Kemosyntes är en process som vissa organismer använder för att få energi för produktion av mat, liknande fotosyntes, men utan användning av solljus. Energin kommer från oxidation av oorganiska kemikalier som organismerna hittar i sin miljö. Processen sker i många bakterier och i en annan grupp av organismer som kallas archaea. De livsformer som använder denna metod för att erhålla energi finns i en mängd olika miljöer, inklusive jord, tarmarna hos däggdjur, petroleumavlagringar och under extrema förhållanden, såsom runt hydrotermiska öppningar på havsbotten. De är anpassade till omständigheter som kan ha varit vanliga för miljarder år sedan, vilket leder till att vissa forskare tror att de kan vara direkta ättlingar till det tidigaste livet på jorden.
Metoder
Organismer som gör sin egen mat av oorganiska kemikalier, i motsats till att använda redan existerande organiska material, kallas autotrofer. Maten består av kolhydrater, till exempel glukos, men dessa kräver energi att tillverka. Där solljus är tillgängligt kommer autotrofer i allmänhet att använda det för att utföra fotosyntes, men på platser där inget ljus når fram har olika typer utvecklats som istället använder kemisk energi. De livsformer som gör detta är kända som chemautotrofer. En rad olika metoder har uppkommit, bestämt av förutsättningarna och de kemikalier som finns tillgängliga.
Kemosyntes använder oxidations-reduktionsreaktioner, även kända som redoxreaktioner, för att tillföra den energi som krävs för att tillverka kolhydrater av koldioxid och vatten. Denna typ av reaktion innebär förlust av elektroner från ett ämne och tillsats av elektroner till ett annat. Ämnet som tar emot elektronerna – vanligtvis syre – sägs ha reducerats, medan den som levererar dem har oxiderats. Reduktion kräver energi, men oxidation frigör den. De två reaktionerna sker alltid tillsammans, men de som används i kemosyntesen resulterar i en total frisättning av energi.
Liksom vid fotosyntes är de faktiska reaktionerna mycket komplexa och involverar ett antal steg, men de kan sammanfattas i termer av råvaror och slutprodukter, varav en kommer att vara mat i form av någon form av kolhydrat. Där sulfider är tillgängliga kan de oxideras och producera svavel eller sulfater. Järn kan också oxideras, från en form som kallas järn II till järn III, som har en elektron mindre. Metan, som finns på vissa ställen som naturgas, kan vara en källa till både energi och kol för vissa mikroorganismer, och är också en biprodukt av kemosyntes av vissa andra organismer. Oxidationen av ammoniak till nitriter och nitrater är en annan metod som ger energi till vissa livsformer.
Många av de organismer som använder kemosyntes för att tillverka mat lever i miljöer med extrema temperaturer, tryck, salthalt eller andra förhållanden som är fientliga mot det mesta livet. Dessa är kända som extremofiler. De har olika anpassningar som gör att de kan överleva, till exempel ovanliga enzymer som inte avaktiveras av höga temperaturer.
Miljöer
Hydrotermiska ventiler är bland planetens mest anmärkningsvärda miljöer. De består av strömmar av hett, kemikalierikt vatten som rinner ut från havsbotten i geologiskt aktiva områden, såsom åsar i mitten av havet. Även om de verkar vara livsfientliga, utan ljus, temperaturer som närmar sig 212°F (100°C) och fulla av kemikalier som är giftiga för de flesta livsformer, har de blomstrande och mångsidiga ekosystem som stöds av kemosyntetiska mikroorganismer. Dessa mikrober består av bakterier, och även archaea, en mycket uråldrig grupp av organismer som är ytligt lika, men kemiskt och genetiskt mycket olika.
Det varma vattnet som produceras av hydrotermiska ventiler är mycket rikt på sulfider, som mikroberna använder för kemosyntes, och ibland släpper det ut metan som en biprodukt. Mikroorganismerna som producerar denna gas är kända som metanogener. Andra kemosyntetiska mikrober i denna miljö får energi genom oxidation av metan, och omvandlar sulfat till sulfid i processen. Metanoxidation sker också i områden där petroleum – en blandning av kolväten inklusive metan – sipprar uppåt i havsbotten.
Ekologierna kring djuphavsöppningarna är mycket rikare än de som är längre bort från sådana kemiska källor, som måste överleva enbart på dött organiskt material som sakta sjunker från vattnet ovanför. Kemosyntetiska livsformer utgör inte bara grunden för att större samhällen av organismer som konsumerar mikroberna ska överleva, utan bildar också viktiga symbiotiska relationer med andra organismer. Ett intressant exempel är tubmasken, som startar livet med en mun och tarm, som den använder för att ta in enorma mängder kemosyntetiska bakterier. I ett senare skede tappar den munnen och fortsätter att överleva genom att konsumera den mat som produceras av dess inre bakterier.
Kemosyntetiska extremofila mikroorganismer har hittats i varma källor, där de överlever genom oxidation av svavel eller ammoniak, och i bergarter djupt under ytan, där de får energi genom att oxidera järn. Kemosyntes sker också på mer bekanta platser. I marken omvandlar till exempel nitrifierande bakterier ammoniak till nitriter och nitrater, medan metanalstrande arkéer kan hittas i kärr och träsk, i avloppsvatten och i tarmarna hos däggdjur.
Betydelse och möjliga användningsområden
Nitrifierande bakterier i marken ger användbar kväve för växter och är en avgörande del av kvävets kretslopp – utan dem skulle växter och djur inte kunna existera. Det är mycket möjligt att de tidigaste livsformerna använde kemosyntes för att skapa organiska föreningar av oorganiska, och så dessa processer kan vara ansvariga för etableringen av liv på jorden. Forskare har föreslagit ett antal sätt på vilka kemautotrofer kan komma till god användning. De skulle till exempel kunna användas för att generera metan för bränsle. Eftersom många av dessa organismer lever på kemikalier som är giftiga för människor och frigör ofarliga biprodukter, kan de också användas för att avgifta vissa typer av giftigt avfall.
Kemosyntes och andra planeter
Förmågan hos vissa kemosyntetiska organismer att frodas under extrema förhållanden har lett till att vissa forskare föreslår att sådana livsformer kan existera på andra planeter, i miljöer som inte skulle vara lämpliga för mer välbekanta typer av liv. Experiment tyder på att vissa kemosyntetiska organismer skulle kunna överleva och växa under Mars yta, och det har spekulerats i att spår av metan som finns i Mars atmosfär kan vara resultatet av aktivitet av metanogena mikroorganismer. En annan möjlig plats för utomjordiskt liv är Jupiters istäckta måne, Europa, där flytande vatten tros finnas under ytan.