Хемосинтез - Chemosynthesis

Эта статья о биологическом потреблении энергии из неорганических соединений. Для химического синтеза в молекулярной нанотехнологии см. Хемосинтез (нанотехнологии).
Venenivibrio stagnispumantis получает энергию за счет окисления газообразного водорода.

В биохимии хемосинтез является биологическим превращением одной или нескольких углеродсодержащих молекул (обычно углекислый газ или же метан ) и питательные вещества в органические вещества с помощью окисление неорганических соединений (например, водород газ сероводород ) или же железо ионы как источник энергии, а не солнечный свет, как в фотосинтез. Хемоавтотрофы, организмы которые получают углерод из углекислый газ посредством хемосинтеза, филогенетически разнообразны, но также группы, которые включают заметные или биогеохимически важные таксоны, включают окисляющие серу гамма и эпсилон протеобактерии, то Водные, то метаногенный архей и нейтрофилов железоокисляющие бактерии.

Многие микроорганизмы в темных регионах океанов используют хемосинтез для производства биомассы из одиночных молекул углерода. Можно выделить две категории. В редких местах, где молекулы водорода (H2) доступны, энергия, доступная от реакции между CO2 и H2 (приводит к образованию метана, CH4) может быть достаточно большим, чтобы стимулировать производство биомассы. В качестве альтернативы, в большинстве океанических сред энергия для хемосинтеза поступает из реакций, в которых такие вещества, как сероводород или же аммиак окисляются. Это может происходить в присутствии кислорода или без него.

Многие хемосинтетические микроорганизмы потребляются другими организмами в океане, и симбиотический ассоциации между хемосинтезаторами и дышащими гетеротрофами довольно распространены. Большие популяции животных могут поддерживаться хемосинтезом. вторичное производство в гидротермальные источники, клатраты метана, холодные просачивания, Кит падает, и изолированная пещерная вода.

Была выдвинута гипотеза, что анаэробный хемосинтез может поддерживать жизнь под поверхностью Марс, Юпитера Луна Европа, и другие планеты.[1] Хемосинтез, возможно, также был первым типом метаболизма, который развился на Земле, что привело к дальнейшему развитию клеточного дыхания и фотосинтеза.

Процесс хемосинтеза сероводорода

Гигантские трубчатые черви использовать бактерии в своих трофосома к исправить углекислый газ (с помощью сероводород как электрон и кислород[2] или нитратов в качестве источника энергии) и производят сахара и аминокислоты.[3]Некоторые реакции производят серу:

хемосинтез сероводорода:[4]
18ЧАС2S + 6CO2 + 3О2 → С6ЧАС12О6 (углевод ) + 12ЧАС2О + 18S

Вместо того, чтобы выпустить кислород газ при фиксации углекислого газа, как в фотосинтез, хемосинтез сероводорода дает твердые глобулы сера в процессе. У бактерий, способных к хемоавтотрофии (форма хемосинтеза), таких как фиолетовые серные бактерии,[5] желтые глобулы серы присутствуют и видны в цитоплазме.

Открытие

Гигантские трубчатые черви (Рифтия пахиптила ) вместо кишечника имеют орган, содержащий хемосинтезирующие бактерии.

В 1890 г. Сергей Виноградский предложил новый тип жизненного процесса под названием «аноргоксидант». Его открытие показало, что некоторые микробы могут жить исключительно на неорганической материи, и появилось во время его физиологических исследований в 1880-х гг. Страсбург и Цюрих на серные, железо и азотные бактерии.

В 1897 г. Вильгельм Пфеффер ввел термин «хемосинтез» для производства энергии путем окисления неорганических веществ в связи с автотрофный ассимиляция углекислого газа - то, что сегодня назвали бы хемолитоавтотрофией. Позже этот термин будет расширен, чтобы включить также хемоорганоавтотрофов, которые представляют собой организмы, которые используют органические энергетические субстраты для ассимиляции диоксида углерода.[6] Таким образом, хемосинтез можно рассматривать как синоним химиоавтотрофия.

Период, термин "хемотрофия ", менее ограничительный, будет введен в 1940-х годах Андре Львофф для производства энергии путем окисления доноров электронов, органических или нет, связанных с авто- или гетеротрофией.[7][8]

Гидротермальные источники

Предположение Виноградского подтвердилось почти 90 лет спустя, когда гидротермальный океан вентиляционные отверстия были предсказаны в 1970-х годах. Горячие источники и странные существа были обнаружены Элвин первый в мире глубоководный аппарат, в 1977 г. Галапагосский разлом. Примерно в то же время тогдашний аспирант Коллин Кавано предложили хемосинтетические бактерии, которые окисляют сульфиды или элементарную серу, как механизм, с помощью которого трубчатые черви могли выжить вблизи гидротермальных источников. Позже Кавано удалось подтвердить, что это действительно был метод, с помощью которого черви могли процветать, и ему обычно приписывают открытие хемосинтеза.[9]

2004 г. телевидение сериал, организованный Билл Най назвал хемосинтез одним из 100 величайших научных открытий всех времен.[10][11]

Океаническая кора

В 2013 году исследователи сообщили о своем открытии бактерий, живущих в скале. океаническая кора ниже толстых слоев наносов и помимо гидротермальных жерл, образующихся по краям тектонические плиты. По предварительным данным, эти бактерии питаются водородом, образующимся в результате химического восстановления оливин морской водой, циркулирующей в мелких венах, пронизывающих базальт который включает океаническую кору. Бактерии синтезируют метан, соединяя водород и углекислый газ.[12]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Джулиан Чела-Флорес (2000): «Земные микробы как кандидаты на выживание на Марсе и Европе», в: Seckbach, Joseph (ed.) Путешествие в разнообразные миры микробов: адаптация к экзотической среде, Springer, стр. 387–398. ISBN  0-7923-6020-6
  2. ^ Шмидт-Рор, Клаус (2020). «Кислород - это высокоэнергетическая молекула, питающая сложную многоклеточную жизнь: фундаментальные поправки к традиционной биоэнергетике». СКУД Омега. 5 (5): 2221–2233. Дои:10.1021 / acsomega.9b03352. ISSN  2470-1343.
  3. ^ Биотехнология для управления окружающей средой и восстановления ресурсов. Springer. 2013. с. 179. ISBN  978-81-322-0876-1.
  4. ^ "Хемолитотрофия | Безграничная микробиология". course.lumenlearning.com. Получено 2020-04-11.
  5. ^ Фиолетовые фототрофные бактерии. Хантер, К. Нил. Дордрехт: Спрингер. 2009 г. ISBN  978-1-4020-8814-8. OCLC  304494953.CS1 maint: другие (связь)
  6. ^ Kellerman, M. Y .; и другие. (2012). «Автотрофия как преобладающий способ фиксации углерода в анаэробных микробных сообществах, окисляющих метан». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 109 (47): 19321–19326. Дои:10.1073 / pnas.1208795109. ЧВК  3511159. PMID  23129626.
  7. ^ Kelly, D.P .; Вуд, А. П. (2006). «Хемолитотрофные прокариоты». Прокариоты. Нью-Йорк: Спрингер. С. 441–456. Дои:10.1007/0-387-30742-7_15. ISBN  978-0-387-25492-0.
  8. ^ Шлегель, Х. Г. (1975). «Механизмы химио-автотрофии» (PDF). В Кинне, О. (ред.). Морская экология. Vol. 2, Часть I. С. 9–60. ISBN  0-471-48004-5.
  9. ^ Кавено, Коллин М .; и другие. (1981). «Прокариотические клетки в червях гидротермальных вентиляционных трубок» Rifttia Джонс: возможные хемоавтотрофные симбионты ». Наука. 213 (4505): 340–342. Дои:10.1126 / science.213.4505.340. PMID  17819907.
  10. ^ «100 величайших открытий (2004–2005)». IMDb.
  11. ^ «Величайшие открытия». Наука. Архивировано из оригинал 19 марта 2013 г. Смотрите онлайн «Величайшие открытия в эволюции».
  12. ^ «Жизнь глубоко в океанической коре, поддерживаемая энергией из недр Земли». ScienceDaily. 14 марта 2013 г.. Получено 16 марта, 2013.

внешняя ссылка