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 окисляются такие вещества, как сероводород или аммиак . Это может происходить как в присутствии кислорода, так и без него.
Многие хемосинтезирующие микроорганизмы потребляются другими организмами в океане, и довольно распространены симбиотические ассоциации между хемосинтезирующими и дышащими гетеротрофами. 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 , спутника Юпитера Европы и других планет. [1] Хемосинтез, возможно, также был первым типом метаболизма, который развился на Земле, проложив путь к клеточному дыханию и фотосинтезу, развившимся позднее.
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:
Вместо выделения газообразного кислорода при фиксации углекислого газа, как при фотосинтезе , хемосинтез сероводорода производит в процессе твердые шарики серы . У бактерий, способных к хемоавтотрофии (форма хемосинтеза), таких как пурпурные серобактерии , [4] в цитоплазме присутствуют и видны желтые шарики серы.
В 1890 году Сергей Виноградский предложил новый тип жизненного процесса, названный «анороксидант». Его открытие показало, 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 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]
Предположение Виноградского подтвердилось почти 90 лет спустя, когда в 1970-х годах было предсказано существование гидротермальных океанских 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 могли 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]
Телесериал 2004 года, который вел Билл Най, назвал хемосинтез одним из 100 величайших научных открытий всех времен. [9] [10]
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]
Несмотря на то, что процесс хемосинтеза известен уже более ста лет, его значение и значение актуальны и сегодня при превращениях химических элементов в биогеохимических круговоротах. 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. Роль Сергея Виноградского в открытии явления хемосинтеза недооценена и нуждается в дальнейших исследованиях и популяризации. [12]
{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )