KEMOSINTESIS: FASE, ORGANISME, PERBEDAAN DENGAN FOTOSINTESIS - BIOLOGI - 2025

The chemosynthesis merupakan karakteristik dari proses biologis organisme autotrophic tertentu memanfaatkan energi kimia untuk mengkonversi bahan anorganik bahan organik. Ini berbeda dari fotosintesis yang menggunakan energi dari sinar matahari.

Organisme yang mampu kemosintesis umumnya adalah prokariota seperti bakteri dan mikroorganisme lain seperti archaea, yang mengekstraksi energi dari reaksi yang melibatkan oksidasi senyawa yang sangat kecil.

Foto Riftia pachyptila, organisme kemosintetik (Sumber: NOAA Okeanos Explorer Program, Galapagos Rift Expedition 2011 via Wikimedia Commons)

Contoh paling umum dari bakteri kemosintetik adalah bakteri nitrifikasi, yang mengoksidasi amonia untuk menghasilkan nitrogen dioksida, serta bakteri belerang, yang mampu mengoksidasi asam sulfat, belerang, dan senyawa belerang lainnya.

Asal konsep

Ahli mikrobiologi Sergei Winogradsky, pada tahun 1890, adalah ilmuwan pertama yang berbicara tentang kemungkinan adanya proses kemosintetik, karena ia berasumsi bahwa pasti ada proses yang mirip dengan fotosintesis yang menggunakan sumber energi selain sinar matahari.

Namun, istilah "kemosintesis" diciptakan pada tahun 1897 oleh Pfeffer. Teori Winogradsky dibuktikan pada tahun 1977 saat ekspedisi yang dilakukan oleh kapal selam "Alvin" ke perairan laut dalam, di sekitar Kepulauan Galapagos.

Selama ekspedisi ini, para ilmuwan di atas kapal selam menemukan ekosistem bakteri yang hidup di hadapan materi anorganik dan lainnya dalam simbiosis dengan beberapa hewan laut invertebrata.

Saat ini, berbagai ekosistem kemosintetik dikenal di seluruh dunia, terutama yang terkait dengan lingkungan laut dan samudra dan, pada tingkat yang lebih rendah, dengan ekosistem darat. Dalam lingkungan ini, mikroorganisme kemosintetik merupakan produsen utama bahan organik yang penting.

Tahapan

Kemosintesis hampir selalu terjadi pada antarmuka lingkungan aerobik dan anaerobik, di mana produk akhir dekomposisi anaerobik dan oksigen dalam jumlah besar terkonsentrasi.

Seperti fotosintesis, kemosintesis memiliki fase yang jelas: oksidatif dan biosintesis. Yang pertama menggunakan senyawa anorganik dan selama bahan organik kedua diproduksi.

Fase oksidatif

Selama fase pertama ini dan tergantung pada jenis organisme yang dipertimbangkan, berbagai jenis senyawa anorganik tereduksi dioksidasi, seperti amonia, belerang dan turunannya, besi, beberapa turunan nitrogen, hidrogen, dll.

Dalam fase ini, oksidasi senyawa ini melepaskan energi yang digunakan untuk fosforilasi ADP, membentuk ATP, salah satu mata uang energi utama makhluk hidup dan, sebagai tambahan, daya reduksi dihasilkan dalam bentuk molekul NADH.

Kekhususan dari proses kemosintetik berkaitan dengan bagian mana dari ATP yang dihasilkan digunakan untuk mempromosikan transpor balik rantai elektron, untuk mendapatkan jumlah yang lebih besar dari zat pereduksi dalam bentuk NADH.

Singkatnya, tahap ini terdiri dari pembentukan ATP dari oksidasi donor elektron yang sesuai, yang energi yang berguna secara biologis digunakan dalam fase biosintesis.

Fase biosintesis

Biosintesis bahan organik (senyawa karbon) terjadi berkat penggunaan energi yang terkandung dalam ikatan energi tinggi ATP dan daya reduksi yang disimpan dalam molekul NADH.

Fase kedua kemosintesis ini "homolog" dengan yang terjadi selama fotosintesis, karena fiksasi atom karbon dalam molekul organik terjadi.

Di dalamnya, karbon dioksida (CO2) difiksasi dalam bentuk karbon organik, sedangkan ATP diubah menjadi ADP dan fosfat anorganik.

Organisme kemosintetik

Ada berbagai jenis mikroorganisme kemosintetik, beberapa bersifat opsional dan lainnya wajib. Ini berarti bahwa beberapa bergantung secara eksklusif pada kemosintesis untuk mendapatkan energi dan bahan organik, dan yang lainnya melakukannya jika lingkungan mengkondisikannya.

Mikroorganisme kemosintetik tidak jauh berbeda dari mikroorganisme lainnya, karena mereka juga memperoleh energi dari proses transpor elektron dimana molekul seperti flavin, kuinon dan sitokrom terlibat.

Dari energi ini, mereka mampu mensintesis komponen seluler dari gula yang disintesis secara internal berkat asimilasi reduktif karbon dioksida.

Beberapa penulis menganggap bahwa organisme kemosintetik dapat dibagi menjadi chemo-organoautotrophs dan chemo-lithoautotrophs, menurut jenis senyawa dari mana mereka mengekstraksi energi, yang masing-masing dapat organik atau anorganik.

Sejauh menyangkut prokariota, sebagian besar organisme kemosintetik adalah bakteri gram negatif, biasanya dari genus Pseudomonas dan yang terkait lainnya. Diantaranya adalah:

- Bakteri nitrifikasi.

- Bakteri mampu mengoksidasi senyawa belerang dan belerang (Sulphur Bacteria).

- Bakteri yang mampu mengoksidasi hidrogen (Bakteri Hidrogen).

- Bakteri yang mampu mengoksidasi besi (Iron Bacteria).

Mikroorganisme kemosintetik menggunakan sejenis energi yang akan hilang di sistem biosfer. Ini merupakan bagian besar dari keanekaragaman hayati dan kepadatan populasi banyak ekosistem di mana introduksi bahan organik sangat terbatas.

Klasifikasi mereka berkaitan dengan senyawa yang mampu mereka gunakan sebagai donor elektron.

Bakteri nitrifikasi

Mereka ditemukan pada tahun 1890 oleh Winogradsky dan beberapa genera yang dijelaskan sejauh ini membentuk agregat yang dikelilingi oleh membran yang sama. Mereka biasanya diisolasi dari lingkungan terestrial.

Nitrifikasi melibatkan oksidasi amonium (NH4) menjadi nitrit (NO2-) dan nitrit (NO2-) menjadi nitrat (NO3-). Kedua kelompok bakteri yang berpartisipasi dalam proses ini seringkali hidup berdampingan di habitat yang sama untuk memanfaatkan kedua jenis senyawa tersebut dengan menggunakan CO2 sebagai sumber karbon.

Bakteri mampu mengoksidasi senyawa belerang dan belerang

Ini adalah bakteri yang mampu mengoksidasi senyawa belerang anorganik dan menyimpan belerang di dalam sel di kompartemen tertentu. Dalam kelompok ini diklasifikasikan beberapa bakteri berfilamen dan non-filamen dari genera yang berbeda dari bakteri fakultatif dan obligat.

Organisme ini mampu menggunakan senyawa belerang yang sangat beracun bagi kebanyakan organisme.

Senyawa yang paling umum digunakan oleh bakteri jenis ini adalah gas H2S (asam sulfat). Namun, mereka juga dapat menggunakan unsur belerang, tiosulfat, polietionat, sulfida logam, dan molekul lain sebagai donor elektron.

Beberapa dari bakteri ini membutuhkan pH asam untuk tumbuh, itulah sebabnya mereka dikenal sebagai bakteri asidofilik, sementara yang lain dapat melakukannya pada pH netral, mendekati "normal".

Banyak dari bakteri ini dapat membentuk "lapisan" atau biofilm di berbagai jenis lingkungan, tetapi terutama di saluran air industri pertambangan, di mata air panas belerang, dan di sedimen samudra.

Mereka biasanya disebut bakteri tak berwarna, karena mereka berbeda dari bakteri hijau dan ungu lainnya yang fotoautotrofik karena mereka tidak memiliki pigmen apapun, dan mereka tidak membutuhkan sinar matahari.

Bakteri mampu mengoksidasi hidrogen

Pada kelompok ini ditemukan bakteri yang mampu tumbuh di media mineral dengan atmosfer yang kaya akan hidrogen dan oksigen dan yang sumber karbonnya hanya karbon dioksida.

Bakteri gram negatif dan gram positif ditemukan di sini, mampu tumbuh dalam kondisi heterotrofik dan dapat memiliki jenis metabolisme yang berbeda.

Hidrogen terakumulasi dari pemecahan molekul anaerobik organik, yang dicapai oleh bakteri fermentatif yang berbeda. Unsur ini merupakan sumber penting dari bakteri dan archaea kemosintetik.

Mikroorganisme yang mampu menggunakannya sebagai donor elektron dapat melakukannya berkat keberadaan enzim hidrogenase yang terkait dengan membrannya, serta adanya oksigen sebagai akseptor elektronik.

Bakteri mampu mengoksidasi besi dan mangan

Kelompok bakteri ini mampu menggunakan energi yang dihasilkan dari oksidasi mangan atau besi dalam bentuk besi menjadi bentuk besi. Ini juga termasuk bakteri yang mampu tumbuh dengan adanya tiosulfat sebagai donor hidrogen anorganik.

Dari sudut pandang ekologi, bakteri pengoksidasi besi dan magnesium penting untuk detoksifikasi lingkungan, karena mereka mengurangi konsentrasi logam beracun terlarut.

Organisme simbiosis

Selain bakteri yang hidup bebas, ada beberapa hewan avertebrata yang hidup di lingkungan yang tidak bersahabat dan berasosiasi dengan jenis bakteri kemosintetik tertentu untuk bertahan hidup.

Penemuan simbion pertama terjadi setelah studi tentang cacing tabung raksasa, Riftia pachyptila, kekurangan saluran pencernaan dan memperoleh energi vital dari reaksi yang dilakukan oleh bakteri yang terkait dengannya.

Beda dengan fotosintesis

Ciri yang paling khas dari organisme kemosintetik adalah bahwa mereka menggabungkan kemampuan untuk menggunakan senyawa anorganik untuk mendapatkan energi dan mengurangi daya, serta mengikat molekul karbon dioksida secara efektif. Sesuatu yang bisa terjadi tanpa adanya sinar matahari.

Fotosintesis dilakukan oleh tumbuhan, alga, dan oleh beberapa jenis bakteri dan protozoa. Ia menggunakan energi dari sinar matahari untuk mendorong transformasi karbon dioksida dan air (fotolisis) menjadi oksigen dan karbohidrat, melalui produksi ATP dan NADH.

Kemosintesis, sebaliknya, mengeksploitasi energi kimia yang dilepaskan dari reaksi reduksi oksidasi untuk memperbaiki molekul karbon dioksida dan menghasilkan gula dan air berkat memperoleh energi dalam bentuk ATP dan daya reduksi.

Dalam kemosintesis, tidak seperti fotosintesis, tidak ada pigmen yang terlibat dan oksigen tidak diproduksi sebagai produk sampingan.

Referensi

1. Dubilier, N., Bergin, C., & Lott, C. (2008). Keragaman simbiosis pada hewan laut: Seni memanfaatkan kemosintesis. Ulasan Alam Mikrobiologi, 6 (10), 725-740.
2. Engel, AS (2012). Kemoautotrofi. Encyclopedia of Caves, (1997), 125–134.
3. Enger, E., Ross, F., & Bailey, D. (2009). Concepts in Biology (edisi ke-13th). McGraw-Hill.
4. Kinne, O. (1975). Ekologi Laut. (O. Kinne, Ed.), Comput. Menghibur. (Edisi ke-2nd, Vol. II). John Wiley & Sons. https://doi.org/10.1145/973801.973803
5. Lees, H. (1962). IV. Beberapa Pemikiran tentang Energetika Kemosintesis. Simposium tentang autotrofi.
6. Pace, M., & Lovett, G. (2013). Produksi primer: Fondasi Ekosistem. Dalam Fundamentals of Ecosystem Science (hlm. 27–51). Elsevier Inc.