CHEMIOSINTESI: FASI, ORGANISMI, DIFFERENZE CON LA FOTOSINTESI - BIOLOGIA - 2025

La chemiosintesi è una caratteristica di alcuni organismi autotrofi di processo biologico che sfruttano l'energia chimica per convertire le sostanze inorganiche in materia organica. Si differenzia dalla fotosintesi in quanto quest'ultima utilizza l'energia della luce solare.

Gli organismi capaci di chemiosintesi sono generalmente procarioti come batteri e altri microrganismi come gli archei, che estraggono energia dalle reazioni che comportano l'ossidazione di composti molto piccoli.

Fotografia di Riftia pachyptila, un organismo chemiosintetico (Fonte: NOAA Okeanos Explorer Program, Galapagos Rift Expedition 2011 tramite Wikimedia Commons)

Gli esempi più comuni di batteri chemiosintetici sono i batteri nitrificanti, che ossidano l'ammoniaca per produrre biossido di azoto, così come i batteri dello zolfo, in grado di ossidare acido solforico, zolfo e altri composti dello zolfo.

Origine del concetto

Il microbiologo Sergei Winogradsky, nel 1890, fu il primo scienziato a parlare della possibile esistenza di processi chemiosintetici, poiché ipotizzava che dovesse esserci un processo simile alla fotosintesi che utilizza una fonte di energia diversa dalla luce solare.

Tuttavia, il termine "chemiosintesi" fu coniato nel 1897 da Pfeffer. Le teorie di Winogradsky furono provate nel 1977 durante la spedizione effettuata dal sottomarino "Alvin" nelle acque oceaniche profonde, intorno alle isole Galapagos.

Durante questa spedizione, gli scienziati a bordo del sottomarino hanno scoperto alcuni ecosistemi batterici che sopravvivevano in presenza di materia inorganica e altri in simbiosi con alcuni animali marini invertebrati.

Attualmente sono noti in tutto il mondo vari ecosistemi chemiosintetici, associati in particolare agli ambienti marini e oceanici e, in misura minore, agli ecosistemi terrestri. In questi ambienti, i microrganismi chemiosintetici rappresentano importanti produttori primari di materia organica.

fasi

La chemiosintesi si verifica quasi sempre all'interfaccia di ambienti aerobici e anaerobici, dove sono concentrati i prodotti finali della decomposizione anaerobica e grandi quantità di ossigeno.

Come la fotosintesi, la chemiosintesi ha fasi ben definite: una ossidativa e una biosintetica. Il primo utilizza composti inorganici e durante il secondo viene prodotta materia organica.

Fase ossidativa

Durante questa prima fase ea seconda del tipo di organismo considerato, vengono ossidati diversi tipi di composti inorganici ridotti, come ammoniaca, zolfo e suoi derivati, ferro, alcuni derivati ​​dell'azoto, idrogeno, ecc.

In questa fase l'ossidazione di questi composti rilascia l'energia che viene utilizzata per la fosforilazione dell'ADP, formando l'ATP, una delle principali valute energetiche degli esseri viventi e, inoltre, si genera potenza riducente sotto forma di molecole di NADH.

Una particolarità del processo chemiosintetico ha a che fare con quale parte dell'ATP che si genera viene utilizzata per spingere il trasporto inverso della catena elettronica, al fine di ottenere una maggiore quantità di agenti riducenti sotto forma di NADH.

In sintesi, questa fase consiste nella formazione di ATP dall'ossidazione degli opportuni donatori di elettroni, la cui energia biologicamente utile viene utilizzata nella fase di biosintesi.

Fase di biosintesi

La biosintesi della materia organica (composti del carbonio) avviene grazie all'utilizzo dell'energia contenuta nei legami ad alta energia dell'ATP e al potere riducente immagazzinato nelle molecole di NADH.

Questa seconda fase della chemiosintesi è "omologa" a quella che avviene durante la fotosintesi, poiché avviene la fissazione degli atomi di carbonio nelle molecole organiche.

In esso, l'anidride carbonica (CO2) viene fissata sotto forma di carboni organici, mentre l'ATP viene convertito in ADP e fosfato inorganico.

Organismi chemiosintetici

Esistono vari tipi di microrganismi chemiosintetici, alcuni facoltativi e altri obbligatori. Ciò significa che alcuni dipendono esclusivamente dalla chemiosintesi per ottenere energia e materia organica, e altri lo fanno se l'ambiente li condiziona.

I microrganismi chemiosintetici non sono molto diversi dagli altri microrganismi, poiché ottengono energia anche dai processi di trasporto degli elettroni in cui sono coinvolte molecole come flavine, chinoni e citocromi.

Da questa energia sono in grado di sintetizzare componenti cellulari da zuccheri che vengono sintetizzati internamente grazie all'assimilazione riduttiva dell'anidride carbonica.

Alcuni autori ritengono che gli organismi chemiosintetici possano essere suddivisi in chemio-organoautotrofi e chemio-litoautotrofi, a seconda del tipo di composto da cui estraggono energia, che può essere rispettivamente organica o inorganica.

Per quanto riguarda i procarioti, la maggior parte degli organismi chemiosintetici sono batteri gram-negativi, generalmente del genere Pseudomonas e altri simili. Tra questi ci sono:

- Batteri nitrificanti.

- Batteri in grado di ossidare lo zolfo e i suoi composti (Sulphur Bacteria).

- Batteri in grado di ossidare l'idrogeno (Hydrogen Bacteria).

- Batteri in grado di ossidare il ferro (Iron Bacteria).

I microrganismi chemiosintetici utilizzano un tipo di energia che andrebbe persa nel sistema della biosfera. Questi costituiscono una parte importante della biodiversità e della densità di popolazione di molti ecosistemi in cui l'introduzione di materia organica è molto limitata.

La loro classificazione ha a che fare con i composti che sono in grado di utilizzare come donatori di elettroni.

Batteri nitrificanti

Furono scoperti nel 1890 da Winogradsky e alcuni dei generi descritti finora formano aggregati circondati dalla stessa membrana. Sono comunemente isolati dagli ambienti terrestri.

La nitrificazione comporta l'ossidazione dell'ammonio (NH4) in nitriti (NO2-) e dei nitriti (NO2-) in nitrati (NO3-). I due gruppi di batteri che partecipano a questo processo spesso coesistono nello stesso habitat per sfruttare entrambi i tipi di composti utilizzando CO2 come fonte di carbonio.

Batteri in grado di ossidare zolfo e composti solforati

Si tratta di batteri in grado di ossidare composti solforati inorganici e di depositare zolfo all'interno della cellula in compartimenti specifici. All'interno di questo gruppo sono classificati alcuni batteri filamentosi e non filamentosi di diversi generi di batteri facoltativi e obbligati.

Questi organismi sono in grado di utilizzare composti di zolfo che sono altamente tossici per la maggior parte degli organismi.

Il composto più comunemente utilizzato da questo tipo di batteri è il gas H2S (acido solforico). Tuttavia, possono anche utilizzare zolfo elementare, tiosolfati, politionati, solfuri metallici e altre molecole come donatori di elettroni.

Alcuni di questi batteri richiedono un pH acido per crescere, motivo per cui sono noti come batteri acidofili, mentre altri possono farlo a pH neutro, più vicino al "normale".

Molti di questi batteri possono formare "letti" o biofilm in diversi tipi di ambienti, ma soprattutto negli scarichi dell'industria mineraria, nelle sorgenti calde sulfuree e nei sedimenti oceanici.

Di solito sono chiamati batteri incolori, in quanto differiscono da altri batteri verdi e viola che sono fotoautotrofi in quanto non hanno pigmenti di alcun tipo e non hanno bisogno della luce solare.

Batteri in grado di ossidare l'idrogeno

In questo gruppo si trovano batteri capaci di crescere in mezzi minerali con atmosfere ricche di idrogeno e ossigeno e la cui unica fonte di carbonio è l'anidride carbonica.

Qui si trovano batteri sia gram negativi che gram positivi, in grado di crescere in condizioni eterotrofe e che possono avere diversi tipi di metabolismo.

L'idrogeno si accumula dalla scomposizione anaerobica delle molecole organiche, che è ottenuta da diversi batteri fermentativi. Questo elemento è un'importante fonte di batteri e archei chemiosintetici.

I microrganismi in grado di utilizzarlo come donatore di elettroni lo fanno grazie alla presenza di un enzima idrogenasi associato alle loro membrane, nonché alla presenza di ossigeno come accettore elettronico.

Batteri in grado di ossidare ferro e manganese

Questo gruppo di batteri è in grado di utilizzare l'energia generata dall'ossidazione del manganese o del ferro nel suo stato ferroso allo stato ferrico. Include anche batteri in grado di crescere in presenza di tiosolfati come donatori di idrogeno inorganico.

Da un punto di vista ecologico, i batteri ossidanti del ferro e del magnesio sono importanti per la disintossicazione dell'ambiente, poiché riducono la concentrazione di metalli tossici disciolti.

Organismi simbiotici

Oltre ai batteri a vita libera, ci sono alcuni animali invertebrati che vivono in ambienti inospitali e che si associano a certi tipi di batteri chemiosintetici per sopravvivere.

La scoperta dei primi simbionti è avvenuta dopo lo studio di un gigantesco verme tubulare, Riftia pachyptila, privo di tubo digerente e che ricavava energia vitale dalle reazioni svolte dai batteri a cui è associato.

Differenze con la fotosintesi

La caratteristica più distintiva degli organismi chemiosintetici è che combinano la capacità di utilizzare composti inorganici per ottenere energia e potere riducente, nonché per legare efficacemente le molecole di anidride carbonica. Qualcosa che può accadere in totale assenza di luce solare.

La fotosintesi viene eseguita da piante, alghe e da alcuni tipi di batteri e protozoi. Utilizza l'energia della luce solare per guidare la trasformazione dell'anidride carbonica e dell'acqua (fotolisi) in ossigeno e carboidrati, attraverso la produzione di ATP e NADH.

La chemiosintesi, al contrario, sfrutta l'energia chimica liberata dalle reazioni di riduzione dell'ossidazione per fissare le molecole di anidride carbonica e produrre zuccheri e acqua grazie all'ottenimento di energia sotto forma di ATP e potere riducente.

Nella chemiosintesi, a differenza della fotosintesi, non sono coinvolti pigmenti e l'ossigeno non viene prodotto come sottoprodotto.

Riferimenti

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