כימוסינתזה

כימוסינתזה (באנגלית: Chemosynthesis) הוא תהליך המתרחש אצל יצורים חיים, אשר נמצאים במעמקי הים, ואינם יכולים לקיים פוטוסינתזה משום שלא מגיע אליהם אור או בגלל רעלים המצויים במים. בדומה לפוטוסינתזה, מיוחס גם תהליך הכימוסינתזה ליצורים אוטוטרופים (יצרנים ראשוניים) - אשר מייצרים את מזונם בעצמם (בניגוד ליצורים הטרוטרופים אשר אינם מסוגלים להפיק את מזונם בעצמם). כמו בתהליך פוטוסינתזה, גם הכימוסיתנזה מתבססת על הפיכת חומרים אי-אורגנים לחומרים אורגניים (מולקולות סוכר). סוכרים הם הבסיס לחיים לכלל היצורים החיים, אך לאורגניזמים שונים דרכים שונות לצרוך את הסוכרים. בניגוד לפוטוסינתזה, אשר מתקיימת בתוך הכלורופלסט ומונעת על ידי אנרגיה המגיעה מאור השמש ומתבצעת אצל יצורים פוטואוטוטרופים (Photoautotrophs). את תהליך הכימוסינתזה מקיימים חיידקים על ידי ניצול אנרגיה כימית ותיווך של תגובות כימיות ליצירת מזון, חיידקים אלו נחשבים כמואוטוטרופים (Chemoautotrophs). חיידקים כימוסינתטיים חיים על קרקעית הים או מתחתיו, ואפילו בתוך גופם של אורגניזמים אחרים כסימביונטים. כיום, קיים חוסר ידע בנוגע להתפלגות המרחבית של הכימוסינתזה בין סוגים שונים של מערכות אקולוגיות וגודל התרומה שלה לייצור הראשוני הכולל. מקור השם הוא בלטינית ומשמעותו הוא: כימו=כימי, סינתזה=הרכבה. כלומר, שימוש בתגובות כימיות לאנרגיה. במעמקי הים קיימים יצורים אשר חיים בסמביוזה (תועלת הדדית) עם חיידקים כימוסינתטיים, כגון: תולעי רפטיה, צדפות, חלזונות ים וחסילונים. יצורים אלו משמשים מזון ליצורים שנמצאים גבוה מהם בשרשרת המזון. בעצם קיומם של החיידקים הכימוסנתטים הם מהווים את הבסיס לשרשרת המזון ומאפשרים את קיום החיים במעמקי הים. בעבר, נפוצה הייתה ההשערה כי גם אורגניזמים החיים במעמקי הים ניזונים משרידי צמחים שגדלים סמוך לפני המים בעזרת אור שמש ויורדים אל העומק. השערה זאת אינה עולה בקנה אחד עם העובדה שקיימת צפיפות אורגניזמים גדולה באזורים של נביעות הידרותרמיות. באזורים אלו המים עשירים בתמיסות מינרלים אשר מזינים את החיידקים הכימוסינתטיים ולכן הם מסוגלים להתרבות ולהזין אורגניזמים אשר משמשים כמזון לאורגניזמים אחרים על פי שרשרת המזון, מה שגורם לאזורי נביעות הידרותרמיות להיות עשירים בביומסה גבוהה בניגוד לפיזור הדליל של בעלי חיים באזורים אשר הם תלויים בהם במזון שיורד מפני הים. תגובה נפוצה לתהליך כימוסינתטי היא: co 2 + o 2 + 4 H 2 S ⟶ CH 2 O + 4 S + 3 H 2 O {\displaystyle {\ce {co2+o2+4H2S -> CH2O + 4S +3H2O}}} בתגובה זו החיידקים הכימוסינתטיים משתמשים במימן גופריתי ( H 2 S {\displaystyle {\ce {H2S}}} ), פחמן דו-חמצני וחמצן על מנת ליצר חד-סוכר פשוט (פורמאלדהיד). כמו כן, כימוסינתזה יכולה לייצר אנרגיה גם מאמוניה, מימן ועוד. בשנת 1986 התגלתה על ידי כריסטיאן לאסקו מערה בקונסטנצה, רומניה, אשר נקראת מערת מוביל, ובה נמצא ריכוז גבוה של מימן גופרתי ופחמן דו-חמצני, אך מנגד כמות נמוכה ביותר של חמצן. במערה נמצאו צורות חיים שהופרדו מן העולם החיצון במשך 5.5 מיליון שנים לערך, במערכה זו התגלו 48 זנים שונים, ביניהם עלוקות, עכבישים ועקרבניים. שרשרת המזון במערה מתבססת על כימוסינתזה: מתאן וגופרית מספקים מזון לבקטריות, הן בתורן מפרישות חומרים המועילים לפטריות ולבקטריות אחרות במערה והן משמשות מזון ליצורים חיים אחרים. ב-1977 נשלחה הצוללת האמריקנית אלווין DSV לחקור את אזור איי גלאפגוס הגעשיים. החוקרים בראשות רוברט בלארד גילו יצורים כימוסינתטיים אשר ניזונו ממתכות שהיו מצויות שם כתוצאה מפליטת מים חמים אשר עשירים במתכות ובמינרלים מסוג של נביעות הידרותרמיות המכונות מעשנות שחורות. ב-1969 נתגלה באזור פארק לאומי ילוסטון על ידי תומאס ברוק והדסון פריז מאוניברסיטת אינדיאנה מין חיידק תרמופילי אשר נקרא Thermophilus aquaticus. זהו חיידק אשר מהווה את המקור לאנזים Taq DNA פולימראז העמיד בחום וחי בטמפרטורה גבוהה מאוד. אחד האנזימים החשובים ביותר בביולוגיה המולקולרית בשל השימוש הנעשה בו בשיטת ה-PCR. חיידק זה הוא כימוטרופי אך מכיוון שהוא חי בסימביוזה עם כחוליות פוטוסינתטיות, לעיתים הוא משיג את האנרגה הדרושה לו מהפוטוסינתזה שלהן. קולין הייתה סטודנטית בשנה הראשונה בהרווארד כאשר מרידיט ג'והן (1926–1996), שהיה המרצה שלה, הזכיר באחת מסדרת ההרצאות שלו את תולעת הרפטיה אשר אין לה פה, בטן או דרך לקבל מזון ואשר מלאה בגבישי גופרית, קולין מיד ניחשה כי מדובר בחיידקים אשר חיים בתוך הרקמות של תולעת הרפטיה וממנה היא ניזונה. היא החלה לחקור את העניין על ידי אנליזות, בדיקות דנ"א, סריקת אלקטרונים, הולכת אלקטרונים עד אשר גילתה שאכן קיימות בקטריות אשר חיות בתוך הרפטיה ומייצרות אנרגיה ממימן גופרתי ובכך מזינות אותה. ישנן עדויות לכך שלפני התפתחות הפוטוסינתזה ואסון החמצן היו קיימים יצורים חיים שחיו על ידי כימוסינתזה. אחת העדויות לכך היא הימצאות גרפיט שסונתז לפני כ-3.7 מילארד שנים בתוך גופו של יצור חי והתגלה במערב גרינלנד. בנוסף, ב-2015 התגלו שרידי מיקרואורגניזמים שגילם עשוי להיות 4.28 מיליארדי שנים בנביעות הידרותרמיות בקרקעית האוקיינוס. https://www.pmel.noaa.gov/eoi/nemo/explorer/concepts/chemosynthesis.html https://www.youtube.com/watch?v=8W_ywzhkR90 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780124095489090540?via%3Dihub https://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/d1806?lang=en&region=IL https://www.britannica.com/video/179488/Movile-Cave-ecosystem-Romania https://eos.org/features/in-june-2014-the-deep-submergence-vehicle-dsv-alvin-the-worlds-first-deep-diving-sub-marine-dedicated-to-scientific-research-in-the-united-states-celebrated-its-50th-anniversary https://www.makorrishon.co.il/nrg/online/20/ART2/380/207.html https://davidson.weizmann.ac.il/online/askexpert/life_sci/איך-יש-חיים-בעומק-הים-החשוך-אלי https://davidson.weizmann.ac.il/online/askexpert/life_sci/איך-יש-חיים-בעומק-הים-החשוך-אלי https://www.youtube.com/watch?v=fOGEuhQPKvY https://www.nature.com/articles/s41598-017-04934-9.pdf https://www.nature.com/articles/srep46205.pdf https://www.nature.com/articles/s41598-017-14732-y.pdf https://www-scientificamerican-com.ezproxy.bgu.ac.il/index.cfm/_api/render/file/?method=inline&fileID=84618070-B5B5-49F0-98D0B99C02C3AF9B https://www.nature.com/articles/s41598-018-38070-9.pdf