En bioquímica, la quimiosíntesis es la conversión biológica de una o más moléculas que contienen carbono (generalmente dióxido de carbono o metano ) y nutrientes en materia orgánica utilizando la oxidación de compuestos inorgánicos (p. ej., gas hidrógeno , sulfuro de hidrógeno ) o iones ferrosos como fuente de energía, en lugar de la luz solar, como en la fotosíntesis . Los quimioautótrofos , organismos que obtienen carbono del dióxido de carbono a través de la quimiosíntesis, son filogenéticamente diversos. Los grupos que incluyen taxones conspicuos o biogeoquímicamente importantes incluyen las Gammaproteobacteria oxidantes de azufre , las Campylobacterota , las Aquificota , las arqueas metanogénicas y las bacterias neutrófilas oxidantes de hierro .
Muchos microorganismos en las regiones oscuras de los océanos utilizan la quimiosíntesis para producir biomasa a partir de moléculas de un solo carbono. Se pueden distinguir dos categorías. En los raros sitios donde hay moléculas de hidrógeno (H 2 ), la energía disponible a partir de la reacción entre el CO 2 y el H 2 (que conduce a la producción de metano, CH 4 ) puede ser lo suficientemente grande como para impulsar la producción de biomasa. Por otra parte, en la mayoría de los entornos oceánicos, la energía para la quimiosíntesis se deriva de reacciones en las que se oxidan sustancias como el sulfuro de hidrógeno o el amoníaco . Esto puede ocurrir con o sin la presencia de oxígeno.
Muchos microorganismos quimiosintéticos son consumidos por otros organismos en el océano, y las asociaciones simbióticas entre quimiosintéticos y heterótrofos que respiran son bastante comunes. Grandes poblaciones de animales pueden ser sustentadas por la producción secundaria quimiosintética en respiraderos hidrotermales , clatratos de metano , filtraciones frías , cataratas de ballenas y aguas aisladas de cuevas .
Se ha planteado la hipótesis de que la quimiosíntesis anaeróbica puede sustentar la vida debajo de la superficie de Marte , la luna Europa de Júpiter y otros planetas. [1] La quimiosíntesis también puede haber sido el primer tipo de metabolismo que evolucionó en la Tierra, abriendo el camino para el desarrollo posterior de la respiración celular y la fotosíntesis.
Los gusanos tubícolas gigantes utilizan bacterias en su trofosoma para fijar dióxido de carbono (usando sulfuro de hidrógeno como fuente de energía) y producir azúcares y aminoácidos . [2] Algunas reacciones producen azufre:
En lugar de liberar gas oxígeno mientras se fija dióxido de carbono como en la fotosíntesis , la quimiosíntesis de sulfuro de hidrógeno produce glóbulos sólidos de azufre en el proceso. En las bacterias capaces de quimioautotrofia (una forma de quimiosíntesis), como las bacterias púrpuras del azufre , [4] los glóbulos amarillos de azufre están presentes y son visibles en el citoplasma.
En 1890, Sergei Winogradsky propuso un nuevo tipo de proceso vital llamado "anorgoxidante". Su descubrimiento sugería que algunos microbios podían vivir únicamente de materia inorgánica y surgió durante sus investigaciones fisiológicas sobre bacterias azufradas, ferrosas y nitrogenadas en la década de 1880 en Estrasburgo y Zúrich .
En 1897, Wilhelm Pfeffer acuñó el término "quimiosíntesis" para la producción de energía por oxidación de sustancias inorgánicas, en asociación con la asimilación autótrofa de dióxido de carbono, lo que hoy se denominaría quimiolitoautotrofia. Más tarde, el término se ampliaría para incluir también a los quimioorganoautótrofos, que son organismos que utilizan sustratos orgánicos de energía para asimilar dióxido de carbono. [5] Por lo tanto, la quimiosíntesis puede considerarse un sinónimo de quimioautotrofia .
El término " quimiotrofia ", menos restrictivo, sería introducido en los años 1940 por André Lwoff para la producción de energía por oxidación de donadores de electrones, orgánicos o no, asociados a la auto- o heterotrofia. [6] [7]
La sugerencia de Winogradsky se confirmó casi 90 años después, cuando se predijo la existencia de respiraderos hidrotermales en el océano en la década de 1970. Las fuentes termales y las extrañas criaturas fueron descubiertas por Alvin , el primer sumergible de aguas profundas del mundo, en 1977 en la falla de las Galápagos . Casi al mismo tiempo, la entonces estudiante de posgrado Colleen Cavanaugh propuso bacterias quimiosintéticas que oxidan sulfuros o azufre elemental como un mecanismo por el cual los gusanos tubícolas podrían sobrevivir cerca de los respiraderos hidrotermales. Cavanaugh más tarde logró confirmar que este era de hecho el método por el cual los gusanos podían prosperar, y generalmente se le atribuye el descubrimiento de la quimiosíntesis. [8]
Una serie de televisión de 2004 presentada por Bill Nye nombró a la quimiosíntesis como uno de los 100 mayores descubrimientos científicos de todos los tiempos. [9] [10]
En 2013, los investigadores informaron sobre el descubrimiento de bacterias que viven en la roca de la corteza oceánica debajo de las gruesas capas de sedimentos, y aparte de los respiraderos hidrotermales que se forman a lo largo de los bordes de las placas tectónicas . Los hallazgos preliminares son que estas bacterias subsisten gracias al hidrógeno producido por la reducción química del olivino por el agua de mar que circula en las pequeñas venas que permean el basalto que compone la corteza oceánica. Las bacterias sintetizan metano combinando hidrógeno y dióxido de carbono. [11]
A pesar de que el proceso de quimiosíntesis se conoce desde hace más de cien años, su importancia y trascendencia siguen siendo relevantes hoy en día en la transformación de elementos químicos en ciclos biogeoquímicos. Hoy en día, los procesos vitales de las bacterias nitrificantes, que conducen a la oxidación del amoniaco a ácido nítrico, requieren una fundamentación científica y una investigación adicional. La capacidad de las bacterias para convertir sustancias inorgánicas en orgánicas sugiere que la quimiosíntesis puede acumular recursos valiosos para las necesidades humanas.
Las comunidades quimiosintéticas en diferentes ambientes son sistemas biológicos importantes en términos de su ecología, evolución y biogeografía, así como por su potencial como indicadores de la disponibilidad de fuentes de energía permanentes basadas en hidrocarburos. En el proceso de quimiosíntesis, las bacterias producen materia orgánica donde la fotosíntesis es imposible. El aislamiento de bacterias reductoras de sulfato termófilas Thermodesulfovibrio yellowstonii y otros tipos de quimiosintéticos ofrece perspectivas para futuras investigaciones. Por lo tanto, la importancia de la quimiosíntesis sigue siendo relevante para su uso en tecnologías innovadoras, la conservación de los ecosistemas y la vida humana en general. Sergey Winogradsky ayudó a descubrir el fenómeno de la quimiosíntesis. [12]
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