Chemosinteza este un proces pe care anumite organisme îl folosesc pentru a obține energie pentru producerea alimentelor, asemănător fotosintezei, dar fără utilizarea luminii solare. Energia provine din oxidarea substanțelor chimice anorganice pe care organismele le găsesc în mediul lor. Procesul are loc la multe bacterii și la un alt grup de organisme cunoscut sub numele de arhee. Formele de viață care folosesc această metodă pentru a obține energie se găsesc într-o varietate de medii, inclusiv în sol, intestinele mamiferelor, depozite de petrol și în condiții extreme, cum ar fi în jurul gurilor hidrotermale de pe fundul oceanului. Ele sunt adaptate la circumstanțe care ar fi putut fi obișnuite cu miliarde de ani în urmă, ceea ce i-a determinat pe unii oameni de știință să teoretizeze că ar putea fi descendenți direcți ai primelor vieți de pe Pământ.
Metode
Organismele care își fac propria hrană din substanțe chimice anorganice, spre deosebire de utilizarea materialelor organice deja existente, sunt cunoscute ca autotrofe. Alimentele constau din carbohidrați, cum ar fi glucoza, dar aceștia necesită energie pentru fabricare. Acolo unde lumina soarelui este disponibilă, autotrofii o vor folosi în general pentru a efectua fotosinteza, dar în locurile în care lumina nu ajunge, au evoluat diferite tipuri care folosesc în schimb energia chimică. Formele de viață care fac acest lucru sunt cunoscute sub numele de chemautotrofe. Au apărut o serie de metode diferite, determinate de condiții și de substanțele chimice disponibile.
Chemosinteza folosește reacții de oxidare-reducere, cunoscute și ca reacții redox, pentru a furniza energia necesară pentru a produce carbohidrați din dioxid de carbon și apă. Acest tip de reacție implică pierderea de electroni dintr-o substanță și adăugarea de electroni la alta. Se spune că substanța care primește electronii – de obicei oxigen – a fost redusă, în timp ce cea care îi furnizează a fost oxidată. Reducerea necesită energie, dar oxidarea o eliberează. Cele două reacții apar întotdeauna împreună, dar cele utilizate în chimiosinteză au ca rezultat o eliberare globală de energie.
Ca și în cazul fotosintezei, reacțiile reale sunt foarte complexe și implică o serie de etape, dar pot fi rezumate în ceea ce privește materiile prime și produsele finite, dintre care unul va fi alimentele sub formă de carbohidrați. Acolo unde sunt disponibile sulfuri, acestea pot fi oxidate, producând sulf sau sulfați. Fierul poate fi, de asemenea, oxidat, de la o formă cunoscută sub numele de fier II la fier III, care are un electron mai puțin. Metanul, care este prezent în unele locuri sub formă de gaz natural, poate fi o sursă atât de energie, cât și de carbon pentru unele microorganisme și este, de asemenea, un produs secundar al chimiosintezei de către alte organisme. Oxidarea amoniacului la nitriți și nitrați este o altă metodă care oferă energie pentru unele forme de viață.
Multe dintre organismele care folosesc chimiosinteza pentru a produce alimente trăiesc în medii cu temperaturi extreme, presiuni, salinitate sau alte condiții care sunt ostile majorității vieții. Aceștia sunt cunoscuți ca extremofili. Au diverse adaptări care le permit să supraviețuiască, cum ar fi enzime neobișnuite care nu sunt dezactivate de temperaturile ridicate.
medii
Gurile hidrotermale sunt printre cele mai remarcabile medii ale planetei. Ele constau din fluxuri de apă fierbinte, bogată în substanțe chimice, care se revarsă din fundul oceanului în zonele active din punct de vedere geologic, cum ar fi crestele oceanice medii. Deși aparent ostili vieții, fără lumină, temperaturi care se apropie de 212 ° F (100 ° C) și pline de substanțe chimice care sunt toxice pentru majoritatea formelor de viață, au ecosisteme înfloritoare și diverse susținute de microorganisme chemosintetice. Acești microbi constau din bacterii și, de asemenea, arhee, un grup foarte vechi de organisme care sunt superficial similare, dar foarte diferite din punct de vedere chimic și genetic.
Apa caldă produsă de gurile hidrotermale este foarte bogată în sulfuri, pe care microbii le folosesc pentru chimiosinteză, uneori eliberând metan ca produs secundar. Microorganismele care produc acest gaz sunt cunoscute sub numele de metanogene. Alți microbi chimiosintetici din acest mediu obțin energie prin oxidarea metanului, transformând sulfatul în sulfură în acest proces. Oxidarea metanului are loc și în zonele în care petrolul – un amestec de hidrocarburi, inclusiv metan – se infiltrează în sus în fundul mării.
Ecologiile din jurul gurilor de adâncime sunt mult mai bogate decât cele mai îndepărtate de astfel de surse chimice, care trebuie să supraviețuiască numai pe materia organică moartă care coboară încet din apele de deasupra. Formele de viață chimiosintetice nu numai că oferă fundația pentru comunități mai mari de organisme care consumă microbi pentru a supraviețui, dar formează și relații simbiotice importante cu alte organisme. Un exemplu interesant este viermele tubular, care începe viața cu o gură și un intestin, pe care le folosește pentru a prelua un număr mare de bacterii chemosintetice. Într-o etapă ulterioară, își pierde gura și continuă să supraviețuiască consumând alimentele produse de bacteriile sale interne.
Microorganismele extremofile chemosintetice au fost găsite în izvoarele termale, unde supraviețuiesc prin oxidarea sulfului sau amoniacului, și în rocile adânci sub suprafață, de unde obțin energie prin oxidarea fierului. Chemosinteza are loc și în locuri mai familiare. De exemplu, în sol, bacteriile nitrificatoare transformă amoniacul în nitriți și nitrați, în timp ce arheile generatoare de metan pot fi găsite în mlaștini și mlaștini, în canalizare și în intestinele mamiferelor.
Importanța și posibilele utilizări
Bacteriile nitrificatoare din sol furnizează azot utilizabil plantelor și reprezintă o parte crucială a ciclului azotului – fără ele, plantele și animalele nu ar putea exista. Este foarte posibil ca cele mai timpurii forme de viață să folosească chimiosinteza pentru a crea compuși organici din cei anorganici și astfel aceste procese ar putea fi responsabile pentru stabilirea vieții pe Pământ. Oamenii de știință au sugerat o serie de moduri în care chemautotrofii ar putea fi folosiți în mod adecvat. De exemplu, ar putea fi folosite pentru a genera metan pentru combustibil. Deoarece multe dintre aceste organisme trăiesc pe substanțe chimice toxice pentru oameni și eliberează produse secundare inofensive, ele ar putea fi utilizate și pentru a detoxifica anumite tipuri de deșeuri otrăvitoare.
Chemosinteza și alte planete
Capacitatea unor organisme chemosintetice de a se dezvolta în condiții extreme i-a determinat pe unii oameni de știință să sugereze că astfel de forme de viață ar putea exista pe alte planete, în medii care nu ar fi potrivite pentru tipuri de viață mai familiare. Experimentele sugerează că unele organisme chemosintetice ar putea supraviețui și să crească sub suprafața lui Marte și s-a speculat că urmele de metan găsite în atmosfera marțiană ar putea fi rezultatul activității microorganismelor metanogene. O altă locație posibilă pentru viața extraterestră este luna acoperită de gheață a lui Jupiter, Europa, unde se crede că există apă lichidă sub suprafață.