Quimiosíntesis

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 la Gammaproteobacteria oxidante 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 carbono individuales. Se pueden distinguir dos categorías. En los raros sitios donde las moléculas de hidrógeno (H ₂) están 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 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 quimiosintetizadores y heterótrofos que respiran son bastante comunes. Grandes poblaciones de animales pueden sustentarse mediante la producción secundaria quimiosintética 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 la vida debajo de la superficie de Marte, la luna Europa de Júpiter y otros planetas. 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.

Proceso de quimiosíntesis de sulfuro de hidrógeno.

Los gusanos tubulares gigantes usan bacterias en su trofosoma para fijar dióxido de carbono (usando sulfuro de hidrógeno como electrón y oxígeno o nitrato como fuente de energía) y producir azúcares y aminoácidos. Algunas reacciones producen azufre:quimiosíntesis de sulfuro de hidrógeno:18 H ₂ S + 6CO ₂ + 3 O ₂ → C ₆ H ₁₂ O ₆ (carbohidrato) + 12 H ₂ O + 18 S

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 bacterias capaces de quimioautotrofia (una forma de quimiosíntesis), como las bacterias de azufre púrpura, hay glóbulos amarillos de azufre presentes y visibles en el citoplasma.

Descubrimiento

En 1890, Sergei Winogradsky propuso un nuevo tipo de proceso de vida llamado "anorgoxidante". Su descubrimiento sugirió que algunos microbios podrían vivir únicamente de materia inorgánica y surgieron 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 por 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 el dióxido de carbono. Por lo tanto, la quimiosíntesis puede verse como un sinónimo de quimioautotrofia.

El término "quimiotrofia", menos restrictivo, sería introducido en la década de 1940 por André Lwoff para la producción de energía por oxidación de donantes de electrones, orgánicos o no, asociados a autotrofia o heterotrofia.

Respiraderos hidrotermales

La sugerencia de Winogradsky se confirmó casi 90 años después, cuando se predijo que existirían fumarolas oceánicas hidrotermales 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. Aproximadamente 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 tubulares podrían sobrevivir cerca de los respiraderos hidrotermales. Cavanaugh luego 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.

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.

Corteza oceánica

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 con el hidrógeno producido por la reducción química de 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.