Содержание

Что такое автотрофы? Определение, типы и примеры автотрофных организмов

Автор Nat WorldВремя чтения 3 мин.Просмотры 710Опубликовано Обновлено

Люди и многие животные должны употреблять в пищу других живых существ, чтобы получать энергию для жизнедеятельности. Но есть автотрофные организмы, которые могут самостоятельно синтезировать питательные вещества. Автотрофы способны обеспечить источниками энергии как себя, так и тех, кто не может производить их самостоятельно.

Кто такие автотрофы?

Автотрофы (др.-греч. αὐτός — сам + τροφή — пища) – организмы, которые самостоятельно производят сложные органические вещества (например, углеводы, жиры и белки) из неорганических (таких как вода, диоксид углерод, неорганические соединения азота), использую для этого солнечного света (фотосинтез) или химических реакций (хемосинтез).

Читайте также: Продуценты, консументы и редуценты

Каждое живое существо нуждается в энергии, чтобы выжить. Мы получаем эту энергию из продуктов, которые мы едим. Продукты, употребляемые нами в пищу, когда-то были живыми и сами по себе полны энергии. Организмы, которые должны питаться другими живыми существами, чтобы выжить, называются гетеротрофами. Поскольку гетеротрофы не могут самостоятельно синтезировать питательные вещества, их называют консументами (потребителями).

Но представьте, что вы можете получать питательные вещества без еды. Это именно то, что делают автотрофы. Они синтезируют органические вещества из неорганических посредством фотосинтеза или хемосинтеза. Автотрофы являются первичными продуцентами (производителями), поскольку они служат источником пищи для всех гетеротрофных организмов.

Типы автотрофов

Существует два типа автотрофов: фотоавтотрофы и хемоавтотрофы.

Фотоавтотрофы

Фотоавтотрофы получают энергию от солнечного света и преобразуют ее в питательные вещества. Этот процесс называется фотосинтезом. В процессе фотосинтеза не только солнечный свет превращается в энергию, но из атмосферы также берется углекислый газ, а вместо него выделяется кислород.

Хемоавтотрофы

Хемоавтотрофы – это организмы, которые синтезируют органические вещества из неорганических при помощи хемосинтеза. Хемосинтез – это процесс, в результате которого некоторые бактерии и археи, преобразовывают химическую энергию в питательные вещества. Они могут использовать в качестве восстановителей такие неорганические соединения, как сероводород, сера, аммоний и железо, а также синтезировать органические соединения из углекислого газа. Хемоавтотрофы встречаются в экстремальной среде обитания, например, в глубоководных источниках, куда не проникает солнечный свет. К ним относятся метаногены, галофилы, нитрификаторы, термоацидофилы, сероокисляющие бактерии и другие экстремофилы.

Примеры автотрофов

Большинство растений относятся к автотрофам. Все автотрофные растения являются фотоавтотрофами. Растения имеют органеллы, называемые хлоропластами, которые позволяют им захватывать солнечный свет, необходимый для фотосинтеза. Растения также получают питательные вещества из воды, различных минеральных веществ в почве (таких как азот и фосфор) и углекислого газа в атмосфере.

Водоросли также имеют хлоропласты и являются фотоавтотрофами. Хотя водоросли выглядеть как растения, они довольно разные. Растения в основном ведут прикрепленный образ жизни – они пускают корни и не двигаются, как только начинают расти. Водорослям не нужно укоренять в одном месте. Кроме того, растения многоклеточные, тогда как водоросли могут быть как многоклеточными, так и одноклеточными.

К фотоавтотрофам и хемоавтотрофам также относятся некоторые бактерии. Цианобактерии, встречающиеся как в водной, так и наземной среде являются примером фотоавтотрофов. Они известны тем, что вызывают цветение воды, которое может быть очень токсичными. Примерами хемоавтотрофных бактерий являются азотфиксирующие бактерии в почве и сероокисляющие бактерии в глубоководных термальных жерлах.

Мне нравитсяНе нравится

Не все нашли? Используйте поиск по сайту ↓

Автотрофы — что это такое

22 января 2021
  1. Автотрофы — это…
  2. Автотрофные типы питания
  3. Автотрофы и гетеротрофы
  4. Роль автотрофов в биосфере

Здравствуйте, уважаемые читатели блога KtoNaNovenkogo.ru. Все организмы на земле нуждаются в получении энергии тем или иным способом.

Некоторые из них получают ее от солнца, некоторые от переработки неорганических веществ, а некоторые просто потребляют уже накопленную на планете органику.

Сегодня мы поговорим об автотрофах — организмах, без которых жизнь на земле была бы невозможна, потому что именно они вырабатывают кислород и органические соединения, которыми все остальные дышат и питаются.

Автотрофы — это…

Все живые организмы для обеспечения собственной жизнедеятельности должны получать энергетический ресурс. Последний, в свою очередь, образуется путём переработки питательных веществ.

Эти вещества организм получает двумя способами: либо за счёт синтеза органического вещества из неорганических соединений, либо путём использования готовой органики (в первую очередь углеводов).

В первом случае мы имеем дело с так называемыми автотрофами, во втором – с гетеротрофами. В данном контексте акцент делается на первый вид (автотрофы), составляющий фундамент пищевой пирамиды Земли.

Автотрофные типы питания

Источником энергии для автотрофов служит либо солнечный свет, либо продукты, образующиеся в результате сложных химических реакций. По этому принципу автотрофы делятся на:

  1. фототрофы
  2. хемотрофы

В клетках фототрофов присутствует хлорофилл, благодаря которому происходит процесс фотосинтеза (что это?), то есть образование органических соединений из неорганических субстанций, главным образом из углекислого газа (двуокиси углерода) и воды.

Хемотрофы, не имея возможности поглощать энергию солнечного света, используют другую альтернативу – окислительно-восстановительную химическую реакцию с участием сероводорода, метана, серы, двухвалентного железа и других неорганических соединений.

Автотрофы относятся к категории продуцентов (что это?), то есть являются производителями питательных веществ для потребителей и разрушителей (консументов и редуцентов), иными словами, для гетеротрофов.

Следует отметить, что некоторые растения и бактерии-фототрофы при определённых условиях (в частности, будучи лишёнными доступа к световому излучению) могут применять гетеротрофный тип питания, т.е. относятся к категории миксотрофов.

В качестве примера можно привести венерину мухоловку: это насекомоядное растение создаёт органическое вещество посредством фотосинтеза, однако часть питательных веществ извлекает из тел попавших в её хитроумные ловушки насекомых. Изобретательность природы поистине безгранична.

Автотрофы и гетеротрофы

Как уже отмечалось, автотрофные организмы для обеспечения своей жизнедеятельности пользуются нероманическими веществами, которые содержатся в почве, воде, атмосфере. При этом источником углерода в подавляющем большинстве случаев служит углекислый газ (СО2).

Автотрофам нет необходимости заниматься поиском пропитания, для этого им достаточно собственных врождённых способностей, позволяющих обеспечить рост и дальнейшее развитие. Это нашло отражение в их названии (с др.греч. «автос» — сам + «трофи» — питание).

К автотрофам относятся практически все зелёные растения, многоклеточные водоросли и некоторые группы бактерий (в частности, цианобактерии, клетки которых содержат хлорофилл).

Организмы, усваивающие углерод и другие неорганические вещества из приготовленных автотрофами органических соединений, составляют категорию гетеротрофов.

К ним относятся все высшие животные, рыбы, птицы, насекомые, грибы, большинство бактерий. Ну и мы, люди, тоже принадлежим к классу потребителей как с биологической, так и с экономической точки зрения.

Гетеротрофные организмы едят то, что приготовлено другими. В процессе пищеварения гетеротрофы перерабатывают органическую субстанцию и расщепляют её при помощи особых ферментов (что это такое?).

Из вышесказанного нетрудно понять, что автотрофы принадлежат к первой ступени пищевой цепочки, являясь источником органической материи, из которой состоит всё живое на планете Земля.

Для наглядности в нижеследующей таблице приводятся отличительные признаки автотрофных и гетеротрофных представителей биосферы.

Отличительные признакиАвтотрофыГетеротрофы
123
Процесс синтезаПроизводство органических веществ из неорганических соединенийПроизводство органических веществ из готовой органики
Способ получения энергииИспользуют солнечную и химическую энергиюИспользуют энергию готовых органических веществ
Место в экосистемеПродуцентыКонсументы, редуценты
Характерные представителиВысшие зелёные растения, некоторые виды бактерийЖивотные, насекомые, грибы, большинство бактерий, растения-паразиты, человек

Многие бактерии являются гетеротрофами. Примерами являются Escherichia coli , обычно обнаруживаемая в кале, и многие бактерии на нашей коже, в водоемах и во множестве других мест обитания. Интересная группа бактерий — микробы, питающиеся микробами. Эти бактерии поедают другие бактерии. Ниже приведено видео бактерии ( Bdellovibrio ), которая атакует и питается другой бактерией ( E.coli ).

Плотоядные растения, такие как венерина мухоловка, не являются «постоянными» гетеротрофами. Они могут потреблять организмы для питания, но все же способны к фотосинтезу. Таким образом, мы можем сказать, что они факультативно гетеротрофны, что означает, что они не полностью гетеротрофны и все еще могут выжить в фотосинтетическом образе жизни и расти, хотя и относительно медленнее, если не прибегать к гетеротрофии.

Ловушка для мух Венеры — с пойманным насекомым

Ссылки

1.Саттон, Дж. (1998). Гетеротрофное питание. В биологии (стр. 349-362). Пэлгрейв, Лондон.
2. Паттерсон, Д. Дж., И Ли, В. Дж. (2000). Географическое распространение и разнообразие свободноживущих гетеротрофных жгутиконосцев (стр. 269-287). Лондон, Великобритания: Тейлор и Фрэнсис Пресс.
3. Баллард, У. Б., Лутц, Д., Киган, Т. У., Карпентер, Л. Х., и де Вос-младший, Дж. К. (2001). Отношения олень-хищник: обзор недавних североамериканских исследований с упором на мула и чернохвостого оленя. Бюллетень Общества дикой природы, 99–115.
4. Пейдж Р. Э. (1990). Перевернутая пирамида: динамика экосистемы волков и лосей на острове Ройя

© BiologyOnline.com. Контент предоставлен и модерируется редакторами BiologyOnline.

Следующий

Определение, типы питания, против автотрофов

Определение, питание и автотрофы


Что такое гетеротрофы?

Также к потребителям относятся гетеротрофы. организмы, которые получают свою энергию (питание) из органических соединений / материалов.Другими словами, это организмы, которые не могут производить свои собственные пищу (в отличие от автотрофов) и, следовательно, должны потреблять / глотать органические соединения как источник энергии.

По сравнению с автотрофами (занимающими основание треугольник пищевой сети), гетеротрофы занимают верхние уровни пищевой сети, заданной что их выживание зависит от производителей (автотрофов). В их состав входят все животные, от млекопитающих до бактерий.

Вот некоторые примеры гетеротрофов:


Nutrition

Пока все гетеротрофы выживают за счет потребление / проглатывание пищи (органических материалов) достигается разными способами для разных видов животных.

Ниже приведены три основных типа гетеротрофных питание:

  • Сапротрофное питание
  • Голозойское питание
  • Паразитарное питание


Сапротрофное питание

Этот тип питания предполагает потребление (путем всасывания) пищевых продуктов, образующихся при разложении. органические вещества (мертвые и разлагающиеся животные, растения и т. д.).

Организмы, получающие питание из мертвых и разлагающихся органических веществ известно как сапротрофы или сапрофиты.К ним относятся различные грибки и бактерии, а также ряд других организмов, которые напоминают грибы, например, водяную плесень.

По сути, процесс питания включает разложение органических веществ в разлагающихся материя ферментами сапрофитов в более простые вещества. Тогда это поглощается этими организмами в качестве источника питательной энергии.

Пока хороший ряд сапрофитов (например, многие грибы) могут обладать растительными чертами, они не могут самостоятельно производить пищу и поэтому вынуждены потреблять органические соединения как их источник энергии.По этой причине они классифицируются как гетеротрофы.

Сапрофитные грибы (Mucor)

Сапрофитные грибы, такие как mucor, не могут иметь собственную пищу или глотать пищу, как это делают высшие животные. По этой причине они используют другой механизм получения питания. У основания мукорное тело сильно разделено. в потоки, известные как гифы. Когда они растут на разлагающемся веществе, эта сеть нитей (гиф) распространяется через вещество (животное, хлеб, листья и т. д.), из которых они поглощают питательные вещества.

Производство дижестивов ферменты (целлюлазы, оксидазы, протеазы и т. д.) позволяют веществу быть распадается на более простые молекулы, которые затем поглощаются (через диффузия) грибами.

Дрожжи (сапрофитные дрожжи)

Дрожжи также относятся к грибам. в отличие от других грибы, такие как мукор, дрожжи — это одноклеточные организмы, размножающие споры во время размножение. Учитывая, что они не могут производить гифы, как другие грибы, дрожжи получают свои питательные вещества посредством процесса, известного как внеклеточный пищеварение.Здесь организм производит пищеварительные ферменты, которые затем высвобождаются. в их непосредственное окружение.

Когда ферменты расщепляют материала в их окружении, эти более простые питательные вещества затем поглощаются организм в клетку.

См. Дрожжи под микроскопом

Некоторые из условий, необходимых для сапрофитов для питания:

  • Вода (или влага)
  • Кислород (некоторые организмы, такие как дрожжи не нуждаются в кислороде)
  • Нейтральный или слабокислый pH
  • Диапазон теплых температур

* Слово сапро относится к разлагающемуся материалу или просто распадаться.

Значение сапрофитных грибов

Сапрофитные грибы играют важную роль в природа. Помимо того, что они являются естественными разложителями, они помогают расщеплять мертвые материя на более простые вещества. Это важно, потому что это позволяет чтобы другие предприятия могли легко использовать эти переработанные материалы для рост.

Эти грибы также действуют как продукты питания (грибы), которые могут быть съедены (некоторые могут быть ядовитыми).Что касается одноклеточных грибов вроде дрожжей, они играют важную роль в брожении, что делает их важными в пекарне и алкогольная промышленность.

Сапрофитные бактерии

Сапрофитные бактерии обычно встречаются растет на мертвой / разлагающейся материи. Таким образом, их можно найти в гнилой древесине, разлагающихся растений и животных, а также разлагающихся органических веществ, обнаруженных в застойная вода.

Как и другие сапрофиты, сапрофитные бактерии производят множество пищеварительных ферментов с целью расщепления органических веществ мертвые / разлагающиеся вещества.

Примеры сапрофитных бактерий включают:

  • Acetobacter
  • Zygomonas
  • Pseudomonas
  • Clostridium aceto-butylicum
  • Lactobacillus
  • Clostridium thermosaccharolyticium

Подробнее о Clostridium.

Сапрофитные бактерии на сегодняшний день являются самыми крупными разлагатели и, таким образом, играют важную роль в разложении различных отходов в природе.

Некоторые из других важных ролей этих бактерий включают:

  • Органический навоз — Учитывая, что они расщепляют органические вещества, они часто используются на фермах для разложение различных сложных органических материалов (навоз и т. д.) в навоз, который затем используется для стимулирования роста растений.Во многом это связано с тем, что растения могут усваивать более простой материал (например, соединения аммония) разлагается из сложного органического вещества.
  • Порча пищевых продуктов — В разрушении важны сапрофитные бактерии разлагающихся веществ, они также ускоряют порчу пищевых продуктов (фруктов, хлеба и т. д.)
  • Сапрофитные бактерии также используется для брожения и, в частности, для производства уксуса.


Голозойское питание

* слово holozoic происходит от греческих слов; «holos» означает целое, и «zoic» означает животное

По сравнению с сапрофитным питанием, когда организм поглощает питательные вещества, голозойное питание предполагает прием пищи материал организмом.Следовательно, организм потребляет твердую пищу. вещество, которое затем расщепляется в организме и транспортируется в клетки организма.

Примеры животных, употребляющих голозойный режим питания включает:

  • Человеческие существа
  • Другие млекопитающие
  • Одноклеточные организмы как амеба

Голозойские организмы подразделяются на:

  • Травоядные
  • Плотоядные
  • Всеядные

Травоядные

Травоядные 9000 животных, которые потребляют

9000 растения как источник энергии.В зависимости от животного едят по-разному. типы растений или отдельные части конкретного растения (листья, плоды, кора и т. д.). Следовательно, не все животные способны есть все виды / части растений.

Для Например, в отличие от коров, язык жирафа позволяет ему есть листья колючие растения (язык может отделить листья от шипов).

Есть два основных типы травоядных животных в зависимости от их предпочтений в еде:

  • Браузеры — Браузеры — это травоядные животные, которые обычно питаются такими растениями, как листья, плоды, кустарники и мягкие побеги растений.Некоторые примеры браузеров включают дикие козы, альпийские горные козлы, нубийские горные козлы, а также козероги Валии и другие.

  • Grazers — В отличие от браузеров, травоядные часто едят траву. К ним относятся такие животные, такие как коровы и кенгуру.

* Некоторые травоядные животные, такие как овцы, обладают анатомией (узкая морда и больший рубец), что позволяет им быть промежуточными кормильцами (они одновременно и травоядные, и браузеры).

Травоядные животные являются основными потребителями, учитывая, что они едят только растения (производителей).По сути, они вторые после производителей. учитывая, что они являются источником пищи для животных, находящихся выше пищевая сеть.

Помимо того, что это важный источник пищи для животных в пищевые сети (плотоядные) травоядные также играют такую ​​важную роль, как семенные рассеивание, а также опыление (пчелы и т. д.).

* Анатомия травоядных животных позволяет им есть и переваривать растения. Нижние зубы и твердая верхняя десна коз. позволить им отрывать кору с некоторых деревьев и кустарников, пока их кишечник позволяет им успешно разрушать растения.

Плотоядные

В отличие от травоядных, плотоядные животные адаптированы к охота, убийство и поедание других животных. Таким образом, они едят только мясо, которое является их источником энергии. Находясь выше в пищевой сети, некоторые плотоядные животные могут питаются не только травоядными, но и всеядными животными, а также другими хищники. Например, такие хищники, как гиены, могут охотиться и есть львят. Хищникам требуется больше энергии, чтобы иметь возможность охотиться и убивать добычу.

Травоядные, всеядные, а также другие плотоядные животные являются хорошим источником мяса. (белки), который необходим для обеспечения такой энергии. Потому что им нужно охотиться и убивать других животных, плотоядные животные хорошо приспособлены бегать быстрее (или летать) с более длинные клыки, которые позволяют убивать добычу и отрывать плоть (по крайней мере, для большинство наземных хищников). Однако стоит отметить, что разные виды Плотоядные животные по-разному приспособлены к выживанию.

В то время как у большого количества змей есть ядовитые клыки, которые они используют, чтобы убить добыча, другие хищники, такие как орлы, имеют острые когти и веревку, изогнутый клюв что они ловили, убивали и съедали свою добычу.

* Слово плотоядное животное произошло от слова «карнис» — плоть, а «vorate» означает есть.

Всеядные

Всеядные животные питаются как растениями, так и животными. Это приносит большую пользу большинству всеядных, учитывая, что эта характеристика позволяет им жить во многих средах, где они могут добывать мясо и растительную пищу. Некоторый примеры всеядных включают людей, бурых медведей, енотов и дятел среди других.

Доступность этих различных источников пищи (мясо и растения) обеспечивает различные виды пищевых потребностей, которые необходимы этим животным. требовать.

* Всеядные животные хорошо приспособлены к поеданию обоих растений. и мясо. Например, у людей более длинные клыки (по сравнению с другие зубы), которые позволяют им рвать пищу, в то время как коренной зуб позволяет жевать или как мясная, так и растительная пища.


Паразитарное питание

Паразитарная модель питания относится к типу питания, когда один организм зависит от другого организма (хозяина) для питание.При таком питании организм, зависящий от другого, известен как паразит, в то время как животное, от которого зависит питание хозяин.

Хотя паразит получает пользу от питания, host, хост не извлекает выгоду из этих отношений. В большинстве случаев паразитарный режим питания в конечном итоге наносит вред хозяину.

Общие примеры паразиты включают:

  • Комары и малярия паразиты
  • ленточный червь
  • клещи
  • постельные клопы
  • мицелий
  • покрытосеменные

* И растения, и животные могут быть паразитами.

Этот режим питания (паразитарное питание) может можно разделить на:

Всего паразитов (эндопаразитов) — Под общим паразитом понимается паразит, который является полностью зависит от хозяина в отношении воды, пищи и жилья. Примеры Общие паразиты животных включают паразитов ленточного червя и малярии.

Эти организмы живут внутри хозяина и не могут выжить самостоятельно (вне хозяина).Среди растений Cuscuta — хороший пример паразита, который зависит от такого растения. хозяева как Зизифус для выживания.

Поскольку у Cuscuta нет правильных корней, их сосущие корни врастают в стебель хозяина, где получают питательные вещества из ксилема и флоэма растения-хозяина.

Частичные паразиты — По сравнению с полными паразитами, частичные паразиты в значительной степени зависят на хозяине для еды. Комар — хороший пример частичного паразита. Пока они зависят от хозяина в еде, им не нужно жить в хозяине или от него для выживания.

В растениях частичные паразиты способны синтезировать собственные питание через фотосинтез, но зависит от других растений для воды и минералов. Viscum — хороший пример частичного паразита растений, который имеет тенденцию расти на ветви других растений, таких как дубы.

* Эктопаразит относится к паразитам, которые живут вне тела хозяина (клещ, вши), в то время как эндопаразиты живут внутри тело хозяина (например, ленточные черви, обитающие в кишечнике животного)

См. также Паразиты под микроскопом


Гетеротрофы против автотрофов

В то время как гетеротрофы не могут делать / синтезировать свою собственную еду, автотрофы могут делать свою собственную пищу с использованием углекислого газа в присутствии солнечного света (где солнечный свет является источник энергии).

Эти автотрофы обычно называют фотоавтотрофами / фототрофами. (например, цианобактерии). В то время как фотоавтотрофам для производства пищи требуется световая энергия, хемоавтотрофы (например, Hydrogenovibrio crunogenus) — это тип автотрофов, которые достигают этого путем с использованием химикатов.

* Фотоавтотрофы способны производить пищу через фотосинтез с использованием световой энергии солнца. Хемоавтотрофы на с другой стороны, они сами производят пищу, используя химические вещества, используя известный процесс. как хемосинтез.

Одно из самых больших различий между автотрофы и гетеротрофы — это то, что у автотрофов есть хлорофилл. Это важный пигмент, присутствующий во всех автотрофах (от растений до бактерий). С использованием хлорофилл, растения (а также водоросли, различные бактерии и т. д.) способны улавливать световую энергию и использовать ее для производства пищи.

Это способность производить собственное еда сделала автотрофов самой важной частью пищевой цепи. Так как только они сами могут готовить себе еду, автотрофы являются основными производителей и, следовательно, основы экосистемы.


Узнайте больше о мицелии грибов здесь

Прочтите о грибах — типы, морфология и структура

См. Бактерии под микроскопом

Вернуться к пониманию Королевства Монера

Вернуться к водорослям — размножение, идентификация и классификация

Вернуться to Autotrophs

Возвращение от Heterotrophs к MicroscopeMaster Home

сообщить об этом объявлении


Список литературы

Д. К. Рао и Дж. Дж. Каур.Живая наука биология 10. Издатель: Ratna Sagar P. Ltd .; Издание CCE (1 сентября 2010 г.)

Veer Bala Rastoji. Современная биология. Первоначально опубликовано: 1997 г.

Ссылки

https://academic.oup.com/plankt/article/26/6/681/1483557

История

История

Истоки фотосинтеза

T Первая жизнь на Земле началась более 3,8 миллиарда лет назад с отдельных клеток, не содержащих ядер, известных как прокариот .Этими первыми живыми клетками были гетеротрофов , что означает, что они зависели от внешних источников питания. Сегодняшние гетеротрофы включают всех животных и некоторые грибы, которые глотают или поглощают пищу из окружающей среды. До того, как жизнь стала изобильной, гетеротрофия представляла проблему для выживания: по мере роста прокариот они ели больше, а источники пищи рядом с ними сокращались, что ограничивало их способность к выживанию.

Фотосинтез — это процесс, при котором растения, водоросли и некоторые бактерии производят себе пищу, используя только солнечный свет и соединения, содержащиеся в окружающем воздухе и воде.С развитием автотрофизма источники питания могут увеличиваться или уменьшаться в зависимости от потребностей клеток, в зависимости только от основных факторов окружающей среды. Все формы жизни в той или иной степени зависят от питания, получаемого из растений и водорослей.

Вся жизнь зависит от фотосинтезирующих организмов для непрерывного выделения свободного кислорода в воздух. Когда зародилась жизнь, в атмосфере не было свободного кислорода. Фотосинтез выделяет кислород в воздух через темные реакции и делает его доступным для использования другой жизнью.По мере того, как число автотрофов увеличивалось, выделялось все больше кислорода. Они продолжают поддерживать атмосферу, которой мы дышим сейчас. Полосы окисленного минерального железа, обнаруженные в породах, возраст которых насчитывает 3 миллиарда лет назад, служат для ученых доказательством того, что кислород образуется в воздухе в результате фотосинтеза.

Первые живые клетки, вероятно, существовали одни в течение 2 миллиардов лет в водной среде. За это время у этих водных организмов развился фотосинтез, сначала с использованием пигментов хлорофилла а и фикобиллинов для производства их питательных веществ, а затем развития дополнительных пигментов, таких как хлорофилл b.Водные автотрофы продолжали диверсифицироваться и развиваться в водоросли и бактерии с лучшими способами использования солнечного света, фильтруемого через воду.

Организмы смогли вырасти из отдельных клеток без отдельного ядра в организованные тела в процессе эндосимбиоза , когда большая гетеротрофная клетка поглощает маленькую автотрофную бактериальную клетку. Гетеротрофная клетка не переваривала бактерии, а вместо этого использовала питательные вещества, полученные в результате фотосинтеза, для поддержания симбиотических отношений.После того, как произошло это первое поглощение, большая клетка может быть инвагинирована еще большей клеткой, создав митохондрии или электростанции клеток. Ученые считают, что это механизм, с помощью которого вся жизнь первоначально эволюционировала от одноклеточной к многоклеточной со специализированной организацией тканей.

Перемещение автотрофов на сушу, которое произошло примерно 425 миллионов лет назад, было связано как с преимуществами, так и с рисками. Этот шаг был бы невозможен, если бы не продукты свободного кислорода, испускаемые исходными водными автотрофами, которые создавали защитный озоновый слой (O 3 ), чтобы отфильтровать опасное ультрафиолетовое излучение.У растений появились очень специализированные органы, такие как листья, для конденсации хлорофиллов и транспортировки углеводов. Нефильтрованный солнечный свет также потребовал разработки механизмов фильтрации солнечного света, таких как каротиноидные пигменты и ткани для регулирования поглощения и выделения кислорода и углекислого газа.

На главную | Биохимия | История | Свет | Исследования | Структура | Разнообразие

Объяснение автотрофов, гетеротрофов и потоков энергии — Microscope Clarity

Наша экосистема изобилует разнообразными организмами, от микроскопических бактерий до голубого кита шириной 30 метров.Хотя каждый организм индивидуален по-своему, у нас есть кое-что общее. Все мы состоим из миниатюрных фабрик, называемых «клетками», которые выполняют все функции, необходимые для роста, воспроизводства, ремонта, перемещения и защиты от захватчиков. Однако, как и большинству машин, этим фабрикам также нужна энергия для работы; энергия, которую организм должен получать из окружающей среды.

Все живые организмы можно классифицировать как автотрофов или гетеротрофов в зависимости от того, как они получают и хранят энергию, которую мы обычно называем «пищей».Автотрофы производят свою собственную пищу, а гетеротрофы потребляют пищу и расщепляют ее для извлечения энергии.

AUTOTROPHS ГЕТЕРОТРОФЫ
Они сами производят еду. Они зависят от автотрофов в еде.
Они зависят от энергии солнца для производства пищи. Гетеротрофы косвенно зависят от солнечной энергии.
Они производят органические вещества из неорганических веществ с помощью фотосинтеза. Они поглощают органические вещества и превращают их в химическую энергию.
Все автотрофы содержат пигментированные специализированные компоненты, которые могут поглощать энергию из окружающей среды. Например. хлорофилл Гетеротрофам эти пигменты не нужны.
Требуется диоксид углерода для производства энергии. Требуется кислород для получения энергии.

Чтобы понять процессы, связанные с производством энергии между автотрофами и гетеротрофами, мы должны сначала взглянуть на поток энергии внутри экосистемы и на отдельные методы, с помощью которых организмы улавливают и используют энергию.

Поток энергии

Большая часть энергии, питающей живые организмы, происходит от солнца. Растения улавливают этот солнечный свет и преобразуют его в форму энергии, которую можно использовать для выполнения своих основных функций. Животные (травоядные и плотоядные) впоследствии получают эту энергию, потребляя растения.

Разрушители (бактерии и другие микроорганизмы) питаются мертвыми животными для получения энергии, тем самым образуя непрерывную пищевую цепочку, связанную потоком энергии.В 19, и годах натуралисты считали, что все организмы в природе связаны друг с другом через пищу.

Ян Ингенхауз в конце 18 -го века открыл фотосинтез, процесс, с помощью которого растения улавливают солнечный свет для производства энергии. В этот период организмы в целом были разделены на два класса; производители (растения, производящие продукты питания) и потребители (животные, которые потребляли производителей).

Начало 20-го -го -го века принесло открытие термодинамики, со вторым началом термодинамики, доказывающим, что полная энтропия изолированной системы никогда не может уменьшаться с течением времени.Таким образом, началось путешествие к выяснению пищевых цепей и пищевых сетей, где энергия (обычно получаемая от солнца) сохраняется внутри экосистемы. Изображение ниже описывает пример типичной океанической экосистемы.

Преобразование энергии

Энергия может быть упрощенно определена как способность выполнять работу. Всем организмам нужна энергия для выполнения определенного набора функций. Представьте себе яблоню в саду. Деревьям необходимо размножать свои семена, чтобы сформировать больше копий самих себя.

Яблоня использует энергию солнца для образования плодов. Животное, которое теперь хочет съесть это яблоко, должно использовать свою собственную энергию, чтобы срывать, кусать и жевать плод. Затем семена внутри плода бросают животные в почву, из которых формируются новые яблони.

При каждом описанном выше действии внутри тела происходит химическая реакция, которая преобразует энергию из одной формы в другую. Это исследование потока энергии в организмах называется «биоэнергетикой».

Энергетика и химия

Каждый организм уникален в том, как он использует энергию. Однако у всех организмов есть общие черты. Большинство организмов получают энергию, разбивая очень сложные молекулы на простые молекулы, высвобождая энергию в виде электронов.

Удаление электрона из молекулы происходит посредством окисления , в то время как добавление электрона происходит посредством процесса, называемого восстановлением .Удаление электрона высвобождает энергию, в то время как добавление электрона потребует энергии.

Энергетические молекулы

Большинство живых организмов используют специализированные молекулы в качестве переносчиков электронов, например, автобус, который переносит электроны от одного соединения к другому. Никотинамид-адениндинуклеотид (НАД) может переключаться между двумя формами; НАД + (акцептор электронов) и НАДН (электронодатель). Интересно, что комплекс НАД всегда теряет или приобретает электроны попарно! Флавин-адениндинуклеотид (FAD) — еще один переносчик электронов, который обычно используется растениями.

Как организмы накапливают энергию?

Что происходит после того, как организм получает энергию? Клетки не могут просто хранить свободную энергию, как это делают машины на фабриках. У машин обычно есть движущиеся части, которые хранят потенциальную энергию. Но клетка — это хрупкая система. Любая чрезмерная энергия может привести к выделению тепла, которое может разрушить его структуру. Таким образом, клетки хранят энергию в виде сложной молекулы, называемой аденозинтрифосфатом (АТФ), которую обычно называют энергетической валютой клетки.

Энергия получается из АТФ с помощью процесса, называемого гидролизом. Гидролиз — это когда молекула воды разрушает химическую связь. Энергия, высвобождаемая в результате этой химической реакции, затем используется для высвобождения энергии из АТФ.

Следовательно, каждое действие, выполняемое организмом, требует постоянного расщепления АТФ. В совокупности все химические реакции, происходящие внутри клеток с целью приобретения, хранения и высвобождения энергии, называются метаболизмом . Метаболические реакции имеют решающее значение для выживания организма. Когда метаболизм останавливается, организм умирает.

Автотрофы и гетеротрофы

Естественно, до преобразования и хранения энергии энергии должно быть получено из окружающей среды. Мы обычно называем запасы энергии «пищей», но химически это сложные органические соединения, которые могут расщепляться живыми организмами.

В зависимости от способа получения пищи организмы можно разделить на две категории; Автотрофы и гетеротрофы .Автотрофы способны производить собственную энергию, улавливая энергию из окружающей среды. Гетеротрофы, с другой стороны, должны потреблять пищу, которая затем расщепляется для высвобождения энергии.

Что такое автотрофы?

Все зеленолистные растения являются автотрофами и, следовательно, способны производить себе пищу. Процесс, с помощью которого растения создают органические материалы, используя солнечный свет и воду, называется фотосинтезом . Фотосинтез — это сказочно упрощенный процесс по сравнению с метаболическими реакциями, происходящими в других организмах.

Растения поглощают углекислый газ, солнечный свет и воду для производства углеводов, кислорода и воды. Таким образом, помимо производства пищи для 99% экосистемы, они также осуществляют преобразование углекислого газа в кислород, что является наиболее важным процессом для поддержания жизни на Земле.

Схема фотосинтеза

Автотрофы занимают основу пищевой цепи в экосистеме. Таким образом, ни один другой организм на Земле, даже плотоядные животные, которые не потребляют растения напрямую, не может выжить без этих первичных продуцентов.

Упрощенное уравнение фотосинтеза можно выразить следующим образом:

Двуокись углерода + вода + энергия → сахар + кислород.

Помимо производства кислорода и пищи, автотрофы также образуют взаимовыгодные отношения с другими организмами, называемые симбиотическими отношениями. Например, бактерии Rhizobium, присутствующие на корнях бобовых растений, помогают растению получать азот. В свою очередь, растение обеспечивает бактерии питательными веществами, необходимыми для выживания.

Ризобий

Фотосинтез можно разделить на два этапа: светозависимую и независимую от света фазы.

Светозависимая фаза

Светозависимые реакции, как следует из названия, могут происходить только в присутствии солнечного света. Растения поглощают световую энергию и используют ее для расщепления воды. Однако, как мы видели ранее, растения не могут хранить в своих клетках свободные электроны в качестве источника энергии. Таким образом, эти свободные электроны передаются в запасы химической энергии, такие как НАДФН и АТФ.

Хотя кактусы — автотрофы, которые могут производить свою собственную энергию, у них ограниченный доступ к воде, важному компоненту фотосинтеза. Чтобы сохранить воду, кактусы подготавливают материалы для фотосинтеза в ночное время, даже при отсутствии солнечного света, с помощью модификаций светозависимой фазы .

Это связано с тем, что при прохладной ночной температуре устьица остаются достаточно закрытыми, чтобы удерживать воду, но все же слегка открытыми для поглощения углекислого газа.

Легкая независимая фаза

Следующая фаза фотосинтеза включает превращение углекислого газа в молекулы сахара. Эти реакции больше не требуют света, потому что вся энергия, в которой нуждается растение, уже собрана и сохранена в форме АТФ и НАДФН.

Однако образование глюкозы (которая содержит 6 атомов углерода) из диоксида углерода (одного углерода) само по себе является сложной химической реакцией, которая протекает ступенчато. Наконец, молекулы глюкозы могут быть объединены с образованием других форм сахаров.Однако большинство растений обычно хранят энергию в виде крахмала.

Мозговое дыхание

Когда растительным клеткам нужна энергия, крахмал (который является сложным углеводом) расщепляется на более простые молекулы, такие как глюкоза, высвобождая таким образом энергию. Этот процесс называется клеточное дыхание и происходит через сложную серию химических реакций

Углеводы + кислород → углекислый газ + вода + энергия

Энергия, которая выделяется при клеточном дыхании, используется для образования молекул АТФ, которые служат энергетической валютой клетки.Так же, как люди используют деньги для оплаты товаров, клетки используют АТФ для выполнения всех основных функций.

Углекислый газ, выделяемый таким образом в результате клеточного дыхания, повторно используется в фотосинтезе. Таким образом, фотосинтез и клеточное дыхание происходят в гармонии, составляя основу существования всей жизни на Земле.

Где происходит фотосинтез?
Хлоропласты под микроскопом

Для захвата солнечного света необходимы специальные молекулы, называемые хлоропластами.Зеленые листья растений действуют как солнечные батареи. На одном квадратном миллиметре листа находится более полумиллиона хлоропластов. Хлоропласты содержат зеленые пигменты, называемые хлорофиллом, которые придают листьям характерный цвет.

Слои поперечного сечения листовой клетки

Хотя листья кажутся тонкими, они состоят из нескольких слоев отдельных ячеек, расположенных друг над другом. Место как поглощения солнечного света, так и фотосинтеза — хлоропласты присутствуют в среднем слое, называемом мезофиллом .

Кроме того, на нижней стороне листа есть небольшие отверстия, называемые устьицами , через которые происходит как газообмен, так и водообмен. Однако, если эти стомы всегда открыты, вся необходимая для листьев вода будет вытекать наружу.

Следовательно, открытие стомы сильно регулируется окружающими их замыкающими клетками. Когда присутствует избыток воды, замыкающие клетки набухают, открывая, таким образом, стому. Во всех остальных случаях замыкающие клетки остаются сморщенными, что удерживает стому закрытой.

Регулирование устьиц
Фотоавтотрофы

Автотрофы, использующие энергию солнца для фотосинтеза, называются фотоавтотрофами; фото означает свет. Большинство зеленолистных растений, водорослей и цианобактерий попадают в эту категорию. Некоторые организмы способны осуществлять фотосинтез, производя кислород. С другой стороны, облигатные анаэробы, такие как пурпурные бактерии, осуществляют аноксигенный фотосинтез без выделения кислорода.

Хемоавтотрофы

Хемоавтотрофы, также называемые хемосинтетическими организмами, являются автотрофами, не использующими свет.Вместо этого они синтезируют сахар, получая энергию из химических соединений, присутствующих в окружающей среде. Таким образом, эти организмы не нуждаются в солнечном свете, чтобы выжить.

Хемоавтотрофы, получающие энергию от органических соединений, называются хемоорганотрофами, а те, которые используют неорганические молекулы, называются хемолитотрофами. В эту категорию входят бактерии, обитающие глубоко под водой вне досягаемости света.

Вид бактерий, называемых «цианобактериями», способен к фотосинтезу.В отличие от других бактерий, эти организмы выделяют кислород посредством фотосинтеза, как и растения! Вот скопление цианобактерий на поверхности озера.

Что такое гетеротрофы?

Гетеротрофы или «потребители» — это организмы, неспособные производить себе пищу. Следовательно, они получают энергию, поглощая органические соединения и материалы из окружающей среды. В эту категорию входят организмы, от микроскопических бактерий до млекопитающих, таких как люди.

В то время как автотрофы составляют основу пищевой цепи, гетеротрофы занимают верхние уровни. Первый закон термодинамики гласит, что энергия никогда не может быть уничтожена, она просто преобразуется из одной формы в другую. Точно так же в экосистеме энергия всегда сохраняется между организмами. Хотя разные организмы могут использовать энергию в разных формах, она никогда не тратится зря.

Где гетеротрофы получают энергию?

Все гетеротрофы получают энергию, поглощая органические молекулы.Однако в зависимости от источника органических молекул эти организмы можно разделить на отдельные категории. Ниже описаны наиболее распространенные виды гетеротрофного питания.

Сапротрофное питание

Сапротрофы или сапрофиты поглощают питательные вещества из разлагающихся органических веществ, таких как мертвые и разлагающиеся животные и растения. В эту категорию входит большинство грибов и бактерий.

Сапрофиты выделяют особые белки, называемые ферментами, которые связываются с разлагающимся веществом и расщепляют его на более мелкие молекулы, которые затем легко усваиваются.Для облегчения всасывания сапрофиты могут иметь отличительные особенности.

Например, Mucor , разновидность грибов, содержит тонкие нитевидные нити по всей своей поверхности, называемые гифами. Эти грибы растут на организмах (растения, животные) или веществах (хлеб), используя свои гифы для проникновения и поглощения питательных веществ. Через эти гифы грибы выделяют пищеварительные ферменты, которые проникают в разлагающееся вещество и расщепляют его на более простые молекулы.

С другой стороны, одноклеточные организмы, такие как дрожжи, получают питание, осуществляя пищеварение вне своего тела.Дрожжи могут определять определенные идеальные условия в окружающей среде, включая наличие влаги, кислорода, высокой температуры и кислого pH. Когда условия являются подходящими, дрожжи высвобождают пищеварительные ферменты, которые расщепляют органические вещества в окружающей среде, тем самым облегчая всасывание.

Сапрофиты играют важную роль в экосистеме, разрушая органические отходы, производимые всеми другими организмами. Кроме того, сапрофиты также играют роль в разложении мертвых организмов, тем самым передавая питательные вещества в почву.Впоследствии растения поглощают эти питательные вещества через свои корни для выполнения важных функций.

Некоторые грибы, такие как грибы, также едят люди и другие животные. Интересно, что многие сапрофиты также были приняты для использования в промышленности. Люди используют сапрофиты для разложения органических веществ и образования навоза, который можно использовать в сельском хозяйстве. В пищевой промышленности сапрофиты используются при производстве ферментированных продуктов, таких как уксус.

Некоторые организмы, кроме бактерий и грибов, также могут иметь сапротрофное питание.Водяные плесени — это маленькие нитчатые организмы, которые плавают в воде. Они получают питание, поглощая органические вещества мертвых насекомых и рыб.

Holozoic Nutrition

Holozoic образовано от греческих слов Holo и Zoic , означающих целое и животное соответственно. Голозойские организмы поглощают твердые пищевые материалы из окружающей среды, прежде чем расщепить их на более простые вещества в пределах своего тела.

В эту категорию входят люди, млекопитающие и другие более мелкие организмы, такие как амебы.В зависимости от того, что они глотают, голозойские организмы можно разделить на три категории: травоядные, хищные и всеядные.

Травоядные

Эти животные потребляют только растения или их части. У них есть специальные структуры, которые позволяют им жевать растения и разбивать их на более мелкие частицы, которые впоследствии можно переваривать с помощью ферментов. Например, у жирафа есть особые крепкие языки, которые позволяют ему есть растения, пронизанные шипами.

Браузеры (Козы) — это травоядные животные, которые питаются листьями, корнями, фруктами растений и т. Д., В то время как Грейзеры , такие как коровы, обычно питаются травой.Травоядные обычно составляют нижнюю часть пищевой цепочки, помещая их чуть выше автотрофов. Помимо того, что эти животные являются звеном в пищевой цепи, они также помогают в воспроизводстве растений. Как мы уже говорили ранее, хотя растения производят семена, они не могут их рассеять.

Травоядные животные, такие как пчелы и слоны, помогают переносить семена, питаясь растениями. Овцы — травоядные животные, обладающие особыми особенностями, которые позволяют им есть как растения, так и траву. У них узкая морда для жевания растений и широкий кишечник для переваривания травы.Поэтому этих животных называют промежуточными кормушками, комбинацией браузеров и травоядных.

Плотоядные

Плотоядные животные обычно едят мясо, только убивая других животных. С этой целью плотоядные животные развили специальные функции, которые позволяют им охотиться, убивать и кусать плоть животных. Например, у диких кошек, таких как львы, есть особые клыки, которые разрывают плоть, у змей — ядовитые клыки, а у орлов — острые когти.

Однако эти животные едят не только травоядных.Многие плотоядные животные на вершине пищевой цепи могут даже питаться плотоядными животными и всеядными животными, находящимися на более низких уровнях пищевой цепи. Интересно, что иерархия пищевых цепочек применяется не всегда!

Львы широко известны как король джунглей, потому что их многие опасаются хищников. Но такие животные, как гиены, могут легко убить и съесть маленьких львят, не обученных охоте. Поскольку плотоядным животным обычно требуется больше энергии, чтобы охотиться и есть мясо, их метаболизм намного выше, чем у их собратьев-травоядных.

Всеядные

Эти животные питаются как растениями, так и животными. Благодаря этой приспособляемости эти животные способны выживать в самых разных средах, богатых растениями или животными. Кроме того, это позволяет этим животным добывать питательные вещества, специфичные только для растений или животных. Например, омега-кислоты, необходимые человеку, широко доступны для животных, но редко встречаются в растениях.

Всеядные животные включают большинство людей, медведей, енотов и т. Д.Всеядные животные обладают адаптивными особенностями, которые адаптированы к потреблению как растений, так и животных. Например, у людей есть острые клыки, которые позволяют нам вгрызаться в плоть. В то же время у нас есть плоские коренные зубы, которые позволяют нам пережевывать растительную пищу на мелкие частицы, которые можно переваривать.

Паразитарное питание

Паразиты обычно не имеют средств для охоты или добычи пищи для себя, поэтому эти организмы полностью зависят от других организмов в плане питания.Этот тип взаимоотношений между организмами называется паразитарными отношениями, при этом провайдер называется хозяином. В отличие от симбиотических отношений, которые были описаны ранее, эти отношения никогда не бывают взаимовыгодными.

На самом деле, некоторые паразитические взаимоотношения также могут нанести значительный вред хозяину. Примеры некоторых распространенных паразитов включают комаров, пиявок и постельных клопов. В зависимости от способностей паразитов можно разделить на две категории.Эндопаразиты должны жить внутри хозяина, в зависимости от их пищи, убежища и других ресурсов. С другой стороны, частичные паразиты получают пищу только от своих хозяев.

Не все паразиты — животные, некоторые из них могут быть даже растениями. Раффлезия, также называемая цветком-чудовищем, — самый большой цветок на планете. Этот цветок, чаще всего встречающийся в лесах Юго-Восточной Азии, имеет диаметр более одного метра и вес более 24 фунтов. У этих растений нет листьев или побегов, которые могут помочь в производстве пищи.В то время как насекомые способствуют размножению липкой пыльцы, содержащейся внутри этих цветов, они получают питательные вещества, воруя их из корней и лоз.

Раффлезия
Как гетеротрофы получают энергию из пищи?

Пища, которую потребляют гетеротрофы, может содержать разнообразный набор молекул, которые в совокупности можно сгруппировать в углеводы, белки, жиры, витамины и минералы. Каждая из этих молекул разбита на свои простейшие формы с использованием специальных белков и особенностей, которые характерны для каждого животного.

Подобно тому, как ветряная мельница преобразует энергию ветра в механическую энергию, которая затем может передаваться в отдельные дома, гетеротрофы преобразуют энергию пищи в химическую энергию (АТФ), которая может быть доставлена ​​каждой клетке тела. Это достигается с помощью процесса, называемого клеточного дыхания .

Клеточное дыхание можно упрощенно представить следующим уравнением:

Углеводы + кислород → Двуокись углерода + вода + ATP

Однако в действительности этот процесс довольно сложен и состоит из четырех отдельных этапов.У большинства организмов клеточное дыхание происходит в митохондриях. Митохондрии — это специализированный отсек внутри клетки. По этой причине митохондрии также называют электростанцией клетки. Для получения дополнительной информации о митохондриях см. Клеточные органеллы: органы клетки.

Как видите, клеточное дыхание требует кислорода. Но не у всех гетеротрофов есть средства для получения кислорода. В таких случаях альтернативным способом получения энергии является анаэробное дыхание или ферментация .В отличие от аэробного дыхания брожение происходит в цитоплазме. Однако больше энергии вырабатывается за счет аэробного дыхания, чем за счет ферментации.

Следовательно, этот процесс используется редко. Люди также адаптировали ферментацию для использования в пищевой промышленности для производства йогуртов, пива и других продуктов. Вы знаете, как иногда у нас возникают судороги в мышцах при интенсивных физических нагрузках? Это может быть связано с анаэробным дыханием или брожением.

Во время тренировки некоторые части нашего тела могут не иметь немедленного доступа к кислороду из-за нарушения кровообращения.В таких случаях организм использует ферментацию для выработки энергии, ведущей к накоплению лактата, что вызывает спазмы или боль, подобные симптомам. Таким образом, лучший способ положить конец этим спазмам — немедленно дать отдых конечности и помассировать мышцу, чтобы увеличить приток крови к этой области.

На вынос

Наша экосистема сильно взаимосвязана, и каждый организм имеет свое место и служит определенной цели. Энергия одного животного вырабатывается, передается и перерабатывается по всей пищевой цепочке, поддерживая этот удивительно сложный и динамичный круговорот жизни.

Я надеюсь, что эта статья дала вам представление обо всех живых существах и о том, насколько все они важны для выживания других животных, а также нас самих. От мельчайших бактерий до самых крупных животных на планете — нет ничего незначительного.

Список литературы

  1. Андерсон, Джон В. (1980). Биоэнергетика автотрофов и гетеротрофов. Лондон: Э. Арнольд
  2. Гонсалес-Торил Э. (2011) Автотроф. В: Gargaud M. et al. (ред.) Энциклопедия астробиологии.Springer, Berlin, Heidelberg
  3. Han, H., Hemp, J., Pace, LA, Ouyang, H., Ganesan, K., Roh, JH, Daldal, F., Blanke, SR, & Gennis, RB (2011 г. ). Адаптация аэробного дыхания к средам с низким содержанием O2. Труды Национальной академии наук, 108 (34), 14109–14114. https://doi.org/10.1073/pnas.1018958108
  4. Рис, Дж. Б., и Кэмпбелл, Н. А. (2011). Биология Кэмпбелла. Бостон: Бенджамин Каммингс / Пирсон.
  5. Schönheit, P., Buckel, W., & Martin, W.Ф. (2016). О происхождении гетеротрофии. Тенденции в микробиологии, 24 (1), 12–25. https://doi.org/10.1016/j.tim.2015.10.003
  6. Спенсер, Х. (1864). Принципы биологии. Уильямс и Норгейт.

Автотрофы — обзор | Темы ScienceDirect

Противоположный гомеостаз у растений и животных

Автотрофы используют свет или химическую энергию для превращения CO 2 в молекулы органического углерода. Фотоавтотрофы — это фотосинтезирующие организмы, такие как водоросли и высшие растения, которые используют свет для этого процесса.Гетеротрофы, напротив, получают свою химическую энергию от уже существующих органических молекул. Примеры гетеротрофов включают бактерии, которые поглощают органические вещества из своего окружения, и множество различных животных, которые потребляют и переваривают другие организмы. Эти две основные противоположные стратегии питания — автотрофия и гетеротрофия — также различаются по своей стехиометрической гибкости. Автотрофы получают углерод, энергию и питательные вещества из разных, до некоторой степени независимых источников, тогда как многие гетеротрофы получают все это сразу из одних и тех же пищевых наборов.Эта контрастирующая гибкость, в свою очередь, имеет большое значение для специфики того, как стехиометрия входит в экологию.

Фотосинтез основан на энергии света, которая фиксирует CO 2 в органических молекулах, таких как сахара. Из этих строительных блоков можно получить многие другие биохимические вещества. Стехиометрия углерод: питательные вещества (отношения C: N или C: P) у отдельных видов автотрофов может быть весьма изменчивой. Биохимические вещества, такие как углеводы и многие липиды, содержащие только C, H и O, производятся без включения таких питательных веществ, как N или P.Автотроф на свете и с адекватным доступом к CO 2 может производить обильные запасы этих соединений (крахмалы, масла, органические кислоты и т. Д.) Без вложения других важных ресурсов. Часто наблюдается, что автотрофы, растущие в среде с высоким освещением и низким содержанием питательных веществ, будут обладать большим количеством этих молекул, причем настолько, что содержание углерода в автотрофах будет повышено в таких условиях. Соотношение углерода: питательных веществ в таких растениях может быть чрезвычайно высоким (например,> 1500 C: P).Когда медленнорастущий автотроф с ограниченным количеством питательных веществ внезапно оказывается в условиях высокой доступности питательных веществ, он потребляет эти питательные вещества намного быстрее, чем его скорость роста. То есть питательные вещества потребляются в избытке по сравнению с потребностями роста и в некоторых крайних случаях хранятся в специализированных структурах, таких как вакуоли, или в специализированных молекулах, таких как полифосфат. Высокое соотношение углерода: питательных веществ также характерно для крупных автотрофов, таких как деревья, которые требуют значительных инвестиций в древесину и вспомогательные ткани с высоким соотношением C: питательные вещества.Экологические последствия этих стехиометрических реакций на соотношение свет: питательные вещества обсуждаются ниже.

Содержание питательных веществ для автотрофов связано со скоростью роста (μ, г г −1 d −1 ). Квота ( Q ) — это масса или молярное количество питательных веществ на клетку (это обсуждение предполагает постоянный размер клетки). У одноклеточных автотрофов концепция «клеточной квоты» связывает эти две переменные. Квота элемента, регулирующего скорость роста, будет очень тесно связана со скоростью роста соотношением, называемым формулой Друпа:

μ = μ ′ (1 − k / Q)

, где μ ′ — теоретический максимальный рост. , никогда не достигается, связано с бесконечной квотой, и k — минимальная квота, возникающая при нулевом росте.

В условиях сильного ограничения питательных веществ, когда скорость роста низкая, квота ограничивающего питательного вещества будет низкой, что означает низкое соотношение питательное вещество: C или высокое соотношение C: питательное вещество (см. Клеточный C: P, Рисунок 1 , верхняя панель). Минимальная квота клеток ( k ) определяется уровнем биохимических веществ, содержащих питательные вещества, необходимых для основного метаболизма, и к этому базовому уровню добавляются потребности в питательных веществах для роста. Истинный верхний уровень содержания питательных веществ (менее μ ‘) будет установлен некоторой комбинацией состава протоплазмы с высокой скоростью роста или способностью автотрофа накапливать избыточные количества любого питательного вещества, которое в настоящее время не требуется для роста.У автотрофов рост включает по крайней мере два основных стехиометрических компонента, а возможно, и больше. Первый — N для белков, участвующих в фотосинтезе, особенно фермента RUBISCO, который может составлять основную часть клеточной биомассы. Метаболизм в сосудистых растениях сильнее и устойчивее связан с азотом, чем с биомассой или С. Второй — Р для рибосом, которые необходимы для производства дополнительных белков.

Рис. 1. Содержание питательных веществ автотрофов как функция скорости роста и питательных веществ во внешней среде.(а) Эксперименты с одноклеточной водорослью Dunaliella tertiolecta . Символы относятся к разным N: P в питательной среде (5–50). (b) Эксперименты с двумя видами трав: одним ( Dactylis glomerata ) быстрорастущим и другим ( Brachypodium pinnatum ) медленнорастущим. В верхней части (а) обратите внимание, что клеточный C: P снижается с увеличением скорости роста и является самым высоким при низкой скорости роста и там, где N: P в окружающей среде является самым большим. Точно так же обе панели (а) показывают, что окружающий N: P положительно влияет на N: P водорослей при любой скорости роста.На панели (b) еще раз отметим, что N: P из окружающей среды оказывает положительное влияние на N: P в тканях. Панель (b) также показывает, что для любого данного N: P в окружающей среде быстрорастущие виды имеют более низкое N: P, чем медленнорастущие виды.

Помимо этих закономерностей, связывающих содержание ограничивающего питательного вещества со скоростью роста, соотношение питательных элементов в автотрофе положительно зависит от соотношения этих питательных веществ в окружающей среде. Почвы или вода с высоким соотношением N: P обычно поддерживают растения или водоросли с высоким соотношением N: P.Эта положительная взаимосвязь частично проистекает из сдвигов видов по градиентам, подобным этим, с конкуренцией в пользу видов, которые имеют такое же соотношение питательных веществ, что и соотношение предложения в окружающей среде. Это также происходит из-за внутривидовых физиологических сдвигов, связанных с разным хранением и использованием двух питательных веществ, аналогичных тем, которые описаны для квоты выше. Рисунок 1 суммирует эти различные влияния на содержание питательных веществ автотрофов.

Пробы целых скоплений автотрофной биомассы были исследованы в наземных, пресноводных и морских экосистемах и включали как микроскопические, так и макроскопические виды.Наземные экосистемы с их более крупными, богатыми целлюлозой и древесными видами растений имеют более высокие и более изменчивые соотношения C: P и C: N, чем водные экосистемы. В водной среде для прибрежной морской среды характерно низкое и менее изменчивое соотношение C: P и C: N во взвешенном веществе, что является сильным сигналом биомассы автотрофов. Мы увидели это относительное постоянство в прибрежной морской сфере, когда обсуждали коэффициент Редфилда выше. Редфилд описал, что в морском планктоне соотношение C: N: P составляет 106: 16: 1.Сегодня наблюдается постоянный интерес к коэффициенту Редфилда в океане, и известно, что оно не является истинной константой, а скорее зависит от нескольких факторов, включая климат. Пресноводные экосистемы можно рассматривать как промежуточные по стехиометрическим характеристикам C: N: P между наземными экосистемами и прибрежными морскими экосистемами.

Животные и другие виды гетеротрофов также различаются по своему химическому составу. Большие сдвиги в соотношениях C: N или C: P у гетеротрофов могут быть следствием накопления большого количества химической энергии в форме липидов.Например, некоторые беспозвоночные в сезонных условиях могут ассимилировать и накапливать липиды до такой степени, что они составляют примерно половину массы организма. Когда эти липиды впоследствии катаболизируются, происходят резкие сдвиги в C: N или C: P. Однако, в отличие от большой стехиометрической гибкости, часто наблюдаемой у автотрофов, одноклеточные и многоклеточные гетеротрофы приближаются к идеализированной, строго гомеостатической, абстрактной «молекуле» определенного химического состава. Причины такого контраста между растениями и животными не совсем понятны, но могут быть связаны с отсутствием специализированных хранилищ в клетках животных и тем фактом, что животные получают углерод, энергию и питательные вещества из живого или недавно живого материала, который менее изменчив в химическом отношении, чем абиотический. источники углерода, энергии и питательных веществ, используемые растениями.

Виды многоклеточных животных демонстрируют широкий диапазон соотношений N: P. Маленькие, плохо скелетонизированные организмы, такие как стадия головастиков у земноводных, имеют N: P ~ 20, тогда как некоторые виды рыб, которые в значительной степени наделены минералом фосфат-апатит кальция как во внутреннем скелете, так и в чешуе, имеют N: P ~ 5. Фактически, рыбы представляют собой группу с очень высокой стехиометрической изменчивостью. От этого минимального N: P, равного примерно 5, различные виды с более низким структурным содержанием P увеличиваются до N: P, равного 15. У рыб соотношение Ca: P сильно ограничено, что указывает на то, что большая часть стехиометрических различий в этой группе является результатом эволюционное давление на структуру и твердость покровов.

Эти межвидовые и внутривидовые модели содержания элементов сочетаются в пищевых сетях многих видов. Стехиометрический дисбаланс, когда ресурс и потребитель радикально различаются по содержанию питательных веществ, порождает интересную экологическую динамику, которую мы рассмотрим далее.

Autotroph — Определение, типы и примеры

Autotroph Definition

Автотрофы — это организмы, которые могут производить себе пищу, используя материалы из неорганических источников. Слово «автотроф» происходит от корня «авто» для «я» и «троф» для «еды».«Автотроф — это организм, который питается сам по себе, без помощи других организмов.

Автотрофы чрезвычайно важны, потому что без них не может существовать никакая другая форма жизни. Например, без растений, которые производят сахар из углекислого газа и солнечного света в процессе фотосинтеза, не могли бы существовать никакие травоядные животные, и никакие плотоядные животные, питающиеся травоядными, не могли бы существовать.

По этой причине автотрофов часто называют «производителями». Они составляют основу энергетической пирамиды экосистемы и обеспечивают топливо, необходимое для существования всех гетеротрофов (организмов, которые должны получать пищу от других).

Первые формы жизни на Земле должны были быть автотрофами, чтобы существовать и производить энергию и биологические материалы в ранее неживой среде. Гетеротрофы, скорее всего, эволюционировали по мере того, как автотрофы стали более распространенными, и некоторые формы жизни обнаружили, что легче просто съесть автотрофов, чем производить энергию и органические материалы для себя.

Типы автотрофов

Ученые классифицируют автотрофов в зависимости от того, как они получают энергию.Типы автотрофов включают фотоавтотрофы и хемоавтотрофы.

Фотоавтотрофы

Фотоавтотрофы — это организмы, которые получают энергию для создания органических материалов из солнечного света. К фотоавтотрофам относятся все растения, зеленые водоросли и бактерии, осуществляющие фотосинтез.

Все фотоавтотрофы осуществляют фотосинтез — это слово происходит от корня слов «свет» и «создавать». Фотоавтотрофы улавливают фотоны Солнца и собирают их энергию, используя ее для выполнения важных биохимических процессов, таких как производство АТФ.

Фотоавтотрофы производят больше, чем просто топливо и органические соединения для таких гетеротрофов, как мы!

Многие фотоавтотрофы берут углерод из атмосферы и используют его для производства сахаров и других молекул, хранящих энергию Солнца в своих молекулярных связях. Для этого они поглощают молекулы CO2, который создается неживыми геологическими процессами, и выделяют молекулы O2 — также известного как кислород, которым нам нужно дышать!

Считается, что свободный кислород не присутствовал в атмосфере Земли до тех пор, пока фотоавтотрофы не стали обычным явлением в морях Земли.Затем они произвели столько свободного кислорода, что большое количество железа, которое ранее было растворено в океанской воде, вступило в реакцию с кислородом и превратилось в ржавчину!

В результате этого процесса образовались горные породы, называемые полосчатыми железными образованиями, на которые мы все еще можем смотреть сегодня, чтобы увидеть эти записи истории нашей Земли. Выброс большого количества свободного кислорода в атмосферу Земли фотоавтотрофами проложил путь для таких крупных животных, как мы, которым для выживания нужен высокоэффективный процесс аэробного дыхания.

Считается, что часть кислорода, производимого фотоавтотрофами, также создает озоновый слой Земли, который позволяет жизни перемещаться на сушу, не опасаясь повреждения ДНК ультрафиолетовым светом Солнца.

Хемоавтотрофы

Хемоавтотрофы — это организмы, получающие энергию от неорганических химических процессов. Сегодня хемоавтотрофы чаще всего встречаются в глубоководных средах, которые не получают солнечного света. Многим нужно жить вокруг глубоководных вулканических жерл, которые производят достаточно тепла, чтобы метаболизм происходил с высокой скоростью.

Хемоавтотрофы в качестве источников энергии используют летучие химические вещества, такие как молекулярный водород, сероводород, элементарная сера, двухвалентное железо и аммиак. Это делает их подходящими для жизни в местах, которые были бы токсичными для многих других организмов, а также в местах без солнечного света. Хемоавтотрофы — это обычно бактерии или архебактерии, поскольку их метаболизм обычно недостаточно эффективен для поддержания многоклеточности.

Ученые предположили, что жизнь могла существовать в темных, химически изменчивых средах, таких как моря Титана, спутника Юпитера, за счет метаболизма, аналогичного тому, который наблюдается у хемоавтотрофов на Земле.Никаких доказательств существования такой жизни пока не найдено, но некоторые ученые считают, что диапазон метаболических возможностей, предлагаемых хемосинтезом, резко расширяет диапазон мест во Вселенной, где мы можем ожидать найти жизнь.

На самом деле неизвестно, были ли фотоавтотрофы или хемоавтотрофы первыми формами жизни на Земле. Многие поддерживают идею о том, что первые клетки были фотосинтетическими, поскольку свет Солнца освещает всю поверхность Земли. Но некоторые ученые считают, что вулканические участки в глубоком море или на поверхности Земли могли поставлять более концентрированную энергию и более летучие химические вещества, что потенциально могло привести к созданию первых клеток.

Эти ученые предполагают, что эти клетки могли затем развить фотосинтез в качестве источника энергии, который работал бы в любом месте на поверхности Земли, где они распространяются дальше от своих вулканических точек происхождения.

Поскольку отдельные клетки и их биохимия плохо фоссилизируются, мы, возможно, никогда не узнаем, были ли хемоавтотрофы или фотоавтотрофы первыми формами жизни на Земле.

Примеры автотрофов

Растения

Растения, за очень редкими исключениями (например, ловушка для венериной мухи, которая может поедать насекомых) являются фотоавтотрофами.Они производят сахар и другие необходимые для жизни ингредиенты, используя свои пигменты, такие как хлорофилл, для захвата фотонов и использования своей энергии. Когда растения потребляются животными, животные могут использовать эту энергию и эти органические материалы для себя.

Зеленые водоросли

Зеленые водоросли, которые могут быть вам знакомы как прудовая пена, также являются фотоавтотрофами. На самом деле зеленые водоросли могут иметь большое сходство с первой распространенной формой жизни на Земле — цианобактериями, зелеными бактериями, которые выросли в циновках и начали процесс превращения Земли в мир с кислородной атмосферой.

«Железные бактерии» — Acidithiobacillus ferrooxidans

Бактерия Acidithiobacillus ferrooxidans получает энергию из двухвалентного железа. В процессе он преобразует атомы железа из молекулярной формы, где они не могут быть растворены в воде, в молекулярную форму, где они могут.

В результате, Acidithiobacillus ferrooxidans был использован для извлечения железа из руд, которые нельзя было извлечь обычными способами.

Область биогидрометаллургии — это изучение использования живых организмов для получения металлов путем растворения их в воде, где они могут быть переработаны.

  • Энергетическая пирамида — Структура, которая показывает поток энергии через экосистему.
  • Гетеротроф — Организм, питающийся другими организмами, такими как растения или хищные животные.
  • Фотосинтез — Процесс, используемый фототрофами для извлечения энергии из солнечного света.

Тест

1. Какое из следующих утверждений верно в отношении хемоавтотрофов?
A. Они используют энергию солнечного света для приготовления пищи.
B. В качестве пищи они полагаются на другие организмы, такие как растения и хищные животные.
C. Они используют энергию химических веществ, таких как водород, сера и железо, для приготовления пищи.
D. Ничего из вышеперечисленного.

Ответ на вопрос № 1

C правильный. Хемотрофы используют энергию неорганических химикатов для обеспечения своих жизненных функций.

2. Что из перечисленного НЕ является примером фотоавтотрофа?
А. Маргаритки
B. Железные бактерии
C. Цианобактерии
D. Ничего из вышеперечисленного.

3. Вероятно, первая форма жизни на Земле была…
A. Фотоавтотроф.
Б. Хемоавтотроф.
C. Ни то, ни другое.
D. Никто не знает.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.