التخليق الكيميائي

في الكيمياء الحيوية، التخليق الكيميائي هو التحويل البيولوجي لجزيء واحد أو أكثر يحتوي على الكربون (عادةً ثاني أكسيد الكربون أو الميثان ) والمغذيات إلى مادة عضوية باستخدام أكسدة المركبات غير العضوية (مثل غاز الهيدروجين وكبريتيد الهيدروجين ) أو أيونات الحديد كمصدر للطاقة، بدلاً من ضوء الشمس، كما هو الحال في عملية التمثيل الضوئي . الكائنات ذاتية التغذية الكيميائية ، وهي الكائنات الحية التي تحصل على الكربون من ثاني أكسيد الكربون من خلال التخليق الكيميائي، متنوعة من الناحية التطورية. تشمل المجموعات التي تشمل تصنيفات بارزة أو مهمة بيوكيميائيًا البكتيريا المؤكسدة للكبريت جاما بروتيوباكتروتا ، وكامبيلوباكتروتا ، وأكيفيكوتا ، والعتائق المولدة للميثان ، والبكتيريا المؤكسدة للحديد المتعادلة .

تستخدم العديد من الكائنات الحية الدقيقة في المناطق المظلمة من المحيطات عملية التخليق الكيميائي لإنتاج الكتلة الحيوية من جزيئات الكربون المفردة. ويمكن التمييز بين فئتين. ففي المواقع النادرة التي تتوفر فيها جزيئات الهيدروجين (H ₂ )، يمكن أن تكون الطاقة المتاحة من التفاعل بين ثاني أكسيد الكربون _و H ₂ (مما يؤدي إلى إنتاج الميثان، CH ₄ ) كبيرة بما يكفي لدفع إنتاج الكتلة الحيوية. وبدلاً من ذلك، في معظم البيئات المحيطية، تستمد الطاقة اللازمة لعملية التخليق الكيميائي من التفاعلات التي يتم فيها أكسدة مواد مثل كبريتيد الهيدروجين أو الأمونيا . وقد يحدث هذا مع أو بدون وجود الأكسجين.

تستهلك الكائنات الحية الأخرى في المحيط العديد من الكائنات الحية الدقيقة التي تتغذى على المواد الكيميائية، كما أن الارتباطات التكافلية بين الكائنات الحية التي تتغذى على المواد الكيميائية والكائنات غيرية التغذية التي تتنفس هي أمر شائع للغاية. ويمكن دعم أعداد كبيرة من الحيوانات من خلال الإنتاج الثانوي الكيميائي في الفتحات الحرارية المائية ، ومركبات الميثان ، والتسربات الباردة ، وشلالات الحيتان ، ومياه الكهوف المعزولة .

وقد افترض البعض أن التخليق الكيميائي اللاهوائي قد يدعم الحياة تحت سطح المريخ وقمر المشتري أوروبا وكواكب أخرى. ^[1] ربما كان التخليق الكيميائي أيضًا أول نوع من التمثيل الغذائي الذي تطور على الأرض ، مما مهد الطريق لتطور التنفس الخلوي والتمثيل الضوئي في وقت لاحق.

تستخدم الديدان الأنبوبية العملاقة البكتيريا الموجودة في تروفوسومها لتثبيت ثاني أكسيد الكربون (باستخدام كبريتيد الهيدروجين كمصدر للطاقة) وإنتاج السكريات والأحماض الأمينية . ^[2] تنتج بعض التفاعلات الكبريت:

التخليق الكيميائي لكبريتيد الهيدروجين: ^[3]

18 H ₂ S + 6CO ₂ + 3 O ₂ → C ₆ H ₁₂ O ₆ ( كربوهيدرات ) + 12 H ₂ O + 18 S

بدلاً من إطلاق غاز الأكسجين أثناء تثبيت ثاني أكسيد الكربون كما في عملية التمثيل الضوئي ، ينتج التخليق الكيميائي لكبريتيد الهيدروجين كرات صلبة من الكبريت في هذه العملية. في البكتيريا القادرة على التغذية الكيميائية الذاتية (شكل من أشكال التخليق الكيميائي)، مثل بكتيريا الكبريت الأرجوانية ، ^[4] توجد كرات صفراء من الكبريت ومرئية في السيتوبلازم.

في عام 1890، اقترح سيرجي وينوجرادسكي نوعًا جديدًا من عمليات الحياة يُسمى "أنورجوكسيدانت". اقترح اكتشافه أن بعض الميكروبات يمكنها العيش على المواد غير العضوية فقط، وقد ظهر ذلك أثناء أبحاثه الفسيولوجية في ثمانينيات القرن التاسع عشر في ستراسبورغ وزيوريخ على بكتيريا الكبريت والحديد والنيتروجين.

في عام 1897، صاغ فيلهلم فيفر مصطلح "التخليق الكيميائي" لإنتاج الطاقة عن طريق أكسدة المواد غير العضوية، بالاشتراك مع استيعاب ثاني أكسيد الكربون ذاتي التغذية - ما يُسمى اليوم بالتغذية الكيميائية العضوية. لاحقًا، تم توسيع المصطلح ليشمل أيضًا الكائنات العضوية ذاتية التغذية الكيميائية، وهي الكائنات الحية التي تستخدم ركائز الطاقة العضوية من أجل استيعاب ثاني أكسيد الكربون. ^[5] وبالتالي، يمكن اعتبار التخليق الكيميائي مرادفًا للتغذية الكيميائية الذاتية .

تم تقديم مصطلح " التغذية الكيميائية "، وهو مصطلح أقل تقييدًا، في أربعينيات القرن العشرين بواسطة أندريه لوف للإشارة إلى إنتاج الطاقة عن طريق أكسدة المتبرعين بالإلكترونات، سواء كانوا أعضاءً أم لا، والمرتبطين بالتغذية الذاتية أو غير الذاتية. ^{[6] [7]}

تم تأكيد اقتراح وينوجرادسكي بعد ما يقرب من 90 عامًا، عندما تم التنبؤ بوجود فتحات المحيطات الحرارية المائية في السبعينيات. تم اكتشاف الينابيع الساخنة والمخلوقات الغريبة بواسطة ألفين ، أول غواصة في العالم في أعماق البحار، في عام 1977 في شق جزر غالاباغوس . في نفس الوقت تقريبًا، اقترحت طالبة الدراسات العليا آنذاك كولين كافاناغ البكتيريا الكيميائية التركيبية التي تؤكسد الكبريتيدات أو الكبريت العنصري كآلية يمكن من خلالها للديدان الأنبوبية البقاء على قيد الحياة بالقرب من الفتحات الحرارية المائية. تمكنت كافاناغ لاحقًا من تأكيد أن هذه كانت بالفعل الطريقة التي يمكن أن تزدهر بها الديدان، ويُنسب إليها عمومًا اكتشاف التخليق الكيميائي. ^[8]

في مسلسل تلفزيوني عام 2004 قدمه بيل ني ، تم تسمية عملية التخليق الكيميائي باعتبارها واحدة من أعظم 100 اكتشاف علمي على مر التاريخ. ^{[9] [10]}

في عام 2013، أبلغ الباحثون عن اكتشافهم لبكتيريا تعيش في صخور القشرة المحيطية أسفل الطبقات السميكة من الرواسب، وبصرف النظر عن الفتحات الحرارية المائية التي تتشكل على طول حواف الصفائح التكتونية . تشير النتائج الأولية إلى أن هذه البكتيريا تعيش على الهيدروجين الناتج عن الاختزال الكيميائي للزبرجد بواسطة مياه البحر المتداولة في الأوردة الصغيرة التي تتخلل البازلت الذي يتكون منه القشرة المحيطية. تقوم البكتيريا بتصنيع الميثان عن طريق الجمع بين الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون. ^[11]

على الرغم من أن عملية التخليق الكيميائي معروفة منذ أكثر من مائة عام، إلا أن أهميتها وأهميتها لا تزال ذات أهمية اليوم في تحويل العناصر الكيميائية في الدورات الجيوكيميائية. واليوم، تتطلب العمليات الحيوية للبكتيريا النترتية، التي تؤدي إلى أكسدة الأمونيا إلى حمض النيتريك، إثباتًا علميًا وأبحاثًا إضافية. تشير قدرة البكتيريا على تحويل المواد غير العضوية إلى مواد عضوية إلى أن التخليق الكيميائي يمكن أن يجمع موارد قيمة لاحتياجات الإنسان.

إن المجتمعات الكيميائية التركيبية في بيئات مختلفة تشكل أنظمة بيولوجية مهمة من حيث بيئتها وتطورها وجغرافيتها الحيوية، فضلاً عن إمكاناتها كمؤشرات على توافر مصادر الطاقة الدائمة القائمة على الهيدروكربونات. وفي عملية الكيميائية التركيبية، تنتج البكتيريا مادة عضوية حيث يكون التمثيل الضوئي مستحيلاً. إن عزل البكتيريا المحبة للحرارة المختزلة للكبريتات Thermodesulfovibrio yellowstonii وأنواع أخرى من الكيميائية التركيبية يوفر آفاقًا لمزيد من البحث. وبالتالي، تظل أهمية الكيميائية التركيبية ذات صلة بالاستخدام في التقنيات المبتكرة، والحفاظ على النظم البيئية، والحياة البشرية بشكل عام. ساعد سيرجي وينوجرادسكي في اكتشاف ظاهرة الكيميائية التركيبية. ^[12]

• المجموعات الغذائية الأساسية
• ذاتي التغذية
• كائنات غيرية التغذية
• البناء الضوئي
• كهف موفيل

• المجتمعات الكيميائية التركيبية في خليج المكسيك أرشيف 2010-05-28 على موقع واي باك مشين