש לאחר מחקר של תולעת צינור ענקית, Riftia pachyptila, חסר צינור עיכול והשגת אנרגיה חיונית מהתגובות שביצעו החיידקים שאיתם היא קשורה.

הבדלים עם פוטוסינתזה

המאפיין המובהק ביותר של אורגניזמים כימוסינתטיים הוא שהם משלבים את היכולת להשתמש בתרכובות אורגניות כדי להשיג אנרגיה והפחתת כוח, כמו גם לקשור ביעילות מולקולות פחמן דו חמצני. משהו שיכול לקרות בהיעדר מוחלט של אור שמש.

הפוטוסינתזה מתבצעת על ידי צמחים, אצות, ועל ידי סוגים מסוימים של חיידקים ופרוטוזואה. הוא משתמש באנרגיה מאור השמש בכדי להניע את הפיכתם של פחמן דו חמצני ומים (פוטוליזה) לחמצן ופחמימות, דרך ייצור ATP ו- NADH.

כימוזינתזה, נהפוך הוא, מנצלת את האנרגיה הכימית המשתחררת מתגובות הפחתת חמצון כדי לתקן מולקולות פחמן דו חמצני ומייצרת סוכרים ומים בזכות השגת אנרגיה בצורה של ATP והפחתת כוח.

בכימוסינתזה, בניגוד לפוטוסינתזה, אין פיגמנטים מעורבים והחמצן אינו מיוצר כתוצר לוואי.

הפניות

1. דובילייה, נ ', ברגין, סי, ולוט, סי (2008). גיוון סימביוטי בבעלי חיים ימיים: אומנות רתימת הכימוסינתזה. חוות דעת על טבע מיקרוביולוגיה, 6 (10), 725–740.
2. אנגל, א.ש (2012). כימותרפיה. אנציקלופדיה של מערות, (1997), 125–134.
3. Enger, E., Ross, F., and Bailey, D. (2009). מושגים בביולוגיה (מהדורה 13). מקגרו-היל.
4. קינן, או (1975). אקולוגיה ימית. (O. Kinne, Ed.), Comput. לְבַדֵר. (מהדורה שנייה, כרך ב '). ג'ון וויילי ובניו. https://doi.org/10.1145/973801.973803
5. Lees, H. (1962). IV. כמה מחשבות על אנרגטיות של כימוסינתזה. סימפוזיון בנושא אוטוטרופיה.
6. Pace, M., & Lovett, G. (2013). הפקה ראשונית: קרן המערכות האקולוגיות. ביסודות מדעי המערכת האקולוגית (עמ '27–51). Elsevier Inc.