Kemosynteesi on prosessi, jota tietyt organismit käyttävät energian hankkimiseen ruoan tuotantoon, samanlainen kuin fotosynteesi, mutta ilman auringonvaloa. Energia tulee epäorgaanisten kemikaalien hapettumisesta, jonka organismit löytävät ympäristöstään. Prosessi tapahtuu monissa bakteereissa ja toisessa organismiryhmässä, joka tunnetaan nimellä arkeia. Elämänmuotoja, jotka käyttävät tätä menetelmää energian hankkimiseksi, esiintyy erilaisissa ympäristöissä, kuten maaperässä, nisäkkäiden suolistossa, öljyvarastoissa ja äärimmäisissä olosuhteissa, kuten valtameren pohjan hydrotermisten tuuletusaukkojen ympärillä. Ne on mukautettu olosuhteisiin, jotka ovat saattaneet olla tavallisia miljardeja vuosia sitten, mikä saa jotkut tiedemiehet teoreetikoimaan, että he voivat olla maan varhaisimman elämän suoria jälkeläisiä.
Menetelmät
Organismeja, jotka valmistavat oman ruokansa epäorgaanisista kemikaaleista, toisin kuin käytetään jo olemassa olevia orgaanisia materiaaleja, kutsutaan autotrofeiksi. Elintarvikkeet koostuvat hiilihydraateista, kuten glukoosista, mutta niiden valmistaminen vaatii energiaa. Jos auringonvaloa on saatavilla, autotrofit käyttävät sitä yleensä fotosynteesin suorittamiseen, mutta paikoissa, joihin valo ei pääse, on kehittynyt erilaisia tyyppejä, jotka käyttävät sen sijaan kemiallista energiaa. Elämänmuodot, jotka tekevät tämän, tunnetaan kemamautrofeina. Olosuhteiden ja käytettävissä olevien kemikaalien perusteella on syntynyt useita erilaisia menetelmiä.
Kemosynteesi käyttää hapettumis-pelkistysreaktioita, jotka tunnetaan myös nimellä redoksireaktiot, toimittamaan energiaa, joka tarvitaan hiilihydraattien valmistamiseen hiilidioksidista ja vedestä. Tällaiseen reaktioon kuuluu elektronien menetys yhdestä aineesta ja elektronien lisääminen toiseen. Elektronien vastaanottavan aineen – yleensä hapen – sanotaan olevan pelkistynyt, kun taas niitä syöttävä aine on hapetettu. Pelkistäminen vaatii energiaa, mutta hapettuminen vapauttaa sen. Nämä kaksi reaktiota tapahtuvat aina yhdessä, mutta kemosynteesissä käytetyt reaktiot johtavat energian kokonaisvapauteen.
Kuten fotosynteesissä, todelliset reaktiot ovat hyvin monimutkaisia ja sisältävät useita vaiheita, mutta ne voidaan tiivistää raaka -aineiden ja lopputuotteiden suhteen, joista yksi on ruoka jonkinlaisen hiilihydraatin muodossa. Jos sulfideja on saatavilla, ne voivat hapettua muodostaen rikkiä tai sulfaatteja. Rauta voidaan myös hapettaa raudasta II tunnetusta muodosta rauta III: ksi, jossa on yksi elektroni vähemmän. Metaani, jota esiintyy paikoin maakaasuna, voi olla sekä energian että hiilen lähde joillekin mikro -organismeille, ja se on myös joidenkin muiden organismien kemosynteesin sivutuote. Ammoniakin hapetus nitriiteiksi ja nitraateiksi on toinen menetelmä, joka tuottaa energiaa joillekin elämänmuodoille.
Monet organismeista, jotka käyttävät kemosynteesiä ruoan valmistukseen, elävät ympäristössä, jossa on äärimmäisiä lämpötiloja, paineita, suolapitoisuutta tai muita olosuhteita, jotka ovat vihamielisiä useimmille ihmisille. Näitä kutsutaan ekstremofiileiksi. Niillä on erilaisia mukautuksia, joiden avulla he voivat selviytyä, kuten epätavallisia entsyymejä, joita korkeat lämpötilat eivät deaktivoi.
Ympäristöt
Hydrotermiset tuuletusaukot ovat planeetan merkittävimpiä ympäristöjä. Ne koostuvat kuumasta, kemiallisesti runsaasta vedestä, joka valuu merenpohjasta geologisesti aktiivisilla alueilla, kuten valtameren keskialueilla. Vaikka näennäisesti vihamieliset elämälle, ilman valoa, lämpötilat lähestyvät 212 ° F (100 ° C) ja täynnä kemikaaleja, jotka ovat myrkyllisiä useimmille elämänmuodoille, niillä on kukoistava ja monipuolinen ekosysteemi, jota tukevat kemosynteettiset mikro -organismit. Nämä mikrobit koostuvat bakteereista ja myös arkeiasta, hyvin muinaisesta organismiryhmästä, jotka ovat pinnallisesti samanlaisia, mutta kemiallisesti ja geneettisesti hyvin erilaisia.
Hydrotermisten tuuletusaukkojen tuottama kuuma vesi on erittäin rikas sulfideista, joita mikrobit käyttävät kemosynteesiin ja vapauttavat joskus metaania sivutuotteena. Tätä kaasua tuottavat mikro -organismit tunnetaan metanogeeneinä. Muut ympäristön kemosynteettiset mikrobit saavat energiaa hapettamalla metaania ja muuttamalla sulfaatin sulfidiksi prosessissa. Metaanin hapetus tapahtuu myös alueilla, joilla maaöljy – hiilivetyseos, mukaan lukien metaani – imeytyy ylös merenpohjaan.
Syvänmeren tuuletusaukkoja ympäröivät ekologiat ovat paljon rikkaampia kuin ne, jotka ovat kauempana tällaisista kemiallisista lähteistä, joiden on selviydyttävä vain kuolleista orgaanisista aineista, jotka laskeutuvat hitaasti yllä olevista vesistä. Kemosynteettiset elämänmuodot eivät ainoastaan muodosta perusta suuremmille organismiyhteisöille, jotka kuluttavat mikrobit hengissä, vaan myös muodostavat tärkeitä symbioottisia suhteita muihin organismeihin. Yksi mielenkiintoinen esimerkki on putkimato, joka aloittaa elämän suulla ja suolistolla, jolla se ottaa valtavan määrän kemosynteettisiä bakteereja. Myöhemmin se menettää suunsa ja säilyy hengissä kuluttamalla sen sisäisten bakteerien tuottamaa ruokaa.
Kemosynteettisiä ekstremofiilejä mikro -organismeja on löydetty kuumista lähteistä, joissa ne selviävät rikin tai ammoniakin hapettumisesta, ja syvällä pinnan alla olevista kivistä, joissa ne saavat energiaa hapettamalla rautaa. Kemosynteesi tapahtuu myös tutummissa paikoissa. Esimerkiksi maaperässä nitrifioivat bakteerit muuttavat ammoniakin nitriiteiksi ja nitraateiksi, kun taas metaania tuottavat arkeat löytyvät suilta ja suilta, viemäreistä ja nisäkkäiden suolistosta.
Tärkeys ja mahdolliset käyttötavat
Maaperän nitrifioivat bakteerit tarjoavat käyttökelpoista typpeä kasveille ja ovat tärkeä osa typpikiertoa – ilman niitä kasvit ja eläimet eivät voisi olla olemassa. On hyvin mahdollista, että varhaisimmat elämänmuodot käyttivät kemosynteesiä luodakseen orgaanisia yhdisteitä epäorgaanisista yhdisteistä, joten nämä prosessit voivat olla vastuussa elämän muodostumisesta maan päälle. Tutkijat ovat ehdottaneet useita tapoja, joilla kemamautotrofit voitaisiin käyttää hyväksi. Niitä voitaisiin käyttää esimerkiksi metaanin tuottamiseen polttoaineeksi. Koska monet näistä organismeista elävät ihmisille myrkyllisten kemikaalien avulla ja vapauttavat vaarattomia sivutuotteita, niitä voidaan käyttää myös tietyntyyppisten myrkyllisten jätteiden puhdistamiseen.
Kemosynteesi ja muut planeetat
Joidenkin kemosynteettisten organismien kyky menestyä äärimmäisissä olosuhteissa on saanut jotkut tutkijat viittaamaan siihen, että tällaisia elämänmuotoja saattaa esiintyä muilla planeetoilla ympäristöissä, jotka eivät sovi tutummille elämäntyypeille. Kokeet viittaavat siihen, että jotkin kemosynteettiset organismit voivat selviytyä ja kasvaa Marsin pinnan alla, ja on arveltu, että Marsin ilmakehässä olevat metaanin jäljet voivat olla seurausta metanogeenisten mikro -organismien toiminnasta. Toinen mahdollinen paikka maan ulkopuoliselle elämälle on Jupiterin jääpeitteinen kuu Europa, jossa pinnan alla uskotaan olevan nestemäistä vettä.