Кіріспе
Биологиялық процесс, мұнда энергия көзі ретінде органикалық емес қосылыстарды пайдаланып, органикалық заттар құрастырылады. Органикалық емес қосылыстардан энергияны биологиялық тұтыну. Биохимияда химиосинтез – фотосинтез сияқты, органикалық емес қосылыстардың (мысалы, сутегі газы, сутек сульфиді) немесе темір иондарының тотығуы арқылы көміртегі бар молекулаларды (әдетте көмірқышқыл газы немесе метан) және қоректік заттарды органикалық заттарға биологиялық түрлендіру болып табылады. Химиоавтотрофтар, яғни көміртегі диоксидінен көміртегі алуды химиосинтез арқылы жүзеге асыратын организмдер, филогенетикалық тұрғыдан алуан түрлі. Көзге көрінетін немесе биогеохимиялық маңызды таксондарды қамтитын топтарға күкіртті тотықтыратын гаммапротеобактериялар, кампилобактериялар, аквификоталар, метаногендік археялар және нейтрофильді темірді тотықтыратын бактериялар кіреді. Мұхиттың қараңғы аймақтарындағы көптеген микроорганизмдер химиялық синтезді жалғыз көміртек молекулаларынан биомасса өндіру үшін пайдаланады. Екі категорияны ажыратуға болады. Сутек молекулалары (H2) бар сирек кездесетін жерлерде, CO2 мен H2 арасындағы реакциядан (метан, CH4 өндірісіне әкелетін) алынатын энергия биомасса өндірісін қамтамасыз етуге жеткілікті болуы мүмкін. Басқа жағынан, көптеген мұхиттық орталарда химиосинтез энергиясы сутек сульфиді немесе аммиак сияқты заттардың тотығу реакцияларынан алынады. Бұл реакция оттегінің болуымен немесе одан тыс жүруі мүмкін. Көптеген химиосинтездік микроорганизмдер мұхиттағы басқа организмдермен қоректенеді, ал химиосинтезшілер мен тыныс алатын гетеротрофтар арасындағы симбиотикалық қарым-қатынастар кең таралған. Гидротермальдық булақтарда, метан клатраттарында, суық сіңірулерде, кит қаңқаларында және оқшауланған үңгір суларында химиосинтездік екіншілік өндіріс жануарлардың ірі популяцияларын қолдай алады. Анаэробты химиосинтез Марстың, Юпитердің Айсыны Еуропаның және басқа планеталардың бетінен төмендегі өмірге жағдай жасауы мүмкін деген гипотеза бар. Химиосинтез Жерде пайда болған метаболизмнің алғашқы түрі болуы мүмкін, бұл жасушалық тыныс алу мен фотосинтездің кейін дамуына жол ашты.
biological consumption of energy from inorganic compounds
In biochemistry, chemosynthesis is the biological conversion of one or more carbon containing molecules (usually carbon dioxide or methane) and nutrients into organic matter using the oxidation of inorganic compounds (e. g., hydrogen gas, hydrogen sulfide) or ferrous ions as a source of energy, rather than sunlight, as in photosynthesis. Chemoautotrophs, organisms that obtain carbon from carbon dioxide through chemosynthesis, are phylogenetically diverse. Groups that include conspicuous or biogeochemically important taxa include the sulfur oxidizing Gammaproteobacteria, the Campylobacterota, the Aquificota, the methanogenic archaea, and the neutrophilic iron oxidizing bacteria. Many microorganisms in dark regions of the oceans use chemosynthesis to produce biomass from single carbon molecules. Two categories can be distinguished. In the rare sites where hydrogen molecules (H2) are available, the energy available from the reaction between CO2 and H2 (leading to production of methane, CH4) can be large enough to drive the production of biomass. Alternatively, in most oceanic environments, energy for chemosynthesis derives from reactions in which substances such as hydrogen sulfide or ammonia are oxidized. This may occur with or without the presence of oxygen. Many chemosynthetic microorganisms are consumed by other organisms in the ocean, and symbiotic associations between chemosynthesizers and respiring heterotrophs are quite common. Large populations of animals can be supported by chemosynthetic secondary production at hydrothermal vents, methane clathrates, cold seeps, whale falls, and isolated cave water. It has been hypothesized that anaerobic chemosynthesis may support life below the surface of Mars, Jupiter's moon Europa, and other planets. Chemosynthesis may have also been the first type of metabolism that evolved on Earth, leading the way for cellular respiration and photosynthesis to develop later.
Ашылу
1890 жылы Сергей Виноградский «аноргаксидант» деп аталатын жаңа өмірлік процесті ұсынды. Оның жаңалығы кейбір микроорганизмдердің тек минералдық заттармен ғана тіршілік ете алатынын көрсетті. Бұл ашқандық 1880 жылдары Страсбург пен Цюрихте күкірт, темір және азот бактерияларын зерттеу кезінде пайда болды. 1897 жылы Вильгельм Пфеффер минералдық заттардың тотығуы арқылы энергия өндіруді «химосинтез» деп атады, бұл қазіргі кезде химиолитоавтотрофия деп аталатын автотрофты көмірқышқыл газын сіңірумен байланысты. Кейін бұл терминге көмірқышқыл газын сіңіру үшін органикалық энергия субстраттарын пайдаланатын организмдер – химиоорганоавтотрофтар да енгізілді. Осылайша, химиосинтезді химиоавтотрофияның синонимі деп қарастыруға болады. «Хемотрофия» термині 1940 жылдары Андре Лвоффпен энергияны электрон донорларының (органикалық немесе органикалық емес) тотығуы арқылы өндіру үшін қолданылды, бұл авто- немесе гетеротрофиямен байланысты.
Гидротермиялық шамырауыштар
Виноградскийдің ұсынысы шамамен 90 жылдан кейін, 1970 жылдары гидротермальдық мұхит жарықтарының болуы болжанғанда расталды. 1977 жылы Галапагос аймағындағы жарықтарда әлемдегі алғашқы терең суға бату аппараты «Альвин» ыстық су бұлақтары мен ерекше жаратылыстарды тапты. Соған шамамен бір уақытта, аспирант Коллин Кавано түтік құрттарының гидротермальдық жарықтардың жанында тіршілік ету механизмі ретінде сульфидтерді немесе таза күкіртті тотықтыратын химиосинтездік бактериялар туралы ұсыныс жасады. Кейін Кавано бұл құрттардың өсуіне мүмкіндік беретін әдіс екенін растады және ол химиялық синтезді ашқан адам ретінде танылды. 2004 жылы Билл Най жүргізген телесериал химиялық синтезді барлық уақыттың 100 ең маңызды ғылыми жаңалықтарының бірі деп атады.
Мұхит қабығы
2013 жылы зерттеушілер теңіз қабығының жыныстарында, қалың шөгінді қабаттарының астында және тектоникалық плиталардың жиектерінде қалыптасатын гидротермальдық бұлақтардан тыс, тіршілік ететін бактерияларды тапқандарын хабарлады. Алдын ала нәтижелерге сәйкес, бұл бактериялар мұхит қабығын құрайтын базальттың ұсақ тамырларында айналатын теңіз суының оливинды химиялық тотығу арқылы туындаған сутегімен қоректенеді. Бактериялар сутегі мен көмірқышқыл газын біріктіре отырып, метанды синтездейді.
Химосинтез - зерттеулерді жалғастырудың жаңашыл бағыты
Химиосинтез процесі жүз жылдан астам уақыттан бері белгілі болғанмен, оның маңызы мен қажеттілігі биогеохимиялық циклдардағы химиялық элементтердің өзгеруіне қатысты бүгінгі күнге дейін де өзекті болып табылады. Қазіргі таңда аммиакты азот қышқылына тотықтыратын нитрификациялық бактериялардың өмірлік процестері ғылыми дәлелдемелер мен қосымша зерттеулерді қажет етеді. Бактериялардың минералдық заттарды органикалық заттарға айналдыру қабілеті, химиосинтездің адамзат қажеттіліктері үшін құнды ресурстарды жинақтауға жарамды екенін көрсетеді. Химиосинтездік қауымдастықтар түрлі орталарда экология, эволюция және биогеография тұрғысынан, сондай-ақ тұрақты углеводородтық энергия көздерінің болуын көрсететін индикаторлар ретінде маңызды биологиялық жүйелер болып табылады. Химиосинтез процесінде бактериялар фотосинтездің мүмкін емес болған жерлерінде органикалық заттарды өндіреді. Термофильді сульфатты азайтушы бактерия Thermodesulfovibrio yellowstonii және басқа да химиосинтез түрлерін бөліп алу одан әрі зерттеулерге мүмкіндік береді. Осылайша, химиосинтездің маңыздылығы инновациялық технологияларды қолдануда, экожүйелерді сақтауда және жалпы адам өмірінде де маңызды болып қала береді. Сергей Виноградский химиялық синтез құбылысын ашуға үлес қосты.