Підручник з Біології і екології (рівень стандарту). 10 клас. Задорожний - Нова програма

§ 18. Особливості обміну речовин в автотрофних і гетеротрофних організмах

Які організми є гетеротрофними, а які автотрофними? Які організми можуть здійснювати фотосинтез, а які — хемосинтез? Які речовини організми поглинають і виділяють під час дихання і фотосинтезу?

Подібність процесів обміну в різних організмах

Усім живим організмам для їхнього росту, розвитку й розмноження необхідні органічні речовини та енергія. Основним джерелом енергії для всіх організмів є окиснення органічних молекул, яке може відбуватися як з використанням кисню, так і без нього.

Як ви вже знаєте, за способом отримання органічних речовин організми можна поділити на дві великі групи — гетеротрофні (використовують готові органічні речовини) і автотрофні (синтезують органічні речовини з неорганічних).

Основні біохімічні процеси, які потрібні будь-якому живому організму для забезпечення життєдіяльності,— це синтез білків і нуклеїнових кислот, процеси клітинного дихання, зокрема реакції гліколізу та циклу Кребса, утворення та розпад молекул ліпідів та вуглеводів тощо. У клітинах і автотрофних організмів, і гетеротрофних усі ці процеси відбуваються однаково або майже однаково з використанням однакових комплексів ферментів. Та й процеси регуляції в їхніх клітинах є дуже схожими. І хоча вони не є абсолютно тотожними, послідовність основних реакцій в усіх випадках однакова.

Обмін речовин у гетеротрофів

Як ви вже вивчили раніше, гетеротрофні організми не можуть утворювати органічні речовини з неорганічних. Вони отримують їх від інших живих організмів у формі їжі, яку споживають. Малі органічні молекули (амінокислоти, моносахариди, жирні кислоти, нуклеотиди) вони просто доправляють у свої клітини і там використовують, а великі молекули (білки, полісахариди, нуклеїнові кислоти) спочатку розщеплюють на малі, а потім «збирають» з них ті великі молекули, які потрібні саме їм.

Наприклад, тварини й гриби розщеплюють білки (які є біополімерами) до амінокислот (їхніх мономерів). Потім вони з цих амінокислот збирають уже свої власні білки.

Деякі з амінокислот гетеротрофні організми можуть синтезувати й самостійно. Для цього вони використовують енергію, отриману під час окиснення спожитих органічних сполук. Але деякі амінокислоти надходять у їхні організми тільки з їжею. Такі амінокислоти називають незамінними. Крім амінокислот, для гетеротрофних організмів незамінними є і вітаміни — сполуки, які в дуже невеликих кількостях потрібні для здійснення процесів обміну речовин.

Обмін речовин у автотрофів

Автотрофні організми не отримують органічних речовин із зовнішнього середовища і повинні виробляти їх самостійно. Тому немає сенсу говорити про незамінні амінокислоти і вітаміни для рослин. Автотрофи отримують необхідні їм органічні речовини з неорганічних, використовуючи енергію, яка може надходити з фізичних або хімічних джерел.

Фізичним джерелом енергії є випромінення Сонця. Ті організми, які його використовують для синтезу органічних речовин, називають фотоавтотрофами (фототрофами). А власне процес утворення органічних речовин з використанням енергії Сонця — фотосинтезом.

Хімічні джерела енергії — це окисно-відновні хімічні реакції, які відбуваються у клітинах організму. Організми, які їх використовують, називають хемоавтотрофами (хемотрофами), а сам процес — хемосинтезом.

Фотосинтез

Фотосинтез — це процес утворення живими організмами органічних речовин з неорганічних з використанням енергії світла (мал. 18.1). Фотосинтез здійснюють як одноклітинні живі організми (ціанобактерії та водорості), так і багатоклітинні (зелені водорості та наземні рослини).

У результаті фотосинтезу з вуглекислого газу й води за допомогою сонячної енергії утворюється глюкоза:

Мал. 18.1. Схема фотосинтезу

Мал. 18.2. Світлова й темнова фази фотосинтезу

Цей процес складається з двох основних фаз — світлової й темнової. Для перебігу процесів світлової фази потрібно світло. Темнова фаза має таку назву тому, що в реакціях, які в ній відбуваються, світло не задіяне (мал. 18.2).

Фази фотосинтезу

Фаза фотосинтезу

Світлова

Темнова

Де відбувається

На мембранах хлоропластів

У стромі хлоропластів

Які процеси відбуваються

• Захоплення енергії світла електронами хлорофілу

• Фотоліз води (розпад на атоми Н та O)

• Синтез АТФ

• Захоплення протонів молекулами НАДФ

• Реакції циклу Кальвіна

• Синтез глюкози

• Розпад АТФ

• Розпад молекул НАДФ • Н2

Які речовини утворюються

• НАДФ • Н2

• АТФ

Глюкоза

Хемосинтез

Хемосинтезом називають процес утворення органічних речовин з неорганічних, який використовує енергію хімічних реакцій. Він може відбуватися лише у клітинах мікроорганізмів (мал. 18.3).

Основу процесу хемосинтезу складають реакції окиснення водню або сполук Нітрогену, Феруму чи Сульфуру.

Мал. 18.3. Результати життєдіяльності залізобактерій (а), тіобактерій (б) та метанових бактерій (в)

Хемосинтезуючі мікроорганізми

Група мікроорганізмів

Які речовини окиснюють

Де живуть

Залізобактерії

Солі Феруму

У прісних і солоних водоймах, у болотах

Тіобактерії (сіркобактерії)

Сполуки Сульфуру, сірку

У прісних і солоних водоймах, у болотах

Нітрифікуючі бактерії

Сполуки Нітрогену

У ґрунтах та водоймах

Водневі бактерії

Водень

У ґрунтах

Отже, тепер ви знаєте

1. Що спільного в обміні речовин в автотрофних і гетеротрофних організмів? 2. Які особливості обміну речовин мають гетеротрофні й автотрофні організми? 3. Що таке фотосинтез і на які фази він поділяється? 4. Що відбувається під час кожної з фаз фотосинтезу? 5. Що таке хемосинтез? Які реакції відбуваються під час хемосинтезу? 6*. Колір водоростей визначається пігментами, які беруть участь у процесі фотосинтезу. Чому водорості, які ростуть на різній глибині, мають різний колір?

Запитання та завдання

7. Хемоавтотрофні бактерії на дні океанів часто живуть біля вулканів. З чим це може бути пов’язано? 8*. Рослини є автотрофами, і їм не потрібні органічні речовини тварин. Навіщо тоді росичка ловить і перетравлює комах?