הגדרת כימוסינתזה ודוגמאות

כימוסינתזה היא המרה של תרכובות פחמן ומולקולות אחרות לתרכובות אורגניות. בתגובה ביוכימית זו, מתאן או תרכובת אורגנית, כגון מימן גופרתי או גז מימן מחומצן לפעול כמקור האנרגיה. לעומת זאת, מקור האנרגיה עבור פוטוסינתזה (מערכת התגובות שדרכן הופכים פחמן דו חמצני ומים לגלוקוז וחמצן) משתמשת באנרגיה מאור השמש בכדי להניע את התהליך.

הרעיון שמיקרואורגניזמים יוכלו לחיות על תרכובות אורגניות הוצע על ידי סרגיי ניקולאביץ 'וינוגרדנסי (וינוגרדסקי) בשנת 1890, על סמך מחקרים שנערכו על חיידקים שנראו כאילו חיים מחנקן, ברזל או גופרית. ההשערה קיבלה תוקף בשנת 1977 כאשר אלווין הצולל בים העמוק צפה בתולעי צינור ובחיים אחרים סביבם פתחי אוורור הידרותרמיים בשבר גלפגוס. סטודנט הרווארד קולין קוואנו הציע ואישר לאחר מכן את תולעי הצינור שרדו בגלל הקשר שלהם עם חיידקים כימוסינתטיים. התגלית הרשמית של הכימוסינתזה נזקפת לזכות קוואנו.

אורגניזמים שמקבלים אנרגיה על ידי חמצון של תורמי אלקטרונים נקראים כימוטרופים. אם המולקולות הן אורגניות, האורגניזמים נקראים כימורגנוטרופים. אם המולקולות אינאורגניות, האורגניזמים הם מונחים כימוליתוטרופים. לעומת זאת, אורגניזמים המשתמשים באנרגיה סולארית נקראים פוטוטרופים.

כימואוטוטרופים משיגים את האנרגיה שלהם מתגובות כימיות ומסנתזים תרכובות אורגניות מפחמן דו חמצני. מקור האנרגיה לכימוסינתזה עשוי להיות גופרית אלמנטרית, מימן גופרתי, מימן מולקולרי, אמוניה, מנגן או ברזל. דוגמאות לטיפולים כימותרפיים כוללים חיידקים וארכיאה מתנוגניים החיים באוורור ים עמוק. המילה "כימוסינתזה" טבעה במקור על ידי וילהלם פפר בשנת 1897 כדי לתאר ייצור אנרגיה על ידי חמצון של מולקולות אורגניות על ידי אוטוטרופים (כימולית אוטוטרופיה). תחת ההגדרה המודרנית, כימוזינתזה מתארת ​​גם ייצור אנרגיה באמצעות כימורגאנו-אוטוטרופיה.

כימותרוטרופים אינם יכולים לתקן פחמן ליצירת תרכובות אורגניות. במקום זאת, הם יכולים להשתמש במקורות אנרגיה אורגניים, כגון גופרית (chemolithoheterotrophs) או מקורות אנרגיה אורגניים, כמו חלבונים, פחמימות, וליפידים (chemoorganoheterotrophs).

כימוזינתזה התגלתה באוורור הידרותרמי, במערות מבודדות, במווץ מתאן, נפילת לוויתן וקור מחלחל. על פי ההשערה, התהליך עשוי לאפשר חיים מתחת לפני השטח של מאדים וירח אירופה של צדק. כמו גם מקומות אחרים במערכת השמש. כימוסינתזה יכולה להתרחש בנוכחות חמצן, אך היא אינה נדרשת.

בנוסף לחיידקים וארכיאה, כמה אורגניזמים גדולים יותר מסתמכים על כימוזינתזה. דוגמא טובה לכך היא תולעת הצינור הענקית שנמצאת במספרים רבים המקיפים פתחי אוורור הידרותרמיים עמוקים. כל תולעת מאכלסת חיידקים כימוסינטטיים באיבר הנקרא טרופוזום. החיידקים מחמצנים גופרית מסביבת התולעת כדי לייצר את ההזנה שהחיה זקוקה לה. השימוש במימן גופרתי כמקור האנרגיה, התגובה לכימוסינתזה היא:

12 ח₂S + 6 CO₂ → ג₆ח₁₂O₆ + 6 ח₂O + 12 S

זה דומה לתגובה לייצור פחמימות באמצעות פוטוסינתזה, למעט פוטוסינתזה משחרר גז חמצן, בעוד שכימוסינתזה מניבה גופרית מוצקה. גרגרי הגופרית הצהובים נראים בציטופלזמה של חיידקים המבצעים את התגובה.

דוגמא נוספת לכימוסינתזה התגלתה בשנת 2013 כאשר נמצאו חיידקים החיים בבזלת מתחת למשקע של קרקעית האוקיאנוס. חיידקים אלה לא היו קשורים לאוורור הידרותרמי. הוצע כי החיידקים משתמשים במימן מהפחתת המינרלים במי הים הרוחצים את הסלע. החיידקים יכלו להגיב מימן ופחמן דו חמצני לייצור מתאן.

בעוד שהמונח "כימוסינתזה" מיושם לרוב במערכות ביולוגיות, ניתן להשתמש בו באופן כללי יותר כדי לתאר כל צורה של סינתזה כימית המובילה על ידי תנועה תרמית אקראית של מגיבים. לעומת זאת מניפולציה מכנית של מולקולות כדי לשלוט בתגובתם נקראת "מכניזה". גם לכימוסינתזה וגם למכניזינתזה יש פוטנציאל לבנות תרכובות מורכבות, כולל מולקולות חדשות ומולקולות אורגניות.

• קמפבל, ניל א 'ואח'. ביולוגיה. מהדורה 8, פירסון, 2008.
• קלי, דונובן פן ואן פ. עץ. “הפרוקריוטות הכימוליתוטרופיות.” הפרוקריוטות, בעריכת מרטין דבורקין, et al., 2006, pp. 441-456.
• שלגל, H.G. "מנגנוני כימיה-אוטוטרופיה." אקולוגיה ימית: מסה מקיפה ומשולבת על החיים באוקיינוסים ובמי החוףבעריכת אוטו קינן, וויילי, 1975, עמ '. 9-60.
• סומרו, אלוף. "ניצול סימביוטי של מימן גופרתי.” פיזיולוגיה, כרך 2, לא. 1, 1987, עמ '. 3-6.