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生化学において、化学合成とは、光合成のように太陽光ではなく、無機化合物（水素ガス、硫化水素など）や鉄イオンの酸化をエネルギー源として、1つ以上の炭素含有分子（通常は二酸化炭素またはメタン）と栄養素を有機物に生物学的に変換することである。化学合成によって二酸化炭素から炭素を得る化学合成独立栄養生物は、系統的に多様である。顕著な分類群や生物地球化学的に重要な分類群を含むグループには、硫黄酸化ガンマプロテオバクテリア、カンピロバクター、アクイフィコタ、メタン生成古細菌、好中性鉄酸化細菌などがある。
海洋の暗黒領域に生息する多くの微生物は、化学合成によって単炭素分子からバイオマスを生産する。この化学合成は大きく2つのカテゴリーに分けられる。水素分子（H₂）が存在する稀な場所では、CO₂とH₂の反応（メタンCH₄の生成につながる）から得られるエネルギーが、バイオマス生産を促進するのに十分な大きさになることがある。一方、ほとんどの海洋環境では、化学合成に必要なエネルギーは、硫化水素やアンモニアなどの物質が酸化される反応から得られる。この反応は、酸素の有無にかかわらず起こり得る。
海洋では多くの化学合成微生物が他の生物に捕食されており、化学合成生物と呼吸を行う従属栄養生物との共生関係は非常に一般的である。熱水噴出孔、メタンハイドレート、冷湧水、クジラの死骸、孤立した洞窟水などでは、化学合成による二次生産によって多数の動物が生息できる。
嫌気性化学合成は、火星、木星の衛星エウロパ、その他の惑星の地表下で生命を支えている可能性があると仮説が立てられている。 [ 1 ]化学合成は地球上で最初に進化した代謝の一種であり、後に細胞呼吸や光合成が発達する道を開いた可能性もある。
巨大チューブワームは、栄養体内の細菌を利用して二酸化炭素を固定し（硫化水素をエネルギー源として使用）、糖類やアミノ酸を生成する。[ 2 ]
光合成のように二酸化炭素を固定しながら酸素ガスを放出する代わりに、硫化水素化学合成ではその過程で硫黄の固体球状体が生成されます。紫色硫黄細菌[ 3 ]のような化学合成を行う能力のある細菌では、細胞質内に黄色の硫黄球状体が存在し、目視できます。
1890年、セルゲイ・ウィノグラツキーは「無酸素性」と呼ばれる新しいタイプの生命過程を提唱した。[ 4 ]彼の発見は、一部の微生物が無機物のみで生きられることを示唆しており、1880年代にストラスブールとチューリッヒで行われた硫黄、鉄、窒素細菌に関する生理学的研究中に発見された。
1897年、ヴィルヘルム・プフェファーは、無機物質の酸化によるエネルギー生産と、独立栄養的な二酸化炭素同化（今日では化学無機独立栄養と呼ばれるもの）に関連して、「化学合成」という用語を造語した。後に、この用語は、二酸化炭素を同化するために有機エネルギー基質を使用する生物である化学有機独立栄養生物も含むように拡張された。[ 5 ]したがって、化学合成は化学独立栄養の同義語と見なすことができる。
より限定的ではない「化学栄養」という用語は、1940年代にアンドレ・ルウォフによって、独立栄養または従属栄養に関連する、有機物または非有機物の電子供与体の酸化によるエネルギー生産を指すために導入された。[ 6 ] [ 7 ]
ウィノグラツキーの提案は、1970年代に熱水噴出孔が発見された約90年後に確認された。熱水噴出孔と奇妙な生物は、1977年に世界初の深海潜水艇アルビンによってガラパゴス海溝で発見された。ほぼ同時期に、当時大学院生だったコリーン・キャバノーは、硫化物または単体硫黄を酸化する化学合成細菌が、チューブワームが熱水噴出孔付近で生存できるメカニズムであると提唱した。キャバノーは後に、これが実際にワームが繁栄できる方法であることを確認し、化学合成の発見者として一般的に認められている。[ 8 ]
2004年にビル・ナイが司会を務めたテレビ番組で、化学合成は史上最も偉大な科学的発見100選の1つに挙げられた。[ 9 ] [ 10 ]
2013年、研究者らは、厚い堆積層の下の海洋地殻の岩石中に生息する細菌を発見したと報告した。これは、地殻プレートの縁に沿って形成される熱水噴出孔とは別の場所である。予備的な調査結果によると、これらの細菌は、海洋地殻を構成する玄武岩に浸透する小さな脈を循環する海水によるカンラン石の化学的還元によって生成される水素を栄養源としている。細菌は水素と二酸化炭素を結合させてメタンを合成する。[ 11 ]
化学合成のプロセスは100年以上前から知られているにもかかわらず、生物地球化学サイクルにおける化学元素の変換において、その意義と重要性は今日でもなお重要である。現在、アンモニアを硝酸に酸化する硝化細菌の重要なプロセスについては、科学的な裏付けとさらなる研究が求められている。細菌が無機物を有機物に変換する能力は、化学合成によって人類のニーズを満たす貴重な資源を蓄積できる可能性を示唆している。
様々な環境における化学合成生物群集は、生態学、進化、生物地理学の観点から重要な生物システムであり、また、恒久的な炭化水素系エネルギー源の存在を示す指標としての可能性も秘めている。化学合成の過程では、光合成が不可能な環境下でも細菌が有機物を生成する。好熱性硫酸還元細菌であるThermodesulfovibrio yellowstoniiやその他の化学合成生物の分離は、今後の研究の展望を切り開くものである。このように、化学合成の重要性は、革新的な技術、生態系の保全、そして人類の生活全般において、依然として重要な意味を持ち続けている。
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