Kas ir ķīmiskā sintēze?

Metodes

Organismus, kas paši ražo pārtiku no neorganiskām ķīmiskām vielām, nevis izmantojot jau esošus organiskos materiālus, sauc par autotrofiem. Pārtika sastāv no ogļhidrātiem, piemēram, glikozes, bet to ražošanai ir nepieciešama enerģija. Ja ir pieejama saules gaisma, autotrofi parasti to izmantos fotosintēzes veikšanai, bet vietās, kur gaisma nesasniedz, ir attīstījušies dažādi veidi, kas izmanto ķīmisko enerģiju. Dzīvības formas, kas to dara, sauc par chemautotrofiem. Ir radušās vairākas dažādas metodes, ko nosaka apstākļi un pieejamās ķīmiskās vielas.

Ķīmijsintēze izmanto oksidācijas-reducēšanas reakcijas, kas pazīstamas arī kā redoksreakcijas, lai piegādātu enerģiju, kas nepieciešama ogļhidrātu ražošanai no oglekļa dioksīda un ūdens. Šāda veida reakcija ietver elektronu zudumu no vienas vielas un elektronu pievienošanu citai. Tiek uzskatīts, ka viela, kas saņem elektronus, — parasti skābeklis — ir reducēta, savukārt viela, kas tos piegādā, ir oksidējusies. Samazināšanai nepieciešama enerģija, bet oksidēšanās to atbrīvo. Abas reakcijas vienmēr notiek kopā, bet ķīmiskajā sintēzē izmantotās reakcijas rada vispārēju enerģijas izdalīšanos.

Tāpat kā fotosintēzes gadījumā, faktiskās reakcijas ir ļoti sarežģītas un ietver vairākus posmus, taču tās var apkopot attiecībā uz izejvielām un galaproduktiem, no kuriem viens būs pārtika kāda veida ogļhidrātu veidā. Ja ir pieejami sulfīdi, tie var oksidēties, veidojot sēru vai sulfātus. Dzelzi var arī oksidēt, sākot no formas, kas pazīstama kā dzelzs II, līdz dzelzs III, kurā ir par vienu elektronu mazāk. Metāns, kas dažviet atrodas kā dabasgāze, var būt gan enerģijas, gan oglekļa avots dažiem mikroorganismiem, kā arī dažu citu organismu ķīmiskās sintēzes blakusprodukts. Amonjaka oksidēšana par nitrītiem un nitrātiem ir vēl viena metode, kas nodrošina enerģiju dažām dzīvības formām.

Daudzi organismi, kas izmanto ķīmisko sintēzi pārtikas ražošanai, dzīvo vidē ar ārkārtēju temperatūru, spiedienu, sāļumu vai citiem apstākļiem, kas ir naidīgi lielākajai daļai dzīvības. Tos sauc par ekstremofīliem. Viņiem ir dažādi pielāgojumi, kas ļauj tiem izdzīvot, piemēram, neparasti fermenti, kurus nedeaktivizē augsta temperatūra.

Vide

Hidrotermālās atveres ir viena no planētas visievērojamākajām vidēm. Tās sastāv no karsta, ķīmiskām vielām bagāta ūdens straumēm, kas izplūst no okeāna dibena ģeoloģiski aktīvās zonās, piemēram, okeāna vidus grēdās. Lai gan šķietami naidīgi pret dzīvību, bez gaismas, temperatūra tuvojas 212°F (100°C) un pilna ar ķīmiskām vielām, kas ir toksiskas lielākajai daļai dzīvības formu, tām ir plaukstošas ​​un daudzveidīgas ekosistēmas, ko atbalsta ķīmiski sintētiski mikroorganismi. Šie mikrobi sastāv no baktērijām un arī arhejām, ļoti senas organismu grupas, kas ir virspusēji līdzīgas, bet ķīmiski un ģenētiski ļoti atšķirīgas.

Karstais ūdens, ko ražo hidrotermiskās atveres, ir ļoti bagāts ar sulfīdiem, kurus mikrobi izmanto ķīmiskai sintēzei, dažkārt izdalot metānu kā blakusproduktu. Mikroorganismus, kas ražo šo gāzi, sauc par metanogēniem. Citi ķīmiski sintētiskie mikrobi šajā vidē iegūst enerģiju, oksidējot metānu, pārvēršot sulfātu par sulfīdu. Metāna oksidēšanās notiek arī vietās, kur nafta — ogļūdeņražu maisījums, tostarp metāns — iesūcas augšup jūras dibenā.

Ekoloģija, kas ieskauj dziļjūras atveres, ir daudz bagātāka nekā tās, kas atrodas tālāk no šādiem ķīmiskiem avotiem, kurām ir jāizdzīvo tikai no mirušām organiskām vielām, kas lēnām nolaižas no augšējiem ūdeņiem. Ķīmisintētiskās dzīvības formas ne tikai nodrošina pamatu lielākām organismu kopienām, kas patērē mikrobus, lai izdzīvotu, bet arī veido svarīgas simbiotiskas attiecības ar citiem organismiem. Viens interesants piemērs ir cauruļtārps, kas sāk dzīvi ar muti un zarnām, ko tas izmanto, lai uzņemtu milzīgu skaitu ķīmiski sintētisko baktēriju. Vēlākā stadijā tas zaudē muti un turpina izdzīvot, patērējot pārtiku, ko ražo tās iekšējās baktērijas.

Ķīmisintētiski ekstremofili mikroorganismi ir atrasti karstajos avotos, kur tie izdzīvo, oksidējoties sēram vai amonjakam, un iežos dziļi zem virsmas, kur tie iegūst enerģiju, oksidējot dzelzi. Ķīmijsintēze notiek arī pazīstamākās vietās. Piemēram, augsnē nitrificējošās baktērijas pārvērš amonjaku nitrītos un nitrātos, bet metānu radošas arhejas var atrast purvos un purvos, notekūdeņos un zīdītāju zarnās.

Svarīgums un iespējamie lietojumi

Nitrificējošās baktērijas augsnē nodrošina augiem izmantojamu slāpekli un ir būtiska slāpekļa cikla sastāvdaļa — bez tām augi un dzīvnieki nevarētu pastāvēt. Ļoti iespējams, ka senākās dzīvības formas izmantoja ķīmisko sintēzi, lai no neorganiskiem savienojumiem izveidotu organiskus savienojumus, un tāpēc šie procesi var būt atbildīgi par dzīvības veidošanos uz Zemes. Zinātnieki ir ierosinājuši vairākus veidus, kā chemautotrofus varētu lietderīgi izmantot. Piemēram, tos varētu izmantot, lai ražotu metānu degvielai. Tā kā daudzi no šiem organismiem dzīvo uz ķimikālijām, kas ir toksiskas cilvēkiem, un izdala nekaitīgus blakusproduktus, tos var izmantot arī noteiktu veidu indīgo atkritumu detoksikācijai.

Ķīmijsintēze un citas planētas

Dažu ķīmiski sintētisko organismu spēja attīstīties ekstremālos apstākļos ir likusi dažiem zinātniekiem domāt, ka šādas dzīvības formas varētu pastāvēt uz citām planētām vidē, kas nebūtu piemērota pazīstamākiem dzīves veidiem. Eksperimenti liecina, ka daži ķīmiski sintētiski organismi varētu izdzīvot un augt zem Marsa virsmas, un ir pieņemts, ka Marsa atmosfērā atrastās metāna pēdas varētu būt metanogēno mikroorganismu darbības rezultāts. Vēl viena iespējama ārpuszemes dzīvības vieta ir Jupitera ledus klātais pavadonis Eiropa, kur, domājams, zem virsmas atrodas šķidrs ūdens.