Chemosynthese ist ein Prozess, den bestimmte Organismen verwenden, um Energie für die Produktion von Nahrung zu gewinnen, ähnlich der Photosynthese, jedoch ohne die Verwendung von Sonnenlicht. Die Energie stammt aus der Oxidation anorganischer Chemikalien, die die Organismen in ihrer Umgebung finden. Der Prozess findet in vielen Bakterien und in einer anderen Gruppe von Organismen statt, die als Archaeen bekannt sind. Die Lebensformen, die diese Methode zur Energiegewinnung nutzen, sind in einer Vielzahl von Umgebungen zu finden, darunter im Boden, im Darm von Säugetieren, in Erdölvorkommen und unter extremen Bedingungen, wie etwa in der Nähe von hydrothermalen Quellen am Meeresboden. Sie sind an Umstände angepasst, die vor Milliarden von Jahren alltäglich gewesen sein mögen, was einige Wissenschaftler zu der Theorie veranlasst, dass sie direkte Nachkommen des frühesten Lebens auf der Erde sein könnten.
Methoden
Organismen, die ihre eigene Nahrung aus anorganischen Chemikalien herstellen, anstatt bereits vorhandenes organisches Material zu verwenden, werden als Autotrophe bezeichnet. Die Lebensmittel bestehen aus Kohlenhydraten wie Glukose, für deren Herstellung jedoch Energie benötigt wird. Wo Sonnenlicht verfügbar ist, nutzen Autotrophe es im Allgemeinen für die Photosynthese, aber an Orten, die kein Licht erreichen, haben sich verschiedene Arten entwickelt, die stattdessen chemische Energie verwenden. Die Lebensformen, die dies tun, werden als Chemautotrophe bezeichnet. Abhängig von den Bedingungen und den verfügbaren Chemikalien haben sich eine Reihe verschiedener Methoden entwickelt.
Die Chemosynthese verwendet Oxidations-Reduktions-Reaktionen, auch Redox-Reaktionen genannt, um die Energie bereitzustellen, die zur Herstellung von Kohlenhydraten aus Kohlendioxid und Wasser benötigt wird. Diese Art von Reaktion beinhaltet den Verlust von Elektronen von einer Substanz und die Anlagerung von Elektronen an eine andere. Der die Elektronen aufnehmende Stoff – meist Sauerstoff – soll reduziert worden sein, der Elektronenliefernde hingegen oxidiert. Die Reduktion erfordert Energie, aber die Oxidation setzt sie frei. Die beiden Reaktionen laufen immer zusammen ab, aber diejenigen, die in der Chemosynthese verwendet werden, führen zu einer Gesamtenergiefreisetzung.
Wie bei der Photosynthese sind die eigentlichen Reaktionen sehr komplex und umfassen mehrere Schritte, aber sie lassen sich in Bezug auf die Rohstoffe und die Endprodukte zusammenfassen, von denen eines die Nahrung in Form eines Kohlenhydrats sein wird. Wo Sulfide verfügbar sind, können sie oxidiert werden, wodurch Schwefel oder Sulfate entstehen. Eisen kann auch oxidiert werden, von einer Form, die als Eisen II bekannt ist, zu Eisen III, das ein Elektron weniger hat. Methan, das mancherorts als Erdgas vorhanden ist, kann für einige Mikroorganismen sowohl Energie- als auch Kohlenstoffquelle sein und ist auch ein Nebenprodukt der Chemosynthese einiger anderer Organismen. Die Oxidation von Ammoniak zu Nitriten und Nitraten ist eine weitere Methode, die einigen Lebensformen Energie liefert.
Viele der Organismen, die Chemosynthese zur Herstellung von Nahrungsmitteln verwenden, leben in Umgebungen mit extremen Temperaturen, Drücken, Salzgehalt oder anderen Bedingungen, die dem meisten Leben feindlich gegenüberstehen. Diese werden als Extremophile bezeichnet. Sie verfügen über verschiedene Anpassungen, die ihnen das Überleben ermöglichen, wie zum Beispiel ungewöhnliche Enzyme, die durch hohe Temperaturen nicht deaktiviert werden.
Environments
Hydrothermale Quellen gehören zu den bemerkenswertesten Umgebungen des Planeten. Sie bestehen aus Strömen von heißem, chemikalienreichem Wasser, das in geologisch aktiven Gebieten wie den mittelozeanischen Rücken aus dem Meeresboden strömt. Obwohl sie scheinbar lebensfeindlich scheinen, ohne Licht, Temperaturen von bis zu 212 °C (100 °F) und voller Chemikalien, die für die meisten Lebensformen giftig sind, haben sie blühende und vielfältige Ökosysteme, die von chemosynthetischen Mikroorganismen unterstützt werden. Diese Mikroben bestehen aus Bakterien und auch Archaeen, einer sehr alten Gruppe von Organismen, die oberflächlich ähnlich, aber chemisch und genetisch sehr unterschiedlich sind.
Das heiße Wasser, das von hydrothermalen Quellen produziert wird, ist sehr reich an Sulfiden, die die Mikroben für die Chemosynthese verwenden und manchmal Methan als Nebenprodukt freisetzen. Die Mikroorganismen, die dieses Gas produzieren, werden als Methanogene bezeichnet. Andere chemosynthetische Mikroben in dieser Umgebung gewinnen Energie durch die Oxidation von Methan und wandeln dabei Sulfat in Sulfid um. Die Methanoxidation findet auch in Gebieten statt, in denen Erdöl – eine Mischung aus Kohlenwasserstoffen einschließlich Methan – nach oben in den Meeresboden sickert.
Die Ökologien rund um Tiefseequellen sind viel reichhaltiger als diejenigen, die weiter von solchen chemischen Quellen entfernt sind, die ausschließlich von totem organischem Material überleben müssen, das langsam aus dem darüber liegenden Wasser herabsteigt. Chemosynthetische Lebensformen bilden nicht nur die Grundlage für größere Gemeinschaften von Organismen, die die Mikroben zum Überleben verbrauchen, sondern bilden auch wichtige symbiotische Beziehungen mit anderen Organismen. Ein interessantes Beispiel ist der Röhrenwurm, der sein Leben mit einem Mund und Darm beginnt, mit dem er riesige Mengen chemosynthetischer Bakterien aufnimmt. Zu einem späteren Zeitpunkt verliert es seinen Mund und überlebt weiterhin, indem es die von seinen inneren Bakterien produzierte Nahrung zu sich nimmt.
Chemosynthetische extremophile Mikroorganismen wurden in heißen Quellen gefunden, wo sie durch die Oxidation von Schwefel oder Ammoniak überleben, und in Gesteinen tief unter der Oberfläche, wo sie durch Oxidation von Eisen Energie gewinnen. Die Chemosynthese findet auch an bekannteren Orten statt. Im Boden beispielsweise wandeln nitrifizierende Bakterien Ammoniak in Nitrite und Nitrate um, während methanbildende Archaeen in Sümpfen und Sümpfen, in Abwässern und im Darm von Säugetieren vorkommen.
Bedeutung und Einsatzmöglichkeiten
Nitrifizierende Bakterien im Boden liefern nutzbaren Stickstoff für Pflanzen und sind ein wesentlicher Bestandteil des Stickstoffkreislaufs – ohne sie könnten Pflanzen und Tiere nicht existieren. Es ist sehr gut möglich, dass die frühesten Lebensformen die Chemosynthese nutzten, um organische Verbindungen aus anorganischen zu bilden, und so können diese Prozesse für die Etablierung des Lebens auf der Erde verantwortlich sein. Wissenschaftler haben eine Reihe von Möglichkeiten vorgeschlagen, wie Chemautotrophe sinnvoll eingesetzt werden könnten. Sie könnten beispielsweise verwendet werden, um Methan als Treibstoff zu erzeugen. Da viele dieser Organismen von Chemikalien leben, die für den Menschen giftig sind und harmlose Nebenprodukte freisetzen, können sie auch zur Entgiftung bestimmter giftiger Abfälle verwendet werden.
Chemosynthese und andere Planeten
Die Fähigkeit einiger chemosynthetischer Organismen, unter extremen Bedingungen zu gedeihen, hat einige Wissenschaftler vermuten lassen, dass solche Lebensformen auf anderen Planeten existieren könnten, in Umgebungen, die für bekanntere Lebensformen nicht geeignet wären. Experimente deuten darauf hin, dass einige chemosynthetische Organismen in der Lage sein könnten, unter der Oberfläche des Mars zu überleben und zu wachsen, und es wurde spekuliert, dass Spuren von Methan in der Marsatmosphäre das Ergebnis der Aktivität methanogener Mikroorganismen sein könnten. Ein weiterer möglicher Ort für außerirdisches Leben ist der eisbedeckte Mond des Jupiter, Europa, wo angenommen wird, dass flüssiges Wasser unter der Oberfläche existiert.