Definitie en voorbeelden van chemosynthese

Chemosynthese is de omzetting van koolstofverbindingen en andere moleculen in organische verbindingen. Bij deze biochemische reactie komt methaan of een anorganische verbinding, zoals waterstofsulfide of waterstofgas, voor geoxideerd om als energiebron te fungeren. Daarentegen is de energiebron voor fotosynthese (de reeks reacties waardoor kooldioxide en water worden omgezet in glucose en zuurstof) gebruikt energie uit zonlicht om het proces aan te drijven.

Het idee dat micro-organismen zouden kunnen leven op anorganische verbindingen, werd voorgesteld door Sergei Nikolaevich Vinogradnsii (Winogradsky) in 1890, gebaseerd op onderzoek uitgevoerd naar bacteriën die leken te leven van stikstof, ijzer of zwavel. De hypothese werd gevalideerd in 1977 toen de diepzee-dompelpomp Alvin buiswormen en ander leven rond zich observeerde warmwaterkraters bij de Galapagos Rift. Harvard-student Colleen Cavanaugh stelde voor en bevestigde later dat de buiswormen overleefden vanwege hun relatie met chemosynthetische bacteriën. De officiële ontdekking van chemosynthese wordt toegeschreven aan Cavanaugh.

Organismen die energie verkrijgen door oxidatie van elektronendonoren worden chemotrofen genoemd. Als de moleculen organisch zijn, worden de organismen chemoorganotrofen genoemd. Als de moleculen anorganisch zijn, zijn de organismen termen chemolithotrofen. Organisaties die zonne-energie gebruiken, worden daarentegen fototrofen genoemd.

Chemoautotrofen halen hun energie uit chemische reacties en synthetiseren organische verbindingen uit kooldioxide. De energiebron voor chemosynthese kan elementaire zwavel, waterstofsulfide, moleculaire waterstof, ammoniak, mangaan of ijzer zijn. Voorbeelden van chemoautotrofen zijn bacteriën en methanogene archaea die in diepzee-openingen leven. Het woord "chemosynthese" werd oorspronkelijk bedacht door Wilhelm Pfeffer in 1897 om de energieproductie te beschrijven door oxidatie van anorganische moleculen door autotrofen (chemolithoautotrofie). Onder de moderne definitie beschrijft chemosynthese ook energieproductie via chemoorganoautotrofie.

Chemoheterotrofen kunnen koolstof niet binden om organische verbindingen te vormen. In plaats daarvan kunnen ze anorganische energiebronnen gebruiken, zoals zwavel (chemolithoheterotrofen) of organische energiebronnen, zoals eiwitten, koolhydraten en lipiden (chemoorganoheterotrofen).

Chemosynthese is gedetecteerd in hydrothermale ventilatieopeningen, geïsoleerde grotten, methaanclathraten, walvissen en koude sijpelingen. Er wordt verondersteld dat het proces leven onder het oppervlak van Mars en Jupiter's maan Europa mogelijk maakt. evenals andere plaatsen in het zonnestelsel. Chemosynthese kan optreden in aanwezigheid van zuurstof, maar is niet vereist.

Naast bacteriële en archaea, vertrouwen sommige grotere organismen op chemosynthese. Een goed voorbeeld is de gigantische buisworm die in grote aantallen voorkomt rond diepe hydrothermale ventilatieopeningen. Elke worm bevat chemosynthetische bacteriën in een orgaan dat een trofosoom wordt genoemd. De bacteriën oxideren zwavel uit de omgeving van de worm om de voeding te produceren die het dier nodig heeft. Met waterstofsulfide als energiebron is de reactie voor chemosynthese:

12 uur₂S + 6 CO₂ → C₆H₁₂O₆ + 6 uur₂O + 12 S.

Dit lijkt veel op de reactie om koolhydraten te produceren via fotosynthese, behalve fotosynthese geeft zuurstofgas af, terwijl chemosynthese vaste zwavel oplevert. De gele zwavelkorrels zijn zichtbaar in het cytoplasma van bacteriën die de reactie uitvoeren.

Een ander voorbeeld van chemosynthese werd ontdekt in 2013 toen bacteriën werden gevonden die in basalt leefden onder het sediment van de oceaanbodem. Deze bacteriën waren niet geassocieerd met een hydrothermale ventilatie. Er is gesuggereerd dat de bacteriën waterstof gebruiken uit de reductie van mineralen in zeewater dat de rotsen baadt. De bacteriën kunnen waterstof en koolstofdioxide laten reageren om methaan te produceren.

Hoewel de term "chemosynthese" het vaakst wordt toegepast op biologische systemen, kan deze meer algemeen worden gebruikt om elke vorm van chemische synthese te beschrijven die wordt veroorzaakt door willekeurige thermische beweging van reactanten. Mechanische manipulatie van moleculen om hun reactie te beheersen wordt daarentegen "mechanosynthese" genoemd. Zowel chemosynthese als mechanosynthese hebben het potentieel om complexe verbindingen te construeren, waaronder nieuwe moleculen en organische moleculen.

• Campbell, Neil A., et al. Biologie. 8e ed., Pearson, 2008.
• Kelly, Donovan P. en Ann P. Hout. “De chemolithotrofe prokaryoten.” De prokaryoten, onder redactie van Martin Dworkin, et al., 2006, pp. 441-456.
• Schlegel, H.G. "Mechanisms of Chemo-Autotrophy." Mariene ecologie: een uitgebreide, geïntegreerde verhandeling over het leven in oceanen en kustwateren, onder redactie van Otto Kinne, Wiley, 1975, pp. 9-60.
• Somero, Gn. 'Symbiotische exploitatie van waterstofsulfide.” Fysiologie, vol. 2, nee. 1, 1987, pag. 3-6.