Kemosentez Nedir? Kimyasal Enerjiyle Besin Üretimi

Kemosentezin tanımı ve temel amacı

Kemosentez, bazı bakteri ve arkelerin inorganik maddelerden elde ettiği kimyasal enerjiyi kullanarak inorganik karbon kaynaklarından organik besin üretmesidir. Sürecin temel amacı, canlı hücresinin ihtiyaç duyduğu organik molekülleri dışarıdan hazır almak yerine kendi içinde sentezlemektir. Bu yönüyle kemosentez, fotosentez gibi ototrof beslenme biçimidir. İki olayda da karbon kaynağı olarak inorganik karbon kullanılabilir ve sonuçta glikoz gibi karmaşık organik moleküller üretilebilir; temel fark, enerjinin nereden geldiğidir.

Kemosentezde ışık, klorofil ya da başka bir ışık yakalayıcı pigment enerji kaynağı olarak kullanılmaz. Canlı önce çevresinde bulunan uygun bir inorganik maddeyi oksitleyerek enerji açığa çıkarır. Daha sonra bu enerjiyi, karbon dioksit gibi inorganik karbon kaynaklarından organik besin oluşturmak için kullanır. Örneğin hidrojen sülfürün bulunduğu ve güneş ışığının ulaşmadığı derin deniz ortamlarında yaşayan bazı kemosentetik bakteriler, bu maddeden enerji elde ederek kendi organik besinlerini üretebilir. Böylece ışığa dayalı üretimin mümkün olmadığı bir ortamda da besin üretimi gerçekleşir.

İnorganik maddelerin oksidasyonundan enerji elde edilmesi

Kemosentezde enerji, inorganik maddelerin oksidasyonu sırasında açığa çıkan kimyasal enerjiden sağlanır. Oksidasyon, lise düzeyinde bir maddenin elektron vermesi ya da yükseltgenmesi olarak düşünülebilir. Kemosentetik canlı, çevresindeki uygun inorganik maddeyi hücresel tepkimelerle daha kararlı bir ürüne dönüştürürken açığa çıkan enerjiyi hücre içinde kullanılabilir hâle getirir. Bu enerji, sonraki aşamada organik besin sentezini yürütmek için kullanılır.

Enerji kaynağı canlı türüne ve yaşadığı ortama göre değişebilir. Amonyak, nitrit, hidrojen sülfür, hidrojen ve bazı demir bileşikleri bu amaçla kullanılabilen inorganik maddelere örnektir. Örneğin bazı canlılar amonyağın daha oksitlenmiş bir azot bileşiğine dönüşmesi sırasında ortaya çıkan enerjiden yararlanırken bazıları nitriti oksitleyebilir. Hidrojen sülfür kullanan bir kemosentetik canlı için enerji kaynağı, bu bileşiğin oksitlenmesidir; enerji doğrudan hidrojen sülfür molekülünün kendisinden değil, onun oksidasyon sürecinden elde edilir.

Bu aşama fotosentezden ayrılan temel noktadır. Fotosentezde enerji ışığın soğurulmasıyla sağlanırken kemosentezde enerji, ışık bulunmasa da gerçekleşebilen kimyasal oksidasyonlardan gelir. Enerji kaynaklarının çeşitliliği hakkında daha kısa bir sınıflandırma için alternatif enerji kaynakları konusuna bakılabilir.

Elde edilen enerjiyle organik besin sentezi

Kemosentezde inorganik maddenin oksidasyonu ile besin üretimi aynı olayın tek ve eş zamanlı bir adımı değildir. İlk aşamada kimyasal enerji açığa çıkarılır ve hücre bu enerjiyi kullanabileceği bir biçimde değerlendirir. İkinci aşamada elde edilen enerji, inorganik karbonun organik bileşiklere dönüştürülmesinde kullanılır. Böylece hücre; büyüme, onarım, çoğalma ve diğer yaşamsal faaliyetleri için gerekli organik maddeleri üretir.

Organik besin sentezinde karbon kaynağı ile enerji kaynağı birbirinden farklıdır. Karbon kaynağı çoğunlukla karbon dioksit gibi inorganik bir maddeyken enerji kaynağı, amonyak veya hidrojen sülfür gibi başka bir inorganik maddenin oksidasyonundan sağlanabilir. Üretilen organik maddeler arasında glikoz gibi enerji bakımından zengin moleküller bulunabilir. Bu moleküller yalnızca kemosentez yapan canlının kendi hücresel faaliyetlerinde kullanılmaz; canlı ya da cansız organik maddeler aracılığıyla ekosistemdeki diğer canlılara da enerji aktarımının başlangıç noktası olabilir.

Örneğin hidrojen sülfür bulunan karanlık bir ortamda yaşayan kemosentetik bakteri, önce hidrojen sülfürün oksidasyonundan enerji kazanır. Ardından bu enerjiyi kullanarak karbon dioksitten organik besin üretir. Bu örnekte hidrojen sülfür karbon kaynağı değil, enerji kaynağıdır; karbon dioksit ise organik molekülün karbon iskeletinin oluşmasına katkı sağlayan kaynaktır. Bu ayrım, kemosentezi doğru açıklamak için önemlidir.

Kemosentez yapan canlılar ve genel özellikleri

Kemosentez, çoğunlukla bazı bakteri ve arke gruplarında görülen bir beslenme biçimidir. Bu canlılar kemosentetik ototroflar ya da kemoototroflar olarak adlandırılır. Kendi organik besinlerini ürettikleri için üretici canlı kabul edilirler; fakat üretim için güneş ışığına ihtiyaç duymazlar. Enerji elde edebilmeleri, yaşadıkları ortamda oksitlenebilecek uygun bir inorganik maddenin bulunmasına bağlıdır.

Kemosentetik canlılar ışığın az olduğu veya hiç bulunmadığı karanlık mağaralar, derin deniz tabanları ve hidrotermal bacaların çevresi gibi ortamlarda yaşayabilir. Bu ortamlarda ışığa dayalı üretim sınırlı olduğundan, kimyasal enerji kullanan üreticiler besin oluşumunun başlangıç noktası olabilir. Bazı türler azot bileşiklerini, bazıları kükürt bileşiklerini, hidrojen ya da demir içeren inorganik maddeleri enerji elde etmek için kullanır. Ayrıntılı biyokimyasal tepkime mekanizmaları ise ayrı bir konunun kapsamındadır.

Kullanılan inorganik maddelere göre temel kemosentez örnekleri

Kemosentetik canlılar kullandıkları inorganik enerji kaynaklarına göre farklı gruplara ayrılabilir. Amonyak oksitleyen canlılar, amonyağın daha oksitlenmiş azot bileşiklerine dönüşmesi sırasında açığa çıkan enerjiden yararlanır. Nitrit oksitleyen canlılar ise nitriti daha ileri derecede oksitlenmiş bir azot bileşiğine dönüştürürken enerji elde eder. Bu canlılar azot içeren maddelerin çevredeki dönüşümünde görev alır.

Hidrojen sülfür oksitleyen canlılar özellikle kükürt bakımından zengin ortamlarda önemlidir. Hidrojen sülfürün oksidasyonu sırasında açığa çıkan kimyasal enerji, organik besin sentezinde kullanılır. Bazı canlılar moleküler hidrojeni, bazıları da demir içeren bileşikleri oksitleyerek enerji elde edebilir. Bu örneklerin ortak özelliği, enerji kaynağının ışık değil, bir inorganik maddenin elektron vermesiyle gerçekleşen oksidasyon olmasıdır.

Bu maddelerin her biri her kemosentetik canlı tarafından kullanılmaz. Canlının sahip olduğu enzimler, ortamın kimyasal özellikleri ve oksitlenebilecek maddelerin bulunması hangi enerji kaynağından yararlanılacağını belirler. Bu nedenle kemosentez tek bir maddeye bağlı tek tip bir olay değil, farklı inorganik kaynakların kullanılabildiği genel bir besin üretme biçimidir.

Kemosentez ile fotosentezin karşılaştırılması

Kemosentez ve fotosentez, canlıların kendi organik besinlerini üretmesi bakımından ortak özellik taşır. Her iki süreçte de ototrof canlılar inorganik karbonu kullanarak glikoz gibi organik moleküller sentezleyebilir. Ancak enerji kaynağı bakımından ayrılırlar: fotosentezde enerji güneş ışığından, kemosentezde ise inorganik maddelerin oksidasyonundan sağlanır. Fotosentez yapan canlıların çoğunda ışığı yakalamaya yardım eden pigmentler bulunurken kemosentez için klorofil kullanılması zorunlu değildir.

Gerçekleşme ortamları da farklı olabilir. Bitkiler, algler ve fotosentetik bakteriler ışığın bulunduğu ortamlarda fotosentez yapar. Kemosentetik bakteriler ise karanlık mağaralar ya da okyanus tabanındaki hidrotermal bacalar gibi güneş ışığının ulaşmadığı ortamlarda üretim yapabilir. Buna rağmen kemosentez yapan canlıların da ışığa hiç ihtiyaç duymadığı söylenirken, yaşamsal süreçleri için enerjiye ihtiyaç duymadıkları düşünülmemelidir; onlar enerjiyi kimyasal oksidasyonlardan sağlar. Fotosentezde ışık enerjisi kimyasal enerjiye dönüştürülür, kemosentezde ise inorganik maddelerin kimyasal enerjisi doğrudan üretim sürecinin enerji kaynağı olur.

Kemosentezin ekolojik ve madde döngülerindeki önemi

Kemosentez yapan canlılar, ışığın ulaşmadığı ortamlarda organik besin üretilebilmesini sağlar. Bu canlılar üretici oldukları için kendileriyle beslenen ya da onların oluşturduğu organik maddelerden yararlanan canlılara enerji aktarımının başlangıcını oluşturabilir. Örneğin hidrotermal bacaların çevresinde hidrojen sülfür kullanan kemosentetik bakteriler, güneş ışığına dayanmayan bir ekosistemin temel üreticileri olabilir. Bu ortamların ayrıntılı ekosistem yapısı ve besin zincirleri ayrı bir başlıkta incelenir.

Kemosentezin madde döngülerine katkısı

Kemosentetik canlılar, kullandıkları inorganik maddeleri başka kimyasal biçimlere dönüştürdükleri için madde döngülerinde görev alır. Amonyak ve nitrit gibi azot bileşiklerinin oksidasyonunda rol alan canlılar, azotlu maddelerin çevredeki dönüşümüne katkı verir. Hidrojen sülfür kullanan canlılar da kükürt bileşiklerinin dönüşümünde etkilidir. Böylece kemosentez yalnızca tek bir canlının besin üretmesini değil, çevredeki maddelerin yeniden kullanılabilir hâle gelmesini de destekler.

Bu katkı özellikle güneş ışığının sınırlı olduğu ortamlarda belirgindir. Yüzeyde fotosentezle başlayan üretime alternatif olarak kemosentetik üretim, derin ve karanlık ortamlarda enerji akışının sürmesine yardımcı olur. Azot döngüsünün ayrıntılı basamakları, bu canlıların gerçekleştirdiği dönüşümlerin tamamını açıklayan ayrı bir konudur.