KEMOSENTEZ: FAZLAR, ORGANIZMALAR, FOTOSENTEZ ILE FARKLILIKLAR - BIYOLOJI - 2024

Kemosentezi organik madde, inorganik maddelerin dönüştürülmesi kimyasal enerjinin kullanılması, belirli bir biyolojik işlem ototrofik organizmaların bir özelliğidir. Fotosentezden, ikincisi güneş ışığından enerji kullanması bakımından farklılık gösterir.

Kemosentez yapabilen organizmalar genellikle çok küçük bileşiklerin oksidasyonunu içeren reaksiyonlardan enerji çıkaran bakteri ve arkeler gibi diğer mikroorganizmalar gibi prokaryotlardır.

Kemosentetik bir organizma olan Riftia pachyptila'nın fotoğrafı (Kaynak: NOAA Okeanos Explorer Programı, Galapagos Rift Expedition 2011, Wikimedia Commons aracılığıyla)

Kemosentetik bakterilerin en yaygın örnekleri, nitrojen dioksit üretmek için amonyağı oksitleyen nitrifiye bakteriler ile sülfürik asidi, kükürt ve diğer kükürt bileşiklerini oksitleyebilen kükürt bakterileridir.

Kavramın kökeni

Mikrobiyolog Sergei Winogradsky, 1890'da, güneş ışığından başka bir enerji kaynağı kullanan fotosenteze benzer bir işlem olması gerektiğini varsaydığından, kemosentetik süreçlerin olası varlığından bahseden ilk bilim insanıydı.

Bununla birlikte, "kemosentez" terimi 1897'de Pfeffer tarafından icat edildi. Winogradsky'nin teorileri 1977'de "Alvin" denizaltısının Galapagos Adaları çevresinde derin okyanus sularına yaptığı keşif sırasında kanıtlandı.

Bu keşif gezisi sırasında, denizaltındaki bilim adamları, inorganik madde varlığında ve diğerleri bazı omurgasız deniz hayvanlarıyla simbiyozda var olan bazı bakteri ekosistemlerini keşfettiler.

Şu anda, dünya çapında, özellikle deniz ve okyanus ortamlarıyla ve daha az ölçüde karasal ekosistemlerle ilişkili çeşitli kemosentetik ekosistemler bilinmektedir. Bu ortamlarda, kemosentetik mikroorganizmalar organik maddenin önemli birincil üreticilerini temsil eder.

Aşamaları

Kemosentez hemen hemen her zaman, anaerobik ayrışmanın son ürünlerinin ve büyük miktarlarda oksijenin yoğunlaştığı aerobik ve anaerobik ortamların arayüzünde meydana gelir.

Fotosentez gibi, kemosentez de iyi tanımlanmış aşamalara sahiptir: oksidatif ve biyosentetik. İlki inorganik bileşikler kullanır ve ikinci organik madde üretilir.

Oksidatif faz

Bu ilk aşamada ve dikkate alınan organizmanın türüne bağlı olarak, amonyak, kükürt ve türevleri, demir, bazı nitrojen türevleri, hidrojen vb. Gibi farklı türde indirgenmiş inorganik bileşikler oksitlenir.

Bu aşamada bu bileşiklerin oksidasyonu, ADP'nin fosforilasyonunda kullanılan enerjiyi açığa çıkarır, canlıların temel enerji para birimlerinden biri olan ATP'yi oluşturur ve ayrıca NADH molekülleri şeklinde indirgeme gücü oluşur.

Kemosentetik işlemin bir özelliği, NADH biçiminde daha fazla miktarda indirgeme ajanı elde etmek için, üretilen ATP'nin hangi kısmının elektron zincirinin ters taşınmasını ilerletmek için kullanıldığı ile ilgilidir.

Özetle, bu aşama biyolojik olarak yararlı enerjisi biyosentez aşamasında kullanılan uygun elektron vericilerin oksidasyonundan ATP oluşumundan oluşur.

Biyosentez aşaması

Organik maddenin (karbon bileşikleri) biyosentezi, ATP'nin yüksek enerjili bağlarında bulunan enerjinin kullanılması ve NADH moleküllerinde depolanan indirgeme gücü sayesinde gerçekleşir.

Kemosentezin bu ikinci aşaması, organik moleküllerde karbon atomlarının sabitlenmesi meydana geldiğinden, fotosentez sırasında meydana gelenlere "homologdur".

İçinde karbondioksit (CO2) organik karbonlar şeklinde sabitlenirken, ATP ADP'ye ve inorganik fosfata dönüştürülür.

Kemosentetik organizmalar

Çeşitli kemosentetik mikroorganizma türleri vardır, bazıları isteğe bağlı ve diğerleri zorunludur. Bu, bazılarının enerji ve organik madde elde etmek için yalnızca kemosenteze bağlı olduğu ve diğerlerinin çevre onları şartlandırıyorsa bunu yaptığı anlamına gelir.

Kemosentetik mikroorganizmalar, flavinler, kinonlar ve sitokromlar gibi moleküllerin dahil olduğu elektron taşıma işlemlerinden de enerji elde ettikleri için diğer mikroorganizmalardan çok farklı değildir.

Bu enerjiden, karbondioksitin indirgeyici asimilasyonu sayesinde dahili olarak sentezlenen şekerlerden hücresel bileşenleri sentezleyebilirler.

Bazı yazarlar, kemosentetik organizmaların, sırasıyla organik veya inorganik olabilen, enerji elde ettikleri bileşiğin türüne göre kemo-organoototroflara ve kemo-litoototroflara ayrılabileceğini düşünmektedir.

Prokaryotlar söz konusu olduğunda, kemosentetik organizmaların çoğu gram negatif bakterilerdir, genellikle Pseudomonas cinsi ve diğer ilgili olanlar. Bunlar arasında şunlar yer almaktadır:

- Nitrifikasyon bakterileri.

- Kükürt ve kükürt bileşiklerini oksitleyebilen bakteriler (Kükürt Bakterileri).

- Hidrojeni oksitleyebilen bakteriler (Hidrojen Bakterileri).

- Demiri oksitleyebilen bakteriler (Demir Bakterileri).

Kemosentetik mikroorganizmalar, biyosfer sisteminde kaybolacak bir tür enerji kullanır. Bunlar, organik madde girişinin çok sınırlı olduğu birçok ekosistemin biyoçeşitliliğinin ve nüfus yoğunluğunun büyük bir bölümünü oluşturur.

Sınıflandırılmaları, elektron vericileri olarak kullanabildikleri bileşiklerle ilgilidir.

Nitrifikasyon bakterileri

1890'da Winogradsky tarafından keşfedildi ve şimdiye kadar anlatılan cinslerin bir kısmı aynı zarla çevrili kümeler oluşturdu. Genellikle karasal ortamlardan izole edilirler.

Nitrifikasyon, amonyumun (NH4) nitritlere (NO2-) ve nitritlerin (NO2-) nitratlara (NO3-) oksidasyonunu içerir. Bu sürece katılan iki bakteri grubu, karbon kaynağı olarak CO2 kullanan her iki tür bileşikten yararlanmak için genellikle aynı habitatta bir arada bulunur.

Kükürt ve kükürt bileşiklerini oksitleyebilen bakteriler

Bunlar, inorganik kükürt bileşiklerini oksitleyebilen ve belirli bölmelerde hücre içinde kükürt biriktirebilen bakterilerdir. Bu grup içinde fakültatif ve zorunlu bakteri türlerinin bazı ipliksi ve ipliksi olmayan bakterileri sınıflandırılır.

Bu organizmalar, çoğu organizma için oldukça toksik olan kükürt bileşiklerini kullanma yeteneğine sahiptir.

Bu tür bakteriler tarafından en yaygın olarak kullanılan bileşik H2S gazıdır (sülfürik asit). Bununla birlikte, elemental kükürt, tiyosülfatlar, politiyonatlar, metal sülfitler ve diğer molekülleri elektron vericisi olarak da kullanabilirler.

Bu bakterilerin bazıları büyümek için asidik pH'a ihtiyaç duyar, bu yüzden asidofilik bakteri olarak bilinirken, diğerleri bunu "normale" yakın olan nötr pH'da yapabilirler.

Bu bakterilerin çoğu, farklı ortam türlerinde, ancak özellikle madencilik endüstrisi kanallarında, kükürtlü kaplıcalarda ve okyanus çökeltilerinde "yataklar" veya biyofilmler oluşturabilir.

Fotoototrofik olan diğer yeşil ve mor bakterilerden farklı oldukları için genellikle renksiz bakteri olarak adlandırılırlar, çünkü herhangi bir pigmenti yoktur ve güneş ışığına ihtiyaç duymazlar.

Hidrojeni oksitleyebilen bakteriler

Bu grupta, hidrojen ve oksijen açısından zengin atmosferlere sahip mineral ortamda çoğalan ve tek karbon kaynağı karbondioksit olan bakteriler bulunur.

Burada, heterotrofik koşullarda çoğalabilen ve farklı metabolizma türlerine sahip olabilen gram negatif ve gram pozitif bakteriler bulunur.

Hidrojen, organik moleküllerin anaerobik olarak parçalanmasıyla birikir ve bu, farklı fermentatif bakteriler tarafından sağlanır. Bu element, önemli bir bakteri ve kemosentetik arkeler kaynağıdır.

Onu bir elektron vericisi olarak kullanabilen mikroorganizmalar, bunu, zarlarıyla ilişkili bir hidrojenaz enziminin varlığı ve ayrıca bir elektronik alıcı olarak oksijenin varlığı sayesinde yapar.

Demir ve manganezi oksitleyebilen bakteriler

Bu bakteri grubu, demirli haldeki manganez veya demirin oksidasyonundan üretilen enerjiyi ferrik haline kullanabilir. Aynı zamanda, inorganik hidrojen vericileri olarak tiyosülfatların varlığında çoğalabilen bakterileri de içerir.

Ekolojik açıdan bakıldığında, demir ve magnezyum oksitleyen bakteriler, çözünmüş toksik metallerin konsantrasyonunu azalttığı için çevrenin detoksifikasyonu için önemlidir.

Simbiyotik organizmalar

Serbest yaşayan bakterilere ek olarak, konuksever olmayan ortamlarda yaşayan ve hayatta kalmak için belirli kemosentetik bakteri türleriyle ilişkilendirilen bazı omurgasız hayvanlar da vardır.

İlk simbiyontların keşfi, sindirim tüpü olmayan ve ilişkili olduğu bakteriler tarafından gerçekleştirilen reaksiyonlardan hayati enerji elde eden dev bir tüp solucanı olan Riftia pachyptila'nın araştırılmasından sonra gerçekleşti.

Fotosentez ile farklılıklar

Kemosentetik organizmaların en ayırt edici özelliği, enerji kazanmak ve güç azaltmak için inorganik bileşikleri kullanma ve karbondioksit moleküllerini etkin bir şekilde bağlama yeteneklerini birleştirmeleridir. Güneş ışığının tamamen yokluğunda olabilecek bir şey.

Fotosentez bitkiler, algler ve bazı bakteri türleri ve protozoa tarafından gerçekleştirilir. ATP ve NADH üretimi yoluyla karbondioksit ve suyun (fotoliz) oksijen ve karbonhidratlara dönüşümünü sağlamak için güneş ışığından gelen enerjiyi kullanır.

Kemosentez, aksine, ATP formunda enerji elde edilmesi ve indirgeme gücü sayesinde karbondioksit moleküllerini sabitlemek ve şeker ve su üretmek için oksidasyon-indirgeme reaksiyonlarından açığa çıkan kimyasal enerjiyi kullanır.

Kemosentezde fotosentezden farklı olarak hiçbir pigment kullanılmaz ve yan ürün olarak oksijen üretilmez.

Referanslar

1. Dubilier, N., Bergin, C. ve Lott, C. (2008). Deniz hayvanlarında simbiyotik çeşitlilik: Kemosentezden yararlanma sanatı. Nature Reviews Microbiology, 6 (10), 725–740.
2. Engel, AS (2012). Kemoototrofi. Encyclopedia of Caves, (1997), 125–134.
3. Enger, E., Ross, F. ve Bailey, D. (2009). Biyolojide Kavramlar (13. baskı). McGraw-Hill.
4. Kinne, O. (1975). Deniz Ekolojisi. (O. Kinne, Ed.), Comput. Eğlendirmek. (2. baskı, Cilt II). John Wiley & Sons. https://doi.org/10.1145/973801.973803
5. Lees, H. (1962). IV. Kemosentez Enerjisi Üzerine Bazı Düşünceler. Ototrofi Sempozyumu.
6. Pace, M. ve Lovett, G. (2013). Birincil üretim: Ekosistemlerin Temeli. Ekosistem Biliminin Temelleri'nde (s. 27–51). Elsevier Inc.