Жизнь на хемосинтезе

[незлой]

Фишка в том, что эта пещера содержит уникальную экосистему, существовавшую и развивавшуюся последние предположительно 5 миллионов лет без связи с дневной поверхностью за счет хемосинтеза – причем не из одних микроорганизмов, как можно было бы предположить. В замкнутом каменном мешке площадью около 1200 м² было обнаружено 46 видов наземных и водных беспозвоночных, из них 33 – эндемичные, ранее неизвестные и нигде более не встречающиеся. Среди них членистоногие, пиявки и моллюски, не говоря уж о всяких коловратках и нематодах.

В самом низу мовильской пищевой цепи стоят автотрофные бактерии – здесь они выполняют ту же роль, что растения на поверхности – то есть превращают минералы в органику, только не за счет солнечного света, а окисляя сероводород. В результате цикла органических реакций сера выпадает в осадок, а микроорганизмы получают энергию для синтеза органики из углекислого газа и воды.


Эти автотрофные бактерии служат источником пищи для других, гетеротрофных, бактерий и грибов. Все вместе они образуют бактериальные маты и пленки, покрывающие стены гротов и поверхность воды, особенно в третьем, дальнем воздушном колоколе, где атмосфера наиболее "неземная", и служат пищей для местной "травоядной" фауны – изопод, коллембол, мокриц, ложноскорпионов, на которых охотятся хищники – 5-сантиметровые многоножки и пауки. А под водой, с нижней стороны бактериальной пленки – своя пищевая пирамида: черви, ракообразные, улитки и верховные хищники – пиявки с водяными скорпионами.

(у харитоноффа)

[вячеслав27]

Пещера совершенно изолирована от внешнего мира и просуществовала в таком состоянии около пяти миллионов лет, пишет Science Daily.
Здесь ученые обнаружили восемь прежде неизвестных науке животных - четыре пресноводных и морских ракообразных и четыре сухопутных вида. Они имеют определенное родство с известными видами, но сильно отличаются от них, что уже подтверждено генетической экспертизой. В пещере также нашли новый вид бактерий, которые служат низшим звеном в пищевой цепочке существующей на протяжении миллионов лет экосистемы. У всех найденных животных отсутствуют глаза. По мнению ученых, это говорит о том, что эволюция обитателей пещеры происходила своим собственным путем.

http://lenta.ru/news/2006/06/01/cave/

[вячеслав27]

В пещере идут и микробиологические процессы. Здесь живут бактерии, окисляющие сероводород и получающие таким образом необходимую им энергию. Побочный продукт этого процесса — опять-таки серная кислота. Анализ показал, что слизистые сталактиты состоят из десятков видов бактерий со склеенными их слизью кристаллами слизи и гипса. Кроме того, в этой слизи живут мелкие клещи и черви, питающиеся бактериями. На стенах, также покрытых слизью, живут личинки мошек. Этих насекомых так много в воздухе пещеры, что их гудение напоминает громкую песню цикад.

http://www.nkj.ru/archive/articles/9084/

[Константин ВАРБ]

Может ли на основе хемосинтеза (без источников света) сложиться пищевая цепочка вплоть до разумных существ? И как она будет выглядеть?

Богатство северных морей во многом обеспечивается именно хемосинтезом.

Соответственно выглядеть биосфера будет так: оазисы на границах конвективных ячеек и биопустыня внутри их.

При достаточно разнообразном их составе например при серьёзной гидросфере с плотной атмосферой жизнь может достигать не только значительного разнообразия но и сложных форм.

Исследовать наши внешние планеты надо... 

[вячеслав27]

А как будет выглядеть жизнь на хемосинтезе внешне?

[Константин ВАРБ]

А как будет выглядеть жизнь на хемосинтезе внешне?

Это уж от условий среды зависит, а не от процентажа вклада фото и хемопродуцентов.

В условиях описанной выше океаниды (а в это понятие я вкладываю физический смысл: глубина гидросферы достаточна для вертикальной циркуляции океана) при плотной, желательно многослойной(!), атмосфере, магнитной активности и т.д. и т.п вполне может достигать высокоразумных форм, ну например парящих в атмосфере по химически активному аэростатному принципу  "медуз" с высокоценрализованной диффузной нервной системой и интеллектом многократно превышающий человеческий, с возможностями создания высокоразвитой цивилизации.

Сложная коварная среда будет требовать отбор высокого интеллекта.
Даже первичная пищевая база состоящая из атмосферных хемосинтетиков будет обладать достаточно сложными рефлексами.

То есть при выходе из океана в воздух, если условия воздушной среды  будут благоприятными, сложные формы, в том числе и появление сложных фотосинтетиков,  практически гарантировано.
Фотосинтез в таких системах тоже должен появляться.

Разумеется если под жизнью на хемосинтезе предполагать жизнь в глубинах Европы и Энцелада...
Ну если попали туда откуда-то бактерии, может где-то и выживают.

[вячеслав27]

В условиях описанной выше океаниды (а в это понятие я вкладываю физический смысл: глубина гидросферы достаточна для вертикальной циркуляции океана) при плотной, желательно многослойной(!), атмосфере, магнитной активности и т.д. и т.п вполне может достигать высокоразумных форм, ну например парящих в атмосфере по химически активному аэростатному принципу  "медуз" с высокоценрализованной диффузной нервной системой и интеллектом многократно превышающий человеческий, с возможностями создания высокоразвитой цивилизации.

Спасибо за ответ. А в условиях пещер?

[Константин ВАРБ]

А в условиях пещер?

Объясняю исходные для выводов на которых я давал "прогноз".
На Земле, а иные биосферы нам пока неизвестны, эволюция наиболее быстро происходит в литорали и прилиторальных зонах. И даже значительная часть биомассы до сих пор сосредоточена там. 
В гипотетической биосфере на планетах (а-ля малый (внутренний) Юпитер) которую я привёл как возможный пример такой жизни, подавляющая часть биоты сосредоточится в аналоге нашей литоральной зоны. При этом зона эта будет огромна, ну как если бы всю земную сушу разбить на Норвегии (побережье Норвегии в два раза длиннее, береговой зоны всей Африки) и относительно равномерно разделить по мировому океану, что дало бы как развитие автономных биоценозов так и постоянный обмен между ними.
Вероятно в условиях гипотетической жизни на хемосинтезе, энерговооружённость на единицу массы у той жизни была бы меньше. Соответственно борьба за выживание для большинства типов, более напоминала бы океанские гонки парусников и логические игры.

В пещерах же таких (аналогов литоральных)  возможностей нет. 

Есть лишь чисто фантастическая возможность;
представим: в магме существует один тип жизни, а на поверхности другой, и они могут служить друг другу сверхкалорийной и высоковитаминизированной пищей.
С возможностью непосредственной встречи в разломах коры.
Ну например магматический тип жизнь пероксидного океана, а поверхностный "углеводородная".   
Но на мой взгляд это уже не гипотетическая, а абстрактно фантастическая возможность.
Хотя чем Жизнь не шутит        
 

[arduan]

Вы, все такие умные и практичные...Вопрос в низу.
Хемосинтез  — способ автотрофного питания, при котором источником энергии для синтеза органических веществ из CO2 служат реакции окисления неорганических соединений.Слово ОКИСЛЕНИЕ служит обозначением использования для неких действие КИСЛОРОДА. Подобный вариант получения энергии используется только бактериями или археями. Явление хемосинтеза было открыто в 1887 году русским учёным С. Н. Виноградским.

Необходимо отметить, что выделяющаяся в реакциях окисления неорганических соединений энергия не может быть непосредственно использована в процессах ассимиляции. Сначала эта энергия переводится в энергию макроэнергетических связей АТФ и только затем тратится на синтез органических соединений.
хемолитоавтотрофные организмы
1)

Железобактерии (Geobacter, Gallionella) окисляют двухвалентное железо до трёхвалентного.
Серобактерии (Desulfuromonas, Desulfobacter, Beggiatoa) окисляют сероводород до молекулярной серы или до солей серной кислоты.
Нитрифицирующие бактерии (Nitrobacteraceae, Nitrosomonas, Nitrosococcus) окисляют аммиак, образующийся в процессе гниения органических веществ, до азотистой и азотной кислот, которые, взаимодействуя с почвенными минералами, образуют нитриты и нитраты.
Тионовые бактерии (Thiobacillus, Acidithiobacillus) способны окислять тиосульфаты, сульфиты, сульфиды и молекулярную серу до серной кислоты (часто с существенным понижением pH раствора), процесс окисления отличается от такового у серобактерий (в частности тем, что тионовые бактерии не откладывают внутриклеточной серы). Некоторые представители тионовых бактерий являются экстремальными ацидофилами (способны выживать и размножаться при понижении pH раствора вплоть до 2), способны выдерживать высокие концентрации тяжёлых металлов и окислять металлическое и двухвалентное железо (Acidithiobacillus ferrooxidans) и выщелачивать тяжёлые металлы из руд.
Водородные бактерии (Hydrogenophilus) способны окислять молекулярный водород, являются умеренными термофилами (растут при температуре 50 °C)

МУЖИКИ  и женщины!!!!Ответьте мне,где и откуда они берут КИСЛОРОД !!? О2 вот такая молекула,они ее синтезируют ,волшебным образом магичат или им темный властелин производит ??

Это произвели модераторы этой темы.ТОЧКА.Так??
 ОТКУДА ??Господи,Бог ты мой ,СОЗДАВШИЙ ИХ НА СВОЮ  БЕДУ,  :дай им УМ...КТО производит хемосинтезаторам КИСЛОРОД ?


2) Почему, на такие простые вопросы,снова и снова возникают,"неответчечные "темы"Это прикол модераторов или научное незнание?

Ну....в общем не хочу ругаться и модераторов раздражать," ЧТО,ГДЕ,КОГДА" ....кто ответит??

[vika vorobyeva]

arduan, перед тем, как кричать и бить себя пяткой в грудь, Вы бы хоть сначала матчасть изучили. Хотя бы на школьном уровне, почитав Википедию:
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D0%BA%D0%B8%D1%81%D0%BB%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE-%D0%B2%D0%BE%D1%81%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D1%80%D0%B5%D0%B0%D0%BA%D1%86%D0%B8%D0%B8

Окисление - это НЕ взаимодействие с кислородом. Окислительно-восстановительные реакции - это "встречно-параллельные химические реакции, протекающие с изменением степеней окисления атомов, входящих в состав реагирующих веществ (или ионов веществ), реализующихся путём перераспределения электронов между атомом-окислителем и атомом-восстановителем".
Окислителем может выступать далеко не только кислород. Но и (первое, что приходит в голову) нитрат-ион, перманганат калия, молекулярный хлор, да хоть углекислый газ. Например, магний горит в атмосфере углекислого газа:
2Mg + CO₂ = 2MgO + C
Одно и то же вещество может выступать как в качестве окислителя, так и в качестве восстановителя. Возьмем, например, элементарную серу S. В реакции с железом она - окислитель:
S + Fe = FeS
В реакции с кислородом - восстановитель:
S + O₂ = SO₂
Для дыхания многие микроорганизмы, кроме кислорода, могут использовать сульфаты и нитраты.

[Константин ВАРБ]

ОТКУДА ??

Не понял при чём здесь озон, речь вообще о кислородном дыхании в теме не ставится.
И даже вопроса о депонировании какого либо важного элемента метаболизма в  свободном виде.
Вопрос исключительно о жизни биосферы на преобразовании низких энергий, без прямого непосредственного использования высоких энергий (фотосинтез).

2) Почему, на такие простые вопросы,снова и снова возникают,"неответчечные "темы"
Ну....в общем не хочу ругаться и модераторов раздражать," ЧТО,ГДЕ,КОГДА" ....кто ответит??

Вообще БОЛЬШИНСТВО кликабельных тем на ВЖР вполне аналогичны этой.
Все они построены по принципу жизненно важного вопроса:
ВОЗМОЖНО ЛИ СУЩЕСТВОВАНИЕ ЦИВИЛИЗАЦИИ БЕЗ УПРАВЛЯЕМОГО ТЕРМОЯДА???

На самом деле существуем. Насколько цивилизовано - это вопрос уже философский.
Но вот только даже если термояд и удастся освоить, всё равно все иные технологии, для преобразования полученной энергии будут использоваться.

Да ну и вы неправы, анаэробное дыхание вполне используем и мы с вами, например при забеге на 10-20 метровку к отходящему транспорту, если торопимся.
 

[вячеслав27]

В пещерах же таких (аналогов литоральных)  возможностей нет. 

Такая модель. Верхняя часть коры планеты - известняк, оставшийся от неких древних морей (который как губка пронизаны пещерами). Нижняя часть магматические породы типа гранитов. Из магматических пород идет мощный поток газов типа сероводорода, необходимый для жизни хемосинтезирующий бактерий. Вся вода планеты тоже расположена там в виде подземных морей. На поверхности допустим жизнь сейчас невозможна.

[arduan]

, перманганат калия, молекулярный хлор, да хоть углекислый газ. Например, магний горит в атмосфере углекислого газа:
2Mg + CO2 = 2MgO + C

Кислород в их молекуле

использовать сульфаты и нитраты.

кислород в их молекуле ,если рассмотреть всю цепочку,а  не выхватывать звенья,взялся от фотосинтезирующих организмов

сероводорода, необходимый для жизни хемосинтезирующий бактерий

Для окисления сероводорода же они используют Кислород ,    который если рассмотреть всю цепочку,а  не выхватывать ее отдельные звенья,взялся от фотосинтезирующих организмов,живущих на поверхности.
 

Ну,кто теперь приведет пример,бактерии окисляющей что-либо вообще без кислорода??   Опять "курильщики"  только ,свет что-ли на них клином сошелся?

[arduan]

анаэробное дыхание вполне используем и мы с вами, например при забеге на 10-20 метровку к отходящему транспорту, если торопимся.

Везде в молекуле,которой они что-либо окисляют,  есть  кислород,либо промежуточный продукт,который  получается с помощью кислорода.Если рассмотреть всю цепочку реакций ,а не выхватывать ее отдельные звенья.

[vika vorobyeva]

, перманганат калия, молекулярный хлор, да хоть углекислый газ. Например, магний горит в атмосфере углекислого газа:
2Mg + CO2 = 2MgO + C

Кислород в их молекуле

В молекуле хлора?

Вообще, о чем мы сейчас говорим? О кислороде как химическом элементе или о молекулярном кислороде O₂?
Если речь идет о кислороде как элементе (входящем в состав молекул перманганата калия, азотной кислоты и ее солей - нитратов, углекислого газа и т.д.), то волноваться нам решительно не из-за чего - в земной коре кислорода аж 46% (взято отсюда, там же есть наглядная диаграмма):
http://st-yak.narod.ru/index4-8-1.html
В марсианской коре, надо думать, кислорода примерно столько же. Также огромный запас кислорода как химического элемента содержится в углекислотных атмосферах Марса и Венеры.
Если же речь о молекулярном кислороде, то для дыхания он не обязателен - можно дышать нитратами, сульфатами, перхлоратами и пр. Для микроорганизмов, населявших Землю пару миллиардов лет назад, молекулярный кислород вообще был сильным ядом. Так что не надо передергивать. Биосферы, основанные на хемосинтезе, вполне возможны.

[Константин ВАРБ]

В пещерах же таких (аналогов литоральных)  возможностей нет. 

Такая модель. Верхняя часть коры планеты - известняк, оставшийся от неких древних морей (который как губка пронизаны пещерами).
................................................. ...........
На поверхности допустим жизнь сейчас невозможна.

Понял идею, развиваю, как литератор-фантаст:
Реализуется популярный научно-публицистический ужастик: наша биосфера депонировала все основные элементы в осадочные породы: известняк, серу, селитру, кремний, перхлораты. Наши граниты - базальты изъедены, океаны ушли глубоко под землю, а их поверхность покрыта толстым слоем нефти. Ну и т.д. и .т.п.
В сущности я не вижу принципиального, не формального, а системного родства такой жизни с тем что подразумевается под хемосинтезом: скорее это будет некий фотосинтез в квадрате "химосинтез" адаптированный в биохимические циклы.
Дело в том, что жизнь, ту которую мы по крайне мере знаем, избегает "использования высоких энергий" напрямую.
Жизнь на иной основе вряд ли в таких условиях возникнет, а вот некоторые формы старой вполне могут приспособится, как созданный индийцами червяк который благодаря симбиотическим бактериям может питаться полиэтиленом.
Так что какие-нибудь лишайники жгущие нефть в топке станут основной пищевой базой.
Но вообще-то Жизнь ассигнациями печку не топит        

[Erandir]

Не думал, что на форуме возникнет вопрос с определением окисления!
Аэробное дыхание – это распространённый, но частный случай энергетического метаболизма. Почему? Смотрим определения:
Окисление – это процесс отдачи электронов с увеличением степени окисления, восстановление – процесс присоединения электронов, соответственно, с уменьшением степени окисления.
Возьмём уравнение окисления метана сульфатом – энергетической реакции сульфатредуцирующих метанотрофных бактерий:
CH₄ + SO₄^2– → HCO₃^– + HS^– + H₂O
Полуреакции:
С^4- – 8e^- -> C⁴⁺
S⁶⁺ + 8e^- -> S^2-
Кислород, разумеется, никакие электроны тут не принимает и в реакции участвует «за компанию»

А так, электроны можно переносить на самые разнообразные акцепторы – нитраты, карбонаты, сульфаты (как было показано выше), соединения металлов (железа, кобальта, марганца и даже урана), органические соединения… Некоторым бактериям удаётся восстанавливать галогенорганические соединения водородом, сбрасывая электроны на атомы хлора (!) с отщеплением хлорид-аниона:

Для полноты картины не хватает только метаболизма с (фото)окислением хлоридов и выделением свободного хлора или (пер)хлоратов, что бы мало не казалось   Но так, похоже, земные обитатели всё же не умеют.

[AlexAV]

Для полноты картины не хватает только метаболизма с (фото)окислением хлоридов и выделением свободного хлора или (пер)хлоратов, что бы мало не казалось   Но так, похоже, земные обитатели всё же не умеют.

Ну свободный хлор уж очень агрессивен по отношению к органическим веществам, это даже не молекулярный кислород, а намного активнее а значит токсичнее. Вероятно в этом причина отсутствия таких форм метаболизма.

[Erandir]

Вопрос ещё и в концентрациях. Атомарный кислород - тоже вещь крайне неприятная, а в аэробных процессах то там то здесь возникает. А нитраты, конечно, не перхлораты, но всё же. С другой стороны, на Земле достаточно других субстратов, что бы хлорный метаболизм оставался лишь занятной экзотикой.

[-Asket-]

СО и формиат — субстраты термофилов
...Они живут и размножаются за счет окисления СО в процессе аэробного дыхания, что впервые исследовали Г.А.Заварзин и А.Н.Ножевникова еще в начале 1970-х годов. Микроорганизмы могут использовать монооксид углерода и в бескислородных условиях, и в таком случае продуктами жизнедеятельности становятся метан или уксусная кислота.
В начале 90-х годов В.А. Светличный под руководством Георгия Александровича выделил из осадков горячих источников о. Кунашир первую термофильную бактерию, способную расти на СО, анаэробно окисляя его в реакции с водой и выделяя при этом углекислоту и водород: CO + H₂O → CO₂ + H₂. Микроорганизм был назван Carboxydothermus hydrogenoformans, а сам процесс — гидрогеногенным окислением СО, или гидрогеногенной карбоксидотрофией.
Ранее такие способности были выявлены только у одного микроорганизма — фотосинтезирующей мезофильной бактерии Rhodospirillum rubrum, которая за счет этой реакции может жить в темноте. Однако, как оказалось, гидрогеногенное окисление СО более распространено среди термофилов, что вполне объяснимо — монооксид углерода практически повсеместно присутствует в вулканических газах. Термофилы — в основном рано обособившиеся группы прокариот — могли сохранить этот энергетический механизм с древних времен, когда концентрация монооксида углерода в атмосфере была значительно выше, чем сейчас.
Сотрудники нашей лаборатории описали множество умеренно и экстремально термофильных бактерий (оптимумы 50—60°С и 70—75°С соответственно), способных к гидрогеногенной карбоксидотрофии. Относятся они к самым разным по происхождению группам; большинство представляет новые роды, одна — новый класс, умеренно и экстремально термофильных бактерий [1]. Кроме того, гидрогеногенно окислять СО могут и гипертермофильные археи. Первый такой организм — Thermococcus АМ4 — был выделен из глубоководных гидротерм Восточно-Тихоокеанского поднятия. Он рос при 85°С и, как ранее выделенные бактерии, в атмосфере 100% СО. Однако в природных условиях концентрация СО гораздо ниже, и можно было предположить, что существуют микроорганизмы, использующие монооксид углерода в энергетическом метаболизме, но чувствительные к его высокой концентрации. Так оно и оказалось: снижение концентрации СО в газовой фазе до 45% позволило выделить из горячего источника Камчатки (вулкан Мутновский) еще одну гипертермофильную карбоксидотрофную архею — Thermofilum carboxydotrophus, относящуюся к другой эволюционной ветви.
Термофильные карбоксидотрофы различаются не только по происхождению и температуре роста. Среди них есть автотрофы, которым для размножения нужны лишь монооксид углерода, вода и небольшое количество минеральных солей, и такие организмы, которые, потребляя СО как энергетический субстрат, все-таки нуждаются в органическом веществе для построения клеток и растут лишь в присутствии низких концентраций дрожжевого экстракта. Одни используют только СО, образуя водород из воды, другие способны к сбраживанию органических субстратов или анаэробному дыханию, т.е. могут окислять СО, одновременно восстанавливая сульфат, железо, селенат, серу.
Разнообразие гидрогеногенных карбоксидотрофов вызвало интерес к генетическим детерминантам этого процесса, для чего потребовался анализ доступных полных геномов таких организмов. В результате был найден единый генетический аппарат: несколько генов, из которых два оказались важнейшими — ген СО-дегидрогеназы и ген конвертирующей энергию гидрогеназы.
Во всех случаях оба гена присутствуют в виде единого кластера, однако их взаимное расположение может различаться: один тип характерен для большинства бактерий, другой найден у архей и лишь у одной бактерии, выделенной из глубоководных гидротерм.
Таким образом, можно предположить, что гидрогеногенное окисление СО, один из простейших способов получения энергии, требующий участия небольшого числа генов, — древнейший энергетический процесс. Свидетельство его раннего происхождения — распространенность именно среди термофилов, которым для жизни необходимы СО и высокие температуры, а и то и другое характерно для первичной биосферы Земли.
Изучение геномов гипертермофильных архей рода Thermococcus выявило другой кластер, в котором конвертирующая энергию гидрогеназа сочеталась не с СО-, а с формиатдегидрогеназой. Всегда считалось, что энергетический выход реакции образования водорода из муравьиной кислоты, или формиата, (НСООН → H₂ + CO₂) недостаточен, чтобы поддерживать рост микроорганизмов. Однако существование кластера генов, аналогичного уже известному для гидрогеногенных карбоксидотрофов, говорило об обратном. И действительно, выяснилось, что и выделенный корейскими учеными Thermococcus onnurineus, и наши новые изоляты, относящиеся к тому же роду, а также некоторые коллекционные штаммы способны расти за счет разложения формиата на водород и углекислоту [2]. Энергетический выход реакции в конкретных экспериментальных условиях оказался достаточным для обеспечения роста микроорганизмов. Интересно, что все организмы, способные к гидрогеногенному окислению формиата, были выделены из глубоководных гидротерм, а именно там возможно абиогенное образование восстановленных органических соединений, включая формиат, в результате серпентинизации — реакции минералов с водой.
Таким образом, термофильные прокариоты способны использовать энергию одноуглеродных соединений в простейших процессах, причем эти энергетические субстраты имеют абиогенное происхождение, а окислитель не требуется вообще. Такие процессы могли быть первичными окислительно-восстановительными реакциями, «запускающими» прокариотные экосистемы древней Земли...

Из статьи Е.А. Бонч-Осмоловская "Новые термофильные прокариоты" // Природа, 2013, №9, с. 34-41.