CHEMOSYNTHESE: PHASEN, ORGANISMEN, UNTERSCHIEDE ZUR PHOTOSYNTHESE - BIOLOGIE - 2025

Die Chemosynthese ist ein Merkmal bestimmter autotropher Organismen biologischer Prozesse, die chemische Energie nutzen, um anorganische Substanzen in organische Stoffe umzuwandeln. Es unterscheidet sich von der Photosynthese dadurch, dass letztere Energie aus Sonnenlicht verbraucht.

Die zur Chemosynthese fähigen Organismen sind im Allgemeinen Prokaryoten wie Bakterien und andere Mikroorganismen wie Archaeen, die Energie aus Reaktionen extrahieren, bei denen sehr kleine Verbindungen oxidiert werden.

Foto von Riftia pachyptila, einem chemosynthetischen Organismus (Quelle: NOAA Okeanos Explorer Program, Galapagos Rift Expedition 2011 über Wikimedia Commons)

Die häufigsten Beispiele für chemosynthetische Bakterien sind nitrifizierende Bakterien, die Ammoniak zu Stickstoffdioxid oxidieren, sowie Schwefelbakterien, die Schwefelsäure, Schwefel und andere Schwefelverbindungen oxidieren können.

Ursprung des Konzepts

Der Mikrobiologe Sergei Winogradsky sprach 1890 als erster Wissenschaftler über die mögliche Existenz von Chemosyntheseprozessen, da er davon ausging, dass es einen Prozess geben muss, der der Photosynthese ähnelt und eine andere Energiequelle als Sonnenlicht verwendet.

Der Begriff "Chemosynthese" wurde jedoch 1897 von Pfeffer geprägt. Winogradskys Theorien wurden 1977 während der Expedition des U-Bootes "Alvin" in tiefes Meerwasser rund um die Galapagos-Inseln bewiesen.

Während dieser Expedition entdeckten die Wissenschaftler an Bord des U-Bootes einige bakterielle Ökosysteme, die in Gegenwart anorganischer Stoffe existierten, und andere in Symbiose mit einigen wirbellosen Meerestieren.

Gegenwärtig sind weltweit verschiedene chemosynthetische Ökosysteme bekannt, insbesondere in Verbindung mit marinen und ozeanischen Umgebungen und in geringerem Maße mit terrestrischen Ökosystemen. In diesen Umgebungen stellen chemosynthetische Mikroorganismen wichtige Primärproduzenten organischer Stoffe dar.

Phasen

Die Chemosynthese findet fast immer an der Grenzfläche zwischen aeroben und anaeroben Umgebungen statt, wo die Endprodukte der anaeroben Zersetzung und große Mengen Sauerstoff konzentriert sind.

Wie die Photosynthese hat die Chemosynthese genau definierte Phasen: eine oxidative und eine Biosynthese. Die erste verwendet anorganische Verbindungen und während der zweiten wird organische Substanz erzeugt.

Oxidative Phase

Während dieser ersten Phase und abhängig von der Art des betrachteten Organismus werden verschiedene Arten reduzierter anorganischer Verbindungen oxidiert, wie Ammoniak, Schwefel und seine Derivate, Eisen, einige Derivate von Stickstoff, Wasserstoff usw.

In dieser Phase setzt die Oxidation dieser Verbindungen die Energie frei, die für die Phosphorylierung von ADP verwendet wird, wobei ATP gebildet wird, eine der Hauptenergiewährungen von Lebewesen, und außerdem wird eine reduzierende Energie in Form von NADH-Molekülen erzeugt.

Eine Besonderheit des Chemosynthesevorgangs hat damit zu tun, welcher Teil des erzeugten ATP verwendet wird, um den Rücktransport der Elektronenkette voranzutreiben, um eine größere Menge an Reduktionsmitteln in Form von NADH zu erhalten.

Zusammenfassend besteht diese Stufe aus der Bildung von ATP aus der Oxidation der geeigneten Elektronendonoren, deren biologisch nützliche Energie in der Biosynthesephase verwendet wird.

Biosynthesephase

Die Biosynthese von organischer Substanz (Kohlenstoffverbindungen) erfolgt dank der Nutzung der in den hochenergetischen Bindungen von ATP enthaltenen Energie und der in den NADH-Molekülen gespeicherten Reduktionskraft.

Diese zweite Phase der Chemosynthese ist "homolog" zu der Phase, die während der Photosynthese auftritt, da die Fixierung von Kohlenstoffatomen in organischen Molekülen erfolgt.

Darin wird Kohlendioxid (CO2) in Form von organischen Kohlenstoffen fixiert, während ATP in ADP und anorganisches Phosphat umgewandelt wird.

Chemosynthetische Organismen

Es gibt verschiedene Arten von chemosynthetischen Mikroorganismen, von denen einige optional und andere obligatorisch sind. Dies bedeutet, dass einige ausschließlich von der Chemosynthese abhängen, um Energie und organische Stoffe zu erhalten, und andere, wenn die Umgebung sie bedingt.

Chemosynthetische Mikroorganismen unterscheiden sich nicht sehr von anderen Mikroorganismen, da sie auch Energie aus Elektronentransportprozessen gewinnen, an denen Moleküle wie Flavine, Chinone und Cytochrome beteiligt sind.

Aus dieser Energie können sie zelluläre Komponenten aus Zuckern synthetisieren, die dank der reduktiven Assimilation von Kohlendioxid intern synthetisiert werden.

Einige Autoren sind der Ansicht, dass chemosynthetische Organismen je nach Art der Verbindung, aus der sie Energie extrahieren, in Chemo-Organoautotrophe und Chemo-Lithoautotrophe unterteilt werden können, die organisch bzw. anorganisch sein können.

Bei den Prokaryoten handelt es sich bei den meisten chemosynthetischen Organismen um gramnegative Bakterien, üblicherweise der Gattung Pseudomonas und anderer verwandter Bakterien. Unter diesen sind die:

- Nitrifizierende Bakterien.

- Bakterien, die Schwefel und Schwefelverbindungen oxidieren können (Schwefelbakterien).

- Bakterien, die Wasserstoff oxidieren können (Wasserstoffbakterien).

- Bakterien, die Eisen oxidieren können (Eisenbakterien).

Chemosynthetische Mikroorganismen verbrauchen eine Art von Energie, die im Biosphärensystem verloren gehen würde. Diese machen einen großen Teil der Artenvielfalt und Bevölkerungsdichte vieler Ökosysteme aus, in denen die Einführung organischer Stoffe sehr begrenzt ist.

Ihre Klassifizierung hat mit den Verbindungen zu tun, die sie als Elektronendonoren verwenden können.

Nitrifizierende Bakterien

Sie wurden 1890 von Winogradsky entdeckt und einige der bisher beschriebenen Gattungen bilden Aggregate, die von derselben Membran umgeben sind. Sie sind üblicherweise von terrestrischen Umgebungen isoliert.

Die Nitrifikation beinhaltet die Oxidation von Ammonium (NH4) zu Nitriten (NO2-) und von Nitriten (NO2-) zu Nitraten (NO3-). Die beiden Bakteriengruppen, die an diesem Prozess beteiligt sind, koexistieren häufig im selben Lebensraum, um beide Arten von Verbindungen zu nutzen und CO2 als Kohlenstoffquelle zu nutzen.

Bakterien, die Schwefel und Schwefelverbindungen oxidieren können

Dies sind Bakterien, die anorganische Schwefelverbindungen oxidieren und Schwefel in bestimmten Kompartimenten in der Zelle ablagern können. Innerhalb dieser Gruppe werden einige filamentöse und nichtfilamentöse Bakterien verschiedener Gattungen fakultativer und obligater Bakterien klassifiziert.

Diese Organismen können Schwefelverbindungen verwenden, die für die meisten Organismen hochgiftig sind.

Die von dieser Art von Bakterien am häufigsten verwendete Verbindung ist H2S-Gas (Schwefelsäure). Sie können jedoch auch elementaren Schwefel, Thiosulfate, Polythionate, Metallsulfide und andere Moleküle als Elektronendonoren verwenden.

Einige dieser Bakterien benötigen einen sauren pH-Wert, um zu wachsen, weshalb sie als acidophile Bakterien bekannt sind, während andere dies bei einem neutralen pH-Wert tun können, der näher an "normal" liegt.

Viele dieser Bakterien können in verschiedenen Umgebungen "Beete" oder Biofilme bilden, insbesondere aber in Abflüssen der Bergbauindustrie, in schwefelhaltigen heißen Quellen und in ozeanischen Sedimenten.

Sie werden normalerweise als farblose Bakterien bezeichnet, da sie sich von anderen grünen und violetten Bakterien, die photoautotrop sind, dadurch unterscheiden, dass sie keinerlei Pigmente enthalten und kein Sonnenlicht benötigen.

Bakterien, die Wasserstoff oxidieren können

In dieser Gruppe finden sich Bakterien, die in mineralischen Medien mit einer Atmosphäre wachsen können, die reich an Wasserstoff und Sauerstoff ist und deren einzige Kohlenstoffquelle Kohlendioxid ist.

Hier finden sich sowohl gramnegative als auch grampositive Bakterien, die unter heterotrophen Bedingungen wachsen können und unterschiedliche Arten von Metabolismus aufweisen können.

Wasserstoff sammelt sich beim anaeroben Abbau organischer Moleküle an, der durch verschiedene fermentative Bakterien erreicht wird. Dieses Element ist eine wichtige Quelle für Bakterien und chemosynthetische Archaeen.

Mikroorganismen, die es als Elektronendonor verwenden können, tun dies dank des Vorhandenseins eines Hydrogenaseenzyms, das mit ihren Membranen assoziiert ist, sowie des Vorhandenseins von Sauerstoff als elektronischem Akzeptor.

Bakterien, die Eisen und Mangan oxidieren können

Diese Gruppe von Bakterien kann die Energie nutzen, die bei der Oxidation von Mangan oder Eisen im Eisenzustand zum Eisen (III) -Zustand entsteht. Es umfasst auch Bakterien, die in Gegenwart von Thiosulfaten als anorganische Wasserstoffdonoren wachsen können.

Aus ökologischer Sicht sind eisen- und magnesiumoxidierende Bakterien wichtig für die Entgiftung der Umwelt, da sie die Konzentration gelöster toxischer Metalle verringern.

Symbiotische Organismen

Neben frei lebenden Bakterien gibt es einige wirbellose Tiere, die in unwirtlichen Umgebungen leben und sich mit bestimmten Arten von chemosynthetischen Bakterien verbinden, um zu überleben.

Die Entdeckung der ersten Symbionten erfolgte nach der Untersuchung eines riesigen Röhrenwurms, Riftia pachyptila, dem ein Verdauungsschlauch fehlt und der aus den Reaktionen der Bakterien, mit denen er assoziiert ist, Lebensenergie gewinnt.

Unterschiede zur Photosynthese

Das charakteristischste Merkmal chemosynthetischer Organismen ist, dass sie die Fähigkeit kombinieren, anorganische Verbindungen zu verwenden, um Energie zu gewinnen und Energie zu reduzieren sowie Kohlendioxidmoleküle effektiv zu binden. Etwas, das in völliger Abwesenheit von Sonnenlicht passieren kann.

Die Photosynthese wird von Pflanzen, Algen sowie einigen Arten von Bakterien und Protozoen durchgeführt. Es nutzt Energie aus dem Sonnenlicht, um die Umwandlung von Kohlendioxid und Wasser (Photolyse) in Sauerstoff und Kohlenhydrate durch die Produktion von ATP und NADH voranzutreiben.

Im Gegensatz dazu nutzt die Chemosynthese die chemische Energie, die bei Oxidations-Reduktions-Reaktionen freigesetzt wird, um Kohlendioxidmoleküle zu fixieren und Zucker und Wasser zu produzieren, indem Energie in Form von ATP gewonnen und Energie reduziert wird.

Bei der Chemosynthese sind im Gegensatz zur Photosynthese keine Pigmente beteiligt und Sauerstoff entsteht nicht als Nebenprodukt.

Verweise

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