Підручник з Біології і екології. 10 клас. Соболь - Нова програма

Хоча енергія існує у багатьох формах, для живих істот стають у пригоді лише дві з них — світлова й хімічна енергія.

Н. Грін, У. Стаут, Д. Тейлор

§ 23. ОСОБЛИВОСТІ ОБМІНУ РЕЧОВИН В АВТОТРОФНИХ ОРГАНІЗМІВ

Основні поняття й ключові терміни: АВТОТРОФНЕ ЖИВЛЕННЯ.

Пригадайте! Що таке обмін речовин й енергії?

Знайомтеся!

Рід Пеларгонія (від грец. пеларгос — лелека) має велику кількість видів й сортів із чудовими різнобарвними суцвіттями — білими, червоними, рожевими, фіолетовими, двоцвітними квітками, з візерунками на пелюстках. За гарного догляду ці невибагливі рослини цвітуть до пізньої осені. Які ж умови необхідні для пеларгонії зональної садової (Pelargonium zonale hortorum)?

ЗМІСТ

Які особливості живлення зелених рослин як автотрофних організмів?

АВТОТРОФНЕ ЖИВЛЕННЯ (від грец. аутос — сам і трофос — їжа) — це надходження в організм неорганічних речовин, необхідних для синтезу власних органічних сполук. Залежно від джерел енергії, що використовується при цьому, розрізняють фотоавтотрофне живлення (властиве ціанобактеріям і зеленим рослинам, у клітинах яких є зелені пігменти, що вбирають зовнішню світлову енергію) (іл. 63) та хемоавтотрофне живлення (у деяких груп бактерій, які використовують внутрішню хімічну енергію неорганічних сполук).

Іл. 63. Схема фотоавтотрофного живлення в рослин

Якими ж є особливості обміну речовин й енергії у зелених рослин як найдосконалішої групи автотрофів?

По-перше, у зелених рослин надходження неорганічних речовин забезпечують регульовані процеси повітряного і мінерального живлення. Повітряне живлення — це процес поглинання та засвоєння з повітря вуглекислого газу, який є вихідним продуктом для фотосинтезу. Надходження СО2 відбувається крізь продихи листка, тому саме цей вегетативний орган є органом повітряного живлення. Мінеральне живлення — це процес поглинання та засвоєння з ґрунту води та хімічних елементів, необхідних для життєдіяльності. Органом мінерального живлення в рослин є корінь.

По-друге, звичайним явищем для зелених рослин є поєднання автотрофного живлення з гетеротрофним й використання готових органічних речовин із зовнішнього середовища або із резервів у клітинах. В усіх рослин є період, коли організм використовує для життя раніше синтезовані та відкладені про запас органічні речовини. У темновий період живлення рослин також є гетеротрофним. За особливостями живлення серед рослин виокремлюють такі групи: рослини-сапрофіти (ялинник звичайний, гніздівка звичайна), рослини-напівпаразити (омела-біла, дзвінець, перестріч, очанка), рослини-паразити (вовчок, петрів хрест, повитиця), рослини-хижаки (венерина мухоловка, росичка круглолиста, жирянка, пухирник, непентес).

По-третє, зелені рослини із середовища отримують енергію Сонця. Утворення глюкози залежить передусім від якості й кількості світлової енергії, що поглинається хлорофілом і каротиноїдами листків. Найбільше значення для рослин мають сині, фіолетові й червоні промені видимого спектра. На початкових стадіях вегетації для росту й розвитку рослин важливими є сині промені, а в дорослому віці більш необхідними стають червоні промені.

Отже, особливостями живлення зелених рослин є повітряне й мінеральне живлення, використання готових органічних речовин і світлової енергії.

Які особливості внутрішньоклітинного метаболізму автотрофних організмів?

Визначальними процесами автотрофного метаболізму є анаболічні реакції. Це різні види фотосинтезу архей, фотобактерій та еукаріотичних рослин й хемосинтез залізо-, сірко- та нітрифікуючих бактерій. У деяких солелюбних (галофільних) архей спостерігається безхлорофільний фотосинтез, що здійснюється за участі бактеріородопсину. Принциповою відмінністю між кисневим фотосинтезом зелених рослин й ціанобактерій та бактеріальним фотосинтезом зелених і пурпурних сіркобактерій є те, що останній відбувається за участі бактеріохлорофілів у анаеробних умовах, кисень не виділяється, джерелом Гідрогену є сірководень. Кисневий фотосинтез відбувається з виділенням кисню за участі хлорофілів й каротиноїдів у зелених рослин та хлорофілів і фікобілінів — у ціанобактерій. Джерелом Гідрогену та молекулярного кисню для цього фотосинтезу слугує вода.

Ще однією особливістю автотрофів є їхня здатність перетворювати продукти фотосинтезу на амінокислоти, жирні кислоти, нуклеотиди, з яких далі утворюються складні біомолекули. Такий автотрофний анаболізм, що пов'язаний з фото- й хемосинтезом, називається первинним синтезом органічних речовин. І ось тут виявляється ще одна особливість, пов'язана з використанням мінерального Нітрогену у вигляді амоніаку й нітратів, а точніше їхніх йонів (NH+4, NO-3). Зелені рослини можуть завдяки цьому синтезувати усі необхідні їм амінокислоти в процесах амінування й переамінування.

Біосинтез білка в автотрофів відбувається так само, як і у тварин: на рибосомах за участі іРНК й тРНК. Однак у рослин існує додатковий шлях синтезу білка за допомогою ферментів-транспептидаз (транспептидази). Він полягає в тому, що ферменти переносять пептиди від однієї білкової молекули до іншої. При цьому відбувається рекомбінація ділянок різних білкових молекул із заданою амінокислотною послідовністю. В результаті нові білки утворюються без великих витрат енергії та речовин.

Для катаболізму автотрофів також характерні особливості, пов'язані з хемо- й фотосинтезом. Автотрофні організми в реакціях катаболізму розщеплюють синтезовані ними ж органічні речовини (найчастіше глюкозу або крохмаль). Окрім того, АТФ синтезується не лише в процесі дихання після окиснення глюкози, а й під час світлової фази фотосинтезу завдяки фотофосфорилюванню.

Отже, метаболізм автотрофних організмів має особливості, що визначаються їхньою здатністю до первинного синтезу органічних сполук з неорганічних речовин.

Які особливості виділення речовин у автотрофів?

Екскреція — сукупність процесів, спрямованих на виведення невикористаних продуктів обміну речовин й енергії, а також чужорідних і шкідливих для клітини сполук. Особливостями екскреції у автотрофів є те, що вони — первинні продуценти і синтезують в необхідній кількості усі потрібні органічні речовини. Наприклад, у рослин синтезується лише стільки білків, скільки необхідно на даний час.

Вони ніколи не утворюють білків у надлишку і тому виділяють дуже мало нітрогеновмісних відходів — продуктів розщеплення білків. Окрім того, кінцеві продукти обміну речовин у автотрофних організмів (О2, СО2, вода) слугують вихідними сполуками для інших реакцій. Наприклад, у рослин СО2 використовується в темновій фазі фотосинтезу, а вода — в світловій. Спеціалізованих органів екскреції у автотрофів немає, однак продукти виділення в них можуть накопичуватися та видалятися в середовище з тканинами й органами, що відмирають. Так, у зелених рослин відходи метаболізму відкладаються у відмерлих тканинах, у листках чи корі, що періодично видаляються. Виділення води у вигляді пари відбувається під час транспірації через продихи, сочевички, видалення надлишку води (гутація — від лат. gutta — крапля) — через водяні продихи (гідатоди) тощо. Вода випаровується через усі частини рослини та найінтенсивніше це здійснюють листки (іл. 64).

Іл. 64. Гутація на листках приворотня блискучого

Своєрідним способом виділення є внутрішньоклітинне виділення та ізоляція переведених у важкорозчинну форму продуктів обміну. Наприклад, органічні кислоти, що можуть спричинити шкоду клітині, зв'язуються з катіонами і відкладаються у вигляді кристалів у цитоплазмі (наприклад, включення з кальцій оксалату в щавлю).

Отже, виділення речовин у процесі життєдіяльності є важливим компонентом обміну речовин і гомеостазу рослинного організму.

ОБМІН РЕЧОВИН У АВТОТРОФНИХ ОРГАНІЗМІВ — це обмін, що характеризується надходженням неорганічних речовин, які є джерелом Карбону, Гідрогену й Нітрогену, переважанням у клітинах анаболічних реакцій, первинним синтезом власних органічних сполук і використанням кінцевих продуктів обміну для реакцій.

ДІЯЛЬНІСТЬ

Самостійна робота з таблицею

За допомогою таблиці в робочому зошиті порівняйте процеси фотосинтезу в прокаріотів та еукаріотів. Сформулюйте висновок про подібність й відмінності фотосинтезу в різних фотоавтотрофних організмів.

Ознака

Прокаріоти

Еукаріоти

Тип фотосинтезу

Організми-фототрофи

Джерело Гідрогену

Джерело Карбону

Джерело енергії

Фотопігменти

Вихідні продукти

Кінцеві продукти

Біологія + Фізика. Штучне освітлення рослин

Для вирощування рослин під штучним освітленням здебільшого використовують електричні джерела світла, якими можуть бути лампи розжарювання, люмінесцентні, газорозрядні, індукційні лампи. Нині в професійному рослинництві здебільшого застосовують люмінесцентні лампи й світлодіоди. Поясніть перевагу люмінесцентних ламп і світлодіодів для вирощування рослин за умов штучного освітлення.

Вплив довжини хвилі світла на розвиток рослин

СТАВЛЕННЯ

Біологія + Екологія. Гумус

У живленні рослин велике значення мають гумусні органічні речовини ґрунтів. У землеробстві з давніх-давен відомо: чим більше гумусу в ґрунті, тим він родючіший. Тому не випадково створене з допомогою дощових каліфорнійських черв'яків органічне добриво «Біогумус» нині широко застосовується у вирощуванні рослин. Що таке гумус? Яке екологічне значення гумусу ґрунтів для життєдіяльності рослин?

РЕЗУЛЬТАТ

Оцінка

Завдання для самоконтролю

1—6

1. Хто такі автотрофи? 2. Назвіть основні групи автотрофних організмів. 3. Що таке анаболізм й катаболізм? 4. Назвіть визначальну особливість метаболізму автотрофів. 5. Наведіть приклади речовин, що видаляються з клітин автотрофних організмів. 6. Які особливості обміну речовин у автотрофних організмів?

7—9

7. Які особливості живлення зелених рослин як автотрофних організмів? 8. Які особливості метаболізму автотрофних організмів? 9. Які особливості виділення речовин у автотрофів?

10—12

10. Порівняйте процеси фотосинтезу в прокаріотів та еукаріотів.