Введение
Биологический процесс создания органического вещества с использованием неорганических соединений в качестве источника энергии, а также биологическое потребление энергии из неорганических соединений. В биохимии химиосинтез – это биологическое преобразование одной или нескольких углеродсодержащих молекул (обычно углекислого газа или метана) и питательных веществ в органическое вещество, используя окисление неорганических соединений (например, газообразного водорода, сероводорода) или ионов железа в качестве источника энергии, в отличие от солнечного света, как в фотосинтезе. Хемоавтотрофы – организмы, получающие углерод из углекислого газа посредством химиосинтеза – филогенетически разнообразны. Группы, включающие заметные или биогеохимически важные таксоны, включают окисляющие серу гаммапротеобактерии, кампилобактерии, аквифиции, метаногенные археи и нейтрофильные окисляющие железо бактерии. Многие микроорганизмы в темных областях океанов используют химиосинтез для производства биомассы из отдельных молекул углерода. Можно выделить две категории. В редких местах, где доступна молекула водорода (H2), энергия, высвобождаемая в результате реакции между CO2 и H2 (приводящей к образованию метана, CH4), может быть достаточной для обеспечения производства биомассы. В большинстве океанических сред энергия для химиосинтеза получается из реакций, в которых окисляются такие вещества, как сероводород или аммиак. Это может происходить как в присутствии, так и в отсутствие кислорода. Многие химиосинтезирующие микроорганизмы служат пищей для других организмов в океане, и симбиотические ассоциации между химиосинтезаторами и дышащими гетеротрофами довольно распространены. Большие популяции животных могут поддерживаться химиосинтетическим вторичным производством у гидротермальных источников, метанных клатратов, холодных просачиваний, китовых падений и в изолированных пещерных водах. Выдвинута гипотеза, что анаэробный химиосинтез может поддерживать жизнь под поверхностью Марса, спутника Юпитера Европы и других планет. Возможно, химиосинтез был первым типом метаболизма, возникшим на Земле, подготовив почву для развития клеточного дыхания и фотосинтеза.
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.
Открытие
В 1890 году Сергей Виноградский предложил новый тип жизненного процесса, названный «аноргоксидантом». Его открытие показало, что некоторые микробы могут существовать исключительно за счет неорганических веществ, и было сделано в ходе его физиологических исследований в 1880-х годах в Страсбурге и Цюрихе, посвященных бактериям, использующим серу, железо и азот. В 1897 году Вильгельм Пфеффер ввел термин «хемосинтез» для обозначения производства энергии путем окисления неорганических веществ в сочетании с аутотрофной ассимиляцией углекислого газа – то, что сегодня называется хемолитоавтотрофией. Позднее этот термин был расширен и стал включать также химиоорганоавтотрофов, организмов, использующих органические энергетические субстраты для ассимиляции углекислого газа. Таким образом, хемосинтез можно рассматривать как синоним хемоавтотрофии. Термин «химотрофия», имеющий более широкое значение, был введен в 1940-х годах Андре Лвоффом для обозначения производства энергии путем окисления доноров электронов, органических или неорганических, в сочетании с авто- или гетеротрофией.
Гидротермальные отверстия
Предложение Виноградского было подтверждено спустя почти 90 лет, когда в 1970-х годах было предсказано существование гидротермальных источников в океане. Горячие источники и необычные существа были обнаружены в 1977 году в Галапагосском рифте аппаратом "Альвин" – первым в мире глубоководным подводным аппаратом. Практически одновременно с этим, аспирантка Коллин Кавано предположила, что трубчатые черви выживают вблизи гидротермальных источников благодаря хемосинтезирующим бактериям, окисляющим сульфиды или элементарную серу. Позже Кавано подтвердила, что именно этот механизм позволяет червям процветать, и ей обычно приписывают открытие хемосинтеза. В 2004 году в телесериале с Биллом Найем хемосинтез был назван одним из 100 величайших научных открытий всех времен.
Океанская кора
В 2013 году исследователи сообщили об обнаружении бактерий, обитающих в породах океанической коры под толстыми слоями осадочных пород, и не только вблизи гидротермальных источников, формирующихся по краям тектонических плит. Предварительные данные свидетельствуют о том, что эти бактерии существуют за счет водорода, образующегося в результате химического восстановления оливина морской водой, циркулирующей по мелким трещинам, пронизывающим базальт, из которого состоит океаническая кора. Бактерии синтезируют метан, объединяя водород и углекислый газ.
Химиосинтез как инновационная область для продолжения исследований
Несмотря на то, что процесс хемосинтеза известен уже более ста лет, его значение и важность остаются актуальными и сегодня в контексте трансформации химических элементов в биогеохимических циклах. Современные исследования жизненно важных процессов нитрифицирующих бактерий, приводящих к окислению аммиака до азотной кислоты, требуют научного обоснования и дополнительных изысканий. Способность бактерий преобразовывать неорганические вещества в органические позволяет предположить, что хемосинтетики способны накапливать ценные ресурсы для нужд человека. Хемосинтетические сообщества в различных средах представляют собой важные биологические системы с точки зрения экологии, эволюции и биогеографии, а также их потенциала в качестве индикаторов наличия постоянных источников энергии на основе углеводородов. В процессе хемосинтеза бактерии производят органическое вещество там, где фотосинтез невозможен. Выделение термофильных сульфатредуцирующих бактерий Thermodesulfovibrio yellowstonii и других типов хемосинтетиков открывает перспективы для дальнейших исследований. Таким образом, значимость хемосинтеза сохраняется для применения в инновационных технологиях, сохранения экосистем и поддержания жизни человека в целом. Сергей Виноградский внес вклад в открытие феномена хемосинтеза.