화학 합성 : 위상, 유기체, 광합성과의 차이 - 생물학 - 2025

화학 합성은 유기물 무기물 변환하는 화학 에너지를 이용하는 특정 생물학적 프로세스 독립 영양 생물의 특성이다. 후자는 햇빛의 에너지를 사용한다는 점에서 광합성과 다릅니다.

화학 합성이 가능한 유기체는 일반적으로 박테리아와 같은 원핵 생물 및 매우 작은 화합물의 산화를 포함하는 반응에서 에너지를 추출하는 고세균과 같은 기타 미생물입니다.

화학 합성 유기체 인 Riftia pachyptila의 사진 (출처 : NOAA Okeanos Explorer Program, Galapagos Rift Expedition 2011 via Wikimedia Commons)

화학 합성 박테리아의 가장 일반적인 예는 암모늄을 산화시켜 이산화질소를 생성하는 질화 박테리아와 황산, 황 및 기타 황 화합물을 산화시킬 수있는 황 박테리아입니다.

개념의 기원

1890 년에 미생물학자인 Sergei Winogradsky는 화학 합성 과정의 존재 가능성에 대해 최초로 발표 한 과학자였습니다. 그는 햇빛 이외의 에너지 원을 사용하는 광합성과 유사한 과정이 있어야한다고 가정했기 때문입니다.

그러나 "화학 합성"이라는 용어는 Pfeffer에 의해 1897 년에 만들어졌습니다. Winogradsky의 이론은 1977 년 잠수함 "Alvin"이 갈라파고스 섬 주변의 심해로 탐험하는 동안 입증되었습니다.

이 탐사 중에 잠수함에 탑승 한 과학자들은 무기물과 일부 무척추 동물과 공생하는 일부 박테리아 생태계를 발견했습니다.

현재, 다양한 화학 합성 생태계가 전 세계적으로 알려져 있으며, 특히 해양 및 해양 환경과 관련이 있으며, 적은 정도는 육상 생태계와 관련이 있습니다. 이러한 환경에서 화학 합성 미생물은 중요한 유기물 생산자를 나타냅니다.

단계

화학 합성은 거의 항상 호기성 및 혐기성 환경의 경계에서 발생하며, 혐기성 분해의 최종 생성물과 다량의 산소가 농축됩니다.

광합성과 마찬가지로 화학 합성에는 산화 및 생합성이라는 잘 정의 된 단계가 있습니다. 첫 번째는 무기 화합물을 사용하고 두 번째 동안에는 유기물이 생성됩니다.

산 화상

이 첫 번째 단계에서 그리고 고려되는 유기체의 유형에 따라 암모니아, 황 및 그 유도체, 철, 일부 질소 유도체, 수소 등과 같은 다양한 유형의 환원 된 무기 화합물이 산화됩니다.

이 단계에서 이러한 화합물의 산화는 ADP의 인산화에 사용되는 에너지를 방출하여 생명체의 주요 에너지 통화 중 하나 인 ATP를 형성하며 또한 NADH 분자 형태로 환원력이 생성됩니다.

화학 합성 과정의 특수성은 NADH 형태의 환원제를 더 많이 얻기 위해 생성되는 ATP의 어느 부분이 전자 사슬의 역수송을 추진하는 데 사용되는지와 관련이 있습니다.

요약하면,이 단계는 생물학적으로 유용한 에너지가 생합성 단계에서 사용되는 적절한 전자 공여체의 산화로부터 ATP의 형성으로 구성됩니다.

생합성 단계

유기물 (탄소 화합물)의 생합성은 ATP의 고 에너지 결합에 포함 된 에너지와 NADH 분자에 저장된 환원력을 사용하여 발생합니다.

화학 합성의이 두 번째 단계는 유기 분자에서 탄소 원자의 고정이 발생하기 때문에 광합성 중에 발생하는 것과 "상동"합니다.

그 안에 이산화탄소 (CO2)는 유기 탄소 형태로 고정되고 ATP는 ADP와 무기 인산염으로 변환됩니다.

화학 합성 유기체

다양한 종류의 화학 합성 미생물이 있으며, 일부는 선택 사항이고 다른 일부는 필수입니다. 이것은 일부는 에너지와 유기물을 얻기 위해 전적으로 화학 합성에 의존하고, 다른 사람들은 환경이 조건을 조절하면 그렇게합니다.

화학 합성 미생물은 플라 빈, 퀴논 및 사이토 크롬과 같은 분자가 관여하는 전자 수송 과정에서 에너지를 얻기 때문에 다른 미생물과 크게 다르지 않습니다.

이 에너지에서 그들은 이산화탄소의 환원 적 동화 덕분에 내부적으로 합성되는 당으로부터 세포 성분을 합성 할 수 있습니다.

일부 저자는 화학 합성 유기체가 에너지를 추출하는 화합물의 유형에 따라 화학 유기 독립 영양소와 화학 암석 독립 영양으로 나눌 수 있다고 생각합니다.

원핵 생물에 관한 한, 대부분의 화학 합성 유기체는 그람 음성 박테리아로, 보통 슈도모나스 속과 다른 관련 박테리아에 속합니다. 다음은 다음과 같습니다.

-질화 박테리아.

-황 및 황 화합물을 산화시킬 수있는 박테리아 (Sulfur Bacteria).

-수소를 산화시킬 수있는 박테리아 (Hydrogen Bacteria).

-철을 산화시킬 수있는 박테리아 (Iron Bacteria).

화학 합성 미생물은 생물권 시스템에서 손실되는 일종의 에너지를 사용합니다. 이들은 유기물의 도입이 매우 제한적인 많은 생태계의 생물 다양성과 인구 밀도의 큰 부분을 구성합니다.

그들의 분류는 전자 공여체로 사용할 수있는 화합물과 관련이 있습니다.

질화 박테리아

그것들은 1890 년 Winogradsky에 의해 발견되었으며 지금까지 설명 된 일부 속은 동일한 막으로 둘러싸인 응집체를 형성합니다. 그들은 일반적으로 지상 환경에서 격리됩니다.

질화는 암모늄 (NH4)을 아질산염 (NO2-)으로, 아질산염 (NO2-)을 질산염 (NO3-)으로 산화하는 것을 포함합니다. 이 과정에 참여하는 두 그룹의 박테리아는 종종 동일한 서식지에서 공존하여 CO2를 탄소원으로 사용하는 두 가지 유형의 화합물을 활용합니다.

황 및 황 화합물을 산화시킬 수있는 박테리아

이들은 무기 황 화합물을 산화시키고 특정 구획의 세포 내에 황을 침착시킬 수있는 박테리아입니다. 이 그룹 내에서 통성 및 의무 박테리아의 다른 속의 일부 필라멘트 및 비 필라멘트 박테리아로 분류됩니다.

이 유기체는 대부분의 유기체에 매우 독성이있는 황 화합물을 사용할 수 있습니다.

이러한 유형의 박테리아가 가장 일반적으로 사용하는 화합물은 H2S 가스 (황산)입니다. 그러나 그들은 또한 원소 황, 티오 설페이트, 폴리 티오 네이트, 금속 황화물 및 기타 분자를 전자 공여체로 사용할 수 있습니다.

이들 박테리아 중 일부는 성장을 위해 산성 pH를 필요로하므로 호 산성 박테리아로 알려진 반면 다른 박테리아는 "정상"에 가까운 중성 pH에서 그렇게 할 수 있습니다.

이러한 박테리아의 대부분은 다양한 유형의 환경에서 "층"또는 생물막을 형성 할 수 있지만, 특히 광산 산업 배수구, 유황 온천 및 해양 퇴적물에서 그렇습니다.

그들은 어떤 종류의 색소도 가지고 있지 않고 햇빛을 필요로하지 않는다는 점에서 광 독립 영양 성인 다른 녹색 및 자주색 박테리아와 다르기 때문에 일반적으로 무색 박테리아라고합니다.

수소를 산화시킬 수있는 박테리아

이 그룹에는 수소와 산소가 풍부한 대기를 가진 광물 매체에서 성장할 수 있고 유일한 탄소원은 이산화탄소입니다.

그람 음성균과 그람 양성균은 모두 종속 영양 상태에서 성장할 수 있고 다른 유형의 대사를 가질 수있는 여기에서 발견됩니다.

수소는 다른 발효 박테리아에 의해 달성되는 유기 분자의 혐기성 분해로 축적됩니다. 이 요소는 박테리아와 화학 합성 고세균의 중요한 공급원입니다.

이것을 전자 공여체로 사용할 수있는 미생물은 막과 관련된 수소화 효소의 존재와 전자 수용체로서의 산소의 존재 덕분에 그렇게합니다.

철과 망간을 산화시킬 수있는 박테리아

이 박테리아 그룹은 철 상태의 망간 또는 철이 철 상태로 산화되어 생성 된 에너지를 사용할 수 있습니다. 또한 무기 수소 공여자로서 티오 황산염의 존재 하에서 성장할 수있는 박테리아도 포함됩니다.

생태 학적 관점에서 철과 마그네슘 산화 박테리아는 용해 된 독성 금속의 농도를 감소시키기 때문에 환경의 해독에 중요합니다.

공생 생물

자유 생존 박테리아 외에도 살기 힘든 환경에 살고 특정 유형의 화학 합성 박테리아와 결합하여 생존하는 일부 무척추 동물이 있습니다.

첫 번째 공생체의 발견은 거대한 관 벌레 인 Riftia pachyptila를 연구 한 후 발생했으며, 소화관이없고 연관된 박테리아가 수행하는 반응에서 생명 에너지를 얻었습니다.

광합성과의 차이점

화학 합성 유기체의 가장 독특한 특징은 무기 화합물을 사용하여 에너지를 얻고 전력을 감소시키고 이산화탄소 분자를 효과적으로 결합하는 능력을 결합한다는 것입니다. 햇빛이 전혀 없을 때 일어날 수있는 일.

광합성은 식물, 조류 및 일부 종류의 박테리아와 원생 동물에 의해 수행됩니다. ATP와 NADH의 생성을 통해 태양 광 에너지를 사용하여 이산화탄소와 물 (광분해)을 산소와 탄수화물로 변환합니다.

반대로 화학 합성은 산화 환원 반응에서 방출되는 화학 에너지를 이용하여 이산화탄소 분자를 고정하고 ATP 형태의 에너지를 얻고 전력을 감소시켜 당과 물을 생성합니다.

화학 합성에서는 광합성과 달리 색소가 관여하지 않으며 부산물로 산소가 생성되지 않습니다.

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