Chemosynthese: es funktioniert auch ohne Licht
Vergleicht man Chemo- und Fotosynthese so funktioniert die Chemosynthese „ohne Licht“. Während bei der Fotosynthese mithilfe der Lichtenergie Wasser gespalten wird und die daraus gewonnenen Elektronen zur Erzeugung von ATP und NADPH+H+ verwendet werden, passiert dies in der Chemosynthese ohne den Einfluss von Lichtenergie.
Bakterien wie z.B. Schwefelbakterien sind zur Chemosynthese befähigt. So finden sich chemosynthetisch aktive Lebewesen in Habitaten, die oftmals lichtarm sind.
Chemosynthetisch aktive Lebewesen sind, ebenso wie Fotosynthese betreibende Vertreter, autotroph. Das heißt, sie können aus anorganischen, mineralischen Verbindungen Biomasse aufbauen. Sie werden auch als chemolithoautotroph bezeichnet.
Energiespender bzw. Elektronendonatoren sind in der Regel: H2S, NH3, Methan, H2 oder Eisen.
Schwefelbakterien
In Sümpfen oder wo sich deutliche Schlammablagerungen findet, kann man Schwefelgeruch wahrnehmen. Dieser Geruch rührt von H2S, Schwefelwasserstoff her.
Schwefelbakterien nutzen diesen nicht gerade ungiftigen Stoff als Energiequelle!
2 H2S + O2 ---> S2 + H2O
Beispiel: das Bakterium Thiothrix:
H2S + 0,5 O2 --- > S + H2O;
S + H2O +1,5 O2 -> SO42- +2 H+
∆G= -710 kJ/mol
Schwefel, der bei dieser Reaktion unter Sauerstoffverbrauch gebildet wird, kann abgegeben oder auch in den Schwefelbakterien ablagert werden.
Berühmt sich die Schwefelbakterien durch ihre Symbiose mit den Großen Röhrenwürmern (Riftia pachyptila)!
Schwefeloxidierende Bakterien
Eine der Schlüsselentdeckungen bei der Untersuchung der Chemosynthese ist die Symbiose der mund- und darmlosen Röhrenwürmer (Giant Tubeworm, Riftia pachyptila) mit schwefeloxidierenden Bakterien.
1981 wurde von Colleen Cavanaugh und Kollegen diese Zusammenarbeit von Schwefelbakterien und Großen Röhrenwürmern beschrieben. So besitzen die Röhrenwürmer kein Verdauungssystem. Die Frage stellt sich, wie sie an Nahrung herankommen. Man kann sich den Großen Röhrenwurm fast wie einen geschlossenen Sack vorstellen.
Das Habitat von Riftia sind „Black Smoker“, also unterseeische heiße Quellen mit Mineralstoff- und H2S-reichem Wasser. Der Röhrenwurm kann bis zu einem Meter lang werden. Charakteristisch ist ein rotes, kiemenartiges Büschel, welches aus der weißen Röhre ragt. Hier kommt es zur Aufnahme von Sauerstoff, CO2 und Schwefelwasserstoff.
Unterhalb des Büschels befindet sich ein Muskelring (Vestimentum), mit dem der Wurm in seiner Röhre verankert ist. Ein ganz besonderes Organ des Röhrenwurms ist das Trophosom. Hier finden sich Schwefelbakterien, die den Wurm versorgen.
Über die Aufnahme an den Kiemenbüscheln gelangen CO2, O2 und H2S in das Köperinnere. Die Schwefelbakterien werden mit H2S versorgt, die Röhrenwürmer erhalten die Energie aus diesem Prozess.
So leben die Bakterien im Trophosom des Röhrenwurms. Sie betreiben folgende zweistufige Oxidationsreaktionen:
2 H2S + O2 ----> 2 H2O + 2 S ∆G = –420 kJ/mol
2S + 2 H2O + 3 O2 ----> 2 SO42‐ + 4 H+ ∆G = –988 kJ/mol
Die freiwerdende Energie (DG) von insgesamt –1408 kJ/mol wird unter anderem für die Bildung von ATP und NADPH+H+ genutzt.
In einer zweiten Synthesestufe (Calvin-Zyklus) erfolgt die Bildung von Speicherstoffen.
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