Quimiosíntesis
Definición de quimiosíntesis
La quimiosíntesis es la conversión de compuestos inorgánicos que contienen carbono en materia orgánica como azúcares y aminoácidos. La quimiosíntesis utiliza energía de sustancias químicas inorgánicas para realizar esta tarea.
La «fuente de energía» inorgánica suele ser una molécula que tiene electrones de sobra, como gas hidrógeno, sulfuro de hidrógeno, amoníaco o hierro ferroso. Al igual que la fotosíntesis y la respiración celular, la quimiosíntesis utiliza una cadena de transporte de electrones para sintetizar ATP.
Después de que sus electrones pasen a través de la cadena de transporte de electrones, la fuente de combustible químico emerge en una forma diferente. El gas de sulfuro de hidrógeno, por ejemplo, se convierte en azufre elemental sólido más agua.
El término «quimiosíntesis» proviene de las palabras raíz «quimio» para «químico» y «síntesis» para «producir». Su función es similar a la de la fotosíntesis, que también convierte la materia inorgánica en materia orgánica, pero utiliza la energía de la luz solar en lugar de la energía química para hacerlo.
Hoy en día, la quimiosíntesis es utilizada por microbios como bacterias y arqueas. Debido a que la quimiosíntesis por sí sola es menos eficiente que la fotosíntesis o la respiración celular, no se puede utilizar para alimentar organismos multicelulares complejos.
Algunos organismos multicelulares viven en relaciones simbióticas con bacterias quimiosintéticas, lo que las convierte en una fuente de energía parcial. Los gusanos tubulares gigantes, por ejemplo, albergan bacterias quimiosintéticas que les suministran azúcares y aminoácidos.
Sin embargo, estos gusanos de tubo dependen parcialmente de la fotosíntesis porque usan oxígeno (un producto de los organismos fotosintéticos) para hacer que su quimiosíntesis sea más eficiente.
Ecuación de quimiosíntesis
Hay muchas formas diferentes de lograr la quimiosíntesis. La ecuación para la quimiosíntesis se verá diferente según la fuente de energía química que se utilice. Sin embargo, todas las ecuaciones para la quimiosíntesis suelen incluir:
Reactantes:
- Un compuesto inorgánico que contiene carbono, como dióxido de carbono o metano. Esta será la fuente del carbono en la molécula orgánica al final del proceso.
- Una fuente química de energía como hidrógeno, sulfuro de hidrógeno o hierro ferroso.
Productos:
- Un compuesto orgánico como un azúcar o un aminoácido.
- Una versión transformada de la fuente de energía, como azufre elemental o hierro férrico.
Una ecuación de ejemplo de uso común para la quimiosíntesis muestra la transformación de dióxido de carbono en azúcar con la ayuda de gas sulfuro de hidrógeno:
12H 2 S + 6CO 2 → C 6 H 12 O 6 (MOLÉCULA DE AZÚCAR) + 6H 2 O + 12S
Esta ecuación a veces se reduce a la proporción de ingredientes más simple posible. Esto muestra las proporciones relativas de cada ingrediente necesarias para la reacción, aunque no captura la cantidad total de sulfuro de hidrógeno y dióxido de carbono necesarios para crear una sola molécula de azúcar.
La versión reducida se ve así:
2H 2 S + CO 2 → CH 2 O (MOLÉCULA DE AZÚCAR) + H 2 O + 2S
Función de la quimiosíntesis
La quimiosíntesis permite que los organismos vivan sin utilizar la energía de la luz solar o depender de otros organismos para alimentarse.
Al igual que la quimiosíntesis, permite a los seres vivos hacer más de sí mismos. Al convertir moléculas inorgánicas en moléculas orgánicas, los procesos de quimiosíntesis convierten la materia no viviente en materia viva.
Hoy en día es utilizado por microbios que viven en los océanos profundos, donde no penetra la luz del sol; pero también lo utilizan algunos organismos que viven en ambientes soleados, como las bacterias del hierro y algunas bacterias del suelo.
Algunos científicos creen que las formas de vida podrían utilizar la quimiosíntesis en entornos extraterrestres sin sol, como los océanos de Europa o los entornos subterráneos de Marte.
Se ha propuesto que la quimiosíntesis podría haber sido la primera forma de metabolismo en la Tierra, y que la fotosíntesis y la respiración celular evolucionaron más tarde a medida que las formas de vida se volvieron más complejas. Es posible que nunca sepamos con certeza si esto es cierto, pero algunos científicos creen que es interesante considerar si la luz solar o la energía química fue el primer combustible para la vida en la Tierra.
Tipos de bacterias quimiosintéticas
Bacterias de azufre
La ecuación de ejemplo para la quimiosíntesis dada arriba muestra a las bacterias usando un compuesto de azufre como fuente de energía.
Las bacterias en esa ecuación consumen gas sulfuro de hidrógeno (12H 2 S) y luego producen azufre elemental sólido como producto de desecho (12S).
Algunas bacterias que utilizan la quimiosíntesis utilizan azufre elemental en sí, o compuestos de azufre más complejos como fuentes de combustible, en lugar de sulfuro de hidrógeno.
Bacterias de iones metálicos
El tipo de bacteria más conocido que utiliza iones metálicos para la quimiosíntesis son las bacterias del hierro.
Las bacterias del hierro pueden representar un problema para los sistemas de agua en ambientes ricos en hierro, porque consumen iones metálicos disueltos en el suelo y el agua, y producen grumos insolubles de hierro férrico similar al óxido, que pueden manchar los accesorios de plomería e incluso obstruirlos.
Sin embargo, las bacterias del hierro no son los únicos organismos que utilizan iones metálicos como fuente de energía para la quimiosíntesis. ¡Otros tipos de bacterias utilizan arsénico, manganeso o incluso uranio como fuentes de electrones para sus cadenas de transporte de electrones!
Bacterias de nitrógeno
Las bacterias nitrogenadas son cualquier bacteria que utilice compuestos nitrogenados en su proceso metabólico. Si bien todas estas bacterias usan electrones de compuestos de nitrógeno para crear compuestos orgánicos, pueden tener efectos muy diferentes en su ecosistema según los compuestos que usen.
Las bacterias del nitrógeno generalmente se pueden dividir en tres clases:
1. Bacterias nitrificantes:
Las bacterias nitrificantes crecen en suelos que contienen amoníaco. El amoníaco es un compuesto de nitrógeno inorgánico que es tóxico para la mayoría de las plantas y animales, pero las bacterias nitrificantes pueden usarlo como alimento e incluso convertirlo en una sustancia beneficiosa.
Las bacterias nitrificantes toman electrones del amoníaco y convierten el amoníaco en nitritos y, en última instancia, en nitratos. Los nitratos son esenciales para muchos ecosistemas porque la mayoría de las plantas los necesitan para producir aminoácidos esenciales.
La nitrificación es a menudo un proceso de dos pasos: una bacteria convierte el amoníaco en un nitrito y luego otra especie de bacteria convierte ese nitrito en un nitrato.
Las bacterias nitrificantes pueden convertir suelos hostiles en terrenos fértiles para las plantas y, posteriormente, para los animales.
2. Bacterias desnitrificantes:
Las bacterias desnitrificantes utilizan compuestos de nitrato como fuente de energía. En el proceso, descomponen estos compuestos en formas que las plantas y los animales no pueden usar.
Esto significa que las bacterias desnitrificantes pueden ser un gran problema para las plantas y los animales; la mayoría de las especies de plantas necesitan nitratos en el suelo para producir proteínas esenciales para ellas mismas y para los animales que las comen.
Las bacterias desnitrificantes compiten por estos compuestos y pueden agotar el suelo, lo que reduce la capacidad de crecimiento de las plantas.
3. Bacterias fijadoras de nitrógeno:
Estas bacterias son muy beneficiosas para los ecosistemas, incluida la agricultura humana. Pueden convertir el gas nitrógeno, que constituye la mayor parte de nuestra atmósfera, en nitratos que las plantas pueden usar para producir proteínas esenciales.
Históricamente, se han producido problemas de fertilidad e incluso hambrunas cuando el suelo se agotó en nitratos debido a procesos naturales o al uso excesivo de las tierras agrícolas.
Muchas culturas aprendieron a mantener el suelo fértil mediante la rotación de cultivos que consumen nitrógeno con cultivos fijadores de nitrógeno.
El secreto de los cultivos fijadores de nitrógeno es que las plantas en sí mismas no fijan nitrógeno: en cambio, tienen relaciones simbióticas con las bacterias fijadoras de nitrógeno. Estas bacterias a menudo crecen en colonias alrededor de las raíces de las plantas, liberando nitratos al suelo circundante.
La siguiente imagen muestra las raíces de una «planta fijadora de nitrógeno»; observe los nódulos redondos que son, de hecho, colonias de bacterias quimiosintéticas fijadoras de nitrógeno:
Los fertilizantes modernos a menudo están hechos de nitratos artificiales, como los compuestos hechos por bacterias fijadoras de nitrógeno.
Metanobacterias
Las metanobacterias son en realidad arqueabacterias, pero los científicos comenzaron a estudiarlas mucho antes de comprender completamente las diferencias entre arqueabacterias y «bacterias verdaderas».
Tanto las arqueabacterias como las bacterias verdaderas son procariotas unicelulares, lo que significa que se ven bastante similares bajo el microscopio. Pero los métodos modernos de análisis genético y bioquímico han revelado que existen importantes diferencias químicas entre los dos, ya que las arqueabacterias utilizan muchos compuestos químicos y poseen muchos genes que no se encuentran en el reino de las bacterias.
Una de las capacidades que se encuentran en las arqueabacterias que no se encuentran en las «bacterias verdaderas» es el proceso metabólico que crea el metano. Solo las especies de arqueabacterias pueden combinar dióxido de carbono e hidrógeno para producir metano.
Las metanobacterias viven en una variedad de entornos, ¡incluso dentro de su propio cuerpo! Las metanobacterias se encuentran en el fondo del océano, en pantanos y humedales, en el estómago de las vacas e incluso dentro del estómago humano, donde descomponen algunos azúcares que no podemos digerir para producir metano y energía.
Términos de biología relacionados
- Archaeabacteria: un antiguo linaje de procariotas. Una vez que se pensó que era un subtipo de bacteria, el análisis moderno ha revelado que las arqueabacterias son un linaje completamente diferente de las bacterias modernas.
- Bacterias: un reino moderno de procariotas. Hoy en día, a veces se las llama » eubacterias » o «bacterias verdaderas» para diferenciarlas de las arqueabacterias.
- Cadena de transporte de electrones: un principio que las células utilizan a menudo para recolectar energía del medio ambiente. Los electrones pasan a través de una serie de proteínas, que recolectan su energía para producir moléculas que dan vida, como el ATP.
