გაფართოებული ძებნა
"ქიმიის უწყებანი" ტომი:3, ნომერი:3, 30-32 გვ.
მიკროქიმიკოსი ქემოსინთეტიკოსი
საქართველოს ტექნიკური უნივერსიტეტი
რეზიუმე: გარდა ქიმიის ხელოსობით აღჭურვილ ადამიანებისა, შემოქმედს უხვად შეუქმნია მიკროქიმიკოსები, რომლებიც დაუღალავად დღითიდღე იღწვიან, წრთვნიან და აყალიბებენ ჩვენ გარემოს და ეკოსისტემას.
საკვანძო სიტყვები: მიკროქიმიკოსი, ქემოსინთეტიკოსი, დუღილი, გამოყოფა, ენერგია, სინთეზი
ჩვენი გარემომცველი სამყარო მთლიანადაა გაჯერებული იმ სიმდიდრეებით, რომლებიცამ სამყაროს სიცოცხლეს, როგორც ჩუქნიან ასევე უნარჩუნებენ კიდეც, დაწყებული უმცირესი ნაწიკლაკებიდან დამთავრებული უმაღლეს და რთულ ორგანიზმებამდე, რომლებიც გამოვლენილნი არიან მიკრო და მაკრო მდგომარეობაში, ცოცხალი და არაცოცხალი ბუნებით.
ბაქტერიების მიერ განხორციელებულ მრავალ პროცეს შეუძლია დიდი გავლენა იქონიოს სხვა მაკრო ცოცხალ სისტემებზე.ამიტომ მე მინდა წარმოვაჩინო იმ მიკროქიმიკოსების ქიმიური შესაძლებლობები კერძოდ ქემოსინტეთიკოსებისა, რომლებიც უჯრედის ასაშენებლად საჭირო პროცესებს მათ მიერ წარმოებული ქიმიური რეაქციებიდან გამოთავისუფლებული ენერგიის ხარჯზე წარმართავენ განსხვავებულად ფოტოსინთეზისა, რამეთუ ფოტოსინთეზისას მცენარე ენერგიას მზის სხივებიდან მოიპოვებს.
ქემოსინთეტიკოსები სხვა ბაქტერიებისა და უმაღლესი ცოცხალი ორგანიზმების მსგავსად, იბადებიან, მრავლდებიან და კვდებიან.შესაბამისად, ზრდა-განვითარებისთვის მათ სჭირდებათ სუნთქვა და კვება, რადგან მათი განუწყვეტელი მოძრაობა, ზრდა-გამრავლება, დიდძალი ენერგიის ხარჯვას მოითხოვს. ამისათვის ისინი მსგავსად უმაღლესი ცხოველებისა, იყენებენ ქიმიურ რეაქციებს, რომლის დროსაც მიმდინარეობს ცილების დაშლა, ცხიმებისა და ნახშირწყლების დაჟანგვა.როგორც ზემოდ ვახსენე უჯრედში მიმდინარე ამ პროცესების განსახორციელებლად საჭირო ენერგიას ქემოსინთეტიკოსი ბაქტერიები არაორგანული ნივთიერებების დაჟანგვისას გამოთავისუფლებენ. მაგალითად, მე-20ე საუკუნის მეორე ნახევარში ოკეანის ღრმულებში წყალქვეშა ცხელი წყაროების გარშემო, სადაც ტემპერატურა 3000-C აღწევს აღმოჩენილი იქნა გოგირდობაქტერიები,რომლებიც ენერგიას ოკეანის ფსკერიდან ამოფრქვეული გოგირდწყალბადის დაჟანგვიდან იღებენ, კერძოდ ისინი ჯერ გოგირწყალბადს ჟანგავენ თავისუფალ გოგირდამდე
2H2S + O2 = 2H2O + 2S + Q
რის გამოც გამოიყოფა წყალი, შემდეგ თხევადი გოგირდის წვეთებს ინახავენ თავიანთ უჯრედეში და იწყებენ გოგირდის დაჟანგვას გოგირდმჟავამდე.
1. S + O2 = SO2 + Q
2. 4SO2 + 2O2 = 4SO3 + Q
3. SO3 + H20 = H2SO4 + Q
გამოყოფილი ენერგიით ისინი ორგანიზმისათვის საჭირო მოლეკულებს ასინთეზირებენ.ამავდროულად, ეს პროცესი მათ სუნთქვის მაგივრობასაც უწევს.
გარდა ოკეანის სირღმეებისა, გოგირდობაქტერიებს შეიძლება შევხდეთ მლაშე ტბებში, ყველა გუბურასა და ჭაობში, გოგირდოვანწყაროებში. ისინი დიდ როლს ასრულებენ დახურულ წყალსაცავებში, სადაც ცხოველური თუ მცენარეული ნარჩენების ხწნა მიმდინარეობს, ცილის ხრწნისას ამიაკის გარდა გამოიყოფა გოგირდწყალბადიც (ლაყე კვერცხის სუნის მქონე აირი), ამავდროულად გოგირდობაქტერიები კარგი მოკავშირენი არიან მცენარეებისა, რამეთუ შხამიან გაზს-გოგირდწყალბადს გარდაქმნიან გოგირდმჟავად, რასაც მცენარე მარტივად ითვისებს. აგრეთვე გოგირდყალბადით არის გაჯერებული მთელი შავი ზღვა. წყლის ზედაპრიდან 150-200 მეტრის სირღმეზე, მაგრამ ზღვას მაინც არ ასდის გოგირდის სუნი და ის მაინც ძლიერ კამკამაა. ამ ყველაფრის მიზეზი კი ისევდაისევ გოგირდო ბაქტერიებია, რომლებიც დაუღალავად განიცდიან ქემოსინთეზს.
მეცნიერები ვარაუდობენ, რომ ზოგიერთი დიდი გოგირდის საბადოს წარმოქმნა მაგალითად როგორებიცაა: კავკასიაში, ამერიკის შეერთებულ შტატებში და შუააზიაში სწორედ გოგირდო ბაქტერიების დამსახურებაა.
ძირითადად ასეთი ბაქტერიები უფერულნი, მაგრამ არსებობს ფერადი ბაქტერიებიც, რომლებიც ბუნებით ანაერობულებია და გამოიყურებიან ლურჯი, ყვითელი, მწვანე, იისფერი, ნარიჯისფერი, ყავისფერი შეფერილობით. ისტორიას ახსოვს ისეთი შემთხვევა, როდესაც მეზღვაურებს გრელანდიის სანაპიროზე არაერთხელ შეემჩნიათ სისხლივით წითელი და მწვანე ფერის თოვლით დაფარული კლდეები, რომელი სანახაობის შემოქმედნი ქემოსინთეტიკოსი ბაქტერიები გახლავთ.ამერიკის შეერთებულ შტატებში ფლორიდის სანაპიროსთან არის კუნძულები, რომელიც მსგავსმა მიკრობებმა შეკაზმეს მრავალი წლის წინ.
გოგირდობაქტერიების გარდა ქემოსინთეზის უნარით დაჯილდოვებულნი არიან ნიტრიფიკაციის ბაქტერიებიც, რომლებიც ენერგიას მსგავსად გოგირდობაქტერიებისა არაორგანული ნივთიერებების დაჟანგვიდან იღებენ.კერძოდ, ისინი ამიაკს ჟანგავენ რათა მიიღონ აზოტოვანიმჟავა შემდეგ ამ აზოტოვან მჟავასაც ჟანგავენ აზოტმჟავამდე რის შედეგადაც გამოთავისუფლდება ენერგია.
1. 2NH3 + 3O2 = 2HNO2 + 2H2O + Q
2. 2HNO2 + O2 = 2HNO3 + Q
როგორც ხედავთ ეს პროცესი არა ერთბაშად არამედ ორ სტადიად მიმდინარეობს.
აუცილებლად უნდა ითქვას ისიც, რომ ამ პროცესს ორი ქემოსინთეტიკოსთა სახესხვაობა აწარმოებს. ესენია: ნიტროზიები და აზოტობაქტერიები
ნიტროზიები უშუალოდ ჰაერიდან იღებენ აზოტსა და მას აზოტოვან (ამონიუმის) მარილებად გარდაქმნიან.
1. 2N2 + 6H2 = 4NH3 + Q
2. 4NH3 + 5O2 = 2NO2 + 6H2O + Q
3. 4NO2 +O2 + 2H2O = 4HNO3 + Q
4. NH3 + HNO3 = NH4NO3 +Q
გამოყოფილ ენერგიას ნიტროზიები თავისთვის იყენებენ, ხოლო რეაქციის შედეგად მიღებულ პროდუქტს მცენარეს აწვდიან სამარქაფოდ. მაგრამ აზოტო ბაქტერიები ცოტა უფრო განსხვავებულად მოქმედებენ, კერძოდ ისინი აზოტს მსგავსად ნიტროზიებისა პირდაპირ ჰაერიდან იღებენ, რომელსაც თავიანთი უჯრედის საშენ მასალად იყენებენ და არა ენერგიის მისაღებად. ხოლო, როცა მიკრობი იღუპება მისი უჯრედი იწყებს გახრწნას, აზოტი გარდაიქმნება აზოტოვან მარლებად, რაც მცენარისთვის უკვე ხელმისაწოვდომი ხდება, ხოლო როცა თვით მცენარე იღუპება ანუ მასში მიმდინარე სასიცოცხლო პროცესი წყდება, სხვა ბაქტერიები ამ მკვდარ მცენარეს თავისებურად მოიხმარენ, ზოგი მიკრობი მას შლის მეთანისა და ნახშიროჟანგის, ხოლო ზოგი წყალბადისა და ნახშიროჟანგის გამოყოფით. ეს პროცესები ცხიმმჟავა დუღილის მსგავსად უჟანგბადოდ, ანაერობულად მიმდინარეობს.
რაც შეეხება მეთანის გამომყოფ ბაქტერიებს, რომელთათვისაც მეთანი წარმოადგენს სუნთქვის პროდუქტს უხვად არიან ჭაობებში, რომლებიც პირველად 1902 წ. ვ. ლ. ომელიანსკმა აღმოაჩინა.გარდა ჭაობის მეთანის ბაქტერიებს შეიზლება შევხვდეთ ნაგვის ყუთებში, დამპალ ჩალასა და ნოტიო ნახერხის გროვაშიც კი, რადგან სიცოცხლისათვის მათ ცოტა რამ - სითბო,სინესტე და უჰაერო გარემო ესაჭიროებათ.
აღსანიშნავია, ის ბაქტერიები, რომლებიც მხოლოდ მცენარის ცელულოზას ეტანებიან. ხშირ შემთხვევაში ეს ხდება წიგნების საცავეში, სადაც მეტი ტენი და დაბალი ტემპარატურაა, რადგან მათთვის შესაფერისი გარემო იქმნება. ისინი აზიანებენ წიგნებს თავიანთი მიკროქიმიკოსური მიდრეკილების გამო. რომელიც წიგნის ფურცლებზე ლაქებითა და ნაფიფქით გამოიხატება, ასეთ ბაქტერიებს ცელულოზას ბაქტერიები ეწოდებათ.
გარდა აზოტისა, მცენარის კვების რაციონში დიდი ადგილი უჭირავს ფოსფორსაც, რამეთუ მის გარეშე შეუძლებელია მცენარის არსებობა, აქედან გამომდინარე მე-20 საუკუნეში აღმოჩენილი იქნა ფოსფორობაქტერიები, ქემოსინთეზური ძალაუფლებით აღჭურვილი. ისინი ფოსფორის შემცვლელ ნაერთებს შლიან და გარდაქმნიან ხსნად ფოსფორ შემცველ მარილებად,
Ca3(PO4)2 + 4H3PO4 = 3Ca(H2PO4)2
რეაქციის შედეგად მიღებულ პროდუქტს მცენარეს ჩუქნიან თავიანთი „გულუხვობიდან“ გამომდინარე, რამეთუ ეს ხსნადი მარილიები აუცილებელია მცენარის ნორმალური კვებისთვის. გარდა ფოსფორო ბაქტერიებისა აღმოაჩინეს სილიკატური ბაქტერიები, რომლებიც მთის ქანებს შლიან. კერძოდ ალუმინსილიკატებს.
მიკროქიმიკოსების დამსახურებაა უამრავი საბადოს წარმოქმნაც მაგალითად; კირქვისა და ცარცის, რომელიც ცხელ წყალში მტკნარ და მლაშე ტბებში მობინადრე მიკრობების მიერ გამოყოფილი ნახშირმჟავისა და კალციუმის დაგროვებით წარმოიქმნება. ყურადღება მისაქცევია, ის წყალბადო ბაქტერიები, რომლებიც წყალბადის დაჟანგვით გამოყოფილ ენერგიას იყენებენ სამარქაფოდ.
2H2 + O2 = 2H2O + Q
არაორგანული ნივთიერების დაჟანგვისას და მათგან მიღებული ენერგიის საკეთილდღეოდ გამოყენებისათვის რკინა ბაქტერიები წყალში გახსნილ ნახშიბად-რკინის ქვეჟანგის მარილს გარდაქმნიან რკინის ჟანგის ჰიდრატად ანდა Fe2+ -ის Fe3+-მდე ჟანგავენ.
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3+ Q
ისინი ეძებენ რკინის ნამცებებს რათა ზემოთ აღნიშნული პროცესი განახორციელონ . ხოლო მათი სხეული გარედან დაფარულია რკინის ჟანგის ჰიდრატის თხელი აფსკით.ისტორიულად ცნობილია შავი ზღვის სახელწოდების ერთ-ერთი მიზეზი თუ რატომ ქვია მას ასეთი სახელი.კერძოდ, მასზე მოცურავე გემები, როდესაც ღუზას წყალში აგდებდნენ გარკვეული დროის შემდეგ ამოღებისას ღუზის ზედაპირი დაფარული იყო ჟანგის აფსკით,რომელსაც მოშაო-მოყავისფრო ფერი ჰქონდა, ამიტომ ზღვას შავი ფერის მიმცემი,შავი ზღვა უწოდეს.ამ ყველაფრის გამომწვევი მიზეზი კი ის კრინა ბაქტერიები იყო, რომელიც ღუზის იგვლივ რკინას ჟანგავდნენ ენერგიის მისაღებად, რის გამოც ღუზის ზედაპირიც ფერს იცვლიდა. ამ ჟანგვით რკინაბაქტერიები სუნთქვის პროცესს წარმათავენ, ჟანგვისას გამოყოფილი ენერგიით უჯრედებში ცილისა და სხვადასხვა სასიცოცხლო საჭირო მოლეკულებს ასინთეზირებენ. ხოლო ორგანული ნაერთებისთვის საჭირო ნახშირბადს კი წყალში გახსნილი ნახშიროჟანგის მეშვეობით იღებენ.
მიკროსამყაროს კიდევ ერთ თავისებურებას წარმოადგენს ბაქტერია საფროფიტი, რომელიც ნახშიროჟანგს არაორგანული ნივთიერებების სინთეზისათვის იყენებს, არამედ ენერგიის მისაღებად წარმოებული ქიმიური რეაქციისას პროდუქტის სახით გამოყოფს და ატმოსფეროში ფანტავს, ასევე მტვერთან ერთად გრანიტისა და ბაზალტის კლდეებზე მოხვედრისას საფროფიტი მათ შლის, რადგან ნახშიროჟანგისგან წარმოქმნილ ნახშირმჟავას ყყველაზე მტკიცე ქანების გახსნა შეუძლია. მიკროქიმიკოსი ქემოტროფული „მხეცუნიები“ (ასე უწოდა პირველად ანტონი ლევენჰუკმა ბაქტერიებს) თავიანთი ქიმიური ძალაუფლებით ქვანახშირსაც და ნავთობბსაც კი შლიან. მე-20 საუკუნის 40-იან წლებში აღმოაჩინეს ის მიკროორგანიზმები, რომლებსაც ნავთობში არსებული ნახშირწყალბადების მეთანის, ეთანის და პროპანის დაჟანგვა შეუძლიათ. ასევე თუ ავიღებთ ქვანახშირის მცირეოდენ ანათალს და მიკროსკოპის ქვეშ დავაკვირდებით, უამრავ უწვრილესს მარცვლებს აღმოვაჩენთ. ეს კოკებია, რომლებიც მილიონი წლის წინ მცენარეულ ნარჩენებს შლიდნენ, მაგრამ მოგეხსენებათ, რომ „წუთისოფელი მუხთალია“ და სამწუხაროდ კოკების ეს დაჯგუფება მცენარესთან ერთად გაქვდნენ.
მართლაც დიდი ძალაუფლება გააჩნიათ ამ ჩვენ მიკროქიმიკოსებს,რომლებიც საათობით, დღითიდღე, წლობით, საუკუნოობით აფორმირებენ, წვრთიან და ინარჩუნებენ ჩვენს ეკოსისტემას. ახლა კი მე მინდა გავიხსენო ერთი დიდი მეცნიერი ლუი პასტერი, რომელმაც შეძლო გამოეკვლია ის ბაქტერიები, რომლებიც ჩვენთვის საჭირო საკვებისა და სასმელის დამზადებაში მონაწილეობენ. 1854 წელს პროფესორი ლუი პასტერი ლისის უნივერსიტეტის რექტორმა დაიბარა და საგანგებოდ დაავალა ღვინის დუღილის პროცესების გამოკვლევა, რასაც პასტერმა ბრწყინვალედ გაართვა თავი. მიკროსკოპის დახმარებით პასტერი ყურძნის არომატულ ტკბილში მხოლოდ საფუარის სოკოს მომრგვალებულ მიკროუჯრედებს პოულობდა, მაგრამ ამჟავებულ ღვინის კასრებში სადაც სპირტის გარდა დიდი რაოდენობით ძმარიც გროვდებოდა, საფუართან ერთად სხვა მიკრობებსაც ამჩნევდა, რის გამოც იგი დარწმუნებული იყო, რომ დუღილის დროს ნივთიერებათა გარდაქმნა მიკრობებით იყო გამოწვეული და არა ცილისა და სხვადასხვა მოლეკულების რხევით ამიტომ პასტერმა უკვე გაბედულდ განაცხადა, რომ ღვინის საფური იწვევს ღვინის დუღილს ხოლო ძმარმჟავაბაქტერიები ღვინის დაძმარებას. რომელ მხეცუნიებსაც მთლიანი საშრომელი პროცესი განაწილებული აქვთმო ნაცვლეობით. ერთნი აწარმოებენ ერთ ოპერაციას, მეორენი მას აგრძელებენ მესამენი კი ამთავრებენ. ეს პროცესი დუღილისას კია ასე გამოიყურება :ჯერს საფუარი დუღილის დროს შაქარს გარდაქმნის სპირტად
1. C12H22O11 + H2O = C6H12O6 + C6H12O6
2. C6H12O6 = 2C2H5OH + 2CO2
მაგრამ საფუარს სპირტის შემდგომი დაშლა არ შეუძლიათ რადგან სპირტი მათთვის რეაქციის შედეგად გამოყოფილი უარგისი პროდუქტია და ამიტომ თუ ჭურჭელში სპირტი დიდი რაოდენობით დაგროვდა დუღილი წყდება.
გარდა ამისა პასტერმა შეისწავლა რძემჟავა პროცესიც და დაადასტურა რომ აქაც რძემჟავაბაქტერიებით იყო გამოწვეული დუღილი და არა ცილებისაგან, ამიტომ მან მოამზადა შაქრის სუფთა წყალხსნარი დაუმატა ამიაკი და მინერალური მარილები, რათა ბაქტერიებს ენერგიის წყაროდ შეეთვისებინათ, შემდეგ ეს ბაქტერიები რომლებიც ამ კოლბაში მომრავლდნენ მიკროსკოპით შეამოწმა და დადგინა,რომ რძემჟავა ბაქტერიები არიყო, ამიტომ მთლიანი ხსნარი გააცხელა რათა ისინი დაღუპულიყვნენ, ხსნარს გაციებისას კი ერთი წვეთი სითხე დაუმატა, რომელშიც რძემჟავა დუღილი უკვე დაწყებული იყო.გარკვეული დროის შემდეგ ხსნარში წარმოიქმნა ნალექი, რომლის მიკროსკოპულმა ანალიზმა რძემჟავა ბაქტერიების არსებობა დაადასტურა, რადგან ხსნარი შეიცავდა ყველა იმ ქიმიურ ნივთიერებას, რომლებიც ამ ბაქტერიებისთვის სასიცოცხლოდ მნიშველოვანი იყო, კერძოდ მათ შაქრის რძემჟავად გარდაქმნა მოახდინეს. ამავდროულად პასტერმა ამ ექპერიმენტით თვითჩასახვის მოსაზრებებიც კი სრულიად გაანულა.
„მხეცუნია“ ქიმიკოსების ანუ რძემჟავა ბაქტერიების გარეშე შეუძლებელია მაწვნის, კეფირის, ცხენის რძისაგან კუმისის მიღება. ასევე მათი დახმარებით მიმდინარეობს ყველის ამოსვლის, კომბოსტოს და კიტრის დამწნილების პროცესები. აგრეთვე უნდა ითქვას ისიც, რომ რძემჟავა ბაქტერიები შაქრის დაშლას თავისუფალი ჟანგბადის მონაწილეობის გარეშე აწარმოებენ ხოლო, დუღილის პროცესს ეს და სხვა ბაქტერიები წარმართავენ, იმ გარემოებიდან გამომდინარე, რომ დუღილი არის მათთვის უნარი ისუნთქონ ჟანგბადის გარეშე, რადგან დუღილისას გამოიყოფა სითბო, რომელიც ბაქტერიებისათის, როგორც ზემოთ ვახსენეთ სუნთქვის შეცვლელი პროცესია.
დუღილიის პროცესი მიმდინარეობს თაფლშიც, ოღონდ მიკროქიმიკოსი ოსმოფილური საფუარების დახმარებით.რომელთა ძირითად წყაროს წარმოადგენს ნექტარი, ნიადაგი, ფუტკარი და ჰაერი. მათი რაოდენობა 10გ თაფლში დაახლოებიით ერთიდან ასი ათასს სპორამდეა.
ასევე დიდი ქიმიური შესაძლებლობით ხასიათდება ცხიმმჟავა ბაქტერიები,რომლებიც ბუნებაში გავრცელებულია მტვერში, ნაკელში, ჭუჭყიან წყალში, ნიადაგში. ისინი სახლდებიან რძეში და ყველში, პურეულის მარცვლებზე, ცერვზე და ბარდაზე, ცხიმმჟავა ბაქტერიები იწვევენ ცხიმმჟავა დუღილს, რადგან მათ ძალუძთ შაქრის, ზოგიერთი ნახშირწყალბადის და უმაღლესი სპირტის დაშლა, რომელთა დაშლის საბოლოო პროდუქტია ცხიმმჟავავა, მაგრამ ამასთან ერთად გამოიყოფა ნახშიროჟანგი, წყალბადი და ზოგჯერ მეთანიც კი. როგორც რძემმჟავა, ისე ცხიმმჟავა დუღილი უჟანგბადო, ანაერობულ გარემოში 350C ტემპერატურაზე მიმდინარეობს და შესაძლებელია, დაშლისას წარმოიქმნას აცეტონი, ბუტილის სპირი და პროპიონმჟავა.
უწინ აცეტონს და სპირტს მხოლოდ ქიმიური გზით იღებდნენ ახლა კი ადამიანი ქიმიკოსები ბაქტერია ქიმიკოსებმა შეცვალეს, უფრო სწორად ისინი ადამიანზე უწინარესად არსებობდნენ დედამიწაზე, მაგრამ დღევანდელ დღემდე მათ შესაძლებლობებზე ცოტა რამ თუ იყო ცნობილი ამიტომაც, დღეს უკვე მოვიშინაურეთ ეს ბაქტერიები და მათი დახმარებით უამრავ პროცესი წარვმართეთ. მაგალითად აცეტობუთილის ბაქტერიები, რომლებიც ჩალას, კარტოფილის ნაფცქვეს, ქატოს გარდაქმნის აცეტონად და სპირტად. ამასთან ერთად შეიცვალა ლიმონმჟავას მიღების ხერხიც. ადრე თუ ციტრუსებისაგან იღებდნენ ახლა შაქრის ხსნარს ზოგიერთი ობის სოკოთი შეამჟავებენ.
როგორც ხედავთ, ამ უხილავ „ანიმაკულებს“ შეუძლიათ მართლაც ძლიერი გავლენა მოახდინონონ ჩვენს გარემომცველ ბუნებაზე, რამეთუ მათი ქიმიკოსობით უამრავი პროცესი წარიმართება გარემოში ჩვენგან დამოუკიდებლად.
ლიტერატურა.
ბ.ი. როზენი- ხილული და ფარული ცეცხლის ქიმია
გამოქვეყნებულია: 15-02-2019