Η χημειοσύνθεση είναι μια διαδικασία που χρησιμοποιούν ορισμένοι οργανισμοί για να αποκτήσουν ενέργεια για την παραγωγή τροφής, παρόμοια με τη φωτοσύνθεση, αλλά χωρίς τη χρήση του ηλιακού φωτός. Η ενέργεια προέρχεται από την οξείδωση των ανόργανων χημικών ουσιών που βρίσκουν οι οργανισμοί στο περιβάλλον τους. Η διαδικασία εμφανίζεται σε πολλά βακτήρια και σε μια άλλη ομάδα οργανισμών γνωστών ως αρχαία. Οι μορφές ζωής που χρησιμοποιούν αυτή τη μέθοδο για την απόκτηση ενέργειας βρίσκονται σε διάφορα περιβάλλοντα, συμπεριλαμβανομένου του εδάφους, των εντέρων των θηλαστικών, των κοιτασμάτων πετρελαίου και σε ακραίες συνθήκες, όπως γύρω από υδροθερμικές οπές στον πυθμένα του ωκεανού. Είναι προσαρμοσμένα σε συνθήκες που μπορεί να ήταν συνηθισμένες πριν από δισεκατομμύρια χρόνια, με αποτέλεσμα ορισμένοι επιστήμονες να θεωρήσουν ότι μπορεί να είναι άμεσοι απόγονοι της πρώτης ζωής στη Γη.
Μέθοδοι
Οι οργανισμοί που φτιάχνουν τη δική τους τροφή από ανόργανες χημικές ουσίες, σε αντίθεση με τη χρήση ήδη υπαρχόντων οργανικών υλικών, είναι γνωστοί ως αυτότροφοι. Τα τρόφιμα αποτελούνται από υδατάνθρακες, όπως η γλυκόζη, αλλά απαιτούν ενέργεια για την παρασκευή τους. Όπου είναι διαθέσιμο το ηλιακό φως, τα αυτότροφα θα το χρησιμοποιούν γενικά για να πραγματοποιήσουν φωτοσύνθεση, αλλά σε μέρη όπου δεν φτάνει φως, έχουν εξελιχθεί διαφορετικοί τύποι που χρησιμοποιούν χημική ενέργεια. Οι μορφές ζωής που το κάνουν αυτό είναι γνωστές ως χημειοτροφικά. Έχει προκύψει ένας αριθμός διαφορετικών μεθόδων, που καθορίζονται από τις συνθήκες και τις χημικές ουσίες που είναι διαθέσιμες.
Η χημειοσύνθεση χρησιμοποιεί αντιδράσεις οξείδωσης-αναγωγής, επίσης γνωστές ως αντιδράσεις οξειδοαναγωγής, για την παροχή της ενέργειας που απαιτείται για την παραγωγή υδατανθράκων από διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Αυτό το είδος αντίδρασης περιλαμβάνει την απώλεια ηλεκτρονίων από μια ουσία και την προσθήκη ηλεκτρονίων σε μια άλλη. Η ουσία που δέχεται τα ηλεκτρόνια – συνήθως οξυγόνο – λέγεται ότι έχει μειωθεί, ενώ αυτή που τα τροφοδοτεί έχει οξειδωθεί. Η αναγωγή απαιτεί ενέργεια, αλλά η οξείδωση την απελευθερώνει. Οι δύο αντιδράσεις συμβαίνουν πάντα μαζί, αλλά αυτές που χρησιμοποιούνται στη χημειοσύνθεση έχουν ως αποτέλεσμα μια συνολική απελευθέρωση ενέργειας.
Όπως και με τη φωτοσύνθεση, οι πραγματικές αντιδράσεις είναι πολύ περίπλοκες και περιλαμβάνουν διάφορα στάδια, αλλά μπορούν να συνοψιστούν ως προς τις πρώτες ύλες και τα τελικά προϊόντα, ένα από τα οποία θα είναι τροφή με τη μορφή κάποιου είδους υδατάνθρακα. Όπου είναι διαθέσιμα σουλφίδια, μπορεί να οξειδωθούν, παράγοντας θείο ή θειικά άλατα. Ο σίδηρος μπορεί επίσης να οξειδωθεί, από μια μορφή γνωστή ως σίδηρος II σε σίδηρο III, ο οποίος έχει ένα ηλεκτρόνιο λιγότερο. Το μεθάνιο, το οποίο υπάρχει σε ορισμένα μέρη ως φυσικό αέριο, μπορεί να είναι πηγή ενέργειας και άνθρακα για ορισμένους μικροοργανισμούς και είναι επίσης υποπροϊόν της χημειοσύνθεσης από ορισμένους άλλους οργανισμούς. Η οξείδωση της αμμωνίας σε νιτρώδη και νιτρικά είναι μια άλλη μέθοδος που παρέχει ενέργεια για ορισμένες μορφές ζωής.
Πολλοί από τους οργανισμούς που χρησιμοποιούν τη χημειοσύνθεση για την παραγωγή τροφίμων ζουν σε περιβάλλοντα με ακραίες θερμοκρασίες, πιέσεις, αλατότητα ή άλλες συνθήκες που είναι εχθρικές για την περισσότερη ζωή. Αυτοί είναι γνωστοί ως ακραίοφιλοι. Έχουν διάφορες προσαρμογές που τους επιτρέπουν να επιβιώσουν, όπως ασυνήθιστα ένζυμα που δεν απενεργοποιούνται από τις υψηλές θερμοκρασίες.
Περιβάλλοντα
Οι υδροθερμικοί αεραγωγοί είναι από τα πιο αξιοσημείωτα περιβάλλοντα του πλανήτη. Αποτελούνται από ρεύματα ζεστού, πλούσιου σε χημικά νερού που ξεχύνονται από τον πυθμένα του ωκεανού σε γεωλογικά ενεργές περιοχές, όπως οι κορυφογραμμές του μέσου ωκεανού. Αν και φαινομενικά εχθρικά προς τη ζωή, χωρίς φως, θερμοκρασίες που πλησιάζουν τους 212°F (100°C) και γεμάτες χημικές ουσίες που είναι τοξικές για τις περισσότερες μορφές ζωής, έχουν ακμάζοντα και ποικίλα οικοσυστήματα που υποστηρίζονται από χημειοσυνθετικούς μικροοργανισμούς. Αυτά τα μικρόβια αποτελούνται από βακτήρια, καθώς και από αρχαία, μια πολύ αρχαία ομάδα οργανισμών που είναι επιφανειακά παρόμοιοι, αλλά χημικά και γενετικά πολύ διαφορετικοί.
Το ζεστό νερό που παράγεται από τους υδροθερμικούς αεραγωγούς είναι πολύ πλούσιο σε σουλφίδια, τα οποία τα μικρόβια χρησιμοποιούν για τη χημειοσύνθεση, μερικές φορές απελευθερώνοντας μεθάνιο ως υποπροϊόν. Οι μικροοργανισμοί που παράγουν αυτό το αέριο είναι γνωστοί ως μεθανογόνα. Άλλα χημειοσυνθετικά μικρόβια σε αυτό το περιβάλλον λαμβάνουν ενέργεια με την οξείδωση του μεθανίου, μετατρέποντας το θειικό σε σουλφίδιο στη διαδικασία. Η οξείδωση μεθανίου λαμβάνει χώρα επίσης σε περιοχές όπου το πετρέλαιο – ένα μείγμα υδρογονανθράκων συμπεριλαμβανομένου του μεθανίου – διαρρέει προς τα πάνω στον πυθμένα της θάλασσας.
Οι οικολογίες που περιβάλλουν τις οπές βαθέων υδάτων είναι πολύ πιο πλούσιες από αυτές που βρίσκονται πιο μακριά από τέτοιες χημικές πηγές, οι οποίες πρέπει να επιβιώσουν αποκλειστικά με νεκρή οργανική ύλη που κατεβαίνει αργά από τα πάνω νερά. Οι χημειοσυνθετικές μορφές ζωής όχι μόνο παρέχουν τη βάση για μεγαλύτερες κοινότητες οργανισμών που καταναλώνουν τα μικρόβια για να επιβιώσουν, αλλά σχηματίζουν επίσης σημαντικές συμβιωτικές σχέσεις με άλλους οργανισμούς. Ένα ενδιαφέρον παράδειγμα είναι ο σωληνοειδής σκώληκας, ο οποίος ξεκινά τη ζωή με το στόμα και το έντερο, τα οποία χρησιμοποιεί για να προσλάβει τεράστιους αριθμούς χημειοσυνθετικών βακτηρίων. Σε μεταγενέστερο στάδιο, χάνει το στόμα του, και συνεχίζει να επιβιώνει καταναλώνοντας την τροφή που παράγεται από τα εσωτερικά του βακτήρια.
Χημειοσυνθετικοί ακραίοφιλοι μικροοργανισμοί έχουν βρεθεί σε θερμές πηγές, όπου επιβιώνουν με οξείδωση θείου ή αμμωνίας, και σε πετρώματα βαθιά κάτω από την επιφάνεια, όπου λαμβάνουν ενέργεια με την οξείδωση του σιδήρου. Η χημειοσύνθεση γίνεται επίσης σε πιο οικεία μέρη. Για παράδειγμα, στο έδαφος, τα νιτροποιητικά βακτήρια μετατρέπουν την αμμωνία σε νιτρώδη και νιτρικά, ενώ τα αρχαία που παράγουν μεθάνιο μπορούν να βρεθούν σε έλη και βάλτους, στα λύματα και στα έντερα των θηλαστικών.
Σημασία και πιθανές χρήσεις
Τα νιτροποιητικά βακτήρια στο έδαφος παρέχουν χρησιμοποιήσιμο άζωτο για τα φυτά και αποτελούν κρίσιμο μέρος του κύκλου του αζώτου – χωρίς αυτά, τα φυτά και τα ζώα δεν θα μπορούσαν να υπάρχουν. Είναι πολύ πιθανό οι πρώτες μορφές ζωής να χρησιμοποιούσαν τη χημειοσύνθεση για να δημιουργήσουν οργανικές ενώσεις από ανόργανες, και έτσι αυτές οι διαδικασίες μπορεί να είναι υπεύθυνες για την εγκατάσταση ζωής στη Γη. Οι επιστήμονες έχουν προτείνει διάφορους τρόπους με τους οποίους τα χημειοτροφικά θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σωστά. Για παράδειγμα, θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή μεθανίου για καύσιμο. Δεδομένου ότι πολλοί από αυτούς τους οργανισμούς ζουν με χημικές ουσίες που είναι τοξικές για τον άνθρωπο και απελευθερώνουν αβλαβή υποπροϊόντα, μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθούν για την αποτοξίνωση ορισμένων τύπων δηλητηριωδών αποβλήτων.
Χημειοσύνθεση και άλλοι πλανήτες
Η ικανότητα ορισμένων χημειοσυνθετικών οργανισμών να ευδοκιμούν σε ακραίες συνθήκες έχει οδηγήσει ορισμένους επιστήμονες να προτείνουν ότι τέτοιες μορφές ζωής μπορεί να υπάρχουν σε άλλους πλανήτες, σε περιβάλλοντα που δεν θα ήταν κατάλληλα για πιο γνωστούς τύπους ζωής. Τα πειράματα υποδηλώνουν ότι ορισμένοι χημειοσυνθετικοί οργανισμοί μπορεί να είναι σε θέση να επιβιώσουν και να αναπτυχθούν κάτω από την επιφάνεια του Άρη, και έχει εικαστεί ότι ίχνη μεθανίου που βρίσκονται στην ατμόσφαιρα του Άρη μπορεί να είναι αποτέλεσμα δραστηριότητας μεθανογόνων μικροοργανισμών. Μια άλλη πιθανή τοποθεσία για εξωγήινη ζωή είναι το καλυμμένο με πάγο φεγγάρι του Δία, η Ευρώπη, όπου πιστεύεται ότι υπάρχει υγρό νερό κάτω από την επιφάνεια.