В биохимии хемосинтез — это биологическое преобразование одной или нескольких углеродсодержащих молекул (обычно углекислого газа или метана ) и питательных веществ в органическое вещество с использованием окисления неорганических соединений (например, газообразного водорода, сероводорода ) или ионов железа в качестве источника энергии, а не солнечного света, как при фотосинтезе . Хемоавтотрофы , организмы , которые получают углерод из углекислого газа посредством хемосинтеза, филогенетически разнообразны. Группы, которые включают заметные или биогеохимически важные таксоны, включают сероокисляющие Gammaproteobacteria , Campylobacterota , Aquificota , метаногенные археи и нейтрофильные железоокисляющие бактерии .
Многие микроорганизмы в темных областях океанов используют хемосинтез для производства биомассы из одноуглеродных молекул. Можно выделить две категории. В редких местах, где доступны молекулы водорода (H 2 ), энергия, доступная из 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 из реакций, в которых окисляются такие вещества, как сероводород или аммиак . Это может происходить как с присутствием кислорода, так и без него.
Многие хемосинтетические микроорганизмы потребляются другими организмами в океане, и симбиотические ассоциации между хемосинтезаторами и дышащими гетеротрофами довольно распространены. Большие популяции животных могут поддерживаться хемосинтетической вторичной продукцией в гидротермальных источниках , метановых клатратах , холодных просачиваниях , китовых водопадах и изолированной пещерной воде .
Была выдвинута гипотеза, что анаэробный хемосинтез может поддерживать жизнь под поверхностью Марса , Европы, спутника Юпитера , и других планет. [1] Хемосинтез также мог быть первым типом метаболизма, который развился на Земле, проложив путь для развития клеточного дыхания и фотосинтеза в дальнейшем.
Гигантские трубчатые черви используют бактерии в своей трофосоме для фиксации углекислого газа (используя сероводород в качестве источника энергии) и производства сахаров и аминокислот . [2] В некоторых реакциях образуется сера:
Вместо того, чтобы выделять кислородный газ при фиксации углекислого газа, как при фотосинтезе , хемосинтез сероводорода производит твердые глобулы серы в этом процессе. У бактерий, способных к хемоавтотрофии (форма хемосинтеза), таких как пурпурные серные бактерии , [4] желтые глобулы серы присутствуют и видны в цитоплазме.
В 1890 году Сергей Виноградский предложил новый тип жизненного процесса, названный «аноргоксидантным». Его открытие предполагало, что некоторые микробы могут жить исключительно на неорганических веществах, и возникло во время его физиологических исследований в 1880-х годах в Страсбурге и Цюрихе серных, железных и азотных бактерий.
В 1897 году Вильгельм Пфеффер ввел термин «хемосинтез» для производства энергии путем окисления неорганических веществ в сочетании с автотрофной ассимиляцией углекислого газа — то, что сегодня называется хемолитоавтотрофией. Позже этот термин был расширен и стал включать также хемоорганоавтотрофов, 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, связанного с авто- или гетеротрофией. [6] [7]
Предположение Виноградского подтвердилось почти 90 лет спустя, когда в 1970-х годах было предсказано существование гидротермальных океанических источников. Горячие источники и странные существа были обнаружены Элвином , первым в мире глубоководным батискафом, в 1977 году в Галапагосском разломе . Примерно в то же время тогдашняя аспирантка Колин Кавано предложила хемосинтетические бактерии, которые окисляют сульфиды или элементарную серу, как механизм, с помощью которого трубчатые черви могли выживать вблизи гидротермальных источников. Позже Кавано удалось подтвердить, что это действительно был метод, с помощью которого черви могли процветать, и ему обычно приписывают открытие хемосинтеза. [8]
В 2004 году в телевизионном шоу, ведущим которого был Билл Най, хемосинтез был назван одним из 100 величайших научных открытий всех времен. [9] [10]
В 2013 году исследователи сообщили об открытии бактерий, живущих в породе океанической коры под толстыми слоями осадков и вдали от гидротермальных источников, которые образуются вдоль краев тектонических плит . Предварительные результаты показывают, что эти бактерии существуют на водороде, получаемом в результате химического восстановления оливина морской водой, циркулирующей в небольших жилах, пронизывающих базальт , из которого состоит океаническая кора. Бактерии синтезируют метан, соединяя водород и углекислый газ. [11]
Несмотря на то, что процесс хемосинтеза известен уже более ста лет, его значение и важность в превращении химических элементов в биогеохимических циклах актуальны и сегодня. Сегодня жизненно важные процессы нитрифицирующих бактерий, приводящие к окислению аммиака до азотной кислоты, требуют научного обоснования и дополнительных исследований. Способность бактерий преобразовывать неорганические вещества в органические позволяет предположить, что хемосинтез может аккумулировать ценные ресурсы для нужд человека.
Хемосинтетические сообщества в различных средах обитания являются важными биологическими системами с точки зрения их экологии, эволюции и биогеографии, а также их потенциала как индикаторов наличия постоянных источников энергии на основе углеводородов. В процессе хемосинтеза бактерии производят органическое вещество там, где фотосинтез невозможен. Выделение термофильных сульфатредуцирующих бактерий Thermodesulfovibrio yellowstonii и других видов хемосинтетиков дает перспективы для дальнейших исследований. Таким образом, важность хемосинтеза остается актуальной для использования в инновационных технологиях, сохранении экосистем, жизни человека в целом. Сергей Виноградский помог открыть явление хемосинтеза. [12]
{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )