QUANG HỢP: CÁC PHA, SINH VẬT, SỰ KHÁC BIỆT VỚI QUANG HỢP - SINH HỌC - 2026

Quang hợp là một đặc điểm của một quá trình sinh học nào đó sinh vật tự dưỡng khai thác năng lượng hóa học để chuyển hóa các chất vô cơ trong chất hữu cơ. Nó khác với quang hợp ở chỗ sử dụng năng lượng từ ánh sáng mặt trời.

Các sinh vật có khả năng tổng hợp hóa học nói chung là sinh vật nhân sơ như vi khuẩn và các vi sinh vật khác như vi khuẩn cổ, chúng lấy năng lượng từ các phản ứng liên quan đến quá trình oxy hóa các hợp chất rất nhỏ.

Ảnh chụp Riftia pachyptila, một sinh vật tổng hợp hóa học (Nguồn: NOAA Okeanos Explorer Program, Galapagos Rift Expedition 2011 qua Wikimedia Commons)

Các ví dụ phổ biến nhất về vi khuẩn hóa tổng hợp là vi khuẩn nitrat hóa, chúng oxy hóa amoniac để tạo ra nitơ đioxit, cũng như vi khuẩn lưu huỳnh, có khả năng oxy hóa axit sulfuric, lưu huỳnh và các hợp chất lưu huỳnh khác.

Nguồn gốc của khái niệm

Nhà vi sinh vật học Sergei Winogradsky, vào năm 1890, là nhà khoa học đầu tiên nói về sự tồn tại có thể có của các quá trình hóa tổng hợp, vì ông cho rằng phải có một quá trình tương tự như quá trình quang hợp sử dụng một nguồn năng lượng khác ngoài ánh sáng mặt trời.

Tuy nhiên, thuật ngữ "tổng hợp hóa học" được đặt ra vào năm 1897 bởi Pfeffer. Các lý thuyết của Winogradsky đã được chứng minh vào năm 1977 trong chuyến thám hiểm do tàu ngầm "Alvin" thực hiện vào vùng biển sâu, xung quanh quần đảo Galapagos.

Trong chuyến thám hiểm này, các nhà khoa học trên tàu ngầm đã phát hiện ra các hệ sinh thái vi khuẩn tồn tại với sự hiện diện của vật chất vô cơ và những hệ sinh thái khác cộng sinh với một số động vật biển không xương sống.

Hiện nay, các hệ sinh thái tổng hợp hóa học khác nhau đã được biết đến trên khắp thế giới, đặc biệt là gắn liền với môi trường biển và đại dương và ở mức độ thấp hơn là với các hệ sinh thái trên cạn. Trong những môi trường này, vi sinh vật sinh tổng hợp đại diện cho những nhà sản xuất sơ cấp quan trọng của chất hữu cơ.

Giai đoạn

Quá trình tổng hợp hóa học hầu như luôn xảy ra ở bề mặt phân cách của môi trường hiếu khí và kỵ khí, nơi tập trung các sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy kỵ khí và một lượng lớn oxy.

Giống như quang hợp, quang hợp có các giai đoạn được xác định rõ ràng: oxy hóa và sinh tổng hợp. Lần đầu tiên sử dụng các hợp chất vô cơ và trong lần thứ hai chất hữu cơ được sản xuất.

Giai đoạn oxy hóa

Trong giai đoạn đầu tiên này và tùy thuộc vào loại sinh vật được xem xét, các loại hợp chất vô cơ bị khử khác nhau sẽ bị oxy hóa, chẳng hạn như amoniac, lưu huỳnh và các dẫn xuất của nó, sắt, một số dẫn xuất của nitơ, hydro, v.v.

Trong giai đoạn này, quá trình oxy hóa các hợp chất này giải phóng năng lượng được sử dụng cho quá trình phosphoryl hóa ADP, tạo thành ATP, một trong những đơn vị tiền tệ năng lượng chính của sinh vật và ngoài ra, năng lượng khử được tạo ra dưới dạng phân tử NADH.

Đặc biệt của quá trình hóa tổng hợp là phần nào của ATP được tạo ra được sử dụng để thúc đẩy sự vận chuyển ngược lại của chuỗi điện tử, nhằm thu được một lượng lớn hơn các chất khử dưới dạng NADH.

Tóm lại, giai đoạn này bao gồm sự hình thành ATP từ quá trình oxy hóa các chất cho điện tử thích hợp, mà năng lượng hữu ích sinh học của chúng được sử dụng trong giai đoạn sinh tổng hợp.

Giai đoạn sinh tổng hợp

Quá trình sinh tổng hợp chất hữu cơ (hợp chất cacbon) xảy ra nhờ sử dụng năng lượng có trong các liên kết năng lượng cao của ATP và năng lượng khử được lưu trữ trong các phân tử NADH.

Giai đoạn thứ hai của quá trình quang tổng hợp là "tương đồng" với giai đoạn xảy ra trong quá trình quang hợp, vì xảy ra sự cố định các nguyên tử cacbon trong phân tử hữu cơ.

Trong đó, carbon dioxide (CO2) được cố định dưới dạng cacbon hữu cơ, còn ATP được chuyển thành ADP và photphat vô cơ.

Sinh vật tổng hợp hóa học

Có nhiều loại vi sinh vật tổng hợp hóa học khác nhau, một số là tùy chọn và một số khác là bắt buộc. Điều này có nghĩa là một số phụ thuộc hoàn toàn vào quá trình tổng hợp hóa học để thu được năng lượng và chất hữu cơ, và một số khác làm như vậy nếu môi trường điều kiện chúng.

Các vi sinh vật sinh tổng hợp không khác nhiều so với các vi sinh vật khác, vì chúng cũng thu được năng lượng từ các quá trình vận chuyển điện tử trong đó các phân tử như flavins, quinon và cytochromes có liên quan.

Từ năng lượng này, chúng có thể tổng hợp các thành phần tế bào từ đường được tổng hợp bên trong nhờ quá trình đồng hóa khử carbon dioxide.

Một số tác giả cho rằng sinh vật tổng hợp hoá học có thể được chia thành sinh vật hoá dưỡng và sinh vật hoá dưỡng, tùy theo loại hợp chất mà chúng chiết xuất năng lượng, tương ứng có thể là hữu cơ hoặc vô cơ.

Đối với các sinh vật nhân sơ, hầu hết các sinh vật tổng hợp hóa học là vi khuẩn gram âm, thường thuộc giống Pseudomonas và các loài có liên quan khác. Trong số này có:

- Vi khuẩn nitrat hóa.

- Vi khuẩn có khả năng oxy hóa lưu huỳnh và các hợp chất của lưu huỳnh (Sulfur Bacteria).

- Vi khuẩn có khả năng oxy hóa hydro (Hydrogen Bacteria).

- Vi khuẩn có khả năng oxy hóa sắt (Iron Bacteria).

Các vi sinh vật sinh tổng hợp sử dụng một loại năng lượng sẽ bị mất trong hệ thống sinh quyển. Những điều này tạo nên một phần lớn sự đa dạng sinh học và mật độ dân số của nhiều hệ sinh thái, nơi mà việc đưa các chất hữu cơ vào là rất hạn chế.

Sự phân loại của chúng liên quan đến các hợp chất mà chúng có khả năng sử dụng làm chất cho electron.

Vi khuẩn nitrat hóa

Chúng được phát hiện vào năm 1890 bởi Winogradsky và một số chi được mô tả cho đến nay tạo thành các tập hợp được bao quanh bởi cùng một màng. Chúng thường bị cô lập với môi trường trên cạn.

Quá trình nitrat hóa bao gồm quá trình oxy hóa amoni (NH4) thành nitrit (NO2-) và nitrit (NO2-) thành nitrat (NO3-). Hai nhóm vi khuẩn tham gia vào quá trình này thường cùng tồn tại trong cùng một môi trường sống để tận dụng lợi thế của cả hai loại hợp chất sử dụng CO2 làm nguồn cacbon.

Vi khuẩn có khả năng oxy hóa lưu huỳnh và các hợp chất của lưu huỳnh

Đây là những vi khuẩn có khả năng oxy hóa các hợp chất lưu huỳnh vô cơ và lắng đọng lưu huỳnh trong tế bào trong các ngăn cụ thể. Trong nhóm này được phân loại một số vi khuẩn dạng sợi và không dạng sợi thuộc các chi khác nhau của vi khuẩn sống và bắt buộc.

Những sinh vật này có khả năng sử dụng các hợp chất lưu huỳnh có độc tính cao đối với hầu hết các sinh vật.

Hợp chất được loại vi khuẩn này sử dụng phổ biến nhất là khí H2S (axit sunfuric). Tuy nhiên, họ cũng có thể sử dụng lưu huỳnh nguyên tố, thiosunfat, polythionat, sunfua kim loại và các phân tử khác làm chất cho điện tử.

Một số vi khuẩn yêu cầu pH có tính axit để phát triển, đó là lý do tại sao chúng được gọi là vi khuẩn ưa axit, trong khi những vi khuẩn khác có thể làm như vậy ở pH trung tính, gần với mức "bình thường".

Nhiều vi khuẩn trong số này có thể tạo thành "giường" hoặc màng sinh học trong các loại môi trường khác nhau, nhưng đặc biệt là trong cống rãnh công nghiệp khai thác, trong các suối nước nóng có lưu huỳnh và trong trầm tích đại dương.

Chúng thường được gọi là vi khuẩn không màu, vì chúng khác với các vi khuẩn màu xanh lá cây và màu tím khác là vi khuẩn quang tự dưỡng ở chỗ chúng không có bất kỳ sắc tố nào và chúng không cần ánh sáng mặt trời.

Vi khuẩn có khả năng oxy hóa hydro

Trong nhóm này, người ta tìm thấy vi khuẩn có khả năng phát triển trong môi trường khoáng với khí quyển giàu hydro và oxy và nguồn carbon duy nhất của chúng là carbon dioxide.

Cả vi khuẩn gram âm và gram dương đều được tìm thấy ở đây, có khả năng phát triển trong điều kiện dị dưỡng và có thể có các kiểu trao đổi chất khác nhau.

Hydro tích lũy từ sự phân hủy kỵ khí của các phân tử hữu cơ, được tạo ra bởi các vi khuẩn lên men khác nhau. Nguyên tố này là một nguồn quan trọng của vi khuẩn và vi khuẩn tổng hợp hóa học.

Các vi sinh vật có khả năng sử dụng nó như một chất cho điện tử làm như vậy nhờ vào sự hiện diện của enzyme hydrogenase liên kết với màng của chúng, cũng như sự hiện diện của oxy như một chất nhận điện tử.

Vi khuẩn có khả năng oxy hóa sắt và mangan

Nhóm vi khuẩn này có khả năng sử dụng năng lượng được tạo ra từ quá trình oxy hóa mangan hoặc sắt ở trạng thái sắt sang trạng thái sắt. Nó cũng bao gồm các vi khuẩn có khả năng phát triển với sự hiện diện của thiosulfat như là các nhà tài trợ hydro vô cơ.

Từ quan điểm sinh thái, vi khuẩn oxy hóa sắt và magiê rất quan trọng để khử độc cho môi trường, vì chúng làm giảm nồng độ các kim loại độc hại hòa tan.

Sinh vật cộng sinh

Ngoài vi khuẩn sống tự do, có một số động vật không xương sống sống trong môi trường khắc nghiệt và kết hợp với một số loại vi khuẩn sinh tổng hợp để tồn tại.

Việc phát hiện ra các loài cộng sinh đầu tiên xảy ra sau khi nghiên cứu về một loài giun ống khổng lồ, Riftia pachyptila, thiếu ống tiêu hóa và có được năng lượng quan trọng từ các phản ứng do vi khuẩn liên kết với nó thực hiện.

Sự khác biệt với quang hợp

Đặc điểm đặc biệt nhất của các sinh vật hóa tổng hợp là chúng kết hợp khả năng sử dụng các hợp chất vô cơ để thu năng lượng và giảm sức mạnh, cũng như liên kết hiệu quả các phân tử carbon dioxide. Điều gì đó có thể xảy ra trong điều kiện hoàn toàn không có ánh sáng mặt trời.

Quá trình quang hợp được thực hiện bởi thực vật, tảo và một số loại vi khuẩn và động vật nguyên sinh. Nó sử dụng năng lượng từ ánh sáng mặt trời để thúc đẩy quá trình chuyển hóa carbon dioxide và nước (quang phân) thành oxy và carbohydrate, thông qua việc sản xuất ATP và NADH.

Ngược lại, quá trình tổng hợp hóa học khai thác năng lượng hóa học được giải phóng từ các phản ứng oxy hóa - khử để cố định các phân tử carbon dioxide và tạo ra đường và nước nhờ thu được năng lượng dưới dạng ATP và năng lượng khử.

Trong quang hợp, không giống như quang hợp, không có sắc tố nào tham gia và oxy không được tạo ra như một sản phẩm phụ.

Người giới thiệu

1. Dubilier, N., Bergin, C., & Lott, C. (2008). Đa dạng cộng sinh ở động vật biển: Nghệ thuật khai thác quá trình tổng hợp hóa học. Nature Reviews Microbiology, 6 (10), 725–740.
2. Engel, AS (2012). Chemoautotrophy. Encyclopedia of Caves, (1997), 125–134.
3. Enger, E., Ross, F., & Bailey, D. (2009). Các khái niệm trong Sinh học (xuất bản lần thứ 13). McGraw-Hill.
4. Kinne, O. (1975). Sinh thái biển. (O. Kinne, Ed.), Tính toán. Sự giải trí. (Xuất bản lần thứ 2, tập II). John Wiley và các con trai. https://doi.org/10.1145/973801.973803
5. Lees, H. (1962). IV. Một số suy nghĩ về năng lượng của quá trình tổng hợp hóa học. Hội nghị chuyên đề về autotrophy.
6. Pace, M., & Lovett, G. (2013). Sản xuất sơ cấp: Nền tảng của các hệ sinh thái. Trong Các nguyên tắc cơ bản của Khoa học Hệ sinh thái (trang 27–51). Elsevier Inc.