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2.24: Chemosynthese - Biologie

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Ist es möglich, bei Temperaturen über 175°F zu leben?

Es ist, wenn Sie ein Pompeji-Wurm sind. Der Pompeji-Wurm, das hitzetoleranteste Tier der Erde, lebt in der Tiefsee an überhitzten hydrothermalen Quellen. Der Rücken dieses Tiefseewurms ist mit einem Bakterienvlies bedeckt. Diese Mikroben enthalten alle für das Leben in extremen Umgebungen notwendigen Gene.

Chemosynthese

Warum sind Bakterien, die tief unter der Meeresoberfläche leben, auf chemische Verbindungen anstelle von Sonnenlicht angewiesen, um Energie zur Herstellung von Nahrung zu gewinnen?

Die meisten Autotrophen stellen durch Photosynthese Nahrung her, aber dies ist nicht die einzige Art und Weise, wie Autotrophe Nahrung produzieren. Einige Bakterien stellen Nahrung durch einen anderen Prozess her, der chemische Energie anstelle von Lichtenergie verwendet. Dieser Vorgang heißt Chemosynthese. Bei der Chemosynthese werden ein oder mehrere Kohlenstoffmoleküle (normalerweise Kohlendioxid oder Methan, CH4) und Nährstoffe werden durch Oxidation anorganischer Moleküle (wie Wasserstoffgas, Schwefelwasserstoff (H2S) oder Ammoniak (NH3)) oder Methan als Energiequelle statt Sonnenlicht. Bei der Schwefelwasserstoff-Chemosynthese, in Gegenwart von Kohlendioxid und Sauerstoff,Kohlenhydraten (CH2O) kann hergestellt werden:

CO2 + Aus2 + 4H2S → CH2O + 4S + 3H2Ö

Viele Organismen, die Chemosynthese verwenden, sind Extremophile, Leben unter rauen Bedingungen, wie zum Beispiel in Abwesenheit von Sonnenlicht und einem breiten Bereich von Wassertemperaturen, von denen einige sich dem Siedepunkt nähern. Einige chemosynthetische Bakterien leben in der Nähe von Schloten im tiefen Ozean, die als „schwarze Raucher“ bekannt sind. Verbindungen wie Schwefelwasserstoff, die aus dem Erdinneren aus den Schloten strömen, werden von den Bakterien zur Energiegewinnung zur Nahrungsherstellung verwendet. Zu den Verbrauchern, die auf diese Bakterien angewiesen sind, um Nahrung für sie zu produzieren, gehören Riesenröhrenwürmer, wie die in abgebildeten Abbildung unter. Diese Organismen sind bekannt als Chemoautotrophen. Viele chemosynthetische Mikroorganismen werden von anderen Organismen im Ozean verbraucht, und symbiotische Assoziationen zwischen diesen Organismen und atmenden Heterotrophen sind weit verbreitet.

Röhrenwürmer tief im Galapagos-Rift beziehen ihre Energie aus chemosynthetischen Bakterien. Röhrenwürmer haben weder Mund, Augen noch Magen. Ihr Überleben hängt von einer symbiotischen Beziehung mit den Milliarden von Bakterien ab, die in ihnen leben. Diese Bakterien wandeln die Chemikalien, die aus den hydrothermalen Quellen schießen, in Nahrung für den Wurm um.

Zusammenfassung

  • Chemosynthese ist ein Prozess, bei dem einige Organismen chemische Energie anstelle von Lichtenergie verwenden, um "Nahrung" zu produzieren.

Rezension

  1. Was ist Chemosynthese?
  2. Warum sind Bakterien, die tief unter der Meeresoberfläche leben, auf chemische Verbindungen anstelle von Sonnenlicht angewiesen, um Energie zur Herstellung von Nahrung zu gewinnen?
  3. Beschreiben Sie die Lebensräume von Extremophilen?

Chemosynthese

Laden Sie das Video von iTunes U oder dem Internetarchiv herunter.

Deshalb werden wir heute dort weitermachen, wo wir beim letzten Mal aufgehört haben, genauer über Variationen des Lebensthemas zu sprechen.

Und letztes Jahr habe ich versucht, diesen Vortrag mit PowerPoint zu halten, und es war eine totale Katastrophe, also gehe ich zurück zum Vorstand. Sie haben die PowerPoint-Folien. Sie werden im Web zum Download zur Verfügung stehen, um im Wesentlichen zusammenzufassen, was ich an die Tafel zeichne.

Aber an der Tafel wird es etwas anders sein. Aber ich fand, dass es für dieses Material wirklich nicht funktioniert, ausschließlich PowerPoint zu verwenden.

Das letzte Mal, als wir darüber gesprochen haben, erinnern Sie sich, mein Leben auf der Erde war verkürzt, wo -- -- wir Photosynthese hatten, die Glukose oder organischen Kohlenstoff plus Sauerstoff herstellte? Und das Gegenteil davon war die Atmung.

Und dann hatten wir Elemente, die mittendrin radelten. Und ich sagte, dass dies sehr, sehr abgekürzt ist, wie alles Leben auf der Erde funktioniert. Und heute werde ich Ihnen sagen, dass das nicht richtig ist. Das ist stark vereinfacht.

Und es gibt einige wirklich interessante Variationen zum Thema Energie und Kohlenstoff zu extrahieren und Energie und Elektronen aus dem Erdsystem zu reduzieren, um Leben zu schaffen.

Und es sind vor allem Mikroben, die diese vielfältigen Möglichkeiten haben.

Und noch einmal, selbst das, worüber ich heute mit Ihnen sprechen werde, ist zu stark vereinfacht. Wenn Sie ein Mikrobiologie-Lehrbuch lesen, finden Sie in einigen Mikroorganismen fast jede mögliche Kombination von Energiequellen, Kohlenstoffquellen und Elektronenquellen, um durch das Leben zu kommen. Daher gebe ich Ihnen noch einmal die vereinfachte Version, weil es sonst viel zu kompliziert wird. Alles Leben braucht also Kohlenstoff und Energie und auch viele andere Elemente, aber dies sind die Hauptachsen, auf denen wir unser Universum heute ordnen werden.

Für Kohlenstoff stehen also anorganisch oder organisch zur Auswahl.

Dies wäre also CO2 und dies könnte Glukose oder Zucker sein, jeder Zucker. Und dann können sie auf der Energieachse Sonnenenergie verwenden, wie bei der Photosynthese, oder sie können chemische Energie verwenden.

Und innerhalb der chemischen Energiequellen können sie anorganisch oder organisch sein wie Zucker usw. Und oft gibt es hier reduzierte Verbindungen wie Schwefelwasserstoff, Ammoniak, und wir werden darüber sprechen.

Auf diese Weise teilen wir also die Möglichkeiten auf, dass Kohlenstoff und Energiequellen am Leben sind. Alle Organismen brauchen auch eine Energiewährung in der Zelle. Und Sie haben bereits in den Biochemie-Vorlesungen viel darüber gesprochen, also gebe ich Ihnen hier wieder nur die impressionistische Sichtweise. Sie kennen die Einzelheiten.

Dies dient nur der Organisation. Und so verwendet alles Leben Redoxreaktionen. Und in Ihren Handouts für heute finden Sie eine Einführung zu Redoxreaktionen, nur für den Fall, dass Sie das überprüfen möchten.

Und eine der wichtigsten Reaktionen, über die wir heute sprechen werden, ist die Umwandlung von NADP. Wenn Sie Energie hineinstecken, können Sie sie auf NADPH reduzieren.

Das ist also eine Reduzierung. Umgekehrt erhält man Energie, wenn es oxidiert wird. Wir werden heute über Oxidation und Reduktion sprechen. Und dann verwenden sie alle ATP, über das Sie hier viel gesprochen haben. Und das Paar hier ist ADP. Setzen Sie Energie ein.

Sie stellen ATP her, das ein energiereiches Zwischenprodukt ist. Und bei der Rückwandlung in ADP kann diese Energie freigesetzt werden. Und dies wird in der Biochemie der Zelle verwendet. Alle Zellen haben also diese beiden Energieumwandlungsprozesse gemeinsam. OK, also lass uns einfach zusammenfassen, was wir heute besprechen werden. Dies ist eine Zusammenfassung der Optionen für das Leben. Siehe auch Freeman, Kapitel 25. Darüber gibt es einige Diskussionen.

Und wir können das Leben hier in sogenannte Autotrophe einteilen.

Dies sind Organismen, die ihren eigenen organischen Kohlenstoff herstellen können.

Mit anderen Worten, sie können Kohlendioxid in organischen Kohlenstoff umwandeln.

Heterotrophe sind Organismen, die nur organischen Kohlenstoff verwenden können.

Sie verlassen sich auf die Eingeweide anderer Organismen, um durchs Leben zu kommen. Und nun werden wir diese Prozesse, die unter jeden dieser fallen, systematisch durchgehen. Die sauerstoffhaltige Photosynthese ist diejenige, über die wir letztes Mal und in meiner abgekürzten Version des Lebens auf der Erde gesprochen haben.

Und dies wird von eukaryontischen Organismen, Pflanzen, Bäumen usw. und auch von prokaryontischen Organismen durchgeführt.

Das sind die Cyanobakterien, mikroskopisch kleine photosynthetische Pflanzen.

Sie nutzen CO2 und Sonnenlicht. Unsere erste Variante zu diesem Thema ist also eine Gruppe von Bakterien, die anoxygene Photosynthese betreiben. Sauerstoff bedeutet, dass sie Sauerstoff entwickeln.

Diese Jungs nutzen Sonnenenergie, aber sie entwickeln keinen Sauerstoff.

Und wir gehen darauf ein, wie das funktioniert. Und dann gibt es noch eine Gruppe von Organismen, die immer noch CO2 verwenden. Und auf dem sehr ähnlichen Weg ist der Calvin-Zyklus die Photosynthese. Aber sie verwenden chemische Energie, um diese Zwischenprodukte zur Fixierung von CO2 herzustellen. OK, also lassen Sie uns zuerst über diese sprechen. Und so werden wir über die Autotrophen sprechen.

Und alle teilen diesen Weg, CO2 zu C6H12. Das wäre Glukose.

Und es braucht ATP, um diese Reaktion durchzuführen, und es braucht auch reduziertes NADPH -- -- um diese Reaktion durchzuführen. Es braucht auch dieses Enzym Ribisco, von dem Sie sicher gesprochen haben, Ribulose-Bisphosphat-Carboxylase.

Und das ist das Enzym, das der Atmosphäre zunächst das CO2 entnimmt und an einen organischen Kohlenstoff bindet.

Nun, in einer detaillierten Version davon, wird der Calvin-Zyklus oder der Calvin/Benson-Zyklus genannt. Ich weiß nicht, wie Ihr Buch es nennt. Calvin hat den Nobelpreis bekommen, aber Benson war der Doktorand, der die ganze Arbeit gemacht hat, also sollten Sie das anerkennen.

Wie auch immer, Sie haben sich intensiv damit beschäftigt. Aber eine interessante Tatsache ist, dass Ribisco das am häufigsten vorkommende Protein auf der Erde ist.

Das sagt Ihnen, wie wichtig diese Reaktion für die Erhaltung des Lebens auf der Erde ist. Beachten Sie also, dass, um diese Reaktion, den Calvin-Zyklus, voranzutreiben, Energie und Reduktionskraft erforderlich sind. Also woher bekommen sie es?

Nun, es gibt drei Möglichkeiten, wie Autotrophe Energie erhalten und die Leistung reduzieren können, um diese Reaktion voranzutreiben. Und die erste ist die sauerstoffhaltige Photosynthese. Und die zweite ist ansauerstofffrei. Und die dritte ist die Chemosynthese.

OK, die ersten drei da. Also werden wir jetzt jeden von ihnen durchgehen und uns ansehen, wie sie funktionieren, wobei wir uns daran erinnern, dass alle von ihnen ATP und NADPH erzeugen, um dies voranzutreiben. Das haben alle Autotrophen gemeinsam. Nun, die sauerstoffhaltige Photosynthese ist diejenige, die Sie bereits gut kennen. Sie haben es in der Biochemie sehr genau studiert. Deshalb geben wir Ihnen hier noch einmal die gekürzte Version, damit Sie eine Vorlage haben, auf die Sie diese anderen zuordnen können.

Dies sind die sogenannten Lichtreaktionen der Photosynthese, wobei das Z-Schema Sonnenenergie aufnimmt, Wasser spaltet, Sauerstoff freisetzt und ATP und NADPH synthetisiert. Das ist alles bekannt, oder? Sehr vertraut. Ich schreibe es nur in einer Cartoon-Version. OK, das sind also NADPH und ADP, die diesen Prozess vorantreiben.

Okay, jetzt kann ich es wenigstens auf diesem Board machen.

Lass es mich auf diesem Board machen. Anoxygenic -- -- ist fast genau wie dieser Prozess, aber anstatt Wasser zu spalten, oxidieren diese Jungs Schwefelwasserstoff. Hier also unsere ATP und NADPH.

Und sie nutzen dafür Sonnenlicht.

Diese werden also photosynthetische Bakterien genannt. Und sie waren schon sehr früh auf der Erde. Lange bevor die Erdatmosphäre mit Sauerstoff angereichert wurde, waren dies die Leute, die in der Lage waren, Sonnenenergie zu nutzen und organischen Kohlenstoff herzustellen, ohne jedoch Sauerstoff zu entwickeln.

Dann entwickelte sich irgendwo entlang der Linie eine Zelle, hatte einige Mutationen und fand irgendwie heraus, dass Wasser, diese reichlich vorhandene Wasserquelle, ein viel besserer Elektronendonor war als Schwefelwasserstoff.

Und sobald die Biochemie dies herausgefunden hat, können Sie die einfache Substitution hier sehen, die ganze Erde begann sich in eine andere Richtung zu bewegen. Dies ist also ein interessantes Beispiel dafür, wie eine kleine biochemische Innovation die gesamte Natur des Planeten dramatisch verändern kann. Nun, diese Typen sind immer noch auf der Erde. Tatsächlich werde ich Ihnen einige zeigen.

Ich werde dies am Ende erklären, aber ich habe hier einige eingefangen.

Siehst du das kleine lila Band? Das sind diese Typen.

Ich habe hier noch andere kleine Tricks, aber die werde ich mir sparen.

Nun, man kann das lila Band nicht wirklich sehen. Aber du kannst später nach oben kommen und es dir ansehen. Das sind photosynthetische Bakterien.

Sie sind also immer noch auf der Erde, aber sie stecken an Orten fest, an denen es keinen Sauerstoff gibt. Sie haben jetzt eine eher begrenzte Nische auf dem Planeten, aber sie sind immer noch extrem wichtig. Was habe ich getan? Oh, hier ist es.

Einer der Orte, an denen sie gefunden werden können, und wenn Sie sich dafür interessieren, sind die Mystic Lakes in Arlington ein großartiger Ort, um sie zu finden. Dies ist ein permanent geschichteter See, sodass der Boden des Sees immer anaerob ist. Da ist nie Sauerstoff.

In einem typischen See wie diesem haben Sie viel Schlamm auf dem Boden und es kommt viel Schwefelwasserstoff aus dem Schlamm aus bakteriellen Prozessen, über die wir sprechen werden. Und du hast hier Licht.

Und so haben Sie hier einen Gradienten von Sauerstoff und H2S.

Und diese photosynthetischen Bakterien müssen irgendwo leben, wo genügend Licht für die Photosynthese und genügend Schwefelwasserstoff für diesen Teil der Reaktion vorhanden ist. Sie sind jedoch sehr sauerstoffempfindlich, sodass sie sich nicht im sauerstoffreichen Teil des Sees befinden können.

Sie finden sie also in einer Ebene. Es nennt sich Quetschen. Sie müssen Licht haben, damit sie oben sein müssen, aber sie können keinen Sauerstoff haben, also müssen sie unten sein. Und sie brauchen Schwefelwasserstoff, also müssen sie unten sein. Sie sind also in Seen geschichtet.

OK. Was ist mit diesen Jungs, Chemosynthese?

Sie sind nicht auf Sonnenenergie angewiesen. Auch hier treiben sie immer noch den Calvin-Zyklus an, der CO2 aus der Luft in organischen Kohlenstoff reduziert, aber sie verwenden kein Sonnenlicht. Was tun sie also? Sie beziehen ihre Energie -- -- aus Redoxreaktionen. Und lassen Sie uns Ihnen nur ein Beispiel zeigen.

Redoxreaktionen koppeln an die Umwandlung von Sauerstoff in H2O. An diesen Reaktionen ist also Sauerstoff beteiligt. Und ein Organismus kann zum Beispiel Ammoniak aufnehmen und in Nitrit umwandeln. Ein anderer Organismus kann Nitrit aufnehmen und in Nitrat umwandeln. Und es gibt andere Organismen, die Schwefelwasserstoff aufnehmen und in Sulfat umwandeln können.

Und manche können Schwefelwasserstoff nehmen, oh nein, nehmen Eisen, Eiseneisen, Fe2+ und wandeln es in Fe3+ um. Was passiert also in all diesen Fällen mit diesen Verbindungen? Werden sie oxidiert oder reduziert?

Ich hörte ein oxidiertes. Ja, sie werden oxidiert.

Somit können diese reduzierten Verbindungen, relativ reduzierte Verbindungen, verwendet werden, indem sie oxidiert werden. Der Organismus kann die benötigte Energie freisetzen. Hier wird ATP erzeugt.

Und NADPH wird von jedem dieser Redoxpaare erzeugt. Unter Verwendung dieser Energie nimmt die Zelle dann das reduzierte NADPH und das ATP auf und führt den Calvin-Zyklus, die Chemosynthese, durch. OK. Nun, Sie denken vielleicht, dass dies seltsame, seltsame Bakterien sind, die in seltsamen Taschen der Erde leben, wo es keinen Sauerstoff gibt. Und wen interessiert das schon? Sie sind veraltet.

Sie beherrschten die Erde schon in den frühen Stadien der Erde, aber sie sind jetzt nicht mehr so ​​wichtig. Nun, das stimmt nicht. Sie sind unglaublich wichtig. In einigen Ökosystemen bilden sie die Gesamtbasis des gesamten Ökosystems. Aber auch im globalen Maßstab, wie Sie lernen werden, sollten Sie am Ende dieses Vortrags ein Gefühl dafür haben, aber auch wenn wir über globale biogeochemische Kreisläufe sprechen, werden Sie erfahren, dass diese Mikroben in Wirklichkeit Boten für Elektronen in der Umwelt sind . Ohne sie würde das Redox-Gleichgewicht der Erde nicht aufrechterhalten, OK? Sie können nichts als Oxidationsreaktionen oder nichts als Reduktionsreaktionen haben und haben ein System, das sich selbst erhält. Es sind also diese Mikroben, die eine wirklich wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung des Redox-Gleichgewichts der Erde spielen. OK. Nun, ein System, das ich Ihnen auf dieser DVD zeigen werde, das dem viel besser gerecht wird als meine Zeichnungen hier, das ist ein Tiefseevulkan, falls Sie ihn nicht erkannt haben. Und das sind 2500 Meter auf dem Grund des Ozeans, sehr, sehr tief. Und es herrscht starke Hitze. Ich meine, denken Sie nur an einen Vulkan auf der Erdoberfläche. Intensive Hitze und reduzierte Verbindungen finden sich im Erdmantel, die bereit sind, durch diesen Tiefseevulkan auszubrechen. Und Sie haben Sulfat im Meerwasser, das hier durchsickert. Und während es einsickert und in das vulkanische Material, das hier herauskommt, gezogen wird, wird es zu Schwefelwasserstoff reduziert, der aus dem Vulkan kommt.

Aber in der Tiefsee hast du Sauerstoff im Wasser. Und wir werden darüber sprechen, wenn wir über die Ozeanzirkulation sprechen. Aber die Ozeane haben eine globale Ozeanzirkulation, bei der das Oberflächenwasser, das mit der Atmosphäre im Gleichgewicht ist, tatsächlich absinkt und am Meeresboden entlang fließt. Es gibt also Sauerstoff im Meeresboden, im Gegensatz zu vielen Seen, in denen Sie keinen Sauerstoff haben.

Und wir werden über diesen Unterschied sprechen. Und in den heißen Schloten kann das Wasser, das hier herauskommt, sehr, sehr heiß sein, aber es gibt ein Gefälle, wenn es auf das kältere Meerwasser trifft.

Was Sie hier also haben, ist ein perfekter Inkubator für chemosynthetische Bakterien – die den Schwefelwasserstoff in der Chemosynthese verwenden, um Kohlendioxid mit dem Sauerstoff hier zu fixieren. Und das bildet die Basis des gesamten Nahrungsnetzes in der Tiefsee, weil es dort unten kein Licht gibt.

Es gibt keine Photosynthese. Es gibt nur Chemosynthese.

Und nur eine kleine Geschichte, die zurückgeht, als ich 1976 zum ersten Mal als Assistenzprofessor ans MIT kam. Du wurdest noch nicht einmal geboren. Aber als ich jung war, gingen wir regelmäßig nach der Arbeit in den Muddy Charles Pub und tranken Bier. Und es gab einen Professor in dieser Abteilung, John Edmond, der vor einigen Jahren verstorben ist, aber früher dort war. Es war ein bisschen wie unser Cheers.

Und ich werde nie den Tag vergessen, an dem er von einer Kreuzfahrt zurückkam.

Er kam in die Kneipe. Er war Chemiker und ich bin Biologe.

Und er sagte, Sie werden nicht glauben, was wir auf dem Meeresgrund gefunden haben. Er war in Alvin untergegangen, diesem Zwei-Personen-Tauchfahrzeug.

Und er fing an, über diese riesigen Muscheln und diese riesigen Röhrenwürmer und all diese Dinge zu sprechen, und ich dachte, er hätte ein Bier zu viel getrunken. Ich fand es schwer zu glauben. Nun, es stellte sich heraus, dass dies die erste Entdeckung dieser Tiefseeschlote war und er war auf dieser Expedition. Und durch dieses kollegiale Verhältnis landete ich tatsächlich bei einer der Muscheln von den Muscheln dort, die zu den Riesenmuscheln gehört.

Ihr Fleisch ist blutrot, weil sie eine spezielle Art von Hämoglobin haben, die sie verwenden, um die Sauerstoffspannung für diese chemosynthetischen Bakterien perfekt zu halten. Wenn der Sauerstoff zu hoch ist, können sie dies nicht tun, da es das H2S spontan oxidiert.

Die Sauerstoffspannung ist also sehr kritisch.

Und sie haben eine besondere Art von Hämoglobin, die das tut.

Diese Behauptungen hatten also symbiotische chemosynthetische Bakterien.

Nun, seither wurden diese Schächte überall entdeckt und ähnliche Ökosysteme an der Oberfläche entdeckt.

Und es gibt alle Arten von verschiedenen Belüftungsöffnungen.

In diesem Video erfahren Sie nicht nur über hydrothermale Quellen, heiße Quellen, sondern auch über kalte Quellen, die sie heißen, bei denen Sie Methanbakterien haben, die wirklich wichtig sind. OK.

Dies sind also die wichtigsten Wege, auf denen Organismen Energie gewinnen können, um CO2 in organischen Kohlenstoff umzuwandeln. Dann gibt es all diese Heterotrophen, die den organischen Kohlenstoff verwenden, und sie haben verschiedene Möglichkeiten, dies zu tun. Sie haben in der Biochemie den primären Weg gelernt, der sehr wirkungsvoll ist, und das ist die aerobe Atmung, um dies zu tun.

Und deshalb werden wir das hier nur abkürzen.

Das ist unsere Umkehrung der Photosynthese. Also Heterotrophe.

Und lassen Sie mich mit den Folien voranspringen.

Okay, da bist du. Dies ist also eine Cartoon-Version der aeroben Atmung. Also geben wir einfach Glukose ein und kommen zum Krebs-Zyklus. Und wir lassen hier Elektronen fließen und haben Sauerstoff als letzten Elektronenakzeptor, der Wasser erzeugt. Wir haben also gerade die absolute Umkehrung der Photosynthese erreicht und dabei NADH und ATP hergestellt. Diese Jungs gewinnen also die Energie aus der Glukose, die alle anderen Organismen produziert haben.

Und Sauerstoff ist der terminale Elektronenakzeptor, wenn Sauerstoff in der Nähe ist. Aber es gibt viele Umgebungen, über die wir auf der Erde gesprochen haben, in denen es keinen Sauerstoff gibt.

Und es gibt Bakterien, die diese Umgebungen ausnutzen können.

Und anstatt Sauerstoff als terminalen Elektronenakzeptor zu haben, gibt es eine Reihe anderer Elemente, die sie verwenden können, Verbindungen, die sie verwenden können.

Zum Beispiel gibt es einige, die Nitrat verwenden und es zu Lachgas reduzieren. N2. Ammoniak. Alle relativ reduzierten Formen von Stickstoff. Und so nennt man das anaerob.

Und dieser Prozess wird Gentrifizierung genannt. Und wenn diese Bakterien nicht wären, diese anaeroben Bakterien, die Nitrat reduzieren können, würde Stickstoff niemals in die Atmosphäre zurückkehren. Erinnern Sie sich, als wir das letzte Mal über die Stickstofffixierung gesprochen haben, wie bestimmte Arten von Mikroben N2 aus der Atmosphäre aufnehmen und in das Ökosystem ziehen können?

Nun, wenn diese Bakterien diesen Prozess nicht durchführen würden, würde Stickstoff nie wieder in die Atmosphäre gelangen.

Sie sind von zentraler Bedeutung für das Schließen des Stickstoffkreislaufs.

Dann gibt es einige, die Sulfat verwenden und es zu Schwefelwasserstoff reduzieren können. Wie Sie sich vorstellen können, sind diese entscheidend für die Bildung des Schwefelwasserstoffs, der in diesen anderen Prozessen verwendet wird.

Es gibt einige, die CO2 verwenden und in Methan umwandeln.

Dies sind methanogene Bakterien, und sie sind im globalen Kohlenstoffkreislauf und im Methankreislauf unglaublich wichtig.

Methan ist ein wirklich starkes Treibhausgas, und darüber werden wir später sprechen. Und dann gibt es einige, die Fe3+ nehmen und auf Fe2+ reduzieren können. Und das gleiche für Mangan.

Sie sollten hier also eine Art Symmetrie spüren, richtig, dass diese anaeroben Bakterien Funktionen auf der Erde erfüllen. Lassen Sie mich diese aufschreiben.

Dies sind Sulfatreduzierer, dies sind Methanogene und dies sind Eisenreduzierer und Manganreduzierer.

All dies wird also extrem wichtig, wenn wir über die globalen biogeochemischen Kreisläufe all dieser Elemente sprechen.

Es sind diese Mikroben, die dafür sorgen, dass die Zyklen weiterlaufen können und nicht in eine Sackgasse der Oxidation oder Reduktion geraten.

OK. Bevor wir zum Film gehen, möchte ich nur sagen, wenn Sie sich Tabelle 25.2 in Ihrem Lehrbuch ansehen, ich denke, es ist diese.

Ich gehe davon aus, dass ich die neueste Version verwende.

Sie werden eine Variation dieses Themas sehen, in der es einige Einträge von Organismen geben wird, die nicht in diese Kategorien fallen, die ich Ihnen gerade gezeigt habe. Und das heißt, es gibt Organismen, die gleichzeitig Lichtenergie und organische Kohlenstoffenergie nutzen. Für jede mögliche Variation gibt es einen Organismus, der entwickelt wurde, um davon zu profitieren. Ich habe es hier nur zu stark vereinfacht, aber das solltest du wissen. Und die Quintessenz ist, wenn es thermodynamisch möglich ist. Und wieder hätte diese ganze Vorlesung in einem thermodynamischen Modus gehalten werden können. Wir hätten uns anschauen können, welche Redoxpaare energetisch möglich sind und diese dann bestimmten Mikroben zuordnen können. Aber jetzt möchte ich nur, dass Sie sich einen Überblick verschaffen. Aber für alles, was thermodynamisch machbar ist, gibt es eine Mikrobe, die es tut.

Und tatsächlich durchkämmen Mikrobiologen Redoxtabellen und stellen verschiedene Redoxpaare zusammen und stellen Hypothesen auf.

Ich sollte in der Lage sein, einen Organismus zu finden, der dies in dieser Umgebung tut. Und dann gehen sie raus. Und sie können es fast immer tatsächlich finden. Sie sind also unglaublich vielseitig. Und es gibt Ihnen ein wirklich gutes starkes Gefühl für die Kraft der Thermodynamik, die die Evolution dieser biochemischen Prozesse vorantreibt.

Bevor wir Ihnen den Film zeigen, möchte ich Ihnen schließlich zeigen, worum es bei diesem Ding geht. Im vorigen Jahrhundert gab es einen russischen Mikrobiologen namens Winogradsky – der wollte einige dieser photosynthetischen Bakterien isolieren. Und da er wusste, was ihre Eigenschaften waren, ging er raus und holte sich etwas Schlamm und etwas Teichwasser. Und er hat eine so genannte Winogradsky-Kolumne aufgebaut.

Dies ist eine Winogradsky-Saftflasche, aber sie funktioniert genauso. Und was Sie tun, ist, Schlamm in den Boden zu geben und Teichwasser hierher zu geben.

Und das Teichwasser hat im Grunde ein Inokulum. Es hat Vertreter aller verschiedenen Arten von Bakterien. Es könnten Sporen sein. Wenn ihnen die Umgebung, in der sie sich befinden, nicht gefällt, sporuliert sie und sie keimen einfach nicht. Aber vermutlich hat man im Teichwasser alles, was hier drin wachsen könnte. Und im Schlamm fügen Sie eine Sulfatquelle hinzu. Und so könnten Sie Kalziumsulfat hinzufügen und Sie könnten ein wenig organisches Material hinzufügen, Pflanzenteile oder etwas, nur um es anzukurbeln.

Und irgendwann baut man hier einen Gradienten von Schwefelwasserstoff und Sauerstoff auf.

Und mit der Zeit wachsen die Organismen entlang dieses Gradienten.

So landest du hier unten mit der anaeroben Atmung.

Tatsächlich erzeugen die Organismen diesen Gradienten. Zu Beginn ist das Ganze mit Sauerstoff angereichert.

Und was Sie in diesem Zusammenhang bedenken sollten, ist, was passiert.

Wie werden diese Gradienten erzeugt, wenn Sie mit einem vollständig gemischten System beginnen, alles drin, alles mit Sauerstoff angereichert? Irgendwann haben Sie eine anaerobe Atmung – zuerst haben Sie nur eine anaerobe Atmung, oder?

Alles, was organischen Kohlenstoff und Sauerstoff verbrauchen kann, wird wie verrückt spielen, und das ist es, was den Sauerstoff nach unten zieht.

Dann haben Sie hier eine anaerobe Atmung.

Sie werden hier oben Photosynthese betreiben und Sauerstoff entwickeln. Sie werden hier chemosynthetische Bakterien haben, weil sie ein wenig Sauerstoff brauchen, aber sie brauchen auch etwas von diesem Schwefelwasserstoff und photosynthetischen Bakterien hier.

Nun, sie sind wie hier unten. Weil sie Licht brauchen, aber keinen Sauerstoff haben können. Und so können Sie diese einrichten. Und dieses violette Band hier sagt Ihnen, dass Sie Ihre photosynthetischen Bakterien haben.


Lassen Sie uns nun die Ähnlichkeiten von Photosynthese und Chemosynthese analysieren und was die Unterschiede zwischen ihnen sind.

  • Sowohl die Chemosynthese als auch die Photosynthese sind Arten der autotrophen Ernährung, bei der der Körper organisches Material aus anorganischem Material freisetzt.
  • Die Energie einer solchen Reaktion wird in Adenosintriphosphorsäure (abgekürzt ATP) gespeichert und anschließend für die Synthese organischer Substanzen verwendet.

Der Unterschied zwischen Photosynthese und Chemosynthese:

  • Sie haben eine andere Energiequelle und damit unterschiedliche Redoxreaktionen. Bei der Chemosynthese ist die primäre Energiequelle nicht das Sonnenlicht, sondern eine chemische Reaktion der Oxidation bestimmter Stoffe.
  • Während der Chemosynthese haben die Bakterienzellen nicht das Chlorophyll (das grüne Pigment) während der Photosynthese, im Gegenteil, sie haben das Chlorophyll.
  • In der Chemosynthese kann die Kohlenstoffquelle für die Synthese organischer Stoffe nicht nur Kohlendioxid, sondern auch Kohlenmonoxid (CO), Ameisensäure, Essigsäure, Methanol und Carbonate sein.


2.24: Chemosynthese - Biologie

Das meiste Leben auf der Erde hängt von der Photosynthese ab, dem Prozess, bei dem Pflanzen Energie aus Sonnenlicht gewinnen. An hydrothermalen Quellen in der Tiefsee hat sich jedoch ohne Sonnenlicht ein einzigartiges Ökosystem entwickelt, dessen Energiequelle eine ganz andere ist: die Chemosynthese. Chemosynthese ist der Prozess, bei dem bestimmte Mikroben Energie erzeugen, indem sie chemische Reaktionen vermitteln. Die Tiere, die in der Nähe von hydrothermalen Schloten leben, leben also von den Chemikalien, die in den Schlotflüssigkeiten aus dem Meeresboden kommen! Da sie eine lokale Nahrungsquelle sind, weisen hydrothermale Schlote typischerweise eine hohe Biomasse auf, im krassen Gegensatz zu der sehr spärlichen Verbreitung von Tieren außerhalb von Schlotgebieten, wo Tiere auf Nahrung angewiesen sind, die von oben herabfällt.

Chemosynthetische Mikroben bilden die Grundlage für die biologische Besiedlung von Schloten. Chemosynthetische Mikroben leben als Symbionten auf oder unter dem Meeresboden und sogar im Körper anderer Schlottiere. Wo die mikrobielle Matte den Meeresboden um die Lüftungsöffnungen herum bedeckt, fressen Grasfresser wie Schnecken, Napfschnecken und Schuppenwürmer die Matte, und Raubtiere kommen, um die Grasfresser zu fressen. Röhrenwürmer gedeihen in kleinen Klumpen und winken in den warmen Flüssigkeiten. Ein typisches Bild eines aktiven hydrothermalen Schlots ist daher eines mit schimmernden warmen hydrothermalen Flüssigkeiten, Röhrenwürmern und vielen anderen Schlotarten, die alle dicht um den Schacht herum gruppiert sind, wobei weißes mikrobielles Mattenmaterial die Umgebung bedeckt.


Chemosynthese (Nanotechnologie)

In der molekularen Nanotechnologie, Chemosynthese ist jede chemische Synthese, bei der Reaktionen aufgrund zufälliger thermischer Bewegung ablaufen, eine Klasse, die fast die gesamte moderne Synthesechemie umfasst. Die von Menschenhand geschaffenen Verfahren der chemischen Verfahrenstechnik werden dementsprechend als Biomimikry der oben genannten Naturphänomene dargestellt, und die gesamte Klasse der nicht-photosynthetischen Ketten, aus denen komplexe Moleküle aufgebaut sind, wird beschrieben als Chemo-.

Chemosynthese kann in vielen verschiedenen Forschungsbereichen angewendet werden, einschließlich der Positionsanordnung von Molekülen. Hier werden Moleküle an bestimmten Positionen zusammengesetzt, um mit molekularen Bausteinen bestimmte Arten der Chemosynthese durchzuführen. In diesem Fall wird die Synthese am effizientesten durch die Verwendung molekularer Bausteine ​​mit wenigen Verknüpfungen durchgeführt. Ungespannte Moleküle werden auch bevorzugt, wenn Moleküle einer minimalen äußeren Belastung ausgesetzt sind, was dazu führt, dass das Molekül eine niedrige innere Energie hat. Es gibt zwei Hauptarten der Synthese: die additive und die subtraktive. Bei der additiven Synthese beginnt die Struktur mit nichts, dann werden nach und nach molekulare Bausteine ​​hinzugefügt, bis die benötigte Struktur entsteht. Bei der subtraktiven Synthese beginnen sie mit einem großen Molekül und entfernen nacheinander Bausteine, bis die Struktur erreicht ist. [1]

Diese Form der Technik wird dann der Mechanosynthese gegenübergestellt, einem hypothetischen Prozess, bei dem einzelne Moleküle mechanisch manipuliert werden, um Reaktionen nach menschlicher Spezifikation zu steuern. Da Photosynthese und andere natürliche Prozesse äußerst komplexe Moleküle nach den Spezifikationen der RNA erzeugen und langfristig in DNA-Form gespeichert werden, behaupten Befürworter des Molecular Engineering, dass ein künstlicher Prozess ebenfalls eine Kette von Langzeitspeicherung, Kurzzeitspeicherung, enzymähnliche Kopiermechanismen ähnlich denen in der Zelle und produzieren schließlich komplexe Moleküle, die keine Proteine ​​sein müssen. Zum Beispiel könnten blattförmige Diamant- oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen durch eine Kette von nicht-biologischen Reaktionen hergestellt werden, die unter Verwendung des grundlegenden Modells der Biologie entworfen wurden.

Verwendung des Begriffs Chemosynthese bekräftigt die Ansicht, dass dies machbar ist, indem er darauf hinweist, dass sich mehrere alternative Methoden zur Bildung komplexer Proteine, mineralischer Schalen von Weich- und Krustentieren usw. [2] Da es mehr als einen solchen Weg gibt, um komplexe Moleküle zu erzeugen, sogar extrem spezifische, wie für Fische essbare Proteine, wird die Wahrscheinlichkeit, dass der Mensch in der Lage ist, einen völlig neuen zu entwickeln, (von diesen Befürwortern) als nahezu sicher angesehen langfristig und innerhalb einer Generation möglich. [2]

Es wurden mehrere Methoden der nanoskaligen Chemosynthese entwickelt, von denen eine gängige Variante die chemische Badabscheidung (CBD) ist. Dieses Verfahren ermöglicht die Synthese von Dünnfilmschichten aus einer Vielzahl von Materialien in großem Maßstab und war besonders nützlich bei der Bereitstellung solcher Filme für die Optoelektronik durch die effiziente Erzeugung von Bleisulfid(PbS)-Filmen. Die CBD-Synthese dieser Filme ermöglicht sowohl kostengünstige als auch genaue Anordnungen, wobei Kornart und -größe sowie optische Eigenschaften des Nanomaterials von den Eigenschaften des umgebenden Bades bestimmt werden. Daher wird diese Methode der nanoskaligen Chemosynthese oft eingesetzt, wenn diese Eigenschaften erwünscht sind, und kann aufgrund der einstellbaren Eigenschaften für eine Vielzahl von Nanomaterialien, nicht nur für Bleisulfid, verwendet werden. [3]


Schau das Video: 11 chemosynthese (Kann 2022).