KEMOSINTESIS: FASA, ORGANISMA, PERBEZAAN DENGAN FOTOSINTESIS - BIOLOGI - 2026

The chemosynthesis adalah ciri-ciri proses biologi organisma autotrophic tertentu mengeksploitasi tenaga kimia untuk menukar bahan tak organik dengan bahan organik. Ia berbeza dengan fotosintesis kerana yang terakhir menggunakan tenaga dari cahaya matahari.

Organisma yang mampu melakukan chemosynthesis secara amnya adalah prokariota seperti bakteria dan mikroorganisma lain seperti archaea, yang mengeluarkan tenaga dari tindak balas yang melibatkan pengoksidaan sebatian yang sangat kecil.

Gambar Riftia pachyptila, organisma kemosintetik (Sumber: Program Penjelajah NOAA Okeanos, Galapagos Rift Expedition 2011 via Wikimedia Commons)

Contoh bakteria chemosynthetic yang paling umum adalah bakteria nitrifikasi, yang mengoksidakan ammonia untuk menghasilkan nitrogen dioksida, serta bakteria sulfur, yang mampu mengoksidakan asid sulfurik, sulfur, dan sebatian sulfur lain.

Asal konsep

Ahli mikrobiologi Sergei Winogradsky, pada tahun 1890, adalah saintis pertama yang berbicara mengenai kemungkinan adanya proses chemosynthetic, kerana dia menganggap bahawa mesti ada proses yang serupa dengan fotosintesis yang menggunakan sumber tenaga selain cahaya matahari.

Walau bagaimanapun, istilah "chemosynthesis" diciptakan pada tahun 1897 oleh Pfeffer. Teori Winogradsky terbukti pada tahun 1977 semasa ekspedisi yang dilakukan oleh kapal selam "Alvin" ke perairan laut dalam, di sekitar Kepulauan Galapagos.

Semasa ekspedisi ini, para saintis di kapal selam menemui beberapa ekosistem bakteria yang hidup di hadapan bahan anorganik dan yang lain dalam simbiosis dengan beberapa haiwan laut invertebrata.

Pada masa ini, pelbagai ekosistem chemosynthetic dikenal di seluruh dunia, terutama berkaitan dengan persekitaran laut dan lautan dan, pada tahap yang lebih rendah, dengan ekosistem daratan. Dalam persekitaran ini, mikroorganisma chemosynthetic mewakili pengeluar utama bahan organik yang penting.

Fasa

Kemosintesis hampir selalu berlaku di antara muka persekitaran aerobik dan anaerob, di mana produk akhir penguraian anaerob dan sejumlah besar oksigen tertumpu.

Seperti fotosintesis, chemosynthesis mempunyai fasa yang jelas: oksidatif dan biosintetik. Yang pertama menggunakan sebatian bukan organik dan semasa bahan organik kedua dihasilkan.

Fasa oksidatif

Semasa fasa pertama ini dan bergantung pada jenis organisma yang dipertimbangkan, pelbagai jenis sebatian anorganik yang dikurangkan dioksidakan, seperti amonia, sulfur dan turunannya, besi, beberapa turunan nitrogen, hidrogen, dll.

Pada fasa ini, pengoksidaan sebatian ini membebaskan tenaga yang digunakan untuk fosforilasi ADP, membentuk ATP, salah satu mata wang tenaga utama makhluk hidup dan, sebagai tambahan, daya pengurangan dihasilkan dalam bentuk molekul NADH.

Kekhususan proses chemosynthetic berkaitan dengan bahagian ATP yang dihasilkan digunakan untuk mendorong pengangkutan terbalik dari rantai elektron, untuk mendapatkan jumlah agen pengurangan yang lebih besar dalam bentuk NADH.

Ringkasnya, tahap ini terdiri daripada pembentukan ATP dari pengoksidaan penderma elektron yang sesuai, yang tenaga berguna secara biologi digunakan dalam fasa biosintesis.

Fasa biosintesis

Biosintesis bahan organik (sebatian karbon) berlaku berkat penggunaan tenaga yang terkandung dalam ikatan tenaga tinggi ATP dan daya pengurangan yang tersimpan dalam molekul NADH.

Fasa kedua kemosintesis ini "homolog" dengan yang berlaku semasa fotosintesis, kerana fiksasi atom karbon dalam molekul organik berlaku.

Di dalamnya, karbon dioksida (CO2) terpaku dalam bentuk karbon organik, sementara ATP diubah menjadi ADP dan anorganik fosfat.

Organisma chemosynthetic

Terdapat pelbagai jenis mikroorganisma kemosintetik, ada yang menjadi pilihan dan yang lain wajib. Ini bermaksud bahawa beberapa bergantung secara khusus pada chemosynthesis untuk mendapatkan tenaga dan bahan organik, dan yang lain melakukannya sekiranya persekitaran mengatasinya.

Mikroorganisma chemosynthetic tidak begitu berbeza dengan mikroorganisma lain, kerana mereka juga memperoleh tenaga dari proses pengangkutan elektron di mana molekul seperti flavin, quinones dan sitokrom terlibat.

Dari tenaga ini, mereka dapat mensintesis komponen sel dari gula yang disintesis secara dalaman berkat asimilasi reduksi karbon dioksida.

Beberapa penulis menganggap bahawa organisma chemosynthetic dapat dibahagikan kepada chemo-organoautotrophs dan chemo-lithoautotrophs, mengikut jenis sebatian dari mana mereka mengeluarkan tenaga, yang masing-masing boleh menjadi organik atau anorganik.

Sejauh prokariota, kebanyakan organisma chemosynthetic adalah bakteria gram-negatif, biasanya dari genus Pseudomonas dan lain-lain yang berkaitan. Antaranya ialah:

- Bakteria nitrifikasi.

- Bakteria mampu mengoksidakan sebatian sulfur dan sulfur (Sulfur Bakteria).

- Bakteria mampu mengoksidakan hidrogen (Bakteria Hidrogen).

- Bakteria mampu mengoksidakan zat besi (Bakteria Besi).

Mikroorganisma chemosynthetic menggunakan sejenis tenaga yang akan hilang dalam sistem biosfer. Ini merupakan sebahagian besar dari keanekaragaman hayati dan kepadatan penduduk banyak ekosistem di mana pengenalan bahan organik sangat terhad.

Klasifikasi mereka ada kaitannya dengan sebatian yang mampu mereka gunakan sebagai penderma elektron.

Bakteria nitrifikasi

Mereka ditemui pada tahun 1890 oleh Winogradsky dan beberapa genera yang dijelaskan setakat ini membentuk agregat yang dikelilingi oleh selaput yang sama. Mereka biasanya terasing dari persekitaran terestrial.

Nitrifikasi melibatkan pengoksidaan ammonium (NH4) kepada nitrit (NO2-) dan nitrit (NO2-) kepada nitrat (NO3-). Kedua-dua kumpulan bakteria yang mengambil bahagian dalam proses ini sering hidup bersama di habitat yang sama untuk memanfaatkan kedua-dua jenis sebatian yang menggunakan CO2 sebagai sumber karbon.

Bakteria mampu mengoksidakan sebatian sulfur dan sulfur

Ini adalah bakteria yang mampu mengoksidakan sebatian sulfur anorganik dan mendepositkan sulfur di dalam sel dalam petak tertentu. Dalam kumpulan ini dikelaskan beberapa bakteria filamen dan bukan filamen dari pelbagai jenis bakteria fakultatif dan wajib.

Organisma ini mampu menggunakan sebatian sulfur yang sangat toksik bagi kebanyakan organisma.

Sebatian yang paling sering digunakan oleh bakteria jenis ini adalah gas H2S (asid sulfurik). Walau bagaimanapun, mereka juga boleh menggunakan unsur sulfur, tiosulfat, poliionat, sulfida logam, dan molekul lain sebagai penderma elektron.

Sebilangan bakteria ini memerlukan pH berasid untuk berkembang, oleh sebab itu mereka dikenali sebagai bakteria asidofilik, sementara yang lain dapat melakukannya pada pH netral, lebih dekat dengan "normal".

Sebilangan besar bakteria ini dapat membentuk "tempat tidur" atau biofilm dalam berbagai jenis persekitaran, tetapi terutama di saluran air industri perlombongan, sumber air panas sulfur dan sedimen laut.

Mereka biasanya disebut bakteria tidak berwarna, kerana ia berbeza dengan bakteria hijau dan ungu lain yang fotoautotrofik kerana mereka tidak mempunyai pigmen apa pun, dan mereka tidak memerlukan cahaya matahari.

Bakteria mampu mengoksidakan hidrogen

Dalam kumpulan ini terdapat bakteria yang mampu tumbuh di media mineral dengan atmosfera kaya dengan hidrogen dan oksigen dan satu-satunya sumber karbon adalah karbon dioksida.

Kedua-dua bakteria gram negatif dan gram positif terdapat di sini, mampu tumbuh dalam keadaan heterotrofik dan boleh mempunyai pelbagai jenis metabolisme.

Hidrogen terkumpul dari pemecahan anaerob molekul organik, yang dicapai oleh bakteria fermentasi yang berbeza. Unsur ini adalah sumber bakteria dan chemosynthetic archaea yang penting.

Mikroorganisma yang mampu menggunakannya sebagai penderma elektron melakukannya berkat kehadiran enzim hidrogenase yang berkaitan dengan membrannya, serta kehadiran oksigen sebagai akseptor elektronik.

Bakteria mampu mengoksidakan zat besi dan mangan

Kumpulan bakteria ini mampu menggunakan tenaga yang dihasilkan dari pengoksidaan mangan atau zat besi dalam keadaan ferus ke keadaan feriknya. Ia juga merangkumi bakteria yang mampu tumbuh di hadapan tiosulfat sebagai penderma hidrogen bukan organik.

Dari sudut pandang ekologi, besi dan bakteria pengoksidaan magnesium penting untuk detoksifikasi persekitaran, kerana ia mengurangkan kepekatan logam toksik terlarut.

Organisma simbiotik

Selain bakteria hidup bebas, ada beberapa haiwan invertebrata yang hidup di persekitaran yang tidak ramah dan bergaul dengan jenis bakteria kemosintetik tertentu untuk terus hidup.

Penemuan simbion pertama berlaku setelah kajian mengenai cacing tiub gergasi, Riftia pachyptila, kekurangan saluran pencernaan dan memperoleh tenaga penting dari reaksi yang dilakukan oleh bakteria yang berkaitan dengannya.

Perbezaan dengan fotosintesis

Ciri khas organisma kemosintetik ialah mereka menggabungkan keupayaan menggunakan sebatian anorganik untuk mendapatkan tenaga dan mengurangkan daya, serta mengikat molekul karbon dioksida dengan berkesan. Sesuatu yang boleh berlaku sekiranya tiada cahaya matahari.

Fotosintesis dijalankan oleh tumbuhan, alga dan oleh beberapa kelas bakteria dan protozoa. Ia menggunakan tenaga dari cahaya matahari untuk mendorong transformasi karbon dioksida dan air (fotolisis) menjadi oksigen dan karbohidrat, melalui penghasilan ATP dan NADH.

Kemosintesis, sebaliknya, mengeksploitasi tenaga kimia yang dibebaskan dari reaksi pengurangan oksidasi untuk memperbaiki molekul karbon dioksida dan menghasilkan gula dan air berkat memperoleh tenaga dalam bentuk ATP dan mengurangkan daya.

Dalam chemosynthesis, tidak seperti fotosintesis, tidak ada pigmen yang terlibat dan oksigen tidak dihasilkan sebagai produk sampingan.

Rujukan

1. Dubilier, N., Bergin, C., & Lott, C. (2008). Kepelbagaian simbiotik pada haiwan laut: Seni memanfaatkan chemosynthesis. Kajian semula jadi Mikrobiologi, 6 (10), 725-740.
2. Engel, AS (2012). Kemoautotrofi. Ensiklopedia Gua, (1997), 125–134.
3. Enger, E., Ross, F., & Bailey, D. (2009). Konsep dalam Biologi (edisi ke-13.). McGraw-Hill.
4. Kinne, O. (1975). Ekologi Laut. (O. Kinne, Ed.), Komput. Hiburkan. (Edisi ke-2, Jilid II). John Wiley & Anak. https://doi.org/10.1145/973801.973803
5. Lees, H. (1962). IV. Beberapa Pemikiran mengenai Energetik Chemosynthesis. Simposium mengenai autotrofi.
6. Pace, M., & Lovett, G. (2013). Pengeluaran utama: Asas Ekosistem. Dalam Asas Sains Ekosistem (hlm. 27-51). Elsevier Inc.