Chemosintezė yra procesas, kurį tam tikri organizmai naudoja energijai gauti maisto gamybai, panašus į fotosintezę, bet nenaudojant saulės šviesos. Energija gaunama oksiduojantis neorganinėms cheminėms medžiagoms, kurias organizmai randa savo aplinkoje. Šis procesas vyksta daugelyje bakterijų ir kitoje organizmų grupėje, vadinamoje archėjomis. Gyvybės formos, kurios naudoja šį metodą energijai gauti, randamos įvairiose aplinkose, įskaitant dirvožemį, žinduolių žarnyną, naftos telkinius ir ekstremaliomis sąlygomis, pavyzdžiui, aplink hidrotermines angas vandenyno dugne. Jie yra pritaikyti aplinkybėms, kurios galėjo būti įprastos prieš milijardus metų, todėl kai kurie mokslininkai mano, kad jie gali būti tiesioginiai ankstyviausios gyvybės Žemėje palikuonys.
Metodai
Organizmai, kurie patys gamina maistą iš neorganinių cheminių medžiagų, o ne naudojant jau esamas organines medžiagas, yra žinomi kaip autotrofai. Maistas susideda iš angliavandenių, tokių kaip gliukozė, tačiau jų gamybai reikia energijos. Ten, kur yra saulės šviesos, autotrofai paprastai ją naudos fotosintezei atlikti, tačiau vietose, kur nepasiekia šviesa, atsirado įvairių tipų, kurie vietoj to naudoja cheminę energiją. Gyvybės formos, kurios tai daro, yra žinomos kaip chemautotrofai. Atsirado daugybė skirtingų metodų, nulemtų sąlygų ir turimų cheminių medžiagų.
Chemosintezė naudoja oksidacijos-redukcijos reakcijas, taip pat žinomas kaip redokso reakcijos, kad būtų tiekiama energija, reikalinga angliavandeniams gaminti iš anglies dioksido ir vandens. Tokia reakcija apima elektronų praradimą iš vienos medžiagos ir elektronų pridėjimą prie kitos. Teigiama, kad elektronus gaunanti medžiaga – dažniausiai deguonis – redukuota, o juos tiekianti medžiaga – oksiduota. Redukcijai reikia energijos, tačiau oksidacija ją išskiria. Abi reakcijos visada vyksta kartu, tačiau tos, kurios naudojamos chemosintezėje, sukelia bendrą energijos išsiskyrimą.
Kaip ir fotosintezės atveju, tikrosios reakcijos yra labai sudėtingos ir apima daugybę etapų, tačiau jas galima apibendrinti pagal žaliavas ir galutinius produktus, iš kurių vienas bus maistas tam tikrų angliavandenių pavidalu. Jei yra sulfidų, jie gali būti oksiduojami, todėl susidaro siera arba sulfatai. Geležis taip pat gali būti oksiduojama, nuo formos, vadinamos geležimi II, iki geležies III, kuri turi vienu elektronu mažiau. Metanas, kuris kai kuriose vietose yra gamtinių dujų pavidalu, kai kuriems mikroorganizmams gali būti energijos ir anglies šaltinis, taip pat kai kurių kitų organizmų chemosintezės šalutinis produktas. Amoniako oksidavimas į nitritus ir nitratus yra dar vienas būdas, suteikiantis energijos kai kurioms gyvybės formoms.
Daugelis organizmų, kurie naudoja chemosintezę maistui gaminti, gyvena aplinkoje, kurioje yra ekstremali temperatūra, slėgis, druskingumas ar kitos sąlygos, kurios yra priešiškos daugumai gyvybės. Tai žinomi kaip ekstremofilai. Jie turi įvairių pritaikymų, leidžiančių jiems išgyventi, pavyzdžiui, neįprastus fermentus, kurių nedeaktyvuoja aukšta temperatūra.
Aplinka
Hidroterminės angos yra viena iš nuostabiausių planetos aplinkos. Jas sudaro karšto, daug cheminių medžiagų turinčio vandens srautai, ištekantys iš vandenyno dugno geologiškai aktyviose vietose, pavyzdžiui, vidurio vandenyno kalnagūbriuose. Nors atrodo, kad jie yra priešiški gyvybei, be šviesos, temperatūra artėja prie 212 °F (100 °C) ir pilna cheminių medžiagų, kurios yra toksiškos daugeliui gyvybės formų, jos turi klestinčias ir įvairias ekosistemas, kurias palaiko chemosintetiniai mikroorganizmai. Šiuos mikrobus sudaro bakterijos, taip pat archėjos – labai sena organizmų grupė, kuri yra paviršutiniškai panaši, bet chemiškai ir genetiškai labai skiriasi.
Hidroterminių angų gaminamame karštame vandenyje labai daug sulfidų, kuriuos mikrobai naudoja chemosintezei, kartais išskirdami metaną kaip šalutinį produktą. Mikroorganizmai, gaminantys šias dujas, yra žinomi kaip metanogenai. Kiti chemosintetiniai mikrobai šioje aplinkoje gauna energiją oksiduodami metaną, o proceso metu sulfatą paverčia sulfidu. Metano oksidacija taip pat vyksta tose vietose, kur nafta – angliavandenilių, įskaitant metaną, mišinys – prasiskverbia aukštyn į jūros dugną.
Ekologija, supanti giliavandenes angas, yra daug turtingesnė nei toliau nuo tokių cheminių šaltinių, kurie turi išgyventi tik dėl negyvų organinių medžiagų, lėtai besileidžiančių iš aukščiau esančių vandenų. Chemosintetinės gyvybės formos ne tik sudaro pagrindą didesnėms mikrobus vartojančių organizmų bendruomenėms išgyventi, bet ir sudaro svarbius simbiotinius ryšius su kitais organizmais. Vienas įdomus pavyzdys yra vamzdžių kirmėlė, kuri pradeda gyvybę su burna ir žarnynu, kurią naudoja, kad pasisavintų daugybę chemosintetinių bakterijų. Vėlesniame etape jis praranda burną ir toliau išgyvena vartodamas maistą, kurį gamina vidinės bakterijos.
Chemosintetiniai ekstremofiliniai mikroorganizmai buvo aptikti karštuosiuose šaltiniuose, kur jie išgyvena oksiduodamiesi sierai ar amoniakui, ir giliai po paviršiumi esančiose uolienose, kur energiją gauna oksiduodami geležį. Chemosintezė vyksta ir labiau pažįstamose vietose. Pavyzdžiui, dirvožemyje nitrifikuojančios bakterijos amoniaką paverčia nitritais ir nitratais, o metaną generuojančių archėjų galima rasti pelkėse ir pelkėse, nuotekose ir žinduolių žarnyne.
Svarba ir galimi naudojimo būdai
Nitrifikuojančios bakterijos dirvožemyje suteikia augalams naudingo azoto ir yra esminė azoto ciklo dalis – be jų augalai ir gyvūnai negalėtų egzistuoti. Labai tikėtina, kad ankstyviausios gyvybės formos naudojo chemosintezę, kad iš neorganinių sukurtų organinius junginius, todėl šie procesai gali būti atsakingi už gyvybės atsiradimą Žemėje. Mokslininkai pasiūlė keletą būdų, kaip būtų galima tinkamai panaudoti chemautotrofus. Pavyzdžiui, jie gali būti naudojami metanui gaminti. Kadangi daugelis šių organizmų gyvena su cheminėmis medžiagomis, kurios yra toksiškos žmonėms ir išskiria nekenksmingus šalutinius produktus, jie taip pat gali būti naudojami tam tikrų rūšių nuodingoms atliekoms detoksikuoti.
Chemosintezė ir kitos planetos
Kai kurių chemosintetinių organizmų gebėjimas klestėti ekstremaliomis sąlygomis paskatino kai kuriuos mokslininkus teigti, kad tokios gyvybės formos gali egzistuoti kitose planetose, aplinkoje, kuri nebūtų tinkama labiau pažįstamiems gyvybės tipams. Eksperimentai rodo, kad kai kurie chemosintetiniai organizmai gali išgyventi ir augti po Marso paviršiumi, be to, buvo spėliojama, kad Marso atmosferoje rasti metano pėdsakai gali būti metanogeninių mikroorganizmų veiklos rezultatas. Kita galima nežemiškos gyvybės vieta – ledu dengtas Jupiterio mėnulis Europa, kur, kaip manoma, po paviršiumi yra skysto vandens.