التركيب الكيميائي: المراحل ، الكائنات الحية ، الاختلافات في التمثيل الضوئي - مادة الاحياء - 2026

و التخليق الكيميائي هو سمة من سمات بعض الكائنات ذاتية التغذية عملية بيولوجية استغلال الطاقة الكيميائية لتحويل المواد غير العضوية في المواد العضوية. وهو يختلف عن التمثيل الضوئي في أن الأخير يستخدم الطاقة من ضوء الشمس.

الكائنات الحية القادرة على التخليق الكيميائي هي عمومًا بدائيات النوى مثل البكتيريا والكائنات الحية الدقيقة الأخرى مثل العتائق ، والتي تستخرج الطاقة من التفاعلات التي تنطوي على أكسدة مركبات صغيرة جدًا.

صورة Riftia pachyptila ، كائن حيوي كيميائي (المصدر: NOAA Okeanos Explorer Program ، Galapagos Rift Expedition 2011 عبر ويكيميديا ​​كومنز)

أكثر الأمثلة شيوعًا على بكتيريا التخليق الكيميائي هي البكتيريا الآزوتية ، التي تؤكسد الأمونيا لإنتاج ثاني أكسيد النيتروجين ، وكذلك بكتيريا الكبريت ، القادرة على أكسدة حامض الكبريتيك والكبريت ومركبات الكبريت الأخرى.

أصل المفهوم

كان عالم الأحياء الدقيقة سيرجي فينوغرادسكي ، في عام 1890 ، أول عالم يتحدث عن احتمال وجود عمليات التخليق الكيميائي ، حيث افترض أنه يجب أن تكون هناك عملية مشابهة لعملية التمثيل الضوئي التي تستخدم مصدر طاقة غير ضوء الشمس.

ومع ذلك ، فإن مصطلح "التخليق الكيميائي" صاغه فيفر في عام 1897. تم إثبات نظريات Winogradsky في عام 1977 خلال الرحلة الاستكشافية التي قامت بها الغواصة "Alvin" في مياه المحيطات العميقة ، حول جزر غالاباغوس.

خلال هذه الرحلة ، اكتشف العلماء على متن الغواصة بعض النظم البيئية البكتيرية التي عاشت في وجود مواد غير عضوية وأخرى في تعايش مع بعض الحيوانات البحرية اللافقارية.

في الوقت الحاضر ، هناك العديد من النظم الإيكولوجية للتخليق الكيميائي معروفة في جميع أنحاء العالم ، وخاصةً المرتبطة بالبيئات البحرية والمحيطية ، وبدرجة أقل بالنظم الإيكولوجية الأرضية. في هذه البيئات ، تمثل الكائنات الحية الدقيقة التخليقية كيميائيًا منتجين أساسيين مهمين للمواد العضوية.

المراحل

يحدث التركيب الكيميائي دائمًا تقريبًا في واجهة البيئات الهوائية واللاهوائية ، حيث تتركز المنتجات النهائية للتحلل اللاهوائي وكميات كبيرة من الأكسجين.

مثل التمثيل الضوئي ، فإن التخليق الكيميائي له مراحل محددة جيدًا: مؤكسد ومركب حيوي. يستخدم الأول مركبات غير عضوية وأثناء إنتاج المادة العضوية الثانية.

مرحلة التأكسد

خلال هذه المرحلة الأولى واعتمادًا على نوع الكائن الحي ، يتم أكسدة أنواع مختلفة من المركبات غير العضوية المختزلة ، مثل الأمونيا والكبريت ومشتقاته والحديد وبعض مشتقات النيتروجين والهيدروجين وما إلى ذلك.

في هذه المرحلة ، تؤدي أكسدة هذه المركبات إلى إطلاق الطاقة المستخدمة في فسفرة ADP ، وتشكيل ATP ، وهي إحدى عملات الطاقة الرئيسية للكائنات الحية ، وبالإضافة إلى ذلك ، يتم توليد الطاقة المخفضة في شكل جزيئات NADH.

تتعلق خصوصية عملية التخليق الكيميائي بأي جزء من ATP الذي يتم إنشاؤه يتم استخدامه لدفع النقل العكسي لسلسلة الإلكترون ، من أجل الحصول على كمية أكبر من عوامل الاختزال في شكل NADH.

باختصار ، تتكون هذه المرحلة من تكوين الـ ATP من أكسدة مانحي الإلكترون المناسبين ، والتي تُستخدم طاقتها المفيدة بيولوجيًا في مرحلة التخليق الحيوي.

مرحلة التخليق الحيوي

يحدث التخليق الحيوي للمادة العضوية (مركبات الكربون) بفضل استخدام الطاقة الموجودة في الروابط عالية الطاقة لـ ATP والطاقة المختزلة المخزنة في جزيئات NADH.

هذه المرحلة الثانية من التركيب الكيميائي هي "متماثلة" مع تلك التي تحدث أثناء عملية التمثيل الضوئي ، حيث يحدث تثبيت ذرات الكربون في الجزيئات العضوية.

في ذلك ، يتم إصلاح ثاني أكسيد الكربون (CO2) في شكل كربونات عضوية ، بينما يتم تحويل ATP إلى ADP وفوسفات غير عضوي.

كائنات التخليق الكيميائي

هناك أنواع مختلفة من الكائنات الدقيقة التخليقية الكيميائية ، بعضها اختياري والبعض الآخر إلزامي. هذا يعني أن البعض يعتمد بشكل حصري على التخليق الكيميائي للحصول على الطاقة والمواد العضوية ، والبعض الآخر يفعل ذلك إذا كانت البيئة تهيئهم.

لا تختلف الكائنات الدقيقة التخليقية الكيميائية كثيرًا عن الكائنات الدقيقة الأخرى ، لأنها تحصل أيضًا على الطاقة من عمليات نقل الإلكترون حيث تشارك جزيئات مثل الفلافين والكينون والسيتوكروم.

من هذه الطاقة ، يمكنهم تصنيع المكونات الخلوية من السكريات التي يتم تصنيعها داخليًا بفضل الامتصاص الاختزالي لثاني أكسيد الكربون.

يرى بعض المؤلفين أنه يمكن تقسيم كائنات التخليق الكيميائي إلى مغذيات كيميائية عضوية وكيميائية كيميائية ، وفقًا لنوع المركب الذي تستخرج منه الطاقة ، والتي يمكن أن تكون عضوية أو غير عضوية ، على التوالي.

بقدر ما يتعلق الأمر بدائيات النوى ، فإن معظم الكائنات الكيميائية التخليقية هي بكتيريا سالبة الجرام ، وعادة ما تكون من جنس Pseudomonas وغيره من الكائنات ذات الصلة. من بين هؤلاء:

- البكتيريا الآزوتية.

- بكتيريا قادرة على أكسدة مركبات الكبريت والكبريت (بكتيريا الكبريت).

- بكتيريا قادرة على أكسدة الهيدروجين (بكتيريا الهيدروجين).

- بكتيريا قادرة على أكسدة الحديد (بكتيريا الحديد).

تستخدم الكائنات الدقيقة المُصنّعة كيميائيًا نوعًا من الطاقة يمكن أن يُفقد في نظام المحيط الحيوي. تشكل هذه جزءًا كبيرًا من التنوع البيولوجي والكثافة السكانية للعديد من النظم البيئية حيث يكون إدخال المواد العضوية محدودًا للغاية.

يرتبط تصنيفهم بالمركبات التي يمكنهم استخدامها كمانحين للإلكترون.

البكتيريا الآزوتية

تم اكتشافها في عام 1890 من قبل Winogradsky وبعض الأجناس الموصوفة حتى الآن تشكل مجاميع محاطة بنفس الغشاء. عادة ما تكون معزولة عن البيئات الأرضية.

تتضمن النترجة أكسدة الأمونيوم (NH4) إلى النتريت (NO2-) والنتريت (NO2-) إلى النترات (NO3-). غالبًا ما تتعايش مجموعتا البكتيريا التي تشارك في هذه العملية في نفس الموطن للاستفادة من كلا النوعين من المركبات التي تستخدم ثاني أكسيد الكربون كمصدر للكربون.

بكتيريا قادرة على أكسدة مركبات الكبريت والكبريت

هذه البكتيريا قادرة على أكسدة مركبات الكبريت غير العضوية وترسيب الكبريت داخل الخلية في حجرات محددة. ضمن هذه المجموعة تصنف بعض البكتيريا الخيطية وغير الخيطية من أجناس مختلفة من البكتيريا الاختيارية والملزمة.

هذه الكائنات قادرة على استخدام مركبات الكبريت شديدة السمية لمعظم الكائنات الحية.

المركب الأكثر شيوعًا في هذا النوع من البكتيريا هو غاز H2S (حمض الكبريتيك). ومع ذلك ، يمكنهم أيضًا استخدام الكبريت العنصري ، والثيوسلفات ، والبوليثيونات ، والكبريتيدات المعدنية ، وجزيئات أخرى كمانحين للإلكترون.

تتطلب بعض هذه البكتيريا أن تنمو الأس الهيدروجيني الحمضي ، وهذا هو سبب تسميتها بالبكتيريا المحبة للحمض ، بينما يمكن للبعض الآخر القيام بذلك عند درجة حموضة متعادلة ، أقرب إلى "الطبيعي".

يمكن للعديد من هذه البكتيريا أن تشكل "طبقات" أو أغشية حيوية في أنواع مختلفة من البيئات ، ولكن بشكل خاص في مصارف صناعة التعدين ، وفي الينابيع الساخنة الكبريتية وفي الرواسب المحيطية.

يطلق عليها عادة بكتيريا عديمة اللون ، لأنها تختلف عن البكتيريا الخضراء والأرجوانية الأخرى التي تتميز بالتغذية الضوئية من حيث أنها لا تحتوي على أصباغ من أي نوع ، ولا تحتاج إلى ضوء الشمس.

البكتيريا قادرة على أكسدة الهيدروجين

توجد في هذه المجموعة بكتيريا قادرة على النمو في وسط معدني مع أجواء غنية بالهيدروجين والأكسجين ومصدر الكربون الوحيد لها هو ثاني أكسيد الكربون.

تم العثور على كل من البكتيريا سالبة الجرام والبكتيريا الموجبة للجرام هنا ، وهي قادرة على النمو في ظروف غيرية التغذية والتي يمكن أن يكون لها أنواع مختلفة من الأيض.

يتراكم الهيدروجين من التحلل اللاهوائي للجزيئات العضوية ، والذي يتم تحقيقه بواسطة بكتيريا تخمير مختلفة. هذا العنصر هو مصدر مهم للبكتيريا والعتائق التخليق الكيميائي

الكائنات الحية الدقيقة القادرة على استخدامه كمانح للإلكترون تفعل ذلك بفضل وجود إنزيم الهيدروجينيز المرتبط بأغشيتها ، فضلاً عن وجود الأكسجين كمستقبل إلكتروني.

بكتيريا قادرة على أكسدة الحديد والمنغنيز

هذه المجموعة من البكتيريا قادرة على استخدام الطاقة المتولدة من أكسدة المنغنيز أو الحديد في حالته الحديدية إلى حالته الحديدية. ويشمل أيضًا البكتيريا القادرة على النمو في وجود ثيوسلفات كمانحات غير عضوية للهيدروجين.

من وجهة نظر بيئية ، تعتبر البكتيريا المؤكسدة للحديد والمغنيسيوم مهمة لإزالة السموم من البيئة ، لأنها تقلل من تركيز المعادن السامة الذائبة.

الكائنات التكافلية

بالإضافة إلى البكتيريا التي تعيش بحرية ، هناك بعض الحيوانات اللافقارية التي تعيش في بيئات غير مضيافة والتي ترتبط بأنواع معينة من بكتيريا التخليق الكيميائي من أجل البقاء.

حدث اكتشاف المتعايشات الأولى بعد دراسة دودة أنبوبية عملاقة ، Riftia pachyptila ، تفتقر إلى أنبوب هضمي وتحصل على الطاقة الحيوية من التفاعلات التي تقوم بها البكتيريا المرتبطة بها.

الاختلافات مع التمثيل الضوئي

السمة الأكثر تميزًا للكائنات الكيميائية التخليقية هي أنها تجمع بين القدرة على استخدام المركبات غير العضوية لاكتساب الطاقة وتقليل الطاقة ، فضلاً عن الارتباط الفعال بجزيئات ثاني أكسيد الكربون. شيء يمكن أن يحدث في الغياب التام لأشعة الشمس.

تتم عملية التمثيل الضوئي بواسطة النباتات والطحالب وبعض أنواع البكتيريا والأوليات. يستخدم الطاقة من ضوء الشمس لدفع تحويل ثاني أكسيد الكربون والماء (التحلل الضوئي) إلى أكسجين وكربوهيدرات ، من خلال إنتاج ATP و NADH.

على العكس من ذلك ، فإن التخليق الكيميائي يستغل الطاقة الكيميائية المنبعثة من تفاعلات الأكسدة والاختزال لإصلاح جزيئات ثاني أكسيد الكربون وإنتاج السكريات والماء بفضل الحصول على الطاقة في شكل ATP وتقليل الطاقة.

في التخليق الكيميائي ، على عكس التمثيل الضوئي ، لا توجد أصباغ متورطة ولا ينتج الأكسجين كمنتج ثانوي.

المراجع

1. Dubilier، N.، Bergin، C.، & Lott، C. (2008). التنوع التكافلي في الحيوانات البحرية: فن تسخير التركيب الكيميائي. مراجعات الطبيعة علم الأحياء الدقيقة، 6 (10) ، 725-740.
2. إنجل ، أس (2012). التغذية الكيميائية. موسوعة الكهوف ، (1997) ، 125-134.
3. إنجر ، إي ، روس ، إف ، بيلي ، د. (2009). مفاهيم في علم الأحياء (الطبعة الثالثة عشر). ماكجرو هيل.
4. كين ، أو. (1975). علم البيئة البحرية. (O. Kinne ، محرر) ، Comput. ترفيه. (الطبعة الثانية ، المجلد الثاني). جون وايلي وأولاده.
5. ليز ، هـ. (1962). رابعا. بعض الأفكار حول علم الطاقة في التركيب الكيميائي. ندوة عن التغذية الذاتية.
6. بيس ، إم ، ولوفيت ، جي (2013). الإنتاج الأولي: أساس النظم البيئية. في أساسيات علم النظام البيئي (ص 27 - 51). شركة Elsevier Inc.