Kemosinteza je proces, ki ga nekateri organizmi uporabljajo za pridobivanje energije za proizvodnjo hrane, podoben fotosintezi, vendar brez uporabe sončne svetlobe. Energija izvira iz oksidacije anorganskih kemikalij, ki jih organizmi najdejo v svojem okolju. Proces se pojavlja pri številnih bakterijah in v drugi skupini organizmov, znanih kot arheje. Življenjske oblike, ki uporabljajo to metodo za pridobivanje energije, najdemo v različnih okoljih, vključno s prstjo, črevesjem sesalcev, nahajališčih nafte in v ekstremnih razmerah, na primer okoli hidrotermalnih odprtin na dnu oceana. Prilagojeni so okoliščinam, ki so bile morda običajne pred milijardami let, zaradi česar so nekateri znanstveniki teoretizirali, da so morda neposredni potomci najzgodnejšega življenja na Zemlji.
Metode
Organizmi, ki izdelujejo svojo hrano iz anorganskih kemikalij, v nasprotju z uporabo že obstoječih organskih materialov, so znani kot avtotrofi. Živila so sestavljena iz ogljikovih hidratov, kot je glukoza, ki pa potrebujejo energijo za proizvodnjo. Kjer je sončna svetloba na voljo, jo avtotrofi običajno uporabljajo za fotosintezo, vendar so se na mestih, kjer svetloba ne doseže, razvile različne vrste, ki namesto tega uporabljajo kemično energijo. Življenjske oblike, ki to počnejo, so znane kot kemautotrofi. Pojavile so se številne različne metode, ki jih določajo pogoji in kemikalije, ki so na voljo.
Kemosinteza uporablja oksidacijsko-redukcijske reakcije, znane tudi kot redoks reakcije, za dobavo energije, potrebne za proizvodnjo ogljikovih hidratov iz ogljikovega dioksida in vode. Ta vrsta reakcije vključuje izgubo elektronov iz ene snovi in dodajanje elektronov drugi. Snov, ki sprejema elektrone – običajno kisik – naj bi bila reducirana, medtem ko je bila tista, ki jih oskrbuje, oksidirana. Redukcija zahteva energijo, vendar jo oksidacija sprošča. Obe reakciji se vedno odvijata skupaj, vendar tiste, ki se uporabljajo pri kemosintezi, povzročijo splošno sproščanje energije.
Tako kot pri fotosintezi so dejanske reakcije zelo zapletene in vključujejo številne korake, vendar jih je mogoče povzeti v smislu surovin in končnih produktov, od katerih bo eden od njih hrana v obliki neke vrste ogljikovih hidratov. Kjer so na voljo sulfidi, se lahko oksidirajo, pri čemer nastane žveplo ali sulfati. Železo je mogoče tudi oksidirati, iz oblike, znane kot železo II, v železo III, ki ima en elektron manj. Metan, ki je ponekod prisoten kot zemeljski plin, je lahko za nekatere mikroorganizme tako vir energije kot ogljika, poleg tega pa je stranski produkt kemosinteze nekaterih drugih organizmov. Oksidacija amoniaka v nitrite in nitrate je še ena metoda, ki zagotavlja energijo za nekatere oblike življenja.
Mnogi organizmi, ki uporabljajo kemosintezo za proizvodnjo hrane, živijo v okoljih z ekstremnimi temperaturami, tlaki, slanostjo ali drugimi pogoji, ki so sovražni večini življenja. Ti so znani kot ekstremofili. Imajo različne prilagoditve, ki jim omogočajo preživetje, kot so nenavadni encimi, ki jih visoke temperature ne deaktivirajo.
Okolja
Hidrotermalni zračniki so med najbolj izjemnimi okolji na planetu. Sestavljeni so iz tokov vroče, s kemikalijami bogate vode, ki se izliva z oceanskega dna na geološko aktivnih območjih, kot so srednjeoceanski grebeni. Čeprav so na videz sovražni do življenja, brez svetlobe, s temperaturami, ki se približujejo 212 °F (100 °C), in polni kemikalij, ki so strupene za večino življenjskih oblik, imajo uspešne in raznolike ekosisteme, ki jih podpirajo kemosintetični mikroorganizmi. Te mikrobe sestavljajo bakterije in tudi arheje, zelo starodavna skupina organizmov, ki so si na videz podobni, a kemično in genetsko zelo različni.
Vroča voda, ki jo proizvajajo hidrotermalni zračniki, je zelo bogata s sulfidi, ki jih mikrobi uporabljajo za kemosintezo, včasih pa sproščajo metan kot stranski produkt. Mikroorganizmi, ki proizvajajo ta plin, so znani kot metanogeni. Drugi kemosintetični mikrobi v tem okolju pridobivajo energijo z oksidacijo metana in pri tem pretvorijo sulfat v sulfid. Oksidacija metana poteka tudi na območjih, kjer nafta – mešanica ogljikovodikov, vključno z metanom – pronica navzgor v morsko dno.
Ekologija, ki obdaja globokomorske odprtine, je veliko bogatejša od tistih, ki so bolj oddaljeni od takšnih kemičnih virov, ki morajo preživeti samo z mrtvimi organskimi snovmi, ki se počasi spuščajo iz zgornjih voda. Kemosintetične življenjske oblike ne zagotavljajo le temeljev za večje skupnosti organizmov, ki porabljajo mikrobe za preživetje, ampak tudi tvorijo pomembne simbiotske odnose z drugimi organizmi. Zanimiv primer je cevka, ki začne življenje z usti in črevesjem, ki ju uporablja za vnos ogromnega števila kemosintetičnih bakterij. V kasnejši fazi izgubi usta in še naprej preživi z uživanjem hrane, ki jo proizvajajo njene notranje bakterije.
Kemosintetične ekstremofilne mikroorganizme so našli v vročih izvirih, kjer preživijo z oksidacijo žvepla ali amoniaka, in v kamninah globoko pod površjem, kjer pridobivajo energijo z oksidacijo železa. Kemosinteza poteka tudi na bolj znanih mestih. Na primer, v tleh nitrifikacijske bakterije pretvorijo amoniak v nitrite in nitrate, medtem ko je arheje, ki proizvajajo metan, mogoče najti v močvirjih in močvirjih, v odplakah in v črevesju sesalcev.
Pomen in možne uporabe
Nitrifikacijske bakterije v tleh zagotavljajo uporabni dušik za rastline in so ključni del cikla dušika – brez njih rastline in živali ne bi mogle obstajati. Zelo možno je, da so najzgodnejše oblike življenja uporabljale kemosintezo za ustvarjanje organskih spojin iz anorganskih, zato so ti procesi lahko odgovorni za vzpostavitev življenja na Zemlji. Znanstveniki so predlagali številne načine, kako bi lahko kemavtotrofe dobro uporabili. Na primer, lahko bi jih uporabili za proizvodnjo metana za gorivo. Ker mnogi od teh organizmov živijo na kemikalijah, ki so strupene za ljudi, in sproščajo neškodljive stranske produkte, bi jih lahko uporabili tudi za razstrupljanje nekaterih vrst strupenih odpadkov.
Kemosinteza in drugi planeti
Sposobnost nekaterih kemosintetičnih organizmov, da uspevajo v ekstremnih razmerah, je pripeljala do tega, da nekateri znanstveniki predlagajo, da bi takšne življenjske oblike morda obstajale na drugih planetih, v okoljih, ki ne bi bila primerna za bolj znane vrste življenja. Poskusi kažejo, da bi nekateri kemosintetični organizmi lahko preživeli in rastejo pod površjem Marsa, in domneva se, da bi lahko sledi metana, ki jih najdemo v ozračju Marsa, posledica delovanja metanogenih mikroorganizmov. Druga možna lokacija za nezemeljsko življenje je Jupitrova z ledom pokrita luna Evropa, kjer naj bi pod površjem obstajala tekoča voda.