Kemosentez
Biyokimyada kemosentez, bir veya daha fazla karbon içeren molekülün (genellikle karbondioksit veya metan) ve besinlerin, fotosentezde olduğu gibi güneş ışığı yerine enerji kaynağı olarak inorganik bileşiklerin (örneğin hidrojen gazı, hidrojen sülfür) veya demir iyonlarının oksidasyonu kullanılarak organik maddeye biyolojik olarak dönüştürülmesidir. Kemoototroflar, kemosentez yoluyla karbondioksitten karbon elde eden organizmalar, filogenetik olarak çeşitlilik gösterir. Göze çarpan veya biyojeokimyasal açıdan önemli taksonları içeren gruplar arasında sülfür oksitleyici Gammaproteobacteria, Campylobacterota, Aquificota, metanojenik arkeler ve nötrofilik demir oksitleyici bakteriler yer alır. ⓘ
Okyanusların karanlık bölgelerindeki birçok mikroorganizma, tek karbon moleküllerinden biyokütle üretmek için kemosentez kullanır. İki kategori ayırt edilebilir. Hidrojen moleküllerinin (H2) mevcut olduğu nadir bölgelerde, CO2 ve H2 arasındaki reaksiyondan elde edilen enerji (metan, CH4 üretimine yol açar) biyokütle üretimini yönlendirecek kadar büyük olabilir. Alternatif olarak, çoğu okyanus ortamında, kemosentez için enerji, hidrojen sülfür veya amonyak gibi maddelerin oksitlendiği reaksiyonlardan elde edilir. Bu, oksijen varlığında ya da yokluğunda gerçekleşebilir. ⓘ
Birçok kemosentetik mikroorganizma okyanustaki diğer organizmalar tarafından tüketilir ve kemosentezciler ile solunum yapan heterotroflar arasındaki simbiyotik birliktelikler oldukça yaygındır. Hidrotermal bacalarda, metan klatratlarında, soğuk sızıntılarda, balina şelalelerinde ve izole mağara sularında kemosentetik ikincil üretim ile büyük hayvan popülasyonları desteklenebilir. ⓘ
Anaerobik kemosentezin Mars, Jüpiter'in uydusu Europa ve diğer gezegenlerin yüzeyinin altında yaşamı destekleyebileceği varsayılmıştır. Kemosentez aynı zamanda Dünya'da evrimleşen ilk metabolizma türü olabilir ve daha sonra hücresel solunum ve fotosentezin gelişmesine yol açmış olabilir. ⓘ
Kemosentez, ışık enerjisi olmadan organik madde üretilmesidir. Gereken enerji; demir, kükürt, hidrojen veya azot gibi inorganik bileşiklerin veya metanın oksitlenmesiyle elde edilir. ⓘ
Fotosentezde, klorofile sahip canlılar, hammadde olarak H2O (su) ve CO2 (karbondioksit) veya H2O yerine H2S veya sadece H2 kullanmak suretiyle karbonhidratları sentez ederler. Fotosentez, enerjiye ihtiyaç gösteren, yani aktivasyon enerjisine sahip bir reaksiyondur. Gereken enerji klorofil tarafından absorbe edilen güneş ışığından elde edilir. Organik maddelerin sentezi için güneş ışığı yerine kimyevi reaksiyonlardan ortaya çıkan enerji kullanılacak olursa bu reaksiyona kemosentez adı verilir. ⓘ
Bazı bakteriler, ışık enerjisine ihtiyaç göstermeden kimyevi enerji ile organik maddeleri sentez ederler. Mesela azot, kükürt, demir ve hidrojen bakterileri klorofile sahip olmadıkları halde kemosentez sayesinde kemoototrof olabilirler. Bu şekilde kendi besinlerini üreten bakterilere “kemosentetik bakteriler” denir. Kemosentetik bakteriler inorganik maddeleri oksitleyerek elde ettikleri kimyevi enerjiyi kullanarak CO2 ve H2O’dan kendilerine karbonhidratlı besinler yaparlar. ⓘ
Azot, toprakta organik azot bileşikleri nitratlar ve amonyum tuzları halinde bulunur. Azotlu bileşikler, bakterilerin aracılığı ile okside edilir, bu sürece nitrifikasyon denir. Nitrifikasyon ile azot, bitkilerin kullanabileceği bileşiklere dönüşürken, açığa çıkan enerji de nitrifikasyon yapan bakteriler tarafından kemosentez için kullanılır. ⓘ
Bitkiler havadaki CO2’yi bağlayarak organik bileşikler yapmaktadır. Fakat bitkilerin, havada bulunan azot (N2) gazını kullanmaları mümkün değildir. Gelişmeleri için büyük öneme sahip olan azotu, azotlu bileşikler halinde topraktan alırlar. Topraktaki azotun kullanılır hale gelmesi ile tabiatta azot devinimi gerçekleşir. ⓘ
Hidrojen sülfür kemosentez süreci
Dev tüp solucanları, karbondioksiti sabitlemek (enerji kaynağı olarak hidrojen sülfür kullanarak) ve şeker ve amino asit üretmek için trofozomlarında bakteri kullanırlar. Bazı reaksiyonlar sülfür üretir:
- Hidrojen sülfür kemosentezi:
- 18H2S + 6CO2 + 3O2 → C6H12O6 (karbonhidrat) + 12H2O + 18S ⓘ
Fotosentezde olduğu gibi karbondioksiti sabitlerken oksijen gazı salmak yerine, hidrojen sülfür kemosentezi süreçte katı kükürt kürecikleri üretir. Mor sülfür bakterileri gibi kemoototrofi (bir çeşit kemosentez) yapabilen bakterilerde, sitoplazmada sarı sülfür kürecikleri bulunur ve görülebilir. ⓘ
Keşif
1890 yılında Sergei Winogradsky "anorgoxydant" adı verilen yeni bir yaşam süreci türü önermiştir. Bu keşif, bazı mikropların yalnızca inorganik maddelerle yaşayabileceğini öne sürmüş ve 1880'lerde Strasbourg ve Zürih'te sülfür, demir ve azot bakterileri üzerine yaptığı fizyolojik araştırmalar sırasında ortaya çıkmıştır. ⓘ
1897'de Wilhelm Pfeffer, ototrofik karbondioksit asimilasyonu ile birlikte inorganik maddelerin oksidasyonu yoluyla enerji üretimi için "kemosentez" terimini icat etti - bugün kemolitoototrofi olarak adlandırılan şey. Daha sonra bu terim, karbondioksiti asimile etmek için organik enerji substratları kullanan organizmalar olan kemoorganoototrofları da kapsayacak şekilde genişletilecektir. Dolayısıyla kemosentez, kemoototrofinin eşanlamlısı olarak görülebilir. ⓘ
Daha az kısıtlayıcı olan "kemotrofi" terimi, 1940'larda André Lwoff tarafından oto- veya heterotrofi ile ilişkili organik olsun ya da olmasın elektron donörlerinin oksidasyonu yoluyla enerji üretimi için kullanılacaktır. ⓘ
Hidrotermal bacalar
Winogradsky'nin önerisi yaklaşık 90 yıl sonra, 1970'lerde hidrotermal okyanus bacalarının var olduğu tahmin edildiğinde doğrulandı. Sıcak su kaynakları ve garip canlılar, 1977 yılında Galapagos Yarığı'nda dünyanın ilk derin deniz dalgıç aracı olan Alvin tarafından keşfedildi. Aynı dönemde, o zamanki yüksek lisans öğrencisi Colleen Cavanaugh, tüp solucanlarının hidrotermal bacaların yakınında hayatta kalabilecekleri bir mekanizma olarak sülfürleri veya elementel sülfürü oksitleyen kemosentetik bakterileri önermiştir. Cavanaugh daha sonra bunun gerçekten de solucanların gelişebildiği yöntem olduğunu doğrulamayı başardı ve genellikle kemosentezin keşfiyle tanınır. ⓘ
Bill Nye tarafından sunulan 2004 tarihli bir televizyon dizisi kemosentezi tüm zamanların en büyük 100 bilimsel keşfinden biri olarak adlandırmıştır. ⓘ
Okyanus kabuğu
2013 yılında araştırmacılar, kalın tortu katmanlarının altında ve tektonik plakaların kenarları boyunca oluşan hidrotermal bacaların dışında okyanus kabuğunun kayasında yaşayan bakterileri keşfettiklerini bildirdiler. İlk bulgulara göre bu bakteriler, okyanus kabuğunu oluşturan bazaltın içine nüfuz eden küçük damarlarda dolaşan deniz suyunun olivini kimyasal olarak indirgemesi sonucu ortaya çıkan hidrojenle besleniyor. Bakteriler hidrojen ve karbondioksiti birleştirerek metan sentezliyor. ⓘ
Kemosentez çeşitleri
Aşağıdaki reaksiyonlarla elde edilen enerji, bakterinin metabolik ihtiyaçlarını karşılar. ⓘ
1. Demir bakterileri: Demir hidroksiti oksitleyerek enerji sağlar:
- 2Fe(OH)2 + O2 → H2O + Fe2O3 ⓘ
2. Sülfür bakterileri: H2S’yi oksitler:
- H2S +3/2O2 → H2O+SO2 ⓘ
3. Hidrojen bakterileri: H2’yi oksitleyerek enerji sağlarlar. ⓘ
- H2 + O2 → H2O + 68 Kal (Enj) ⓘ
4. Azot bakterileri, N bileşiklerini nitrifikasyon ile oksitlerler. ⓘ
- Nitrosomonas bakterilerinde:
- 2 NH3 + 3O2 → 2 HNO2 + 2 H2O + 158 Kal (enerji) ⓘ
- Nitrosococus bakterilerinde:
- 2 HNO2 + O2 → 2 HNO3 + 43 Kal (enerji) ⓘ