La chemiosintesi è un processo che alcuni organismi utilizzano per ottenere energia per la produzione di cibo, simile alla fotosintesi, ma senza l’uso della luce solare. L’energia deriva dall’ossidazione di sostanze chimiche inorganiche che gli organismi trovano nel loro ambiente. Il processo si verifica in molti batteri e in un altro gruppo di organismi noto come archaea. Le forme di vita che utilizzano questo metodo per ottenere energia si trovano in una varietà di ambienti, tra cui il suolo, l’intestino dei mammiferi, i depositi di petrolio e in condizioni estreme, come intorno alle bocche idrotermali sul fondo dell’oceano. Sono adattati a circostanze che potrebbero essere state comuni miliardi di anni fa, portando alcuni scienziati a teorizzare che potrebbero essere discendenti diretti della prima vita sulla Terra.
Metodi
Gli organismi che producono il proprio cibo con sostanze chimiche inorganiche, invece di utilizzare materiali organici già esistenti, sono noti come autotrofi. Gli alimenti sono costituiti da carboidrati, come il glucosio, ma questi richiedono energia per essere prodotti. Laddove la luce solare è disponibile, gli autotrofi la utilizzeranno generalmente per eseguire la fotosintesi, ma in luoghi in cui la luce non raggiunge, si sono evoluti diversi tipi che utilizzano invece energia chimica. Le forme di vita che lo fanno sono conosciute come chemautotrophs. Sono emersi diversi metodi, determinati dalle condizioni e dalle sostanze chimiche disponibili.
La chemiosintesi utilizza reazioni di ossidoriduzione, note anche come reazioni redox, per fornire l’energia necessaria per produrre carboidrati a partire da anidride carbonica e acqua. Questo tipo di reazione comporta la perdita di elettroni da una sostanza e l’aggiunta di elettroni a un’altra. Si dice che la sostanza che riceve gli elettroni, di solito ossigeno, sia stata ridotta, mentre quella che li fornisce è stata ossidata. La riduzione richiede energia, ma l’ossidazione la rilascia. Le due reazioni avvengono sempre insieme, ma quelle usate nella chemiosintesi determinano un rilascio complessivo di energia.
Come per la fotosintesi, le reazioni reali sono molto complesse e comportano una serie di passaggi, ma possono essere riassunti in termini di materie prime e prodotti finali, uno dei quali sarà il cibo sotto forma di un qualche tipo di carboidrato. Dove sono disponibili solfuri, possono essere ossidati, producendo zolfo o solfati. Il ferro può anche essere ossidato, da una forma nota come ferro II a ferro III, che ha un elettrone in meno. Il metano, che è presente in alcuni luoghi come gas naturale, può essere una fonte sia di energia che di carbonio per alcuni microrganismi ed è anche un sottoprodotto della chemiosintesi di altri organismi. L’ossidazione dell’ammoniaca in nitriti e nitrati è un altro metodo che fornisce energia ad alcune forme di vita.
Molti degli organismi che utilizzano la chemiosintesi per produrre cibo vivono in ambienti con temperature, pressioni, salinità o altre condizioni estreme che sono ostili alla maggior parte della vita. Questi sono conosciuti come estremofili. Hanno vari adattamenti che consentono loro di sopravvivere, come enzimi insoliti che non vengono disattivati dalle alte temperature.
Ambienti
Le bocche idrotermali sono tra gli ambienti più straordinari del pianeta. Sono costituiti da flussi di acqua calda e ricca di sostanze chimiche che fuoriescono dal fondo oceanico in aree geologicamente attive, come le dorsali oceaniche. Sebbene apparentemente ostili alla vita, senza luce, temperature che si avvicinano a 212 ° F (100 ° C) e piene di sostanze chimiche tossiche per la maggior parte delle forme di vita, hanno ecosistemi fiorenti e diversificati supportati da microrganismi chemiosintetici. Questi microbi sono costituiti da batteri, e anche da archaea, un gruppo molto antico di organismi superficialmente simili, ma chimicamente e geneticamente molto diversi.
L’acqua calda prodotta dalle bocche idrotermali è molto ricca di solfuri, che i microbi utilizzano per la chemiosintesi, rilasciando talvolta metano come sottoprodotto. I microrganismi che producono questo gas sono noti come metanogeni. Altri microbi chemiosintetici in questo ambiente ottengono energia dall’ossidazione del metano, convertendo il solfato in solfuro nel processo. L’ossidazione del metano avviene anche nelle aree in cui il petrolio, una miscela di idrocarburi incluso il metano, penetra verso l’alto nel fondo del mare.
Le ecologie che circondano le bocche di acque profonde sono molto più ricche di quelle più lontane da tali fonti chimiche, che devono sopravvivere esclusivamente sulla materia organica morta che scende lentamente dalle acque soprastanti. Le forme di vita chemiosintetiche non solo forniscono le basi per comunità più grandi di organismi che consumano i microbi per sopravvivere, ma formano anche importanti relazioni simbiotiche con altri organismi. Un esempio interessante è il verme tubico, che inizia la vita con una bocca e un intestino, che utilizza per assorbire un numero enorme di batteri chemiosintetici. In una fase successiva perde la bocca e continua a sopravvivere consumando il cibo prodotto dai suoi batteri interni.
Microrganismi chemiosintetici estremofili sono stati trovati nelle sorgenti termali, dove sopravvivono per ossidazione dello zolfo o dell’ammoniaca, e nelle rocce profonde sotto la superficie, dove ottengono energia ossidando il ferro. La chemiosintesi avviene anche in luoghi più familiari. Ad esempio, nel suolo, i batteri nitrificanti convertono l’ammoniaca in nitriti e nitrati, mentre gli archei che generano metano si trovano nelle paludi e nelle paludi, nelle acque reflue e nell’intestino dei mammiferi.
Importanza e possibili usi
I batteri nitrificanti nel suolo forniscono azoto utilizzabile per le piante e sono una parte cruciale del ciclo dell’azoto: senza di loro, piante e animali non potrebbero esistere. È molto probabile che le prime forme di vita usassero la chemiosintesi per creare composti organici da quelli inorganici, e quindi questi processi potrebbero essere responsabili della creazione della vita sulla Terra. Gli scienziati hanno suggerito una serie di modi in cui i chemautotrofi potrebbero essere messi a frutto. Ad esempio, potrebbero essere utilizzati per generare metano per carburante. Poiché molti di questi organismi vivono di sostanze chimiche tossiche per l’uomo e rilasciano sottoprodotti innocui, potrebbero anche essere utilizzati per disintossicare alcuni tipi di rifiuti velenosi.
Chemiosintesi e altri pianeti
La capacità di alcuni organismi chemiosintetici di prosperare in condizioni estreme ha portato alcuni scienziati a suggerire che tali forme di vita potrebbero esistere su altri pianeti, in ambienti che non sarebbero adatti a tipi di vita più familiari. Gli esperimenti suggeriscono che alcuni organismi chemiosintetici potrebbero essere in grado di sopravvivere e crescere sotto la superficie di Marte, ed è stato ipotizzato che tracce di metano trovate nell’atmosfera marziana potrebbero essere il risultato dell’attività di microrganismi metanogeni. Un’altra possibile posizione per la vita extraterrestre è la luna coperta di ghiaccio di Giove, Europa, dove si pensa che l’acqua allo stato liquido esista sotto la superficie.