Definizione ed esempi di chemosintesi

La chemosintesi è la conversione di composti del carbonio e altre molecole in composti organici. In questa reazione biochimica, il metano o un composto inorganico, come l'idrogeno solforato o l'idrogeno gassoso, viene ossidato per agire come fonte di energia. Al contrario, la fonte di energia per la fotosintesi (l'insieme di reazioni attraverso cui l'anidride carbonica e l'acqua vengono convertite in glucosio e ossigeno) utilizza l'energia della luce solare per alimentare il processo.

L'idea che i microrganismi possano vivere su composti inorganici è stata proposta da Sergei Nikolaevich Vinogradnsii (Winogradsky) nel 1890, sulla base di una ricerca condotta su batteri che sembravano vivere di azoto, ferro o zolfo. L'ipotesi è stata convalidata nel 1977 quando il sommergibile Alvin in alto mare osservava i vermi tubolari e altre forme di vita attorno alle prese idrotermali del Galapagos Rift. Colleen Cavanaugh, studente di Harvard, propose e successivamente confermò che i vermi tubolari sopravvivevano a causa della loro relazione con i batteri chemiosintetici. La scoperta ufficiale della chemosintesi è attribuita a Cavanaugh.

Gli organismi che ottengono energia mediante ossidazione dei donatori di elettroni sono chiamati chemiotrofi. Se le molecole sono organiche, gli organismi sono chiamati chemioorganotrofi. Se le molecole sono inorganiche, gli organismi sono termini chemiolitotrofi. Al contrario, gli organismi che usano l'energia solare sono chiamati fototrofi.

Chemoautotrofi e Chemoetereterotrofi

I chemioautotrofi ottengono la loro energia dalle reazioni chimiche e sintetizzano i composti organici dall'anidride carbonica. La fonte di energia per la chemosintesi può essere zolfo elementare, idrogeno solforato, idrogeno molecolare, ammoniaca, manganese o ferro. Esempi di chemioautotrofi includono batteri e archaea metanogenici che vivono in buche profonde. La parola "chemiosintesi" fu originariamente coniata da Wilhelm Pfeffer nel 1897 per descrivere la produzione di energia mediante ossidazione di molecole inorganiche da parte degli autotrofi (chemolitoautotrofia). Secondo la definizione moderna, la chemiosintesi descrive anche la produzione di energia tramite chemoorganoautotrofia.

I chemioeterotrofi non possono fissare il carbonio per formare composti organici. Al contrario, possono utilizzare fonti di energia inorganiche, come lo zolfo (chemiolitoeterotrofi) o fonti di energia organiche, come proteine, carboidrati e lipidi (chemoorganoeterotrofi).

Dove si verifica la chemosintesi?

La chemosintesi è stata rilevata in aperture idrotermali, grotte isolate, clatrati di metano, cadute di balene e infiltrazioni di freddo. È stato ipotizzato che il processo possa consentire la vita sotto la superficie di Marte e della luna di Giove Europa. così come altri posti nel sistema solare. La chemosintesi può verificarsi in presenza di ossigeno, ma non è richiesta.

Esempio di chemosintesi

Oltre ai batteri e agli archei, alcuni organismi più grandi si affidano alla chemiosintesi. Un buon esempio è il verme gigante a tubo che si trova in gran numero intorno alle prese d'aria idrotermali profonde. Ogni verme ospita batteri chemiosintetici in un organo chiamato trofosoma. I batteri ossidano lo zolfo dall'ambiente del verme per produrre il nutrimento di cui l'animale ha bisogno. Utilizzando l'idrogeno solforato come fonte di energia, la reazione per la chemosintesi è:

12 ore₂S + 6 CO₂ → C₆H₁₂O₆ + 6 ore₂O + 12 S

Questo è molto simile alla reazione di produrre carboidrati attraverso la fotosintesi, tranne che la fotosintesi rilascia ossigeno gassoso, mentre la chemosintesi produce zolfo solido. I granuli di zolfo gialli sono visibili nel citoplasma dei batteri che eseguono la reazione.

Un altro esempio di chemosintesi è stato scoperto nel 2013 quando sono stati trovati batteri che vivono nel basalto sotto il sedimento del fondo oceanico. Questi batteri non erano associati a uno sfiato idrotermico. È stato suggerito che i batteri usano l'idrogeno dalla riduzione dei minerali nell'acqua di mare che bagna la roccia. I batteri potrebbero reagire con idrogeno e anidride carbonica per produrre metano.

Chemosintesi in nanotecnologia molecolare

Mentre il termine "chemosintesi" viene spesso applicato ai sistemi biologici, può essere usato più in generale per descrivere qualsiasi forma di sintesi chimica provocata dal moto termico casuale dei reagenti. Al contrario, la manipolazione meccanica delle molecole per controllare la loro reazione è chiamata "meccanosintesi". Sia la chemosintesi che la meccanosintesi hanno il potenziale per costruire composti complessi, tra cui nuove molecole e molecole organiche.

Risorse e ulteriori letture

• Campbell, Neil A., et al. Biologia. 8a edizione, Pearson, 2008.
• Kelly, Donovan P. e Ann P. Wood. "I procarioti chemolitotrofici." I procarioti, a cura di Martin Dworkin, et al., 2006, pp. 441-456.
• Schlegel, H.G. “Meccanismi di chemio-autotrofia.” Ecologia marina: un trattato completo e integrato sulla vita negli oceani e nelle acque costiere, a cura di Otto Kinne, Wiley, 1975, pp. 9-60.
• Somero, Gn. "Sfruttamento simbiotico dell'idrogeno solforato." Fisiologia, vol. 2, no. 1, 1987, pagg. 3-6.