Kemosinteza je proces koji određeni organizmi koriste za dobivanje energije za proizvodnju hrane, sličan fotosintezi, ali bez korištenja sunčeve svjetlosti. Energija dolazi od oksidacije anorganskih kemikalija koje organizmi nalaze u svom okolišu. Proces se događa u mnogim bakterijama, te u drugoj skupini organizama poznatih kao archaea. Životni oblici koji koriste ovu metodu za dobivanje energije nalaze se u raznim okruženjima, uključujući tlo, crijeva sisavaca, nalazišta nafte i u ekstremnim uvjetima, kao što su hidrotermalni otvori na dnu oceana. Prilagođeni su okolnostima koje su možda bile uobičajene prije više milijardi godina, što je neke znanstvenike navelo na teoretizaciju da bi mogli biti izravni potomci najranijeg života na Zemlji.
Metode
Organizmi koji sami prave hranu od anorganskih kemikalija, za razliku od korištenja već postojećih organskih materijala, poznati su kao autotrofi. Hrana se sastoji od ugljikohidrata, kao što je glukoza, ali za njihovu proizvodnju je potrebna energija. Gdje je sunčeva svjetlost dostupna, autotrofi će je općenito koristiti za obavljanje fotosinteze, ali na mjestima gdje svjetlost ne dopire, razvile su se različite vrste koje umjesto toga koriste kemijsku energiju. Životni oblici koji to čine poznati su kao kemautotrofi. Pojavio se niz različitih metoda koje su određene uvjetima i kemikalijama koje su dostupne.
Kemosinteza koristi oksidacijsko-redukcijske reakcije, također poznate kao redoks reakcije, za opskrbu energijom potrebnom za proizvodnju ugljikohidrata iz ugljičnog dioksida i vode. Ova vrsta reakcije uključuje gubitak elektrona iz jedne tvari i dodavanje elektrona drugoj. Tvar koja prima elektrone – obično kisik – kaže se da je reducirana, dok je ona koja ih opskrbljuje oksidirana. Za redukciju je potrebna energija, ali se oksidacija oslobađa. Dvije se reakcije uvijek događaju zajedno, ali one koje se koriste u kemosintezi rezultiraju ukupnim oslobađanjem energije.
Kao i kod fotosinteze, stvarne reakcije su vrlo složene i uključuju niz koraka, ali se mogu sažeti u smislu sirovina i krajnjih proizvoda, od kojih će jedan biti hrana u obliku neke vrste ugljikohidrata. Gdje su sulfidi dostupni, mogu se oksidirati, stvarajući sumpor ili sulfate. Željezo se također može oksidirati, iz oblika poznatog kao željezo II u željezo III, koje ima jedan elektron manje. Metan, koji je na nekim mjestima prisutan kao prirodni plin, može biti izvor energije i ugljika za neke mikroorganizme, a također je i nusprodukt kemosinteze nekih drugih organizama. Oksidacija amonijaka u nitrite i nitrate je još jedna metoda koja osigurava energiju za neke oblike života.
Mnogi organizmi koji koriste kemosintezu za proizvodnju hrane žive u okruženjima s ekstremnim temperaturama, pritiscima, salinitetom ili drugim uvjetima koji su neprijateljski raspoloženi za većinu života. Oni su poznati kao ekstremofili. Imaju razne prilagodbe koje im omogućuju preživljavanje, poput neobičnih enzima koji se ne deaktiviraju visokim temperaturama.
okruženja
Hidrotermalni otvori su među najčudnijim okolišima na planeti. Sastoje se od tokova vruće, kemijski bogate vode koja se izlijeva s dna oceana u geološki aktivnim područjima, kao što su srednjeoceanski grebeni. Iako su naizgled neprijateljski raspoloženi prema životu, bez svjetla, temperature se približavaju 212°F (100°C) i puni kemikalija koje su otrovne za većinu oblika života, imaju uspješan i raznolik ekosustav koji podržavaju kemosintetski mikroorganizmi. Ti se mikrobi sastoje od bakterija, a također i arheja, vrlo drevne skupine organizama koji su površinski slični, ali kemijski i genetski vrlo različiti.
Topla voda koju proizvode hidrotermalni otvori vrlo je bogata sulfidima, koje mikrobi koriste za kemosintezu, ponekad otpuštajući metan kao nusprodukt. Mikroorganizmi koji proizvode ovaj plin poznati su kao metanogeni. Drugi kemosintetski mikrobi u ovom okolišu dobivaju energiju oksidacijom metana, pretvarajući sulfat u sulfid u procesu. Oksidacija metana također se događa u područjima gdje nafta – mješavina ugljikovodika uključujući metan – prodire prema gore u morsko dno.
Ekologija koja okružuje duboke morske otvore mnogo je bogatija od onih dalje od takvih kemijskih izvora, koji moraju preživjeti isključivo od mrtve organske tvari koja se polako spušta iz voda iznad. Kemosintetski oblici života ne samo da pružaju temelj za veće zajednice organizama koji troše mikrobe da bi preživjeli, već također stvaraju važne simbiotske odnose s drugim organizmima. Jedan zanimljiv primjer je cjevčica, koja započinje život ustima i crijevima, koje koristi za unos ogromnog broja kemosintetskih bakterija. U kasnijoj fazi gubi usta i nastavlja preživjeti konzumirajući hranu koju proizvode njegove unutarnje bakterije.
Kemosintetski ekstremofilni mikroorganizmi pronađeni su u toplim izvorima, gdje preživljavaju oksidacijom sumpora ili amonijaka, te u stijenama duboko ispod površine, gdje dobivaju energiju oksidacijom željeza. Kemosinteza se također odvija na poznatijim mjestima. Primjerice, u tlu nitrificirajuće bakterije pretvaraju amonijak u nitrite i nitrate, dok se arheje koje stvaraju metan mogu naći u močvarama i močvarama, u kanalizaciji i u crijevima sisavaca.
Važnost i moguće upotrebe
Nitrifikacijske bakterije u tlu osiguravaju upotrebljiv dušik za biljke i ključni su dio ciklusa dušika – bez njih biljke i životinje ne bi mogle postojati. Vrlo je moguće da su najraniji oblici života koristili kemosintezu za stvaranje organskih spojeva iz anorganskih, pa bi ti procesi mogli biti odgovorni za uspostavljanje života na Zemlji. Znanstvenici su predložili brojne načine na koje bi se kemautotrofi mogli dobro iskoristiti. Na primjer, mogli bi se koristiti za proizvodnju metana za gorivo. Budući da mnogi od ovih organizama žive na kemikalijama koje su otrovne za ljude i oslobađaju bezopasne nusproizvode, mogli bi se koristiti i za detoksikaciju određenih vrsta otrovnog otpada.
Kemosinteza i drugi planeti
Sposobnost nekih kemosintetskih organizama da napreduju u ekstremnim uvjetima navela je neke znanstvenike da sugeriraju da bi takvi oblici života mogli postojati na drugim planetima, u okruženjima koja ne bi bila prikladna za poznatije vrste života. Eksperimenti sugeriraju da bi neki kemosintetski organizmi mogli preživjeti i rasti ispod površine Marsa, a nagađa se da bi tragovi metana pronađeni u atmosferi Marsa mogli biti rezultat aktivnosti metanogenih mikroorganizama. Još jedno moguće mjesto za izvanzemaljski život je Jupiterov mjesec prekriven ledom, Europa, gdje se smatra da tekuća voda postoji ispod površine.