Tomáš
Petrásek, 2007
Veškerý život představuje vysoce uspořádanou formu hmoty, která roste a rozmnožuje se na úkor svého chaotičtějšího okolí. Vytváří přitom jasně vymezenou soustavu, mnohdy velice odlišnou od prostředí, v němž žije.
Termodynamické zákony ovšem takovému procesu příliš nefandí – naopak, přejí spíše nárůstu entropie (tj. zvětšování chaosu) a stírání rozdílů mezi jednotlivými místy.
Život tedy jde jaksi proti proudu, a to samozřejmě není zadarmo. Aby mohl udržovat svoji komplexní povahu a pokračovat v jemně vyvážených procesech navzdory těmto zákonům, potřebuje nepřetržitou dodávku energie zvenčí.
Vlastně všechny formy života na Zemi získávají energii pro svojí okamžitou spotřebu z chemických látek. Tyto chemické látky mohou být anorganického původu, mohou pocházet z jiného organismu, anebo mohly vzniknout vlastní syntézou. Dokonce i rostliny, které využívají sluneční světlo, jeho energii musejí napřed přeměnit na chemické látky a pak až využívat.
Získaná energie se ukládá zejména do vazby dodatečných fosfátů na adenosinmonofosfát (AMP). Vazbou jednoho vznikne ADP (adenosindifosfát), vazbou ještě dalšího ATP (adenosintrifosfát) který je nejběžnějším (ač ne jediným) „energetickým platidlem“ ve většině buněk. Vazby mezi fosfáty se nazývají makroergní.
Energie ATP může být uvolněna opětným odštěpením fosfátů, a použita např. pro usnadnění nejrůznějších chemických reakcí, které by jinak probíhaly pomalu nebo vůbec ne. Pohání tedy syntézu tuků, cukrů, aminokyselin, nukleových kyselin a mnoha dalších látek v těle. Kromě toho je také zdrojem energie pro bičíky, svaly atd.
ATP se v organismu získává recyklací ADP a AMP. A ta je často poháněna „výhodnými“ reakcemi, respektive mnohdy velice komplikovanými řetězci reakcí. Zpravidla jde o štěpení komplexních sloučenin (např. škrob) na jednodušší sloučeniny (jako je kyselina mléčná) a nebo až na látky anorganické, jako je voda a oxid uhličitý.
Další všeobecně rozšířenou formou energie je tzv. protonový nebo též elektrochemický gradient. Je v podstatě druhou stranou téže mince jako ATP, jedná se o druhou „buněčnou měnu.“ Gradient protonů vzniká na membráně, a to tehdy, kdy na jedné její straně je více protonů (neboli kationtů vodíkových). Takový stav v sobě ukrývá energii podobně, jako ji ukrývá naplněná přehrada. Gradient je užíván analogicky, tedy k pohonu nesamovolných procesů v buňce. Jeho energie je „rozměnitelná“ na ATP, a samozřejmě též naopak, podle toho, co zrovna buňka potřebuje.
Energeticky nejbohatší reakce, které lze využít pro získání energie pro životní pochody, patří mezi oxido-redukční děje. Pojem oxidačního čísla patrně znáte ze školní chemie. Jen pro připomenutí: Oxidovaný je atom tehdy, když má oxidační číslo relativně vyšší, redukovaný, pokud je nižší.
Např. uhlík v glukóze (C6H12O6) má oxidační číslo 0, zatímco v oxidu uhličitém +IV. V první látce je tedy redukovaný, ve druhé oxidovaný. Molekulový kyslík O2 má oxidační číslo nula, ve vodě a oxidu uhličitém je kyslík s o.č. –II. Vzdušný kyslík je tedy oxidovaný, zatímco vázaný redukovaný.
Pokud dojde k rozkladu glukózy procesem glykolýzy a respirace, popř. k jejímu spálení, reaguje glukóza s kyslíkem na vodu a oxid uhličitý. Uhlík se přitom oxiduje, kyslík redukuje. Zjednodušeně mluvíme o oxidaci glukózy (to, že se kyslík redukuje, se rozumí samo sebou.)
Vidíme tedy, že většina organismů závisí na oxidačně-redukčních dějích jako na zdroji energie. Potřebují tedy látky redukované (zpravidla je to organická hmota) a oxidované (v případě všech vyšších organismů je to vzdušný kyslík), aby jejich sloučením získaly energii a jednoduché anorganické produkty. Mezi bakteriemi však najdeme řadu těch, které se obejdou bez kyslíku, a místo něj využívají látky pro nás často smrtelně jedovaté. Některé se samozřejmě obejdou i bez organických látek, které si dokáží vyrábět samy (mají-li energii).
A pak jsou tu samozřejmě rostliny, které dokáží žít jen ze světla a látek anorganických.
Zkrátka a dobře, ve vesmíru musíme počítat s exotickým prostředím. A tak vědce, a kromě nich v nemenší míře také scifisty, zajímá, z čeho by mimozemské organismy mohly žít.
Mohly by dýchat něco jiného než kyslík? Mohly by využívat podobně exotické chemické látky jako pozemské bakterie? Či něco ještě horšího? Oxid siřičitý, kyselinu dusičnou, chlór, metan nebo vodík?
Scifističtí romantikové vzdychají blahem, skeptici se mračí. Oprávněně?
Takové sajrajty jistě nejsou nic příjemného pro změkčilé povahy.
Mimozemšťané v nich žijící musejí mít značně odlišnou biochemii od naší.
Případní pozemští návštěvníci takových planet by po odložení skafandrů určitě
neskákali radostí. A radostí určitě
skákat nebudou ani tradiční biologové, protože většina odborníků je na kyslíku
závislá. Nikoli jen metabolicky, ale také co do fantazie.
Dlužno ovšem dodat, že preference kyslíku není dána jen nedostatkem
představivosti, ale že přeci jen nemalé výhody má. Voda je velmi hojná (tedy je
výhodná i oxygenní fotosyntéza) a aerobní respirace dává velice slušný
energetický zisk. Většinou se tvrdí, že pouze dýchání kyslíku poskytuje „dost
energie“ pro život složitějších organismů, jako jsou prvoci či mnohobuněčné
bytosti.
Naproti tomu většina bezkyslíkatých metabolismů je údajně nevýhodná,
takže z nich sotva vyžijí bakterie. Ovšem nakolik jsou nevýhodné? A co se
tím myslí? Energetický zisk z jedné molekuly? Anebo fakt, že dotyčné
látky, třeba sirovodík či dusičnany, jsou dostupné jen v relativně malém
množství a lokálně?
Dosti mi chybí přehledné srovnání jednotlivých metabolismů, něco ve
smyslu „organismus XY zkonzumuje jeden kilogram látky AB, vydýchá X litů plynu
CD, a získá z toho N kilojoulů“. Bez takovéhoto zhodnocení jednotlivých
metabolismů nelze dost dobře porovnávat, který metabolismus je výhodný či
nevýhodný. A příslušná čísla jsou mi známa jen u minimálního procenta
metabolismů.
Nicméně se zde pokouším podat jakýsi přehled metabolismů, na které jsem v literatuře porůznu narazil. Uvědomuji si, že následující výčet je poněkud bez ladu a skladu a nekompletní. U mnoha chybí dost podstatné detaily, pravděpodobně se vyskytují i chyby, nad kterými by biolog zešedivěl. Každopádně rovnice jsou zjednodušující, ve skutečnosti jde všechno daleko složitěji.
Autotrofní organismus – forma, která je schopna si sama syntetizovat látky organické z anorganického uhlíku (fixuje CO2), na základě energie světla nebo výhodné chemické reakce (např. rostliny)
Heterotrofní organismus – potřebuje organické látky pro svůj růst, jako zdroj uhlíku i energie (např. člověk)
Fototrof – organismus využívající energii světla (např. rostliny)
Chemotrofní organismus – organismus využívající chemické reakce jako zdroj energie (např. člověk). Zpravidla rozlišujeme látku redukovanou, sloužící jako zdroj elektronů a protonů, a látku oxidovanou, akceptor elektronů. Někdy může obě role hrát jedna molekula (fermentace).
Litotrofní organismus – chemotrof, jenž pro svůj život využívá čistě anorganické látky (např. rostliny a některé bakterie)
Organotrof – chemotrof, jenž získává energii rozkladem organické hmoty (např. člověk)
Mixotrof – dokáže fixovat CO2 i využívat organickou hmotu.
Fotoautotrof – bytost, která je schopna si sama syntetizovat látky organické z anorganického uhlíku, s využitím energie světla (např. rostliny)
Chemoautotrof – syntetizuje organickou hmotu z oxidu uhličitého, energii získává z chemických reakcí anorganických látek (některé bakterie)
Fotoheterotrof – bytost, která získává ze světla energii, ale není schopna fixovat CO2, takže musí přijímat organické látky z okolí (některé bakterie)
Chemoheterotrof – bytost neschopná fixovat CO2, získávající organické látky z okolí, a využívající chemické látky jako zdroj energie (např. člověk)
Dýchání, respirace – toto slovo má dva významy. V biochemii označuje proces, při němž se elektrony z organické hmoty přemisťují na ionty jiné látky, která se tak redukuje. V běžné mluvě a zpravidla i ve sci-fi tímto slovem označujeme proces výměny plynů mezi organismem a okolím. Pokud řeknu, že člověk dýchá kyslík, je to pravda z obou pohledů, pokud řeknu, že rostliny dýchají oxid uhličitý, jde z prvního hlediska o absolutní nesmysl, z druhého o neoddiskutovatelný fakt.¨
Aerobní = kyslíkatý. Mluvíme o aerobních procesech (jichž se účastní kyslík), aerobním prostředí (obsahujícím kyslík) a aerobních bakteriích (využívajících kyslík). Anaerobní = bezkyslíkatý.
Aerobní respirace – součást našeho metabolismu, odehrávající se v mitochondrii. Protony a elektrony z organické látky jsou předávány na kyslík, který se tímto redukuje na vodu, a vzniká energie.
Anerobní respirace – druh metabolismu. Protony a elektrony z organické látky jsou předávány na jiný akceptor, který se tímto redukuje, a vzniká energie.
Každý metabolismus může být buďto obligatorní (bakterie nic jiného neumí) anebo fakultativní (bakterie jej provozuje pouze tehdy, když je to pro ni výhodné, ale má v zásobě i jiné alternativy).
V následujících schématech se objevují látky kyselé povahy, jako je H2SO4, H2S, HNO3, kys. octová atd. Ve většině případů se v organismech vyskytují v podobě solí, v rovnicích jsem je však pro jednoduchost a přehlednost ponechal jako kyseliny.
OL = organická látka
R = využití energie fotonů
Fotosyntéza je proces, kdy nějaký organismus využívá energii fotonů a přeměňuje ji na energii chemickou.
Fotosyntéza využívá nějaký hlavní pigment, jako jsou rozličné modifikace chlorofylu, a pigmenty pomocné (např. karoteny) které pomáhají chlorofylu zachycovat fotony. Chlorofyl odebírá elektrony nějaké látce (např. H2O či H2S) a štěpí ji na O2, resp. S a protony H+.
Elektrony putují transportním řetězcem, přičemž se tvoří ATP. ATP, protony a elektrony mohou nakonec sloužit k redukci CO2 na organickou hmotu (glukóza). Kyslík či síra pak jsou látkami odpadními.
Fotosyntéza vytváří na úkor sluneční energie nerovnováhu – tvoří kyslík a organickou hmotu. Jejich sloučením a návratem k rovnováze (hoření, dýchání) lze energii opět uvolnit. Dělají to jednak samy rostliny (když nemají světlo, musejí žít ze zásob) a jednak živočichové, kteří je jedí.
Z toho vyplývá, že fotosyntetizující organismy vytvářejí zdroje energie pro většinu ostatních bytostí, které „parazitují“ na jimi vytvořených organických sloučeninách a využívají jejich „odpadní“ kyslík.
Fotosyntéza může být použita v některých případech podle potřeby pouze k tvorbě ATP (cyklická fotosyntéza), pak není potřeba zdroj protonů a elektronů.
Fotosyntéza oxygenní:
6CO2 + 6H2O
+ R â C6H12O6 +
6O2
Aerobní fotosyntéza je základem většiny života na
Zemi. Používají ji rostliny, jednobuněčné řasy i bakteriální sinice. Je zdrojem
většiny organických látek v biosféře, oproti fotosyntézám využívajícím sirovodík
má výhodu v tom, že voda i oxid uhličitý jsou velmi hojné látky. Může
fungovat klasicky i cyklicky.
Anoxygenní fotosyntéza:
Primitivnější forma
fotosyntézy. Jako zdroj protonů a elektronů je využit H2S, síra, vodík nebo
organcká látka (sukcinát aj.) Tento proces je jednodušší než štěpení vody, a
proto si vystačí s jednodušším zařízením.
Purpurové a zelené sirné bakterie:
12 H2S
+ 6CO2 +R â C6H12O6
+ 6H2O + 12S
Jako
redukční činidlo je využit H2S, respektive jeho soli - sulfidy. Štěpit
sirovodík je jednodušší, a bakterie jej tedy začaly využívat dříve. Problém je,
že sirovodíku zdaleka není tolik jako vody. Navíc tyto organismy mohou žít
pouze v bezkyslíkatém prostředí, a po nástupu oxygenní fotosyntézy byly
tedy zatlačeny „na okraj společnosti“ – do tlejícího bahna a sopečných tůní.
Využívají ji (nebo její modifikované podoby) purpurové sirné bakterie a zelené sirné bakterie. Druhé z nich nejsou schopny cyklické fosforylace.
Purpurové bezsirné bakterie
CO2/OL + H2/OL + R â
OL + ENERGIE
Fotoautotrofie zřídka, obvykle spíše fotoheterotrofie, kdy je světlo jen zdrojem ATP. Např. Rhodospirillum.
Chromaticeae:
CO2/OL + H2S/S + R â
H2SO4
Halobakterie a heliobakterie využívají světlo jako zdroj ATP, ale nejsou schopny tvořit vlastní organickou hmotu (fotoheterotrofie).
Fermentace:
Dochází ke štěpení glukózy (nebo jiné OL) na jednodušší organické látky. Probíhá anaerobně, bez kyslíku nebo jeho náhrady, ale energeticky je dost nevýhodná. Vznikají jen 2 ATP na molekulu glukózy. Pravděpodobně jeden z evolučně původních typů metabolismu, který fungoval dříve než se v ovzduší objevil kyslík.
Mléčné kvašení – vznikají dvě
molekuly kyseliny mléčné (CH3-CHOH-COOH). Provádějí bakterie, kvasinky i lidské
buňky při nedostatku O2. (ΔG0
= -197 kJ/mol CH4)
Ethanolové kvašení – vznikají dvě molekuly ethanolu (CH3-CH2-OH) a dvě molekuly CO2. Hlavní doména kvasinek.
Kvašení enterobakterií – vzniká
etanol, kyselina mléčná a dvě molekuly kyseliny mravenčí (HCOOH). Ta je někdy
dále štěpena na CO2 a H2. Tuto reakci provádí např. E
coli v lidských střevech, a je tak zdrojem střevních plynů. Vodík a CO2 někdy dále zpracovávají metanogenové.
Acetotrofní (acetoklastická) methanogenese:
Rozklad produktů fermentace (např. octa, ale i jiných OL) na metan:
C2H4O2
(Kys. octová) â CH4 + CO2 +
ENERGIE (ΔG0 = -36 kJ/mol CH4)
Celkově
z jedné glukózy vzniknou tři metany a tři oxidy uhličité.
Jedná se o pokračování fermentace, které umožňuje další zisk energie (asi 1 ATP navíc). Pravděpodobně jde o jeden z evolučně původních typů metabolismu, který fungoval dříve než se v ovzduší objevil kyslík. Je typický pro některé methanogenní archebakterie. Těmto baktériím se na Zemi daří v tlející hmotě a v žaludku krav.
Dýchání (aerobní respirace):
C6H12O6 + 6O2 â 6CO2 + 6H2O
+ ENERGIE (ΔG0 = -2805 kJ/mol glukosy, tj. 15,6 kJ/g)
Dýchání využívá glukózy jako zdroje energie. Proces se sestává z glykolýzy (anaerobní část, obdobná fermentaci) a vlastní respirace, tj. přenosu elektronů na kyslík. Vyžaduje množství kyslíku, a je energeticky velmi výhodná. Při oxidaci jedné glukózy vzniká teoreticky 36 - 38 ATP. (Ve skutečnosti se několik ATP musí investovat na transport jednotlivých meziproduktů, takže je to méně, cca 32.)
Anaerobní
respirace:
Denitrifikace:
Namísto kyslíku využívá oxidovaný dusík jako konečný akceptor
elektronů. Zpravidla to není přímo kyselina dusičná, nýbrž její soli
(nitráty čili dusičnany). Ty jsou redukovány v tomto případě až na
molekulový dusík (Paracoccus a jiné). Jiné typy bakterií práci často
„odfláknou“ a redukují dusičnan jenom na dusitan (viz redukce nitrátu níže), a
jejich dílo „dokončí“ až nějaký jiný mikrob. Existují však i borci, kteří
denitrifikují natolik důkladně, že z dusičnanu vyrobí rovnou amoniak, tedy
nejredukovanější formu dusíku.
5C6H12O6 + 24HNO3 â 30 CO2 + 24H2O
+ 12N2 + ENERGIE
Je to o něco méně výhodné než dýchání, efektivita je asi dvoutřetinová, vzniká jen 20 ATP.
Redukce nitrátu:
Podobná reakci uvedené výše, ale nitrát je redukován pouze na dusitan. Provádí celá řada běžných bakterií včetně E. coli.
Redukce síry (druh anaerobní respirace)::
C6H12O6 +12S +6H2O â 12H2S + 6CO2 + ENERGIE
Tato sumární rovnice se dá rozdělit na fermentaci a následnou redukci síry. Je to reakce opačná k anaerobní fotosyntéze, podobně jako je opakem aerobní respirace a fotosyntéza. Vzniká teoreticky 34 ATP na glukózu??? To není výrazný rozdíl oproti aerobní respiraci!
http://www.northern.wvnet.edu/~tdanford/slide10.htm
Redukce sulfátu (druh anaerobní respirace)::
Tato reakce je další sirnou obdobou dýchání.
C6H12O6
+ 3H2SO4 â 6CO2 + 6H2O + 3H2S
+ ENERGIE
Provádí Desulfovibrio a desulfomaculum.
Další
druhy anaerobní respirace využívají např. i kovové ionty(FeIII+, MnIV+),
fumarát, tetrathionát, oxid dusný apod..
Jsou vlastně jakousi obdobou anaerobní respirace, až na to, že v roli substrátu (látky, která je oxidována) nevystupuje organická hmota, ale anorganická látka (případně metan). Organismy chemolitotrofní získávají z chemických reakcí anorganických látek energii, a pak ji využívají k výrobě vlastní organické hmoty.
Methanogenese:
4H2
+ CO2 â
CH4 + 2H2O + ENERGIE (ΔG0
= -130,4 kJ/mol CH4). Na jeden mol metanu vznikne méně než 1 ATP.
Někdy bývá považována za zvláštní formu anaerobní respirace. Např. Methanobacterium.
H2
+ metanol â
CH4 + H2O + ENERGIE (ΔG0
= -112,5 kJ/mol CH4, tj. 3,5 kJ/g metanolu)
4CO
+ 2H2O â CH4 + 3CO2 +
ENERGIE (ΔG0 = -211 kJ/mol CH4)
Litotrofní organismy patřící do
říše Archaea, produkující metan. Žijí ve sladkých i slaných vodách při
teplotách 15 -
Velice podobné bytosti mohou žít
na Marsu, Venuši, Europě, Titanu i
jinde.
http://biology.kenyon.edu/Microbial_Biorealm/archaea/methanogens/methanogens.html
Anaerobní oxidace metanu:
Energie
vzniká anaerobní oxidací metanu:
CH4
+ H2SO4 â H2CO3 + H2S
+ H2O + ENERGIE (Asi ΔG0 = -40 kJ/mol CH4??)
Jde vlastně
o anaerobní formu methylotrofie. (Srv. též desulfurifikace a anaerobní
respirace sulfátu.) Takový metabolismus uplatňují organismy žijící
v metanovém ledu na dně moří. Mohl by se vyskytovat také např. na Europě
či na Marsu.
http://www.mumm-research.de/download_pdf/orcutt.pdf
http://www.genomenewsnetwork.org/articles/08_02/without_oxygen.shtml
http://levin.ucsd.edu/levin_publications/Levin%20OMBAR%2005.pdf
Některé
z těchto organismů váží metan do podoby cukru, což zřejmě pracuje nějak
takto:
6CH4
+ 3H2SO4 â
C6H12O6 + 6H2O + 3H2S
Redukce
sloučenin síry:
http://www.uta.edu/biology/chrzanowski/classnotes/3311/Sulfate%20and%20Sulfur%20Reducing%20Bacteria.pdf
Desulfurifikace:
H2SO4
+ 4H2 â
H2S + 4H2O + ENERGIE (ΔG0 = -152 kJ/mol)
Tento
metabolismus používají některé bakterie jako Desulfovibrio desulfuricans.
Síru redukující, extrémně termofilní archebakterie:
S +
H2/OL
(organické látky) â
H2S
např.:
S8
+ 8H2 â
8H2S + ENERGIE
Žijí
zejména v sirných vývěrech na dně hlubokého moře. Vyžadují teploty
70º- 105ºC, nesnášejí kyslík a žijí ve vysokém tlaku.
Oxidace vodíku nitrátem:
2HNO3
+ 5H2 â
N2 + 6H2O + ENERGIE (ΔG0
= -1121 kJ/mol N2, tj. 8,9 kJ/g k. dusičné)
Tento
metabolismus používají některé bakterie jako Paracocccus denitrificans
jako doplněk chemoorganotrofie.
Můžeme považovat za jistý typ „aerobní respirace,“ kde ovšem redukovanou látkou není organická sloučenina. Tyto organismy mohou získávat uhlík fixací CO2, jiné však používají uvedenou reakci jen jako doplněk energie a uhlík získávají jinými způsoby (heterotrofně) a o litotrofii v pravém smyslu nejde. Tyto metabolismy jsou klíčové v koloběhu živin na Zemi, nicméně jsou součástí pouze těch biosfér, kde se hojně vyskytuje kyslík.
Nitrifikace:
6NH3
+ 2O2 â HNO3 + H2O
+ ENERGIE
Provozují
půdní nitrifikační bakterie. Tato reakce je ve skutečnosti prováděna ve dvou
krocích – Nitrosomonas oxiduje amoniak na dusitan, Nitrobacter
dusitan na dusičnan. Pro bakterie jde o zdroj energie, a zároveň tím obohacují
půdu o dusičnany, které jsou živinou rostlin.
Oxidace síry nebo sirovodíku (Sulfurikace):
Sirné
bakterie (Thiobacillus
aj.) oxidují sirovodík nebo síru na kyselinu sírovou za použití kyslíku. Hojné jsou
například v důlních vodách, které okyselují a ničí tak těžební zařízení.
Ony samy kyselé pH tolerují.
Podobný
metabolismus používají i obří červi zvaní Riftia (a někteří mlži), respektive
jejich bakteriální symbionti, kteří jim dodávají energii. Je to druh autotrofie
- obdoba anaerobní fotosyntézy, která funguje bez Slunce.
Pokud
to dobře chápu, energie k fixaci CO2 a syntéze sacharidu se
namísto ze Slunce získává oxidací molekul sirovodíku vzdušným kyslíkem na síru či
síran, či molekulární síry na síran.
V nepřítomnosti
kyslíku riftie produkují sirovodík anaerobní respirací elementární síry, kterou
jejich bakterie ukládají do zásoby. Pravděpodobně by to ovšem nestačilo
k dlouhodobému poskytování energie pro tak velký organismus.
Často
se udává, že riftie jsou vzorem pro mimozemské anaerobní mnohobuněčné
organismy. Tento typ metabolismu se však nemůže objevit tam, kde není hojně
zastoupen kyslík, třeba na Europě, a jeho užitečnost mimo Zemi je poměrně
sporná.
Metylotrofie:
Organismy
využívající metan a jiné jednouhlíkaté látky jako zdroj uhlíku i energie.
Jde
o způsob získávání energie z metanu, metanolu či jiné jednoduché
redukované látky její oxidací.
Metanotrofie:
CH4 + 2O2
â CO2
+ 2H2O (ΔG0 = -778 kJ/mol CH4)
Proces,
při němž se získává energie oxidací metanu kyslíkem. Např. Methylomonas.
http://www.microbiology.science.ru.nl/research/carbon/methanotroph/
Železité bakterie:
Oxidují redukované železo kyslíkem na FeIII+.
Oxidace vodíku:
O2 + 2H2 â 2H2O + ENERGIE
Metabolismus slučující vodík a kyslík na vodu za pomoci nikl obsahujících hydrogenáz. Provozují vodíkové bakterie, např. Pseudomonas facilis.
Karboxydotrofie:
Spočívá
v oxidaci oxidu uhelnatého na oxid uhličitý.
CO + 2H2O â CO2 + 2H+ + 2e-
Protony
a elektrony jsou přeneseny na kyslík za vzniku vody a energie. Sumárně:
2CO + O2 â 2CO2 + ENERGIE
Praktikuje
např. Pseudomonas carboxydovorans.
Takovýto metabolismus by mohl najít uplatnění na Venuši.
Fixace dusíku:
Nejedná
se o metabolismus energetický, ale o způsob výroby amoniaku z molekulového
dusíku pro další využití (syntézu bílkovin.)
Tato
reakce je energeticky náročná, vyžaduje redukční ekvivalenty a 16 ATP. Její
provádění je doménou bakterií, a na jejich činnosti pak závisí např. vyšší
rostliny. Někdy žijí dusík vázající bakterie s rostlinami v přímé
symbióze.
Asimilativní redukce nitrátu na amoniak:
2HNO3
+ 2H2O + R â
2NH3 + 4O2
Je
reakce měnící dusičnany na využitelný amoniak. Vzniká kyslík. Organismy
přijímají nitrát (vytvořený nitrifikačními bakteriemi) a redukují jej pro účely
stavby bílkovin. Provozují to mj. i zelené rostliny.
Kromě těchto způsobů získávání organických látek či energie existují na
Zemi asi i jiné, a ve vesmíru prakticky určitě ještě mnohé další a podivnější!
Chtěl bych zde některé z nich představit.
Každý heterotrofní („živočišný“) metabolismus potřebuje (alespoň) dvě
chemické látky. Jednu, která je redukovaná (v našem případě je to třeba cukr),
a druhou, která je oxidovaná a slouží jako oxidační činidlo (pro nás je to
kyslík). Tyto dvě látky se spolu už z definice nemají moc rády, není tedy
pravděpodobné, že by obě byly přirozenou složkou přirozeného prostředí. U nás
lidí je to tak, že redukované látky jsou pevné a jsou uloženy uvnitř organismu,
zatímco oxidační činidlo se vyskytuje volně v atmosféře. Teoreticky je
ovšem možné, aby to bylo třeba právě naopak.
Zkouším zde uvést některé zajímavější zástupce.
Slyšel jsem, že Isaac Asimov vymyslel živočichy dýchající chlór. Tuto
konkrétní povídku jsem bohužel nesehnal, ale nápad je to pozoruhodný.
Takto by mohla vypadat jejich autotrofie…
6CO2 + 24HCl + ENERGIE â C6H12O6 +
12Cl2 + 6H2O
A takto heterotrofie:
C6H12O6 + 12Cl2 + 6H2O
â 6CO2 + 24HCl + ENERGIE
Chlorovodíkoví tvorové by zřejmě získali energie
celkem dost. Jenom by měli problém, kde vzít oceány chlorovodíku. Ve vesmíru
není chlóru zrovna nadbytek. Ale schopný scifista to už nějak zaonačí…
Metabolismus
jako dělaný pro bytosti ve vodíkové atmosféře plynných obrů a podobných
zapadákovů, kde je přehršel metanu a vodíku. Výhoda je, že tuto reakci mohou
provozovat i bytosti, které se musejí vyhýbat kyslíku – to znamená třeba ty
s amoniakovou krví.
Pozoruhodné je, že energie se asi získá i redukcí organické hmoty – tedy dějem přesně opačným než je naše dýchání.
Autotrofie využívá
metan:
6CH4 + 6H2O + Râ C6H12O6 + 12H2
Heterotrofie pak
vodík:
C6H12O6 + 12H2 â 6CH4 + 6H2O
+ ENERGIE
Tento metabolismus není nijak
nemožný – jde v podstatě o kombinaci acetoklastické metanogeneze (glukóza na metan a oxid uhličitý) a
chemotrofní metanogeneze (oxid uhličitý s vodíkem tvoří metan a vodu).
Takže tu heterotrofní část na Zemi vlastně máme, byť rozdělenou ve dvou různých
typech organismů.
Lepších výsledků by dosáhla podobná reakce,
kde by glukózu nahradil více oxidovaný uhlík – třeba uhličitan nebo karboxylová
kyselina.
Rovněž
scifisty celkem „oblíbený“ metabolismus. Oxid
dusičitý je páchnoucí, agresivní, hnědavě zbarvený plyn. To však nebrání
fantastům, jako jsem já, aby na něj nehleděli s jistým zájmem.
Hlavní problém je v autotrofii – není žádná legrace vázat molekulární dusík!
6CO2 + 3N2 + 6H2O + Râ C6H12O6 +
6NO2
Heterotrofie ale nevypadá špatně:
C6H12O6 + 6NO2 â 6CO2 + 3N2 + 6H2O + ENERGIE
Samozřejmě, že to zdaleka není vše. Oxidačním
činidlem se mohou stát prakticky všechny oxidované látky (NO2, HNO3, SO2,
H2SO4, snad i molekulární síra a některé organické
sloučeniny.) Nabídka redukčních činidel, organických i anorganických, je snad
ještě větší. Zdrojem uhlíku pak prakticky všechny jeho sloučeniny, které se
někde vyskytují.
Pokud vymýšlíte nějaké ty mimozemšťany, tak
si rozhodně nelze naříkat na chudou paletu metabolismů. Většina z nich
ovšem zřejmě silně pokulhává co do energetického zisku za naší starou dobrou
respirací.
Tuším, že kyslík nebude pro mnohobuněčné
živočichy jiných světů jedinou možnou alternativou, ale rozhodně a bezesporu
bude nejběžnější. Tím zajímavější ovšem budou všechny výjimky!
Kinetotrofie – využití kinetické, tj. pohybové
energie např. vodního proudu. Něco jako biologická vodní či větrná elektrárna.
Magnetotrofie – využívání změn magnetického
pole. Něco jako biologické dynamo.
Termotrofie – získávání energie
z termálních gradientů nebo změn teploty.
Osmotrofie – získávání energie
z gradientů koncentrace, např. slanosti.
+další možnosti
http://bioweb.usc.edu/courses/2004-spring/documents/bisc483-lecture02b.pdf
http://www.geo.utep.edu/pub/dirksm/geobiowater/pdf/EOS27March2001.pdf
http://astrobiology.asu.edu/focus/europa/discuss/EFG_0502_vol02.doc