Quimiosíntesis: fases, organismos, diferencias con la fotosíntesis
La quimiosíntesis es un proceso biológico característico de ciertos organismos autótrofos que explotan la energía química para convertir sustancias inorgánicas en materia orgánica. Se diferencia de la fotosíntesis en que esta última utiliza la energía proveniente de la luz solar.
Los organismos capaces de realizar quimiosíntesis son, generalmente, procariotas como las bacterias y otros microorganismos como las arqueas, quienes extraen energía a partir de reacciones que involucran la oxidación de compuestos muy reducidos.
Los ejemplos más comunes de bacterias quimiosintéticas son las bacterias nitrificantes, que oxidan amonio para producir dióxido de nitrógeno, así como las bacterias de azufre, capaces de oxidar ácido sulfúrico, azufre y otros compuestos sulfurados.
Índice del artículo
- 1 Origen del concepto
- 2 Fases
- 3 Organismos quimiosintéticos
- 4 Diferencias con la fotosíntesis
- 5 Referencias
El microbiólogo Sergei Winogradsky, en 1890, fue el primer científico en hablar acerca de la posible existencia de los procesos quimiosintéticos, ya que asumió que debía existir un proceso similar al de la fotosíntesis que emplease una fuente de energía distinta a la luz del sol.
Sin embargo, el término “quimiosíntesis” fue acuñado en 1897 por Pfeffer. Las teorías de Winogradsky fueron comprobadas en 1977 durante la expedición realizada por el submarino “Alvin” hacia aguas profundas del océano, alrededor de las islas Galápagos.
En dicha expedición, los científicos a bordo del submarino descubrieron unos ecosistemas bacterianos que subsistían en presencia de materia inorgánica y otros en simbiosis con algunos animales marinos invertebrados.
En la actualidad, se conocen diversos ecosistemas quimiosintéticos en todo el mundo, especialmente asociados con ambientes marinos y oceánicos y, en menor proporción, con ecosistemas terrestres. En dichos ambientes, los microorganismos quimiosintéticos representan importantes productores primarios de materia orgánica.
La quimiosíntesis ocurre, casi siempre, en la interfase de medio ambientes aeróbicos y anaeróbicos, donde se concentran los productos finales de la descomposición anaeróbica y grandes cantidades de oxígeno.
Al igual que la fotosíntesis, la quimiosíntesis tiene unas fases bien definidas: una oxidativa y una biosintética. La primera emplea compuestos inorgánicos y durante la segunda se produce materia orgánica.
Durante esta primera fase y dependiendo del tipo de organismo que se considere, son oxidados distintos tipos de compuestos inorgánicos reducidos como el amoníaco, el azufre y sus derivados, el hierro, algunos derivados del nitrógeno, el hidrógeno, etc.
En esta fase, la oxidación de estos compuestos libera la energía que es aprovechada para la fosforilación de ADP, formándose ATP, una de las principales monedas energéticas de los seres vivos y, además, se genera poder reductor en forma de moléculas de NADH.
Una particularidad del proceso quimiosintético tiene que ver con que parte del ATP que se genera es empleado para propulsar el transporte inverso de la cadena de electrones, en aras de obtener mayor cantidad de agentes reductores en forma de NADH.
En resumen, esta etapa consiste en la formación de ATP a partir de la oxidación de los donadores de electrones apropiados, cuya energía biológicamente útil es empleada en la fase de biosíntesis.
La biosíntesis de materia orgánica (compuestos carbonados) ocurre gracias a la utilización de la energía contenida en los enlaces de alta energía del ATP y al poder reductor almacenado en las moléculas de NADH.
Esta segunda fase de la quimiosíntesis es “homóloga” a la que ocurre durante la fotosíntesis, puesto que se da la fijación de átomos de carbono en moléculas orgánicas.
En la misma, el dióxido de carbono (CO2) es fijado en forma de carbonos orgánicos, mientras que el ATP se convierte en ADP y fosfato inorgánico.
Existen diversos tipos de microorganismos quimiosintéticos, siendo algunos facultativos y otros obligados. Esto quiere decir que algunos dependen exclusivamente de la quimiosíntesis para la obtención de energía y materia orgánica, y otros lo hacen si el ambiente los condiciona.
Los microorganismos quimiosintéticos no son muy distintos de otros microorganismos, puesto que también obtienen energía de procesos de transporte de electrones donde están implicadas moléculas como las flavinas, las quinonas y los citocromos.
A partir de esta energía, son capaces de sintetizar los componentes celulares a partir de los azúcares que son sintetizados internamente gracias a la asimilación reductora de dióxido de carbono.
Algunos autores consideran que los organismos quimiosintéticos pueden dividirse en quimio-organoautótrofos y quimio-litoautótrofos, de acuerdo con el tipo de compuesto del que extraen energía, que puede ser orgánico o inorgánico, respectivamente.
En cuanto a procariotas se refiere, la mayor parte de los organismos quimiosintéticos son bacterias gramnegativas, usualmente del género Pseudomonas y otros relacionados. Entre estas se encuentran las:
– Bacterias nitrificantes.
– Bacterias capaces de oxidar azufre y compuestos sulfurados (Sulfur Bacteria).
– Bacterias capaces de oxidar hidrógeno (Hydrogen Bacteria).
– Bacterias capaces de oxidar hierro (Iron Bacteria).
Los microorganismos quimiosintéticos emplean un tipo de energía que se perdería en el sistema de la biosfera. Estos constituyen gran parte de la biodiversidad y la densidad poblacional de muchos ecosistemas donde la introducción de materia orgánica es muy limitada.
Su clasificación tiene que ver con los compuestos que son capaces de emplear como donadores de electrones.
Fueron descubiertas en 1890 por Winogradsky y algunos de los géneros descritos hasta ahora forman agregados que están rodeados por la misma membrana. Son comúnmente aisladas de ambientes terrestres.
La nitrificación implica la oxidación de amonio (NH4) a nitritos (NO2-) y de nitritos (NO2-) a nitratos (NO3-). Los dos grupos de bacterias que participan en este proceso, a menudo coexisten en el mismo hábitat para aprovechar ambos tipos de compuestos emplean CO2 como fuente de carbono.
Estas son bacterias capaces de oxidar compuestos sulfurados inorgánicos y depositar el azufre dentro de la célula en compartimentos específicos. Dentro de este grupo se clasifican algunas bacterias filamentosas y no filamentosas de diferentes géneros de bacterias facultativas y obligadas.
Estos organismos son capaces de utilizar los compuestos azufrados que son altamente tóxicos para la mayoría de los organismos.
El compuesto más comúnmente utilizado por este tipo de bacterias es el gas H2S (ácido sulfúrico). No obstante, también pueden emplear azufre elemental, tiosulfatos, politionatos, sulfuros metálicos y otras moléculas como donadores de electrones.
Algunas de estas bacterias ameritan pH ácidos para crecer, por lo que se conocen como bacterias acidófilas, mientras que otras pueden hacerlo a pH neutros, más cercanos a la “normalidad”.
Muchas de estas bacterias pueden formar “camas” o biopelículas en diferentes tipos de ambientes, pero especialmente en los drenajes de las industrias mineras, en aguas termales sulfuradas y en sedimentos oceánicos.
Usualmente se denominan bacterias incoloras, pues se diferencian de otras bacterias verdes y púrpuras que son fotoautótrofas en que no poseen pigmentos de ningún tipo, además de que no necesitan de la luz del sol.
En este grupo se encuentran las bacterias capaces de crecer en medios minerales con atmósferas ricas en hidrógeno y oxígeno y cuya única fuente de carbono es el dióxido de carbono.
Aquí se encuentran bacterias tanto gram negativas como gram positivas, capaces de crecer en condiciones heterotróficas y que pueden tener distintos tipos de metabolismos.
El hidrógeno se acumula a partir de la ruptura anaeróbica de moléculas orgánicas, lo que es conseguido por diferentes bacterias fermentativas. Este elemento es una fuente importante de las bacterias y las arqueas quimiosintéticas.
Los microorganismos capaces de emplearlo como donador de electrones lo hacen gracias a la presencia de una enzima hidrogenasa asociada con sus membranas, así como a la presencia de oxígeno como aceptor electrónico.
Este grupo de bacterias es capaz de emplear la energía generada de la oxidación del manganeso o del hierro en estado ferroso a su estado férrico. También incluye bacterias capaces de crecer en presencia de tiosulfatos como donadores inorgánicos de hidrógeno.
Desde el punto de vista ecológico, las bacterias oxidantes de hierro y magnesio son importantes para la desintoxicación del medio ambiente, puesto que disminuyen la concentración de los metales tóxicos disueltos.
Además de las bacterias de vida libre, existen algunos animales invertebrados que habitan en ambientes inhóspitos y que se asocian con determinados tipos de bacterias quimiosintéticas para sobrevivir.
El descubrimiento de los primeros simbiontes ocurrió tras el estudio de un gusano de tubo gigante, Riftia pachyptila, carente de tubo digestivo y que obtiene la energía vital a partir de las reacciones realizadas por las bacterias con las que se asocia.
La característica más distintiva de los organismos quimiosintéticos es que estos combinan la capacidad de emplear compuestos inorgánicos para ganar energía y poder reductor, así como fijar efectivamente moléculas de dióxido de carbono. Algo que puede ocurrir en ausencia total de luz solar.
La fotosíntesis es realizada por las plantas, las algas y por algunas clases de bacterias y protozoarios. Emplea la energía proveniente de la luz solar para propulsar la transformación del dióxido de carbono y el agua (fotólisis) en oxígeno y carbohidratos, a través de la producción de ATP y NADH.
La quimiosíntesis, por el contrario, explota la energía química liberada a partir de reacciones de óxido-reducción para fijar moléculas de dióxido de carbono y producir azúcares y agua gracias a la obtención de energía en forma de ATP y poder reductor.
En la quimiosíntesis, a diferencia de la fotosíntesis, no están involucrados ningún tipo de pigmentos y no se produce oxígeno como un producto secundario.
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