- Origen del concepte
- fases
- fase oxidativa
- Fase de biosíntesi
- Organismes quimiosintètics
- bacteris nitrificants
- Bacteris capaços d'oxidar sofre i compostos sulfurats
- Bacteris capaços d'oxidar hidrogen
- Bacteris capaços d'oxidar ferro i manganès
- Organismes simbiòtics
- Diferències amb la fotosíntesi
- referències
La quimiosíntesi és un procés biològic característic de certs organismes autòtrofs que exploten l'energia química per convertir substàncies inorgàniques en matèria orgànica. Es diferencia de la fotosíntesi en què aquesta última utilitza l'energia provinent de la llum solar.
Els organismes capaços de realitzar quimiosíntesi són, generalment, procariotes com els bacteris i altres microorganismes com els arqueobacteris, els que extreuen energia a partir de reaccions que involucren l'oxidació de compostos molt reduïts.
Fotografia de cuc tubular gegant, un organisme quimiosintético (Font: NOAA Okeanos Explorer Program, Galapagos Rift Expedition 2011 via Wikimedia Commons)
Els exemples més comuns de bacteris quimiosintètics són els bacteris nitrificants, que oxiden amoni per produir diòxid de nitrogen, així com els bacteris de sofre, capaços d'oxidar àcid sulfúric, sofre i altres compostos sulfurats.
Origen del concepte
El microbiòleg Sergei Winogradsky, el 1890, va ser el primer científic a parlar sobre la possible existència dels processos quimiosintètics, ja que va assumir que havia d'existir un procés similar a el de la fotosíntesi que emprés una font d'energia diferent a la llum de el sol.
No obstant això, el terme "quimiosíntesi" va ser encunyat en 1897 per Pfeffer. Les teories de Winogradsky van ser comprovades en 1977 durant l'expedició realitzada pel submarí "Alvin" cap a aigües profundes de l'oceà, al voltant de les illes Galápagos.
En aquesta expedició, els científics a bord d'el submarí van descobrir uns ecosistemes bacterians que subsistien en presència de matèria inorgànica i altres en simbiosi amb alguns animals marins invertebrats.
En l'actualitat, es coneixen diversos ecosistemes quimiosintètics a tot el món, especialment associats amb ambients marins i oceànics i, en menor proporció, amb ecosistemes terrestres. En aquests ambients, els microorganismes quimiosintètics representen importants productors primaris de matèria orgànica.
fases
La quimiosíntesi passa, gairebé sempre, a la interfase de mig ambients aeròbics i anaeròbics, on es concentren els productes finals de la descomposició anaeròbica i grans quantitats d'oxigen.
A l'igual que la fotosíntesi, la quimiosíntesi té unes fases ben definides: un oxidativa i una biosintètica. La primera empra compostos inorgànics i durant la segona es produeix matèria orgànica.
fase oxidativa
Durant aquesta primera fase i depenent de el tipus d'organisme que es consideri, són oxidats diferents tipus de compostos inorgànics reduïts com l'amoníac, el sofre i els seus derivats, el ferro, alguns derivats de l'nitrogen, l'hidrogen, etc.
En aquesta fase, l'oxidació d'aquests compostos allibera l'energia que és aprofitada per a la fosforilació d'ADP, formant-se ATP, una de les principals monedes energètiques dels éssers vius i, a més, es genera poder reductor en forma de molècules de NADH.
Una particularitat de l'procés quimiosintético té a veure amb que parteix de l'ATP que es genera és emprat per propulsar el transport invers de la cadena d'electrons, per tal d'obtenir major quantitat d'agents reductors en forma de NADH.
En resum, aquesta etapa consisteix en la formació d'ATP a partir de l'oxidació dels donadors d'electrons apropiats, l'energia biològicament útil és emprada en la fase de biosíntesi.
Fase de biosíntesi
La biosíntesi de matèria orgànica (compostos carbonats) ocorre gràcies a la utilització de l'energia continguda en els enllaços d'alta energia de l'ATP i a el poder reductor emmagatzemat en les molècules de NADH.
Aquesta segona fase de la quimiosíntesi és "homòloga" a la qual ocorre durant la fotosíntesi, ja que es dóna la fixació d'àtoms de carboni en molècules orgàniques.
En la mateixa, el diòxid de carboni (CO2) és fixat en forma de carbonis orgànics, mentre que l'ATP es converteix en ADP i fosfat inorgànic.
Organismes quimiosintètics
Hi ha diversos tipus de microorganismes quimiosintètics, sent alguns facultatius i altres obligats. Això vol dir que alguns depenen exclusivament de la quimiosíntesi per a l'obtenció d'energia i matèria orgànica, i altres ho fan si l'ambient els condiciona.
Els microorganismes quimiosintètics no són molt diferents d'altres microorganismes, ja que també obtenen energia de processos de transport d'electrons on estan implicades molècules com les flavinas, les quinones i els citocroms.
A partir d'aquesta energia, són capaços de sintetitzar els components cel·lulars a partir dels sucres que són sintetitzats internament gràcies a l'assimilació reductora de diòxid de carboni.
Alguns autors consideren que els organismes quimiosintètics poden dividir-se en quimio-organoautótrofos i quimio-litoautótrofos, d'acord amb el tipus de compost de què extreuen energia, que pot ser orgànic o inorgànic, respectivament.
Pel que fa a procariotes es refereix, la major part dels organismes quimiosintètics són bacteris gramnegatius, usualment de el gènere Pseudomonas i altres relacionats. Entre aquestes es troben les:
- Bacteris nitrificants.
- Bacteris capaços d'oxidar sofre i compostos sulfurats (Sulfur Bacteria).
- Bacteris capaços d'oxidar hidrogen (Hydrogen Bacteri).
- Bacteris capaços d'oxidar ferro (Iron Bacteri).
Els microorganismes quimiosintètics empren un tipus d'energia que es perdria en el sistema de la biosfera. Aquests constitueixen gran part de la biodiversitat i la densitat poblacional de molts ecosistemes on la introducció de matèria orgànica és molt limitada.
La seva classificació té a veure amb els compostos que són capaços d'emprar com a donadors d'electrons.
bacteris nitrificants
Van ser descobertes en 1890 per Winogradsky i alguns dels gèneres descrits fins ara formen agregats que estan envoltats per la mateixa membrana. Són comunament aïllades d'ambients terrestres.
La nitrificació implica l'oxidació d'amoni (NH4) a nitrits (NO2-) i de nitrits (NO2-) a nitrats (NO3-). Els dos grups de bacteris que participen en aquest procés, sovint coexisteixen en el mateix hàbitat per aprofitar els dos tipus de compostos fan servir CO2 com a font de carboni.
Bacteris capaços d'oxidar sofre i compostos sulfurats
Aquestes són bacteris capaços d'oxidar compostos sulfurats inorgànics i dipositar el sofre dins de la cèl·lula en compartiments específics. Dins d'aquest grup es classifiquen alguns bacteris filamentoses i no filamentoses de diferents gèneres de bacteris facultatives i obligades.
Aquests organismes són capaços d'utilitzar els compostos ensofrats que són altament tòxics per a la majoria dels organismes.
El compost més comunament utilitzat per aquest tipus de bacteris és el gas H2S (àcid sulfúric). No obstant això, també poden emprar sofre elemental, tiosulfats, politionatos, sulfurs metàl·lics i altres molècules com a donadors d'electrons.
Algunes d'aquests bacteris mereixen pH àcids per créixer, per la qual cosa es coneixen com bacteris acidòfiles, mentre que altres poden fer-ho a pH neutres, més propers a la "normalitat".
Moltes d'aquests bacteris poden formar "llits" o biopel·lícules en diferents tipus d'ambients, però especialment en els drenatges de les indústries mineres, en aigües termals sulfurades i en sediments oceànics.
Usualment es denominen bacteris incolores, ja que es diferencien d'altres bacteris verds i porpres que són fotoautótrofas en que no posseeixen pigments de cap tipus, a més que no necessiten de la llum de el sol.
Bacteris capaços d'oxidar hidrogen
En aquest grup es troben els bacteris capaços de créixer en mitjans minerals amb atmosferes riques en hidrogen i oxigen i l'única font de carboni és el diòxid de carboni.
Aquí es troben bacteris tant gram negatives com gram positives, capaços de créixer en condicions heterotróficas i que poden tenir diferents tipus de metabolismes.
L'hidrogen s'acumula a partir del trencament anaeròbica de molècules orgàniques, el que és aconseguit per diferents bacteris fermentatius. Aquest element és una font important dels bacteris i els arqueobacteris quimiosintètics.
Els microorganismes capaços d'emprar com a donador d'electrons ho fan gràcies a la presència d'un enzim hidrogenasa associada amb les seves membranes, així com a la presència d'oxigen com a acceptor electrònic.
Bacteris capaços d'oxidar ferro i manganès
Aquest grup de bacteris és capaç d'emprar l'energia generada de l'oxidació de l'manganès o de l'ferro en estat ferrós al seu estat fèrric. També inclou bacteris capaços de créixer en presència d'tiosulfats com donadors inorgànics d'hidrogen.
Des del punt de vista ecològic, els bacteris oxidants de ferro i magnesi són importants per a la desintoxicació de l'entorn, ja que disminueixen la concentració dels metalls tòxics dissolts.
Organismes simbiòtics
A més dels bacteris de vida lliure, hi ha alguns animals invertebrats que habiten en ambients inhòspits i que s'associen amb determinats tipus de bacteris quimiosintètics per sobreviure.
El descobriment dels primers simbionts va ocórrer després de l'estudi d'un cuc de tub gegant, cuc tubular gegant, sense tub digestiu i que obté l'energia vital a partir de les reaccions realitzades pels bacteris amb les que s'associa.
Diferències amb la fotosíntesi
La característica més distintiva dels organismes quimiosintètics és que aquests combinen la capacitat d'emprar compostos inorgànics per guanyar energia i poder reductor, així com fixar efectivament molècules de diòxid de carboni. Una cosa que pot ocórrer en absència total de llum solar.
La fotosíntesi és realitzada per les plantes, les algues i per algunes classes de bacteris i protozous. Empra l'energia provinent de la llum solar per propulsar la transformació de l'diòxid de carboni i l'aigua (fotòlisi) en oxigen i carbohidrats, a través de la producció d'ATP i NADH.
La quimiosíntesi, per contra, explota l'energia química alliberada a partir de reaccions d'òxid-reducció per fixar molècules de diòxid de carboni i produir sucres i aigua gràcies a l'obtenció d'energia en forma d'ATP i poder reductor.
A la quimiosíntesi, a diferència de la fotosíntesi, no estan involucrats cap tipus de pigments i no es produeix oxigen com un producte secundari.
referències
- Dubilier, N., Bergin, C., & Lott, C. (2008). Symbiotic diversity in marine animals: The art of Harnessing chemosynthesis. Nature Reviews Microbiology, 6 (10), 725-740.
- Engel, AS (2012). Chemoautotrophy. Encyclopedia of Caves, (1997), 125-134.
- Enger, I., Ross, F., & Bailey, D. (2009). Concepts in Biology (13th ed.). McGraw-Hill.
- Kinne, O. (1975). Marina Ecology. (O. Kinne, Ed.), Comput. Entertain. (2nd ed., Vol. II). John Wiley & Sons.
- Llegeixes, H. (1962). IV. Some Thoughts on the Energetics of Chemosynthesis. Symposium on autotrophy.
- Pace, M., & Lovett, G. (2013). Primary production: The Foundation of Ecosystems. In Fundamentals of Ecosystem Science (pp. 27-51). Elsevier Inc.