Автотрофное питание

Автотрофы в биологии — определение и примеры автотрофных организмов

Автотрофное питание

1001student.ru > Биология > Автотрофы в биологии — определение и примеры автотрофных организмов

Все живые существа по типу питания можно разделить на два вида: автотрофы и гетеротрофы.

Каждый организм нуждается в питании для поддержания своей жизнедеятельности. Именно автотрофы составляют основу пищевой пирамиды, обеспечивая питательными веществами гетеротрофов.

Тем не менее подобное деление в биологии весьма условно – между ними не всегда существует четкая грань. Некоторые организмы способны питаться и тем, и другим способом. Их называют миксотрофами.

  • Кто такие автотрофы
  • Характеристика автотрофов
  • Какие организмы относятся к автотрофам
  • Автотрофы и гетеротрофы – сходства и отличия
  • Роль автотрофных и гетеротрофных организмов в биосфере

Кто такие автотрофы

Автотрофы — это организмы, синтезирующие органические вещества из неорганических соединений. Все вещества, необходимые для развития и жизнедеятельности, они способны получить из окружающей среды.

Важнейший элемент, входящий в состав клеток любой формы жизни – углерод и его соединения. Для организмов, использующих автотрофный тип питания, его источником является углекислый газ.

Характеристика автотрофов

Для протекания процессов метаболизма живому существу необходима энергия, получаемая извне. Этот источник должен быть доступен, поскольку в связи со своим строением, большинство автотрофов практически неподвижны.

Таким образом, источником энергии для них является солнечный свет или эффект химических реакций. По такому признаку все автотрофы делятся на фототрофов и хемотрофов.

Фототрофам для создания органических соединений необходим свет. Благодаря присутствию в клетках хлоропластов, данный вид автотрофов способен фотосинтезировать. В этом процессе кванты света в ходе сложного химического взаимодействия превращаются в питательные вещества.

Хемотрофы получают энергию другим способом – из реакций окисления некоторых химических соединений.

Какие организмы относятся к автотрофам

Энергия света и углекислого газа обеспечивает жизнь подавляющего количества автотрофов – растений, к которым также относятся и мхи.

Водоросли, представляющие собой наиболее древний и простой тип растений, многообразны, а многих из них можно разглядеть только в микроскоп. Даже одноклеточные водоросли, такие как хлорелла, способны к фотосинтезу.

хлорофилла в клетках – прерогатива не только растений. Некоторые бактерии также содержат этот пигмент и способны синтезировать питательные вещества из световой энергии.

Цианобактерии – одни из древнейших микроорганизмов, питающихся подобным образом и выделяющих кислород. Возможно благодаря им атмосфера молодой Земли наполнилась кислородом миллиарды лет назад.

Микроскопические водоросли и зеленые бактерии способны вступать в симбиоз с грибами. В результате такого взаимодействия образуется симбиотический организм – лишайник.

Каждый участник симбиоза вносит свой вклад – водоросли и цианобактерии добывают питательные вещества с помощью фотосинтеза, а гриб поглощает готовые элементы.

Совмещение различных типов питания встречается не только у лишайников. Некоторые растения помимо автотрофного питания усваивают полезные вещества из тел других организмов – насекомых, мелких животных.

Такие растения называются плотоядными и используют различные виды ловушек для поимки жертвы.

Венерина мухоловка

Например, росянка использует клейкие волоски на кончиках листьев, листья венериной мухоловки захлопываются, а ловушка непентеса выглядит как кувшин с крышкой.

Некоторые одноклеточные водоросли также являются миксотрофами. К примеру, клеточная поверхность хламидомонады способна поглощать жидкость со всеми микроорганизмами, что там находятся.

Бактериям эвглены зеленой, чья модель поведения зависит от освещенности, может быть присуща автотрофность или гетеротрофность.

Хемотрофный тип питания распространен гораздо меньше. Энергию, которая выделяется как результат реакции окисления, способны поглощать простейшие микроорганизмы. Их уникальность заключается в независимости от энергии Солнца.

Эти микроорганизмы могут приспосабливаться к экстремальным условиям обитания – на дне океана, куда не проникает свет, в телах живых существ, в горячих гейзерах.

Автотрофы и гетеротрофы – сходства и отличия

В связи с различиями в способах питания, организмы серьезно отличаются между собой внешне и на клеточном уровне. Они занимают разные места в пищевой цепочке, используют отличные друг от друга вещества для поддержания своей жизни.

Таблица 1

Сравнительная характеристика автотрофов и гетеротрофов

ПризнакАвтотрофыГетеротрофы
Место в пищевой цепиПродуцент – производит питательные вещества самостоятельно.Консумент – потребляет готовые вещества.Редуцент – перерабатывает органические элементы до неорганических.
Источник энергии для реакций метаболизмаСолнечная энергия.Энергия, которая выделяется в результате химической реакции.Органические вещества
Запас углеводовКрахмалГликоген
Наличие клеточной стенки – оболочки клетки, выполняющей функции защиты.ЕстьНет
Реакция на внешние раздражителиОтсутствуетПрисутствует
Системы органовВегетативные и репродуктивныеСоматические и репродуктивные

Тем не менее, являясь тесно связанными между собой представителями жизни на планете Земля, автотрофы и гетеротрофы имеют также схожие черты – потребность в питании, воде, кислороде, солнечном свете.

Роль автотрофных и гетеротрофных организмов в биосфере

Кормильцы живой природы – подходящее определение для автотрофов. Именно они создают органику из неорганических элементов и тем самым обеспечивают пищей гетеротрофов – человека, животных, грибы, бактерий.

Некоторые микроскопические организмы являются активными хищниками: амеба обыкновенная способна захватывать добычу своими ложноножками.

Обособленно стоят вирусы, чья жизнедеятельность возможна только в живой клетке. Вне ее вирус не проявляет никаких признаков деятельности, что придает ему сходство с паразитическими формами жизни.

Природа существует, основываясь на принципе равновесия — существование всех форм жизни тесно связано между собой.

Автотрофы питают гетеротрофов, создавая питательные элементы. Консументы, в результате своей жизнедеятельности, способствуют размножению первых, перенося споры и семена, опыляя цветы растений.

Завершают цепочку редуценты, разлагающие мертвую органику на неорганические элементы. Этим занимаются грибы, в том числе и микроскопические – пеницилл, дрожжи, некоторые бактерии. Именно они возвращают питательные вещества обратно в биосферу.

Так происходит круговорот веществ и элементов в природе, где каждый организм выполняет свою функцию в пищевой пирамиде.

Источник: https://1001student.ru/biologiya/avtotrofy.html

Автотрофное питание. Фотосинтез

Автотрофное питание

Солнце было и остается неисчерпаемым источником энергии для нашей планеты. Важнейшим ароморфозом архейской эры было возникновение фотосинтеза, процесса, с помощью которого некоторые живые организмы научились синтезировать органические вещества с использованием солнечного света в качестве основного источника энергии.

Фотосинтез – этот процесс, чрезвычайно важный для всего живого населения нашей планеты. Он происходит в клетках зеленых растений, водорослей и в клетках некоторых бактерий, например цианобактерий, и осуществляется с помощью различных пигментов, в частности, с помощью хлорофилла.

Хлорофилл

Хлорофилл у высших растений сосредоточен в хлоропластах, а основным органом фотосинтеза у высших растений является лист. Хлорофилл обладает особой химической структурой, которая позволяет ему улавливать кванты света.

Хлорофилл поглощает, главным образом, красный и синий свет. Зеленый свет они отражают, и поэтому придают растениям характерную зеленую окраску, если только её не маскируют другие пигменты. Существуют несколько форм молекул хлорофилла, различающиеся по длине волны улавливаемого света.

Хлорофилл у высших растений сосредоточен в хлоропластах, что обусловливает их строение.

Хлоропласт

Структурной и функциональной единицей хлоропластов являются тилакоиды – плоские мембранные мешочки, уложенные в стопки (граны)

Отдельные граны соединены друг с другом ламеллами.

В мембранах тилакоидов расположены особые комплексы, в которые входит молекула хлорофилла, а также молекула переносчиков электронов – цитохромов. Мембранная система – это то место, где протекают световые реакции фотосинтеза.

Строма хлоропластов по своему строению напоминает гель – здесь протекают темновые реакции.

Избыток углеводов, образовавшихся в процессе фотосинтеза, запасается в виде зерен крахмала.

Фотосинтетические пигменты

Фотосинтетические пигменты бывают двух типов: главные и вспомогательные. Пигменты второго типа передают испускаемые ими электроны главному пигменту.

Электроны, испускаемые главным пигментом, непосредственно доставляют энергию для реакции фотосинтеза.

Основными ловцами световых частиц являются две формы хлорофилла а, которые обозначают как П700 и П680 (П – пигмент, 680 – 700 это максимум поглощения в нм). Другие пигменты выполняют вспомогательную роль.

В настоящее время принято считать, что существуют две фотосинтетические единицы, которые называют фотосистема 1 и фотосистема 2. Каждая их этих единиц состоит из набора вспомогательных пигментов, которые передают энергию на молекулу главного пигмента, а именно на молекулу хлорофилла.

Эта молекула называется реакционным центром. В реакционном центре энергия используется для осуществления химической реакции.

Именно здесь происходит преобразование световой энергии в энергию химических связей, что является центральным событием фотосинтеза.

Фазы фотосинтеза

Фотосинтез происходит в две фазы, а именно в световую фазу и темновую фазу.

Световая фаза

Во время световой фазы происходит образование энергии, которая затем расходуется на темновые реакции. Процесс световой фазы фотосинтеза включает в себя нециклическое фотофосфорилирование и фотолиз воды. В качестве побочного продукта реакции в результате фотолиза воды выделяется кислород. Реакция происходит на мембранах тилакоидов.

Квант красного света, поглощенный хлорофиллом П680 (фотосистема ІІ), переводит электрон в возбужденное состояние (рис. 6).

Возбужденный светом электрон приобретает большой запас энергии, вследствие чего перемещается на более высокий энергетический уровень.

Такой электрон захватывается акцептором электронов Х, перемещаясь с одной ступени на другую, то есть от одного акцептора к другому, он теряет энергию, которая используется для синтеза АТФ.

Место вышедших электронов молекулы хлорофилла П680, занимают электроны воды, так как вода под действием света подвергается фотолизу, где в качестве побочного продукта образуется кислород. Фотолиз происходит в полости тилакоида

В фотосистеме І возбужденные электроны под действием фотона света также переходят на более высокий уровень и захватываются акцептором Y. В конце концов, электроны доходят от Y до переносчика – НАДФ, и, взаимодействуя с ионами водорода, выделенными при фотолизе воды, образуют восстановленный НАДФН. НАДФ расшифровывается как – никотинамидадениндинуклеотидфосфат.

Место вышедших электронов в молекуле П700 занимают электроны, полученные от фотосистемы II П680 (рис. 8). Таким образом, на свету электроны перемещаются от воды к фотосистемам II и I, и затем к НАДФ.

Такой однонаправленный поток электронов носит название нециклического потока электронов, а образование АТФ, которое при этом происходит, носит название нециклического фотофосфорилирования.

Таким образом, в световой фазе образуются АТФ и восстановленный НАДФ, богатые энергией, и в качестве побочного продукта реакции выделяется кислород.

Темновая фаза фотосинтеза 

Если световая фаза протекает только на свету, то темновая фаза не зависит от света.

Темновая фаза протекает в строме хлоропластов, куда переносятся богатые энергией соединения, а именно АТФ и восстановленный НАДФ, кроме этого, туда же поступает углекислый газ в качестве источника углеводов, который берется из воздуха и поступает в растения через устьица. В реакциях темновой фазы углекислый газ восстанавливается до глюкозы с помощью энергии, запасенной молекулами АТФ и НАДФ.

Превращение углекислого газа в глюкозу в ходе темновой фазы фотосинтеза получило название цикла Кальвина – по имени его первооткрывателя.

Первая стадия фотосинтеза – световая – происходит на мембранах хлоропласта в тилакоидах.

Вторая стадия фотосинтеза – темновая – протекает внутри хлоропласта, в строме.

Суммарное уравнение фотосинтеза выглядит следующим образом. При взаимодействии 6 молекул углекислого газа и 6 молекул воды образуется одна молекула глюкозы и выделяется шесть молекул кислорода. Этот процесс протекает на свету в хлоропластах у высших растений.

Таким образом, фотосинтез – это процесс превращения вещества и энергии.

Значение фотосинтеза

В результате фотосинтеза растения накапливают органические вещества и обеспечивают постоянство углекислого газа и кислорода в атмосфере. В верхних слоях воздушной оболочки из кислорода образуется озон, который имеет химическую формулу O3. Озоновый экран защищает все живое нашей планеты от проникновения опасных коротковолновых ультрафиолетовых лучей.

К. А. Тимирязев говорил: «Едва ли какой процесс, совершающийся на поверхности Земли, заслуживает в такой степени всеобщего внимания, как тот далеко еще не разгаданный процесс, который происходит в зеленом листе, когда на него падает луч солнца.

Рассматриваемый с химической точки зрения, – это тот процесс, в котором неорганическое вещество, углекислота и вода превращается в органическое. Рассматриваемый с физической, динамической точки зрения, – это тот процесс, в котором живая сила солнечного луча превращается в химическое напряжение, в запас работы.

Рассматриваемый с той и другой точки зрения это процесс, от которого в конечной инстанции, зависят все проявления жизни на нашей планете».

Пигменты хлоропластов

Все фотосинтезирующие организмы содержат пигменты, которые способны улавливать солнечный свет, а именно видимую часть солнечного спектра, запуская тем самым реакции фотосинтеза.

Из фотосинтезирующих организмов, в частности из растений, пигменты экстрагируют с помощью различных растворителей, таких как спирт и ацетон. Затем разделение пигментов осуществляется с помощью хроматографии.

Впервые это на колонке сорбентов проделал русский ученый М. С. Цвет в 1903 г. – в качестве сорбента он использовал мел и сахарную пудру

М. С. Цвет изобрел принципиально новый метод разделения пигментов, и выделил следующие пигменты: хлорофилл a, хлорофилл b и несколько фракций желтых пигментов

Метод адсорбционной хроматографии сейчас широко используется в научной практике для разделения веществ.

Растительные организмы содержат несколько видов пигментов, которые выполняют определенные функции. Как правило, в пластидах высших растений и водорослей содержится три класса основных пигментов – хлорофиллы, каротиноиды и фикобилины. Хлорофиллы и каротиноиды, как правило, нерастворимы в воде, а фикобилины растворимы.

Хлорофилл a встречается у всех представленных в таблице 1 фотосинтезирующих организмов, потому что он является главным пигментом фотосинтеза.

Каротиноиды в качестве вспомогательных пигментов также встречаются у всех представленных в таблице 1 фотосинтезирующих организмов, тогда как фикобилины находятся только у красных водорослей.

Наличие пигментов связано и с распространением фотосинтезирующих организмов вглубь мирового океана. Например, зеленые водоросли распространены до 30 м, поскольку более активно поглощают красный свет.

Полуавтономность хлоропластов

Хлоропласты, как и митохондрии, являются полуавтономными структурами. Они содержат кольцевую молекулу ДНК, рибосомы и различные формы РНК, то есть собственную белоксинтезирующую систему. Это позволяет им частично обеспечивать себя белком. Кольцевая молекула ДНК характерна также и для бактерий.

Для эукариотов характерна линейная ДНК. Рибосомы у хлоропластов такие же, как и у бактерий, относящиеся к 70S типу. То есть хлоропласты скорее напоминают бактерии, которые потеряли свою самостоятельность.

Большой интерес представляет вопрос о возникновении хлоропластов в процессе эволюции. Хлоропласты, независимо от ядра, способны к делению, дифференцировке и синтезу собственных белков.

Однако, они все-таки находятся в частичной зависимости от ядра из-за того, что не все необходимые для жизнедеятельности белки могут синтезировать сами.

Считается, что раньше хлоропласты были свободноживущими цианобактериями (рис. 16), которые поглотила гетеротрофная клетка.

Но по какой-то причине она не переварила цианобактерии, а стала использовать их в качестве симбионтов. С течением времени эти свободно живущие цианобактерии, которые вошли в симбиоз с гетеротрофной клеткой, потеряли свою самостоятельность и стали находиться внутри этой клетки в виде органелл. Это событие привело к возникновению фотосинтезирующих организмов.

К примеру, изолированные клетки млекопитающих могут захватывать путем фагоцитоза хлоропласты, при этом хлоропласты в клетках млекопитающих сохраняют свою структуру и жизнеспособность на протяжении 6 клеточных делений. И выделенные из клеток млекопитающих хлоропласты способны к фотосинтезу.

Эффект усиления Эмерсона

Впервые идею о существовании двух фотосинтезирующих систем в растениях высказал Роберт Эмерсон, изучая зависимость эффективности фотосинтеза от длины световой волны.

У одноклеточной водоросли хлореллы (рис. 18) он анализировал влияние длины световой волны на квантовый выход фотосинтеза, то есть количество кислорода, выделившегося в процессе фотосинтеза в расчете на 1 квант поглощенной энергии.

Эмерсон установил, что у хлореллы наиболее эффективным для фотосинтеза был красный свет с длиной волны от 650 до 680 нм, и синий свет с длиной волны от 400 до – 460 нм. Именно этот свет поглощается хлорофиллом. Он также вычислил, что фотосинтетическая эффективность красного света была на 36% выше, чем синего.

В следующих опытах было показано, что если клетки освещать красным светом с длиной волны от 650 до 680 нм, то квантовый выход был достаточно высок.

Однако при дальнейшем увеличении длины волны света свыше 685 нм, квантовый выход фотосинтеза резко падал.

Если же хлореллу освещать и коротковолновым (650 нм) и длинноволновым (700 нм) красным светом суммарный эффект будет больше, чем при действии каждого луча в отдельности. Это явление получило название эффекта усиления Эмерсона, и дало возможность Эмерсону предположить, что в растениях существуют две фотосинтезирующие системы, которые должны работать согласованно.

Таким образом, фотосинтез – процесс образования органического вещества из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий). Это важнейший ступенчатый энергетический процесс – основа существования современной биосферы.

Возможно, вам так же будет интересно: Клеточное строение листа

Литература

1. Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Общая биология 10-11 класс Дрофа, 2005.

2. Биология. 10 класс. Общая биология. Базовый уровень / П. В. Ижевский, О. А. Корнилова, Т. Е. Лощилина и др. – 2-е изд., переработанное. – Вентана-Граф, 2010. – 224 стр.

3. Беляев Д. К. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 11-е изд., стереотип. – М.: Просвещение, 2012. – 304 с.

4. Биология 11 класс. Общая биология. Профильный уровень / В. Б. Захаров, С. Г. Мамонтов, Н. И. Сонин и др. – 5-е изд., стереотип. – Дрофа, 2010. – 388 с.

5. Агафонова И. Б., Захарова Е. Т., Сивоглазов В. И. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 6-е изд., доп. – Дрофа, 2010. – 384 с.

Источник: https://helperia.ru/a/avtotrofnoje-pitanije-fotosintez

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.

    ×
    Рекомендуем посмотреть