- ที่มาของแนวคิด
- ขั้นตอน
- เฟสออกซิเดชัน
- ระยะการสังเคราะห์ทางชีวภาพ
- สิ่งมีชีวิตที่สังเคราะห์ด้วยเคมี
- แบคทีเรียไนตริไฟ
- แบคทีเรียที่สามารถออกซิไดซ์กำมะถันและสารประกอบกำมะถัน
- แบคทีเรียที่สามารถออกซิไดซ์ไฮโดรเจน
- แบคทีเรียที่สามารถออกซิไดซ์เหล็กและแมงกานีส
- สิ่งมีชีวิตทางชีวภาพ
- ความแตกต่างกับการสังเคราะห์ด้วยแสง
- อ้างอิง
การสังเคราะห์ทางเคมีเป็นลักษณะของสิ่งมีชีวิต autotrophic ในกระบวนการทางชีวภาพบางชนิดที่ใช้พลังงานเคมีเพื่อเปลี่ยนสารอนินทรีย์ในสารอินทรีย์ แตกต่างจากการสังเคราะห์ด้วยแสงตรงที่ใช้พลังงานจากแสงแดด
สิ่งมีชีวิตที่สามารถสังเคราะห์ด้วยเคมีได้โดยทั่วไปมักเป็นโปรคาริโอตเช่นแบคทีเรียและจุลินทรีย์อื่น ๆ เช่นอาร์เคียซึ่งดึงพลังงานจากปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับการออกซิเดชั่นของสารประกอบขนาดเล็กมาก
ภาพถ่ายของ Riftia pachyptila สิ่งมีชีวิตสังเคราะห์ทางเคมี (ที่มา: โปรแกรม NOAA Okeanos Explorer, Galapagos Rift Expedition 2011 ผ่าน Wikimedia Commons)
ตัวอย่างที่พบบ่อยที่สุดของแบคทีเรียสังเคราะห์ทางเคมี ได้แก่ แบคทีเรียไนไตรต์ซึ่งออกซิไดซ์แอมโมเนียมเพื่อผลิตไนโตรเจนไดออกไซด์เช่นเดียวกับแบคทีเรียกำมะถันที่สามารถออกซิไดซ์กรดซัลฟิวริกกำมะถันและสารประกอบกำมะถันอื่น ๆ
ที่มาของแนวคิด
นักจุลชีววิทยา Sergei Winogradsky ในปีพ. ศ. 2433 เป็นนักวิทยาศาสตร์คนแรกที่พูดถึงการดำรงอยู่ของกระบวนการสังเคราะห์ทางเคมีที่เป็นไปได้เนื่องจากเขาสันนิษฐานว่าต้องมีกระบวนการคล้ายกับการสังเคราะห์ด้วยแสงที่ใช้แหล่งพลังงานอื่นที่ไม่ใช่แสงแดด
อย่างไรก็ตามคำว่า "chemosynthesis" ได้รับการประกาศเกียรติคุณในปีพ. ศ. 2440 โดย Pfeffer ทฤษฎีของ Winogradsky ได้รับการพิสูจน์ในปี 1977 ในระหว่างการเดินทางโดยเรือดำน้ำ "Alvin" ลงสู่น่านน้ำลึกในมหาสมุทรรอบหมู่เกาะกาลาปากอส
ในระหว่างการเดินทางครั้งนี้นักวิทยาศาสตร์บนเรือดำน้ำได้ค้นพบระบบนิเวศของแบคทีเรียบางชนิดที่อยู่ในสถานะของอนินทรีย์และอื่น ๆ ใน symbiosis กับสัตว์ทะเลที่ไม่มีกระดูกสันหลังบางชนิด
ในปัจจุบันระบบนิเวศสังเคราะห์ทางเคมีต่างๆเป็นที่รู้จักไปทั่วโลกโดยเฉพาะอย่างยิ่งเกี่ยวข้องกับสภาพแวดล้อมทางทะเลและมหาสมุทรและในระดับที่น้อยกว่ากับระบบนิเวศบนบก ในสภาพแวดล้อมเหล่านี้จุลินทรีย์สังเคราะห์ทางเคมีเป็นตัวแทนของผู้ผลิตสารอินทรีย์หลักที่สำคัญ
ขั้นตอน
การสังเคราะห์ด้วยเคมีมักเกิดขึ้นที่ส่วนต่อประสานของสภาพแวดล้อมแบบแอโรบิคและแบบไม่ใช้ออกซิเจนซึ่งผลิตภัณฑ์สุดท้ายของการสลายตัวแบบไม่ใช้ออกซิเจนและออกซิเจนจำนวนมากมีความเข้มข้น
เช่นเดียวกับการสังเคราะห์ด้วยแสงการสังเคราะห์ทางเคมีมีขั้นตอนที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน: ปฏิกิริยาออกซิเดชั่นและการสังเคราะห์ทางชีวภาพ ครั้งแรกใช้สารประกอบอนินทรีย์และในระหว่างการผลิตสารอินทรีย์ที่สอง
เฟสออกซิเดชัน
ในช่วงแรกนี้และขึ้นอยู่กับชนิดของสิ่งมีชีวิตที่พิจารณาสารประกอบอนินทรีย์ที่ลดลงประเภทต่างๆจะถูกออกซิไดซ์เช่นแอมโมเนียกำมะถันและอนุพันธ์เหล็กอนุพันธ์ของไนโตรเจนไฮโดรเจน ฯลฯ
ในขั้นตอนนี้การออกซิเดชั่นของสารประกอบเหล่านี้จะปลดปล่อยพลังงานที่ใช้สำหรับการฟอสโฟรีเลชันของ ADP กลายเป็น ATP ซึ่งเป็นหนึ่งในสกุลพลังงานหลักของสิ่งมีชีวิตและนอกจากนี้พลังงานที่ลดลงจะถูกสร้างขึ้นในรูปแบบของโมเลกุล NADH
ลักษณะเฉพาะของกระบวนการสังเคราะห์ทางเคมีเกี่ยวข้องกับส่วนใดของ ATP ที่ถูกสร้างขึ้นเพื่อใช้ในการขับเคลื่อนการขนส่งย้อนกลับของห่วงโซ่อิเล็กตรอนเพื่อให้ได้ปริมาณสารรีดิวซ์ที่มากขึ้นในรูปของ NADH
โดยสรุปขั้นตอนนี้ประกอบด้วยการก่อตัวของ ATP จากการเกิดออกซิเดชันของผู้บริจาคอิเล็กตรอนที่เหมาะสมซึ่งพลังงานที่เป็นประโยชน์ทางชีวภาพจะถูกนำไปใช้ในขั้นตอนการสังเคราะห์ทางชีวภาพ
ระยะการสังเคราะห์ทางชีวภาพ
การสังเคราะห์ทางชีวภาพของสารอินทรีย์ (สารประกอบคาร์บอน) เกิดขึ้นเนื่องจากการใช้พลังงานที่มีอยู่ในพันธะพลังงานสูงของ ATP และกำลังรีดิวซ์ที่เก็บไว้ในโมเลกุล NADH
ขั้นตอนที่สองของการสังเคราะห์ทางเคมีคือ "homologous" กับสิ่งที่เกิดขึ้นระหว่างการสังเคราะห์แสงเนื่องจากการตรึงอะตอมของคาร์บอนในโมเลกุลอินทรีย์เกิดขึ้น
ในนั้นคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ได้รับการแก้ไขในรูปของคาร์บอนอินทรีย์ในขณะที่ ATP ถูกเปลี่ยนเป็น ADP และอนินทรีย์ฟอสเฟต
สิ่งมีชีวิตที่สังเคราะห์ด้วยเคมี
มีจุลินทรีย์สังเคราะห์ทางเคมีหลายประเภทบางชนิดเป็นทางเลือกและอื่น ๆ บังคับ ซึ่งหมายความว่าบางชนิดขึ้นอยู่กับการสังเคราะห์ทางเคมีโดยเฉพาะเพื่อให้ได้พลังงานและสารอินทรีย์และอื่น ๆ ก็ทำเช่นนั้นหากสภาพแวดล้อมเป็นเงื่อนไข
จุลินทรีย์สังเคราะห์ทางเคมีไม่ได้แตกต่างจากจุลินทรีย์อื่น ๆ มากนักเนื่องจากพวกมันได้รับพลังงานจากกระบวนการขนส่งอิเล็กตรอนซึ่งมีโมเลกุลเช่น flavins, quinones และ cytochromes เข้ามาเกี่ยวข้อง
จากพลังงานนี้พวกเขาสามารถสังเคราะห์ส่วนประกอบของเซลล์จากน้ำตาลที่สังเคราะห์ภายในได้ด้วยการดูดซึมคาร์บอนไดออกไซด์แบบรีดักชั่น
ผู้เขียนบางคนพิจารณาว่าสิ่งมีชีวิตที่สังเคราะห์ด้วยเคมีสามารถแบ่งออกเป็นคีโมออร์กาโนออโตโทรฟและคีโม - ลิโทออโตโทรฟตามชนิดของสารประกอบที่พวกมันดึงพลังงานออกมาซึ่งอาจเป็นสารอินทรีย์หรืออนินทรีย์ตามลำดับ
เท่าที่เกี่ยวข้องกับโปรคาริโอตสิ่งมีชีวิตที่สังเคราะห์ด้วยเคมีส่วนใหญ่เป็นแบคทีเรียแกรมลบซึ่งมักเป็นสกุล Pseudomonas และอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้อง ในบรรดาสิ่งเหล่านี้ ได้แก่ :
- แบคทีเรียไนไตรด์
- แบคทีเรียที่สามารถออกซิไดซ์กำมะถันและสารประกอบกำมะถัน (Sulfur Bacteria)
- แบคทีเรียที่สามารถออกซิไดซ์ไฮโดรเจน (Hydrogen Bacteria)
- แบคทีเรียที่สามารถออกซิไดซ์เหล็ก (Iron Bacteria)
จุลินทรีย์สังเคราะห์ทางเคมีใช้พลังงานชนิดหนึ่งที่จะสูญเสียไปในระบบชีวมณฑล สิ่งเหล่านี้ถือเป็นส่วนสำคัญของความหลากหลายทางชีวภาพและความหนาแน่นของประชากรของระบบนิเวศหลายแห่งซึ่งการนำอินทรียวัตถุมี จำกัด มาก
การจำแนกประเภทของพวกเขาเกี่ยวข้องกับสารประกอบที่สามารถใช้เป็นผู้บริจาคอิเล็กตรอนได้
แบคทีเรียไนตริไฟ
พวกเขาถูกค้นพบในปีพ. ศ. 2433 โดย Winogradsky และบางสกุลที่อธิบายไว้จนถึงตอนนี้เป็นมวลรวมที่ล้อมรอบด้วยเมมเบรนเดียวกัน โดยทั่วไปมักแยกออกจากสภาพแวดล้อมบนบก
ไนตริฟิเคชันเกี่ยวข้องกับการเกิดออกซิเดชันของแอมโมเนียม (NH4) เป็นไนไตรต์ (NO2-) และไนไตรต์ (NO2-) เป็นไนเตรต (NO3-) แบคทีเรียสองกลุ่มที่เข้าร่วมในกระบวนการนี้มักจะอยู่ร่วมกันในที่อยู่อาศัยเดียวกันเพื่อใช้ประโยชน์จากสารประกอบทั้งสองประเภทโดยใช้ CO2 เป็นแหล่งคาร์บอน
แบคทีเรียที่สามารถออกซิไดซ์กำมะถันและสารประกอบกำมะถัน
แบคทีเรียเหล่านี้สามารถออกซิไดซ์สารประกอบกำมะถันอนินทรีย์และสะสมกำมะถันไว้ภายในเซลล์ในช่องเฉพาะ ภายในกลุ่มนี้มีการจำแนกแบคทีเรียที่มีเส้นใยและไม่มีเส้นใยบางชนิดของแบคทีเรียที่มีลักษณะและภาระผูกพันที่แตกต่างกัน
สิ่งมีชีวิตเหล่านี้สามารถใช้สารประกอบกำมะถันที่มีพิษร้ายแรงต่อสิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่
สารประกอบที่แบคทีเรียชนิดนี้นิยมใช้มากที่สุดคือก๊าซ H2S (กรดซัลฟิวริก) อย่างไรก็ตามพวกมันยังสามารถใช้ธาตุกำมะถันไธโอซัลเฟตโพลีไธโอเนตโลหะซัลไฟด์และโมเลกุลอื่น ๆ เป็นผู้บริจาคอิเล็กตรอน
แบคทีเรียเหล่านี้บางชนิดต้องการ pH ที่เป็นกรดในการเจริญเติบโตซึ่งเป็นสาเหตุที่เรียกว่าแบคทีเรียที่เป็นกรดในขณะที่แบคทีเรียชนิดอื่นสามารถทำได้ที่ pH เป็นกลางใกล้เคียงกับ "ปกติ"
แบคทีเรียเหล่านี้จำนวนมากสามารถสร้าง "เตียง" หรือฟิล์มชีวภาพในสภาพแวดล้อมประเภทต่างๆได้ แต่โดยเฉพาะอย่างยิ่งในท่อระบายน้ำอุตสาหกรรมเหมืองแร่น้ำพุร้อนที่มีกำมะถันและตะกอนในมหาสมุทร
พวกเขามักเรียกว่าแบคทีเรียไม่มีสีเนื่องจากแตกต่างจากแบคทีเรียสีเขียวและสีม่วงอื่น ๆ ที่มีโฟโตโทรฟิคตรงที่ไม่มีเม็ดสีใด ๆ และไม่ต้องการแสงแดด
แบคทีเรียที่สามารถออกซิไดซ์ไฮโดรเจน
ในกลุ่มนี้พบแบคทีเรียที่สามารถเจริญเติบโตได้ในแร่ธาตุที่มีบรรยากาศที่อุดมไปด้วยไฮโดรเจนและออกซิเจนและมีแหล่งคาร์บอนเพียงแห่งเดียวคือคาร์บอนไดออกไซด์
พบทั้งแบคทีเรียแกรมลบและแกรมบวกที่สามารถเจริญเติบโตได้ในสภาวะที่แตกต่างกันและอาจมีการเผาผลาญประเภทต่างๆ
ไฮโดรเจนสะสมจากการสลายโมเลกุลอินทรีย์แบบไม่ใช้ออกซิเจนซึ่งเกิดจากแบคทีเรียในการหมักที่แตกต่างกัน องค์ประกอบนี้เป็นแหล่งสำคัญของแบคทีเรียและอาร์เคียสังเคราะห์ทางเคมี
จุลินทรีย์ที่สามารถใช้มันเป็นผู้บริจาคอิเล็กตรอนทำได้เนื่องจากการมีเอนไซม์ไฮโดรเจนเนสที่เกี่ยวข้องกับเยื่อหุ้มของพวกมันเช่นเดียวกับการมีออกซิเจนเป็นตัวรับอิเล็กทรอนิกส์
แบคทีเรียที่สามารถออกซิไดซ์เหล็กและแมงกานีส
แบคทีเรียกลุ่มนี้สามารถใช้พลังงานที่เกิดจากการออกซิเดชั่นของแมงกานีสหรือเหล็กในสถานะเหล็กไปสู่สถานะเฟอร์ริก นอกจากนี้ยังรวมถึงแบคทีเรียที่สามารถเจริญเติบโตได้เมื่อมีไธโอซัลเฟตเป็นผู้บริจาคไฮโดรเจนอนินทรีย์
จากมุมมองของระบบนิเวศแบคทีเรียออกซิไดซ์เหล็กและแมกนีเซียมมีความสำคัญต่อการล้างพิษในสิ่งแวดล้อมเนื่องจากจะลดความเข้มข้นของโลหะที่เป็นพิษที่ละลายน้ำ
สิ่งมีชีวิตทางชีวภาพ
นอกจากแบคทีเรียที่มีชีวิตอิสระแล้วยังมีสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังบางชนิดที่อาศัยอยู่ในสภาพแวดล้อมที่ไม่เอื้ออำนวยและเชื่อมโยงกับแบคทีเรียสังเคราะห์ทางเคมีบางประเภทเพื่อความอยู่รอด
การค้นพบ symbionts ครั้งแรกเกิดขึ้นหลังจากการศึกษาหนอนท่อยักษ์ Riftia pachyptila ซึ่งขาดท่อย่อยอาหารและได้รับพลังงานที่สำคัญจากปฏิกิริยาที่เกิดจากแบคทีเรียที่เกี่ยวข้อง
ความแตกต่างกับการสังเคราะห์ด้วยแสง
ลักษณะที่โดดเด่นที่สุดของสิ่งมีชีวิตที่สังเคราะห์ด้วยเคมีคือพวกมันรวมความสามารถในการใช้สารประกอบอนินทรีย์เพื่อให้ได้พลังงานและลดกำลังรวมทั้งสามารถจับโมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ สิ่งที่สามารถเกิดขึ้นได้ในเวลาที่ไม่มีแสงแดด
การสังเคราะห์ด้วยแสงทำได้โดยพืชสาหร่ายและแบคทีเรียและโปรโตซัวบางชนิด ใช้พลังงานจากแสงแดดเพื่อขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลงของคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ (โฟโตไลซิส) ไปเป็นออกซิเจนและคาร์โบไฮเดรตโดยการผลิต ATP และ NADH
ในทางตรงกันข้าม Chemosynthesis ใช้ประโยชน์จากพลังงานเคมีที่ปล่อยออกมาจากปฏิกิริยารีดิวซ์ออกซิเดชั่นเพื่อแก้ไขโมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์และผลิตน้ำตาลและน้ำเนื่องจากการได้รับพลังงานในรูปของ ATP และการลดพลังงาน
ในการสังเคราะห์ทางเคมีซึ่งแตกต่างจากการสังเคราะห์ด้วยแสงไม่มีเม็ดสีเข้ามาเกี่ยวข้องและไม่ได้ผลิตออกซิเจนเป็นผลพลอยได้
อ้างอิง
- Dubilier, N. , Bergin, C. , & Lott, C. (2008). ความหลากหลายทางชีวภาพในสัตว์ทะเล: ศิลปะแห่งการควบคุมการสังเคราะห์ทางเคมี Nature Reviews Microbiology, 6 (10), 725–740.
- Engel, AS (2012). คีโมออโตโทรฟี. สารานุกรมแห่งถ้ำ, (2540), 125–134.
- Enger, E. , Ross, F. , & Bailey, D. (2009). แนวคิดทางชีววิทยา (ฉบับที่ 13) McGraw-Hill
- Kinne, O. (1975). นิเวศวิทยาทางทะเล. (O. Kinne, Ed.), Comput. ให้ความบันเทิง (2nd ed., Vol. II) John Wiley & Sons https://doi.org/10.1145/973801.973803
- Lees, H. (1962). IV. ความคิดบางอย่างเกี่ยวกับพลังของการสังเคราะห์ด้วยเคมี การประชุมวิชาการเรื่อง autotrophy.
- Pace, M. , & Lovett, G. (2013). การผลิตขั้นต้น: รากฐานของระบบนิเวศ ในพื้นฐานของวิทยาศาสตร์ระบบนิเวศ (หน้า 27–51) Elsevier Inc.