Chemosynthesedefinition und Beispiele

Chemosynthese ist die Umwandlung von Kohlenstoffverbindungen und anderen Molekülen in organische Verbindungen. Bei dieser biochemischen Reaktion wird Methan oder eine anorganische Verbindung wie Schwefelwasserstoff oder Wasserstoff oxidiert, um als Energiequelle zu wirken. Im Gegensatz dazu verwendet die Energiequelle für die Photosynthese (die Reihe von Reaktionen, durch die Kohlendioxid und Wasser in Glukose und Sauerstoff umgewandelt werden) Energie aus dem Sonnenlicht, um den Prozess anzutreiben.

Die Idee, dass Mikroorganismen von anorganischen Verbindungen leben könnten, wurde von Sergei Nikolaevich Vinogradnsii (Winogradsky) im Jahr 1890 auf der Grundlage von Untersuchungen an Bakterien vorgeschlagen, die anscheinend von Stickstoff, Eisen oder Schwefel leben. Die Hypothese wurde 1977 bestätigt, als das Tiefsee-Tauchboot Alvin Röhrenwürmer und anderes Leben um hydrothermale Quellen am Galapagos-Graben beobachtete. Der Harvard-Student Colleen Cavanaugh schlug vor und bestätigte später, dass die Röhrenwürmer aufgrund ihrer Beziehung zu chemosynthetischen Bakterien überlebt haben. Die offizielle Entdeckung der Chemosynthese wird Cavanaugh zugeschrieben.

Organismen, die durch Oxidation von Elektronendonoren Energie gewinnen, werden als Chemotrophen bezeichnet. Wenn die Moleküle organisch sind, werden die Organismen Chemoorganotrophe genannt. Wenn die Moleküle anorganisch sind, werden die Organismen als Chemolithotrophen bezeichnet. Im Gegensatz dazu werden Organismen, die Sonnenenergie nutzen, Phototrophen genannt.

Chemoautotrophe und Chemoheterotrophe

Chemoautotrophe gewinnen ihre Energie aus chemischen Reaktionen und synthetisieren organische Verbindungen aus Kohlendioxid. Die Energiequelle für die Chemosynthese kann elementarer Schwefel, Schwefelwasserstoff, molekularer Wasserstoff, Ammoniak, Mangan oder Eisen sein. Beispiele für Chemoautotrophen sind Bakterien und methanogene Archaeen, die in Tiefseequellen leben. Das Wort "Chemosynthese" wurde ursprünglich 1897 von Wilhelm Pfeffer geprägt, um die Energieerzeugung durch Oxidation anorganischer Moleküle durch Autotrophen (Chemolithoautotrophie) zu beschreiben. Nach der modernen Definition beschreibt die Chemosynthese auch die Energieerzeugung über die Chemoorganoautotrophie.

Chemoheterotrophe können Kohlenstoff nicht unter Bildung organischer Verbindungen binden. Stattdessen können sie anorganische Energiequellen wie Schwefel (Chemolithoheterotrophe) oder organische Energiequellen wie Proteine, Kohlenhydrate und Lipide (Chemoorganoheterotrophe) verwenden..

Wo findet die Chemosynthese statt??

Chemosynthese wurde in hydrothermalen Quellen, isolierten Höhlen, Methan-Clathraten, Walstürzen und kalten Sickern nachgewiesen. Es wurde vermutet, dass der Prozess Leben unter der Oberfläche von Mars und Jupiters Mond Europa ermöglichen könnte. sowie andere Orte im Sonnensystem. Die Chemosynthese kann in Gegenwart von Sauerstoff stattfinden, ist jedoch nicht erforderlich.

Beispiel einer Chemosynthese

Neben Bakterien und Archaeen sind einige größere Organismen auf die Chemosynthese angewiesen. Ein gutes Beispiel ist der Riesenrohrwurm, der in großer Zahl um tiefe hydrothermale Entlüftungsöffnungen zu finden ist. Jeder Wurm beherbergt chemosynthetische Bakterien in einem Organ, das als Trophosom bezeichnet wird. Die Bakterien oxidieren Schwefel aus der Umgebung des Wurms, um die Nahrung zu produzieren, die das Tier benötigt. Unter Verwendung von Schwefelwasserstoff als Energiequelle lautet die Reaktion für die Chemosynthese:

12 H₂S + 6 CO₂ → C₆H₁₂Ö₆ + 6 H₂O + 12 S

Dies ist der Reaktion zur Bildung von Kohlenhydraten über die Photosynthese sehr ähnlich, mit der Ausnahme, dass die Photosynthese Sauerstoffgas freisetzt, während die Chemosynthese festen Schwefel ergibt. Das gelbe Schwefelgranulat ist im Zytoplasma der Bakterien sichtbar, die die Reaktion durchführen.

Ein weiteres Beispiel für eine Chemosynthese wurde 2013 entdeckt, als Bakterien in Basalt unter dem Sediment des Meeresbodens gefunden wurden. Diese Bakterien waren nicht mit einer hydrothermalen Entlüftung verbunden. Es wurde vermutet, dass die Bakterien Wasserstoff aus der Reduktion von Mineralien im Meerwasser verwenden, das den Felsen badet. Die Bakterien könnten Wasserstoff und Kohlendioxid unter Bildung von Methan reagieren.

Chemosynthese in der molekularen Nanotechnologie

Während der Begriff "Chemosynthese" am häufigsten auf biologische Systeme angewendet wird, kann er allgemeiner verwendet werden, um jede Form der chemischen Synthese zu beschreiben, die durch zufällige thermische Bewegung von Reaktanten hervorgerufen wird. Im Gegensatz dazu wird die mechanische Manipulation von Molekülen zur Steuerung ihrer Reaktion als "Mechanosynthese" bezeichnet. Sowohl die Chemosynthese als auch die Mechanosynthese haben das Potenzial, komplexe Verbindungen aufzubauen, einschließlich neuer Moleküle und organischer Moleküle.

Ressourcen und weiterführende Literatur

• Neil A. Campbell et al. Biologie. 8. Ausgabe, Pearson, 2008.
• Kelly, Donovan P. und Ann P. Wood. "Die chemolithotrophen Prokaryoten." Die Prokaryoten, herausgegeben von Martin Dworkin et al., 2006, S. 441-456.
• Schlegel, H. G. "Mechanismen der Chemo-Autotrophie." Meeresökologie: Eine umfassende, integrierte Abhandlung über das Leben in Ozeanen und Küstengewässern, herausgegeben von Otto Kinne, Wiley, 1975, S. 9-60.
• Somero, Gn. "Symbiotische Ausbeutung von Schwefelwasserstoff." Physiologie, vol. 2, nein. 1, 1987, S. 3-6.