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.

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.