Ķīmiskās sintēzes definīcija un piemēri

Ķemosintēze ir oglekļa savienojumu un citu molekulu pārvēršana organiskos savienojumos. Šajā bioķīmiskajā reakcijā ir metāns vai neorganisks savienojums, piemēram, sērūdeņradis vai ūdeņraža gāze oksidēts darboties kā enerģijas avots. Turpretī enerģijas avots fotosintēze (reakciju kopums, caur kuru oglekļa dioksīds un ūdens tiek pārveidots par glikozi un skābekli) procesa enerģijai izmanto saules gaismu.

Ideju, ka mikroorganismi varētu dzīvot uz neorganiskiem savienojumiem, ierosināja Sergejs Nikolajevičs Vinogradnsii (Winogradsky) 1890. gadā, pamatojoties uz pētījumiem, kas veikti ar baktērijām, kuras, šķiet, dzīvo no slāpekļa, dzelzs vai sērs. Hipotēze tika apstiprināta 1977. gadā, kad dziļūdens zemūdens Alvins novēroja cauruļu tārpus un citu apkārtējo dzīvību hidrotermiskās ventilācijas atveres pie Galapagu rifta. Hārvardas studente Kenela Kavanaugh ierosināja un vēlāk apstiprināja, ka caurulīšu tārpi ir izdzīvojuši viņu attiecību dēļ ar ķemosintētiskajām baktērijām. Oficiālais atklājums par kemosintēzi tiek ieskaitīts Cavanaugh.

Organismus, kas enerģiju iegūst, oksidējot elektronu donorus, sauc par kemotrofiem. Ja molekulas ir organiskas, organismus sauc par ķīmijorganotrofiem. Ja molekulas ir neorganiskas, organismi ir termini chemolitotrofi. Turpretī organismus, kas izmanto saules enerģiju, sauc par fototrofiem.

Chemoautotrofi iegūst enerģiju ķīmisku reakciju rezultātā un no oglekļa dioksīda sintezē organiskos savienojumus. Enerģijas avots ķīmiskās sintēzes gadījumā var būt elementārais sērs, sērūdeņradis, molekulārais ūdeņradis, amonjaks, mangāns vai dzelzs. Kemoautotrofu piemēri ir baktērijas un metanogeniskās arhajas, kas dzīvo dziļūdens atverēs. Vārdu "kemosintēze" sākotnēji 1897. gadā izgudroja Vilhelms Pfefers, lai aprakstītu enerģijas ražošanu, neorganisko molekulu oksidējot ar autotrofiem (ķīmijautoautotrofija). Saskaņā ar mūsdienu definīciju, ķīmiskā sintēze apraksta arī enerģijas ražošanu, izmantojot ķīmioautoautotrofiju.

Kemoheterotrofi nevar fiksēt oglekli, veidojot organiskus savienojumus. Tā vietā viņi var izmantot neorganiskus enerģijas avotus, piemēram, sērs (ķīmijheterotrofiem) vai organiskiem enerģijas avotiem, piemēram, olbaltumvielām, ogļhidrātiem un lipīdiem (ķīmijorganoheterotrofiem).

Hemotermālā sintēze ir atklāta hidrotermālajās ventilācijas atverēs, izolētās alās, metāna klatrātos, vaļu kritumos un aukstās notekas. Ir izvirzītas hipotēzes, ka process var atļaut dzīvību zem Marsa un Jupitera mēness Europa virsmas. kā arī citās Saules sistēmas vietās. Ķīmiskā sintēze var notikt skābekļa klātbūtnē, bet tā nav nepieciešama.

Papildus baktēriju un arhaea, daži lielāki organismi paļaujas uz ķīmisko sintēzi. Labs piemērs ir milzu cauruļu tārps, kas ir sastopams ļoti daudzos ap dziļas hidrotermiskās atveres. Katrā tārpā atrodas ķemosintētiskās baktērijas orgānā, ko sauc par trofosomu. Baktērijas oksidē sēru no tārpa vides, iegūstot dzīvniekam nepieciešamo barību. Izmantojot sērūdeņradi kā enerģijas avotu, ķīmiskās sintēzes reakcija ir šāda:

12 H₂S + 6 CO₂ → C₆H₁₂O₆ + 6 H₂O + 12 S

Tas ir līdzīgi kā reakcija uz ogļhidrātu iegūšanu fotosintēzes veidā, izņemot fotosintēze izdala skābekļa gāzi, savukārt ķemosintēze rada cietu sēru. Dzeltenās sēra granulas ir redzamas baktēriju citoplazmā, kas veic reakciju.

Vēl viens ķemosintēzes piemērs tika atklāts 2013. gadā, kad tika atrastas baktērijas, kas dzīvo bazaltā zem okeāna dibena nogulumiem. Šīs baktērijas nebija saistītas ar hidrotermisko ventilāciju. Ir ierosināts, ka baktērijas izmanto ūdeņradi no minerālu samazināšanas jūras ūdenī, peldot ieži. Baktērijas varēja reaģēt ar ūdeņradi un oglekļa dioksīdu, iegūstot metānu.

Kaut arī terminu "ķemosintēze" visbiežāk piemēro bioloģiskajām sistēmām, to vispārīgāk var izmantot, lai aprakstītu jebkādu ķīmiskās sintēzes veidu, ko izraisa nejauša reaģenti. Turpretī molekulu mehāniskas manipulācijas, lai kontrolētu to reakciju, sauc par “mehanosintēzi”. Gan kemosintēzei, gan mehanosintēzei ir potenciāls konstruēt sarežģītus savienojumus, ieskaitot jaunas molekulas un organiskas molekulas.

• Campbell, Neil A., et al. Bioloģija. 8. izdevums, Pīrsons, 2008. gads.
• Kelly, Donovan P. un Ann P. Koks. “Hemolitotrofie prokarioti.” Prokarioti, rediģējis Martins Dvorkins, et al., 2006, lpp. 441-456.
• Šlēgels, H. G. “Ķīmiskās autotrofijas mehānismi.” Jūras ekoloģija: visaptverošs, integrēts traktāts par dzīvi okeānos un piekrastes ūdeņos, rediģējis Otto Kinne, Wiley, 1975, lpp. 9-60.
• Somero, Gn. “Sērūdeņraža simbiotiskā izmantošana.” Fizioloģija, sēj. 2, nē. 1, 1987, lpp. 3-6.