Pengertian Kemosintesis: Fungsi, mekanisme, persamaan reaksi

Kemosintesis terjadi pada bakteri dan organisme lain dan melibatkan penggunaan energi yang dilepaskan oleh reaksi kimia anorganik untuk menghasilkan makanan. Semua organisme kemosintetik menggunakan energi yang dilepaskan oleh reaksi kimia untuk membuat gula, tetapi spesies yang berbeda menggunakan jalur yang berbeda. Misalnya, pada ventilasi hidrotermal, bakteri ventilasi mengoksidasi hidrogen sulfida, menambahkan karbon dioksida dan oksigen, dan menghasilkan gula, sulfur, dan air: CO2 + 4H2S + O2 -> CH20 + 4S + 3H2O. Bakteri lain membuat bahan organik dengan mengurangi sulfida atau mengoksidasi metana.

Pengetahuan kita tentang komunitas kemosintetik relatif baru, terungkap melalui eksplorasi laut ketika manusia pertama kali mengamati lubang di dasar laut dalam pada tahun 1977 dan menemukan komunitas yang berkembang di mana tidak ada cahaya. Sejak itu, komunitas bakteri kemosintetik telah ditemukan di sumber air panas di darat dan di dasar laut di sekitar lubang hidrotermal, rembesan dingin, bangkai ikan paus, dan kapal karam. Tidak ada yang pernah berpikir untuk mencari mereka, tetapi komunitas ini ada di sana selama ini.

Pengertian

Kemosintesis adalah didefinisikan sebagai produksi biologis senyawa organik dari senyawa satu-karbon (C-1) dan nutrisi, menggunakan energi yang dihasilkan oleh oksidasi molekul organik anorganik atau C-1. Di perairan samudera dan pedalaman, kemosintesis umumnya diukur sebagai fiksasi karbon gelap (mis., Pembentukan karbon organik dari karbon dioksida dalam gelap).

Secara umum, kemosintesis kurang mendapat perhatian dibandingkan proses redoks penghasil energi yang terkait, yang menggerakkan banyak siklus biogeokimia dan memiliki dampak mendalam pada produksi dan siklus gas rumah kaca seperti karbon dioksida, metana, dan dinitrogen oksida. Oleh karena itu, meskipun pengetahuan tentang proses terkait ini mungkin signifikan, ada kurangnya pengetahuan mengenai distribusi spasial kemosintesis di antara berbagai jenis ekosistem dan besarnya kontribusinya terhadap produksi primer secara keseluruhan. Organisme kemosintetik tersebar luas dan sangat beragam dalam hal filogeni, substrat yang digunakan, morfologi, habitat, dan metabolisme. Organisme ini memiliki potensi untuk menyebabkan lebih dari 50% fiksasi karbon ekosistem dalam kondisi tertentu.

Kemosintesis adalah proses yang digunakan organisme tertentu untuk memperoleh energi untuk produksi pangan, mirip dengan fotosintesis, tetapi tanpa menggunakan sinar matahari. Energi yang berasal dari oksidasi bahan kimia anorganik yang di temukan organisme di lingkungan mereka. Proses ini muncul di banyak bakteri, dan kelompok lain organisme yang dikenal sebagai archaea.

Bentuk-bentuk kehidupan yang menggunakan metode ini untuk memperoleh energi yang ditemukan di berbagai lingkungan, termasuk tanah, usus mamalia, endapan minyak bumi, dan dalam kondisi ekstrim, seperti di sekitar ventilasi hidrotermal di dasar laut.

Mereka disesuaikan dengan keadaan yang mungkin biasa telah miliaran dari tahun lalu, yang menyebabkan beberapa ilmuwan berteori bahwa mereka mungkin keturunan langsung dari kehidupan awal di Bumi.

Mekanisme

Organisme yang membuat makanan mereka sendiri dari bahan kimia anorganik, sebagai lawan menggunakan bahan organik yang sudah ada, yang dikenal sebagai autotrof. Makanan terdiri dari karbohidrat, seperti glukosa, tetapi ini membutuhkan energi untuk diproduksi.

Dimana sinar matahari tersedia, autotrof biasanya akan menggunakannya untuk melakukan fotosintesis, tetapi di tempat-tempat di mana tidak ada cahaya yang sampai, berbagai jenis telah berevolusi dengan penggunaan energi kimia sebagai gantinya. Bentuk-bentuk kehidupan yang melakukan hal ini dikenal sebagai kemautotrof. Sejumlah metode yang berbeda muncul, ditentukan oleh kondisi, dan bahan kimia yang tersedia.

Kemosintesis menggunakan reaksi oksidasi-reduksi, juga dikenal sebagai reaksi redoks, untuk memasok energi yang dibutuhkan untuk memproduksi karbohidrat dari karbon dioksida dan air. Reaksi semacam ini melibatkan hilangnya elektron dari satu zat dan menambahkan elektron ke yang lain.

Zat yang menerima elektron – biasanya oksigen – dikatakan telah tereduksi, sementara yang memasok mereka telah teroksidasi. Pengurangan membutuhkan energi, tetapi oksidasi melepaskan itu. Kedua reaksi selalu terjadi bersama-sama, tetapi mereka digunakan dalam hasil kemosintesis dalam rilis keseluruhan energi.

Seperti fotosintesis, reaksi yang sebenarnya sangat kompleks dan melibatkan sejumlah langkah, tetapi mereka dapat diringkas dalam hal bahan baku dan produk akhir, salah satu yang akan menjadi makanan dalam bentuk semacam karbohidrat. Dimana sulfida yang tersedia, mereka dapat teroksidasi, menghasilkan belerang atau sulfat.

Besi juga dapat dioksidasi, dari bentuk yang dikenal sebagai besi II besi III, yang memiliki satu elektron lebih sedikit. Metana, yang hadir di beberapa tempat seperti gas alam, dapat menjadi sumber energi dan karbon untuk beberapa mikroorganisme, dan juga merupakan produk sampingan dari kemosintesis oleh beberapa organisme lain. Oksidasi amonia menjadi nitrit dan nitrat adalah metode lain yang menyediakan energi untuk beberapa bentuk kehidupan.

Banyak organisme hidup yang menggunakan kemosintesis untuk memproduksi makanan di lingkungan dengan suhu ekstrim, tekanan, salinitas atau kondisi lain yang dimusuhu sebagian besar kehidupan. Ini dikenal sebagai extremophiles. Mereka memiliki berbagai adaptasi yang memungkinkan mereka untuk bertahan hidup, seperti enzim yang tidak biasa yang tidak dinonaktifkan oleh suhu tinggi.

Fungsi Kemosintesis

Kemosintesis berguna untuk memungkinkan organisme untuk hidup tanpa menggunakan energi sinar matahari atau mengandalkan organisme lain untuk makanan.

Seperti kemosintesis, ini memungkinkan makhluk hidup membuat lebih banyak dari diri mereka sendiri. Dengan mengubah molekul anorganik menjadi molekul organik, proses kemosintesis mengubah benda mati menjadi benda hidup.

Hari ini digunakan oleh mikroba yang hidup di lautan dalam, di mana tidak ada sinar matahari yang menembus; tetapi juga digunakan oleh beberapa organisme yang hidup di lingkungan yang cerah, seperti bakteri besi dan beberapa bakteri tanah.

Beberapa ilmuwan percaya bahwa kemosintesis dapat digunakan oleh bentuk kehidupan di lingkungan luar bumi yang tidak memiliki matahari, seperti di lautan Eropa atau lingkungan bawah tanah di Mars.

Telah diusulkan bahwa kemosintesis mungkin sebenarnya merupakan bentuk metabolisme pertama di Bumi, dengan fotosintesis dan respirasi sel berkembang kemudian ketika bentuk kehidupan menjadi lebih kompleks. Kita mungkin tidak pernah tahu pasti apakah ini benar, tetapi beberapa ilmuwan percaya itu menarik untuk mempertimbangkan apakah sinar matahari atau energi kimia adalah bahan bakar pertama untuk kehidupan di Bumi.

Lingkungan

Ventilasi hidrotermal adalah salah satu lingkungan yang paling luar biasa di planet ini. Mereka terdiri dari aliran panas, air kaya bahan kimia mengalir keluar dari dasar laut di daerah geologis aktif, seperti pegunungan di tengah-samudera.

Meskipun tampaknya bermusuhan dengan kehidupan, tanpa cahaya, suhu mendekati 212 ° F (100 ° C), dan penuh dengan bahan kimia yang beracun bagi kebanyakan bentuk kehidupan, mereka memiliki ekosistem yang berkembang dan beragam yang didukung oleh mikroorganisme kemosintetik. Mikroba ini terdiri dari bakteri, dan archaea juga, kelompok yang sangat kuno organisme yang terlihat serupa, tetapi secara kimia dan genetik sangat berbeda.

Air panas yang dihasilkan oleh ventilasi hidrotermal sangat kaya sulfida, yang mikroba digunakan untuk kemosintesis, kadang-kadang melepaskan metana sebagai produk sampingan. Mikroorganisme yang menghasilkan gas ini dikenal sebagai metanogen.

Mikroba kemosintesis lainnya dalam lingkungan ini memperoleh energi oleh oksidasi metana, mengubah sulfat untuk sulfida dalam proses. Oksidasi metana juga terjadi di daerah di mana minyak bumi – campuran hidrokarbon termasuk metana – merembes ke atas ke dasar laut.

Sumber air panas
Sumber air panas menunjukkan warna karena mikroba Kemosintesis.

Bentuk kehidupan kemosintesis tidak hanya memberikan dasar bagi populasi yang lebih besar organisme yang mengkonsumsi mikroba untuk bertahan hidup, tetapi juga membentuk hubungan simbiosis penting dengan organisme lain.

Salah satu contoh yang menarik adalah cacing tabung, yang dimulai hidup dengan mulut dan usus, yang digunakan untuk mengambil dalam jumlah besar bakteri kemosintesis. Pada tahap selanjutnya, kehilangan mulutnya, dan terus bertahan hidup dengan mengkonsumsi makanan yang diproduksi oleh bakteri internal.

siklus nitrogen
Siklus nitrogen – termasuk langkah-langkah yang membentuk nitrifikasi – proses penting yang terjadi di dalam tanah.

Mikroorganisme extremophile kemosintesis telah ditemukan di sumber air panas, di mana mereka bertahan dengan oksidasi belerang atau amoniak, dan batuan jauh di bawah permukaan, di mana mereka memperoleh energi dengan mengoksidasi besi.

Kemosintesis juga terjadi di tempat-tempat yang lebih familiar. Sebagai contoh, di dalam tanah, bakteri nitrifikasi mengubah amonia menjadi nitrit dan nitrat, sedangkan metana yang dihasilkan archaea dapat ditemukan di rawa-rawa, di limbah dan dalam usus mamalia.

Pentingnya dan Kemungkinan Penggunaan

Bakteri nitrifikasi dalam tanah yang memberikan nitrogen bisa digunakan untuk tanaman dan merupakan bagian penting dari siklus nitrogen – tanpa mereka, tanaman dan hewan tidak bisa eksis. Hal ini sangat mungkin bahwa bentuk kehidupan yang paling awal menggunakan kemosintesis untuk membuat senyawa organik dari anorganik, sehingga proses ini mungkin bertanggung jawab untuk pembentukan kehidupan di Bumi.

Para ilmuwan telah mengusulkan sejumlah cara di mana kemoautrotop dapat dimanfaatkan dengan baik. Misalnya, mereka dapat digunakan untuk menghasilkan metana untuk bahan bakar. Karena banyak organisme ini hidup pada bahan kimia yang beracun bagi manusia, dan melepaskan produk sampingan berbahaya, mereka juga dapat digunakan untuk detoksifikasi beberapa jenis limbah beracun.

Kemosintesis dan Planet Lain

Kemampuan beberapa organisme kemosintesis untuk berkembang dalam kondisi ekstrim telah menyebabkan beberapa ilmuwan menyarankan bahwa bentuk-bentuk kehidupan seperti itu mungkin ada di planet lain, di lingkungan yang tidak akan cocok untuk jenis lebih akrab hidup.

Percobaan menunjukkan bahwa beberapa organisme kemosintesis mungkin bisa bertahan hidup dan tumbuh di bawah permukaan Mars, dan telah berspekulasi bahwa jejak metana yang ditemukan di atmosfer Mars mungkin hasil dari aktivitas mikroorganisme metanogen. Lokasi lain yang mungkin untuk kehidupan di luar bumi adalah es penutup bulan Jupiter, Europa, di mana air cair diperkirakan ada di bawah permukaan.

Persamaan Reaksi Kemosintesis

Ada banyak cara berbeda untuk mencapai kemosintesis. Persamaan untuk kemosintesis akan terlihat berbeda tergantung pada sumber energi kimia yang digunakan. Namun, semua persamaan untuk kemosintesis biasanya meliputi:

Reaktan:

  • Senyawa anorganik yang mengandung karbon, seperti karbon dioksida atau metana. Ini akan menjadi sumber karbon dalam molekul organik di akhir proses.
  • Sumber energi kimia seperti gas hidrogen, hidrogen sulfida, atau besi besi.

Produk:

  • Senyawa organik seperti gula atau asam amino.
  • Versi sumber energi yang ditransformasikan, seperti sulfur unsur atau besi besi.

Contoh persamaan yang biasa digunakan untuk kemosintesis menunjukkan transformasi karbon dioksida menjadi gula dengan bantuan gas hidrogen sulfida:

12H2S + 6CO2 → C6H12O6 (sugar molecule) + 6H2O + 12S

Persamaan ini kadang-kadang dikurangi menjadi rasio bahan yang paling sederhana. Ini menunjukkan proporsi relatif dari masing-masing bahan yang diperlukan untuk reaksi, meskipun tidak menangkap jumlah hidrogen sulfida dan karbon dioksida yang diperlukan untuk membuat molekul gula tunggal.

Versi yang dikurangi terlihat seperti ini:

2H2S + CO2 → CH2O (sugar molecule) + H2O + 2S

Jenis Bakteri Kemosintetik

1. Bakteri Belerang

Contoh persamaan untuk kemosintesis yang diberikan di atas menunjukkan bakteri menggunakan senyawa sulfur sebagai sumber energi.

Bakteri dalam persamaan itu mengonsumsi gas hidrogen sulfida (12H2S), dan kemudian menghasilkan sulfur unsur padat sebagai produk limbah (12S).

Beberapa bakteri yang menggunakan kemosintesis menggunakan unsur sulfur itu sendiri, atau senyawa sulfur yang lebih kompleks sebagai sumber bahan bakar, alih-alih hidrogen sulfida.

2. Bakteri Ion Logam

Jenis bakteri yang paling terkenal yang menggunakan ion logam untuk kemosintesis adalah bakteri besi.

Bakteri besi sebenarnya dapat menimbulkan masalah bagi sistem air di lingkungan yang kaya zat besi, karena mereka mengkonsumsi ion logam terlarut di tanah dan air – dan menghasilkan gumpalan besi besi yang tidak larut seperti karat, yang dapat menodai perlengkapan pipa dan bahkan menyumbatnya.

Namun, bakteri besi bukan satu-satunya organisme yang menggunakan ion logam sebagai sumber energi untuk kemosintesis. Jenis bakteri lain menggunakan arsenik, mangan, atau bahkan uranium sebagai sumber elektron untuk rantai transpor elektronnya!

3. Bakteri Nitrogen

Bakteri nitrogen adalah bakteri yang menggunakan senyawa nitrogen dalam proses metabolisme mereka. Sementara semua bakteri ini menggunakan elektron dari senyawa nitrogen untuk membuat senyawa organik, mereka dapat memiliki efek yang sangat berbeda pada ekosistem mereka tergantung pada senyawa apa yang mereka gunakan.

Bakteri nitrogen biasanya dapat dibagi menjadi tiga kelas:

Bakteri nitrifikasi:

Bakteri nitrifikasi tumbuh di tanah yang mengandung amonia. Amonia adalah senyawa nitrogen anorganik yang beracun bagi sebagian besar tumbuhan dan hewan – tetapi bakteri nitrifikasi dapat menggunakannya untuk makanan, dan bahkan mengubahnya menjadi zat yang bermanfaat.

Bakteri nitrifikasi mengambil elektron dari amonia dan mengubah amonia menjadi nitrit, dan akhirnya nitrat. Nitrat penting untuk banyak ekosistem karena sebagian besar tanaman membutuhkannya untuk menghasilkan asam amino esensial.

Nitrifikasi seringkali merupakan proses dua langkah: satu bakteri akan mengubah amonia menjadi nitrit, dan kemudian spesies bakteri lain akan mengubah nitrit itu menjadi nitrat.

Bakteri nitrifikasi dapat mengubah tanah yang tidak bersahabat menjadi lahan subur bagi tanaman, dan selanjutnya untuk hewan.

Bakteri denitrifikasi:

Bakteri denitrifikasi menggunakan senyawa nitrat sebagai sumber energinya. Dalam prosesnya, mereka memecah senyawa-senyawa ini menjadi bentuk-bentuk yang tidak dapat digunakan tumbuhan dan hewan.

Ini berarti bahwa bakteri denitrifikasi dapat menjadi masalah yang sangat besar bagi tanaman dan hewan – sebagian besar spesies tanaman membutuhkan nitrat di tanah untuk menghasilkan protein esensial untuk diri mereka sendiri, dan untuk hewan yang memakannya.

Bakteri denitrifikasi bersaing untuk senyawa ini, dan dapat menguras tanah, sehingga kemampuan tanaman terbatas.

Bakteri pengikat nitrogen:

Bakteri ini sangat bermanfaat bagi ekosistem, termasuk pertanian manusia. Mereka dapat mengubah gas nitrogen – yang membentuk sebagian besar atmosfer kita – menjadi nitrat yang dapat digunakan tanaman untuk membuat protein esensial.

Secara historis, masalah kesuburan dan bahkan kelaparan telah terjadi ketika tanah menjadi terkuras nitrat karena proses alami atau terlalu sering menggunakan lahan pertanian.

Banyak budaya belajar untuk menjaga kesuburan tanah dengan memutar tanaman yang mengonsumsi nitrogen dengan tanaman yang memperbaiki nitrogen.

Rahasia tanaman pengikat nitrogen adalah bahwa tanaman itu sendiri tidak memperbaiki nitrogen: sebaliknya, mereka memiliki hubungan simbiotik dengan bakteri pengikat nitrogen. Bakteri ini sering tumbuh di koloni di sekitar akar tanaman, melepaskan nitrat ke tanah di sekitarnya.

4. Methanobacterium

Methanobacterium sebenarnya adalah archaeabacteria – tetapi para ilmuwan mulai mempelajarinya jauh sebelum mereka sepenuhnya memahami perbedaan antara archaeabacteria dan “bakteri sejati.”

Archaeabacteria dan bakteri sejati adalah prokariota sel tunggal – yang berarti mereka terlihat sangat mirip di bawah mikroskop. Tetapi metode modern analisis genetik dan biokimia telah mengungkapkan bahwa ada perbedaan kimia penting antara keduanya, dengan archaeabacteria menggunakan banyak senyawa kimia dan memiliki banyak gen yang tidak ditemukan dalam kerajaan bakteri.

Salah satu kemampuan yang ditemukan dalam archaeabacteria yang tidak ditemukan dalam “bakteri sejati” adalah proses metabolisme yang menghasilkan metana. Hanya spesies archaeabacteria yang dapat menggabungkan karbon dioksida dan hidrogen untuk menghasilkan metana.

Methanobacteria hidup di berbagai lingkungan – termasuk di dalam tubuh Anda sendiri! Methanobacteria ditemukan di dasar lautan, di rawa-rawa dan lahan basah, di perut sapi – dan bahkan di dalam perut manusia, di mana mereka memecah beberapa gula yang tidak dapat kita cerna untuk menghasilkan metana dan energi.

Tahapan Metamorfosis semut, kupu kupu dan katak
Contoh Ekologi: Tujuan, jenis, peranan, cabang
10 Ciri-ciri Nematoda yang penting berikut ini
Siklus hidup Bakteriofag: Pengertian, struktur, terapi