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 luz solar, como en la fotosíntesis . Los quimioautótrofos , organismos que obtienen carbono a partir de dióxido de carbono mediante quimiosíntesis, son filogenéticamente diversos. Los grupos que incluyen taxones conspicuos o biogeoquímicamente importantes incluyen las gammaproteobacterias oxidantes de azufre , la campylobacterota , la aquificota , las arqueas metanogénicas y las bacterias oxidantes de hierro neutrofílicas .
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 ) disponibles, la energía disponible de la reacción entre CO 2 y H 2 (que conduce a la producción de metano, CH 4 ) puede ser lo suficientemente grande como para impulsar la producción de biomasa. Alternativamente, en la mayoría de los ambientes oceánicos, la energía para la quimiosíntesis deriva de reacciones en las que se oxidan sustancias como el sulfuro de hidrógeno o el amoníaco . Esto puede ocurrir con o sin presencia de oxígeno.
Muchos microorganismos quimiosintéticos son consumidos por otros organismos en el océano, y las asociaciones simbióticas entre quimiosintetizadores y heterótrofos que respiran son bastante comunes. Grandes poblaciones de animales pueden sustentarse mediante la producción secundaria de quimiosintéticos en fuentes hidrotermales , clatratos de metano , filtraciones frías , caídas de ballenas y agua de cuevas aisladas .
Se ha planteado la hipótesis de que la quimiosíntesis anaeróbica puede sustentar vida debajo de la superficie de Marte , Europa , la luna 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 que la respiración celular y la fotosíntesis se desarrollaran más tarde.
Los gusanos tubulares gigantes utilizan bacterias en su trofosoma para fijar dióxido de carbono (utilizando 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 del azufre púrpura , [4] hay glóbulos amarillos de azufre presentes y visibles en el citoplasma.
En 1890, Sergei Winogradsky propuso un nuevo tipo de proceso vital llamado "anorgoxidante". Su descubrimiento sugirió que algunos microbios podían vivir únicamente de materia inorgánica y surgió durante su investigación fisiológica en la década de 1880 en Estrasburgo y Zúrich sobre bacterias de azufre, hierro y nitrógeno.
En 1897, Wilhelm Pfeffer acuñó el término "quimiosíntesis" para la producción de energía mediante oxidación de sustancias inorgánicas, en asociación con la asimilación autótrofa de dióxido de carbono, lo que hoy se denominaría quimiolitoautotrofia. Posteriormente, el término se ampliaría para incluir también a los quimioorganoautótrofos, que son organismos que utilizan sustratos energéticos orgánicos para asimilar dióxido de carbono. [5] Por lo tanto, la quimiosíntesis puede verse como 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 donantes 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 oceánicos en la década de 1970. Las aguas termales y las extrañas criaturas fueron descubiertas por Alvin , el primer sumergible de aguas profundas del mundo, en 1977 en el Rift de Galápagos . Casi al mismo tiempo, la entonces estudiante de posgrado Colleen Cavanaugh propuso bacterias quimiosintéticas que oxidan sulfuros o azufre elemental como un mecanismo mediante el cual los gusanos tubulares podrían sobrevivir cerca de respiraderos hidrotermales. Más tarde, Cavanaugh logró confirmar que este era efectivamente el método mediante el cual los gusanos podían prosperar y, en general, 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 sedimento 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 del hidrógeno producido por la reducción química del olivino por el agua de mar que circula en las pequeñas venas que impregnan el basalto que comprende 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 significado e importancia 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 amoníaco a ácido nítrico, requieren fundamentación científica e investigación adicional. La capacidad de las bacterias para convertir sustancias inorgánicas en orgánicas sugiere que los quimiosintéticos pueden 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 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 las bacterias termófilas reductoras de sulfato Thermodesulfovibrio yellowstonii y otros tipos de quimiosintéticos ofrece perspectivas para futuras investigaciones. Por tanto, la importancia de la quimiosíntesis sigue siendo relevante para su uso en tecnologías innovadoras, la conservación de ecosistemas y la vida humana en general. El papel de Sergey Winogradsky en el descubrimiento del fenómeno de la quimiosíntesis está subestimado y necesita más investigación y popularización. [12]
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