التمثيل الكيمائي

11 - 2يصف التمثيل الكيميائي على أنه تثبيت الكربون باستخدام الطاقة الكيميائية للمواد الذائبة . وتشمل هذه المواد كبريتيد الهيدروجين والميثان والهيدروجين والحديد .

12 - 2يصف العلاقة التكافلية بين الدودة الأنبوبية العملاقة ريفتيا الموجودة في الفوهات الحرارية المائية وبكتيريا التمثيل الكيميائي اندوريفتيا .

13 - 2يشرح أن بكتيريا إندوريفتيا تستخدم الطاقة الناتجة من كبريتيد الهيدروجين لتثبيت الكربون وبالتالي إنتاج مركبات عضوية مثل الجلوكوز ( المعادلات اللفظية والكيميائية غير مطلوبة ) .

14 - 2يلخص كيف أن بكتيريا التمثيل الكيميائي في الفوهات الحرارية المانية تسمح بتكوين سلسلة غذائية .

الأهداف :

ما هو التمثيل الكيميائي؟

التمثيل الكيميائي هو عملية بناء مركبات عضوية بواسطة البكتيريا أو الكائنات الحية الأخرى باستخدام الطاقة الناتجة من تفاعلات كيميائية تشمل مواد غير عضوية، مثل كبريتيد الهيدروجين والميثان وأملاح الحديد.

• بمعنى أنه .. طريقة للتغذية الذاتية حيث تستخدم الطاقة الكيميائية للمواد الذائبة لتثبيت الكربون في مركبات عضوية بدلا من الضوء .
• تستخدم الأنواع المختلفة من الكائنات الحية ذاتية التغذية مواد ذائبة مختلفة كمصدر للطاقة الكيميائية مثل : كبريتيد الهيدروجين (H2S) ، والميثان (CH4) ، والهيدروجين (H2) ، واملاح الحديد .
• تقع الفوهات الحرارية المائية في قاع البحر وبالتالي تتميز بظروف فريدة ويؤدي نقص الضوء الى استحالة و تثبيت الكربون عبر عملية التمثيل الضوئي في النظام البيئي .
• لاحظ الباحثون لاحقا أن الفوهات الحرارية المائية تحتوي على العديد من الكائنات الحية تعيش حولها واكتشفوا نوعا جديدا من الديدان الانبوبية العملاقة تسمى (ريفتيا).

الـ "ريفتيا": دودة الأعماق الأنبوبية العملاقة

في هذه البيئات القاسية، لاحظ الباحثون وجود مجتمعات حيوية مزدهرة، واكتشفوا نوعاً جديداً من الديدان الأنبوبية العملاقة التي تسمى الريفتيا

خصائص الريفتيا

تستطيع الريفتيا العيش في تراكيز عالية من كبريتيد الهيدروجين. يمكن أن يصل طولها إلى أكثر من مترين وقطرها إلى 4 سم.

تكيّف تشريحي فريد

عند دراسة عينات الريفتيا، تبين أنها لا تمتلك قناة هضمية، بل تجويف داخلي متخصص يُعرف باسم التروفوزوم (Trophosome).

جهاز دوري فعال

تمتلك الريفتيا جهازاً دورياً قوياً ينقل المغذيات والأكسجين وكبريتيد الهيدروجين إلى جميع أنحاء الجسم، وخاصة إلى التروفوزوم.

التروفوزوم: مصنع الغذاء الداخلي

التروفوزوم هو مفتاح بقاء الريفتيا، حيث يضم بلورات كبريت وبكتيريا تكافلية، مما أدرك معه العلماء أن البكتيريا تقوم بعملية تثبيت الكربون عبر التمثيل الكيميائي.

امتصاص المواد الخام

تمتص الريفتيا الأكسجين (O₂)، وثاني أكسيد الكربون (CO₂)،

وكبريتيد الهيدروجين (H₂S) من مياه البحر الباردة والساخنة.

النقل إلى التروفوزوم

ينقل الجهاز الدوري هذه المواد إلى التجويف الداخلي

تعيش البكتيريا التكافلية )إندوريفتيا(

التمثيل الكيميائي للبكتيريا

تستخدم البكتيريا طاقة كبريتيد الهيدروجين لتثبيت الكربون وإنتاج الجلوكوز

والجزيئات العضوية الأخرى.

العلاقة التكافلية: الريفتيا و إندوريفتيا

العلاقة بين دودة الريفتيا والبكتيريا التي تعيش داخلها إندوريفتيا هي مثال كلاسيكي على التكافل الداخلي ، وهي علاقة منفعة متبادلة ضرورية لبقاء الطرفين.

منفعة الريفتيا

تتغذى الريفتيا على الجلوكوز والجزيئات العضوية )مثل الأحماض الأمينية) التي تنتجها بكتيريا إندوريفتيا داخل التروفوزوم، مما يعوض غياب الجهاز الهضمي.

منفعة الإندوريفتيا

تضمن الريفتيا حصول البكتيريا على إمداد ثابت ومستمر من المواد الخام الضرورية لعملية التمثيل الكيميائي H₂S ، O₂، CO₂ .

مرحلة اليرقات

تبدأ هذه العلاقة التكافلية عندما تكون الريفتيا في مرحلة اليرقات في قاع البحر، حيث تكتسب البكتيريا وتستضيفها بشكل دائم.

اعتماد كلي

تعتمد الإندوريفتيا بشكل كامل على الريفتيا للحصول على الغذاء والبيئة المستقرة، بينما تعتمد الريفتيا عليها في التغذية.

أكسجين + جلوكوز ماء + ثاني أكسيد الكربون

ضوء

كلوروفيل

6Co2 + 6H2O C6H12O6 + 6O2

ضوء

كلوروفيل

كبريت + ماء + جلوكوز ثاني أكسيد + كبريتيد

الكربون الهيدروجين

12H2S + 6CO2 C6H12O6 + 6H2O + 12S

أوجه التشابه والاختلاف بين التمثيل الضوئي والتمثيل الكيميائي :

شبكة الغذاء القائمة على التمثيل الكيميائي

تشكل بكتيريا التمثيل الكيميائي الأساس والمنتج الأولي للشبكات الغذائية في

أعماق المحيط، حيث تثبت الطاقة الكيميائية في شكل كربون عضوي.

هذه الشبكات الغذائية فريدة لأنها لا تعتمد على ضوء الشمس كمصدر للطاقة.

توزيع الأدوار في النظام البيئي

يوجد العديد من الكائنات الحية الأخرى التي تشارك في هذه الشبكة الغذائية المعقدة.

إندوريفتيا

المنتج الأساسي. تثبت الكربون لإنتاج المركبات العضوية.

الريفتيا

المستهلك الأولي. تتغذى على البكتيريا التكافلية داخل التروفوزوم.

سرطانات الفوهات

مستهلك ثانوي. تستهلك ديدان الريفتيا.

سمك الألبوت

مستهلك ثانوي و/أو ثالثي. يستهلك ديدان الريفتيا والكائنات الأخرى.

هشاشة النظام البيئي وأهمية البكتيريا

على الرغم من الازدهار الظاهري لهذه المجتمعات، إلا أنها شديدة الحساسية

والاعتماد على المواد الكيميائية المنبعثة من الفوهات.

100%

اعتماد على الفوهات

تعتمد السلاسل الغذائية بالكامل على استمرار انبعاث أيونات المعادن وكبريتيد الهيدروجين من الفوهات الحرارية المائية.

0%

بديل للطاقة

في غياب التمثيل الكيميائي، لا يوجد مصدر بديل للطاقة لتثبيت الكربون في هذه الأعماق.

100%

زوال المجتمع

عندما تتوقف الفوهات عن إطلاق هذه المواد، تموت ديدان الريفتيا بسرعة، ويختفي بالتالي بقية النظام البيئي بالكامل.

خلاصة: التمثيل الكيميائي كأساس للحياة في الأعماق

تمثل بكتيريا التمثيل الكيميائي في الفوهات الحرارية المائية العمود الفقري للحياة، حيث تتيح وجود مجتمعات حيوية متكاملة في بيئات كانت تُعتبر في السابق خالية من الحياة.

التمثيل الكيميائي

تثبيت الكربون باستخدام الطاقة

الكيميائية، وليس الضوء.

المنتج الأساسي

بكتيريا إندوريفتيا كمصدر

وحيد للطاقة العضوية.

علاقة التكافل

الريفتيا تستضيف البكتيريا وتوفر المواد الخام، وتحصل على الغذاء المقابل.

أهمية بيئية

دليل على مرونة الحياة وقدرتها على

الازدهار في الظروف القاسية.

البيئة الفريدة للفوهات الحرارية المائية لا تزال قيد البحث لفهم تعقيدات شبكاتها الغذائية بشكل كامل.