Фототрофы | справочник Пестициды.ru
Фототрофные прокариотические организмы, не вызывают заболевания у людей, тогда как хемотрофы не редко являются паразитическими организмами[4].
Процесс фотосинтеза у бактерий
Все фотосинтезрующие бактерии содержат хлорофилл и каротиноиды. Последние, принимают участие в фотосинтезе, передавая энергию поглощаемого света бактериохлорофиллу[5].
В основе бактериального фотосинтеза лежит превращение световой энергии, поглощенной пигментами, в химическую энергию макроэргических связей АТФ, образуемой в процессе фотофосфорилирования и используемой впоследствии для усвоения углекислого газа и процессов биосинтеза[5].
Общие черты фотосинтеза бактерий и зеленых растений сходны. Отличие состоит в том, что у зеленых растений источником водорода служит вода, окисляемая до кислорода. В результате фотосинтеза у зеленых растений выделяется кислород[5].
У фотолитотрофных (фотосинтезирующие бактерий, использующие в качестве доноров электронов неорганические вещества) – источником водорода для фотосинтеза является сероводород или молекулярный водород. В данном случае кислород не выделяется
Кроме того, у растений для восстановления одной молекулы углекислоты расходуется четыре кванта энергии, у бактерий – только один квант. Конечные продукты фотосинтеза у растений и бактерий одинаковы. Это соединения типа углеводов[5].
Зеленые бактерииЗеленые бактерии
1 – Chlorobium limicola
Примеры бактерий-фототрофов
К фотосинтезирующим бактериям кроме зеленых бактерий, относятся: гелиобактерии, пурпурные несеробактерии, пурпурные серобактерии[5].
Гелиобактерии – единственные грамположительные фототрофы, способные к образованию настоящих эндоспор[3].
Описано два вида, различающиеся морфологически:
- Heliobacterium chlorum – длинные одиночные палочки (1,0х7,0–10 мкм), передвигающиеся путем скольжения;
- Heliobacillus mobilis – короткие палочковидные бактерии с перитрихиально расположенными жгутиками
Гелиобактерии – облигатные (обязательные) фототрофы. Рост и развитие бактерий, данной группы возможны только на свету в анаэробных условиях. Источниками углерода для них служат органические кислоты (молочная, уксусная, масляная, пировиноградная). Фиксация углекислого газа осуществляется в цикле Кальвина. Дыхательный метаболизм отсутствует. Гелиобактерии являются активными азотфиксаторами, обитают в почвах и содовых озерах[3].
Гелиобакерии осуществляют аноксигенный фотосинтез благодаря наличию в клетках единственного бактериохлорофилла g. У других бактерий с бескислородным типом фотосинтеза данное вещество не обнаружено. Как и у всех фотосинтезирующих бактерий в клетках гелиобактерий, кроме бактериохлорофилла g, присутствует незначительное количество каротиноидов
Несерные пурпурные бактерии – фотоорганотрофы (фотосинтезирующие организмы, использующие в качестве донора электронов органические соединения). Они входят в семейство Rhodospiriliaceae, представленное двумя родами: Rhodospirillum – клетки спиральной формы и Rhodospirillum – клетки палочковидной формы[1].
Эта группа бактерий способна в качестве источника энергии использовать не только солнечный свет, но и аэробное окисление. На свету они развиваются только в анаэробных условиях. Развитие несерных пурпурных бактерий в темноте возможно только при наличии кислорода и серы. Они характеризуются полным набором основных дыхательных ферментов
Пурпурные серобактерии – полифилетическая группа бактерий, характеризующаяся различными морфологическими формами – кокки, палочки, спириллы.
Представители группы живут в анаэробных условиях и развиваются на свету при наличии в среде сероводорода и тиосульфата натрия[1].
Пурпурные серобактерии вырабатывают особый пигмент типа хлорофилла – бактериопурин. При помощи данного пигмента они используют световую энергию для построения органического вещества тела из углекислого газа и неорганических солей. Пурпурные серобактерии относят к фотолитотрофам
Распространение фототрофных бактерий
Фототрофные бактерии – это типичные водные микроорганизмы. Распространены они, как в пресных, так и в соленых водоемах. Очень часто встречаются в местах, где присутствует сероводород, в мелководье или на значительной глубине. В почве фототрофных бактерий мало, но при затоплении водой они развиваются очень активно[3].
Распространение фототрофных прокариот в различных средах определяется присутствием трех основных факторов: света, молекулярного кислорода, питательной среды[3].
Потребность в световой энергии и диапазоне длин поглощаемого света для фотосинтеза определяется набором светособирающих пигментов. Прокариоты с кислородным типом фотосинтеза поглощают свет в том же диапазоне, что и водоросли, и высшие растения
Пурпурные и зеленые бактерии, гелиобактерии – развиваются в водоемах под различной мощности слоем цианобактерий и водорослей, поглощающих свет с длиной волны до 750 нм. Фотосинтез пурпурных и зеленых бактерий, гелиобактерий, в данном случае, тесно связан со способностью цианобактерий и водорослей поглощать свет в красной и инфракрасной областях спектра за пределами поглощения хлорофиллов. Крайняя граница этой части спектра устанавливается способностью пигментов некоторых пурпурных бактерий (бактериохлорофиллов) поглощать свет с длиной волны до 1100 нм
Установлены виды фотосинтезирующих прокариотов способных успешно развиваться в водоемах на глубине до 20–30 метров за счет активности пигментов другой группы – коратиноидов[3].
По отношению к молекулярному кислороду в числе фототрофных прокариот присутствуют строгие анаэробы, факультативные анаэробы, микроаэрофилы, организмы, образующие кислород внутриклеточно[3].
Различия в питательных веществах, необходимых для метаболизма, так же значительны. Они варьируют от сложных пищевых потребностей до минимального уровня
Цианобактерии
Cylindrospermopsis raciborskiiЗначение фототрофных бактерий
Фототрофные бактерии в природе играют огромную роль в круговороте различных веществ, значимых для жизни других организмов. Цианобактерии – занимают значительное место в круговороте углерода и азота, серобактерии – серы[3].
Научное значение фототрофных бактерий так же велико. Различные виды фотосинтезирующих прокариот используют для исследования процесса фотосинтеза в различных его аспектах, особенно начальные стадии. Пурпурные и зеленые бактерии используют для уточнения организации фотосинтетического аппарата, путей биосинтеза пигментов, метаболизма углерода, эволюции фотосинтезирующих форм и самого фотосинтеза
Статья составлена с использованием следующих материалов:
Литературные источники:
1.Госманов Р.Г., Галиуллин А.К., Волков А.Х., Ибрагимова А.И. Микробиология: Учебное пособие. — 2-е изд., стер. — СПб.: Издательство «Лань», 2017. — 496 с.
2.Кондратьева Е.Н. и др. Фототрофные микроорганизмы М.: Изд-во МГУ, 1989. — 376 с.
3.Лысак В.В. Микробиология : учеб. пособие / В. В. Лысак. – Минск: БГУ, 2007 – 430 с
Пилькевич Н.Б., Виноградов А.А., Боярчук Е.Д. Основы микробиологии: Учебное пособие для студентов высших учебных заведений.
– Луганск: Альма-матер, 2008. — 192 с.
Источники из сети интернет:
5.Изображения (переработаны):
6. Свернуть Список всех источниковФототрофы
Пользователи также искали:
фототрофные микроорганизмы,
фототрофы бактерии,
фототрофы это,
фототрофы и автотрофы,
фототрофы и хемотрофы примеры,
фототрофы представители,
фототрофы примеры,
хемотрофы это,
Фототрофы,
фототрофы,
хемотрофы,
примеры,
фототрофы бактерии,
фототрофы представители,
фототрофы это,
фототрофы и автотрофы,
фототрофные микроорганизмы,
хемотрофы это,
микроорганизмы,
бактерии,
представители,
автотрофы,
фототрофные,
фототрофы и хемотрофы примеры,
фототрофы примеры,
трофическая экология.
…
это организмы, которые используют свет для получения энергии. Они используют энергию света для поддержания различных метаболических процессов. Сущес
Пользователи также искали:
фототрофные микроорганизмы,
фототрофы бактерии,
фототрофы это,
фототрофы и автотрофы,
фототрофы и хемотрофы примеры,
фототрофы представители,
фототрофы примеры,
хемотрофы это,
Фототрофы,
фототрофы,
хемотрофы,
примеры,
фототрофы бактерии,
фототрофы представители,
фототрофы это,
фототрофы и автотрофы,
фототрофные микроорганизмы,
хемотрофы это,
микроорганизмы,
бактерии,
представители,
автотрофы,
фототрофные,
фототрофы и хемотрофы примеры,
фототрофы примеры,
трофическая экология.
фототрофы,
Утонет ли жизнь в безбрежном океане. Что планетологи думают о пригодности к жизни планет, полностью покрытых водой
Упомянутые отличия «экзоземель» от Земли объясняются тем, что три четверти всех звезд Вселенной — это красные карлики, светила, значительно менее массивные, чем Солнце. Как показывают наблюдения, планеты вокруг них часто находятся в зоне обитаемости — то есть там, где они получают от своей звезды примерно столько же энергии, сколько Земля от Солнца. Причем часто планет в зоне обитаемости красных карликов чрезвычайно много: в «поясе Златовласки» звезды TRAPPIST-1, например, сразу три планеты.
И это очень странно. Зона обитаемости красных карликов лежит в миллионах километров от звезды, а не в 150—225 миллионах, как в Солнечной системе. Между тем сразу несколько планет не могут образоваться в миллионах километров от своей звезды — размер ее протопланетного диска не позволит. Да, у красного карлика он меньше, чем у желтого, типа нашего Солнца, но не в сотню и даже не в полсотни раз.
Дополнительно усложняет ситуацию то, что астрономы научились более или менее точно «взвешивать» планеты у далеких звезд. И тут же оказалось, что если соотнести их массу и размеры, то получается, что плотность таких планет в два и даже в три раза меньше земной. А это в принципе невозможно, если планеты эти образовались в миллионах километров от своей звезды. Потому что при таком близком расположении излучение светила должно было буквально вытолкнуть основную массу легких элементов вовне.
Именно так, к примеру, случилось в Солнечной системе. Взглянем на Землю: она сформировалась в зоне обитаемости, но воды в ее массе не более одной тысячной. Если плотность целого ряда миров у красных карликов в два-три раза ниже, то воды там никак не менее 10 процентов, а то и больше. То есть в сотню раз больше, чем на Земле. Следовательно, они сформировались вне зоны обитаемости и лишь затем мигрировали туда.
Звездному излучению легко лишить легких элементов близкие к светилу зоны протопланетного диска. А вот мигрировавшую из дальней части протопланетного диска уже готовую планету лишить легких элементов гораздо тяжелее — нижние слои там защищены верхними. И потеря воды неизбежно протекает довольно медленно. Типичная суперземля в обитаемой зоне не сможет потерять даже половину своей воды и за все время существования, например, Солнечной системы.
Итак, самые массовые звезды Вселенной часто имеют планеты, в которых очень много воды. Это, по всей видимости, означает, что планет таких куда больше, чем таких, как Земля. Следовательно, хорошо бы разобраться, есть ли в подобных местах возможность возникновения и развития сложной жизни.
Нужно больше минералов
И тут начинаются большие проблемы. Никаких близких аналогов суперземель с большим количеством воды в Солнечной системе нет, а в отсутствие примеров, доступных для наблюдения, планетологам буквально не от чего отталкиваться. Приходится смотреть на фазовую диаграмму воды и прикидывать, какие же параметры будут у разных слоев планет-океанид.
Фазовая диаграмма состояния воды. Римскими цифрами обозначены модификации льда. Почти весь лед на Земле относится к группе Ih, и очень малая доля (в верхних слоях атмосферы) — к Ic. Изображение: AdmiralHood / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0Получается, что если на планете размером с Землю воды будет в 540 раз больше, чем здесь, то она полностью покроется океаном глубиной более ста километров. На дне таких океанов давление будет таким большим, что там начнет образовываться лед такой фазы, который остается твердым даже при весьма высоких температурах, поскольку воду удерживает в твердом состоянии огромное давление.
Если дно всепланетного океана покрыто толстым слоем льда, жидкая вода будет лишена контакта с твердыми силикатного породами. Без такого контакта минералам в ней будет, по сути, неоткуда взяться.
Что еще хуже — нарушится углеродный цикл.
Начнем с минералов. Без фосфора жизни — в формах, известных нам, — быть не может, потому что без него нет нуклеотидов и, соответственно, ДНК. Сложно будет и без кальция — например, наши кости состоят из гидроксилапатита, в котором не обойтись и без фосфора, и без кальция. Проблемы с доступностью тех или иных элементов возникают иной раз и на Земле. Скажем, в Австралии и в Северной Америке в ряде местностей аномально долго не было вулканической активности и в почвах кое-где сильно не хватает селена (входит в состав одной из аминокислот, необходим для жизни). От этого коровы, овцы и козы страдают дефицитом селена, и иногда это приводит к гибели скота (добавки селенита в корм скота в США и Канаде даже регулируются законом).
Некоторые исследователи предполагают, что один только фактор доступности минералов должен делать планеты-океаны настоящими биологическими пустынями, где жизнь если и есть, то крайне редкая. А о действительно сложных формах речь просто не идет.
Сломанный кондиционер
Кроме дефицита минералов теоретики обнаружили и вторую потенциальную проблему планет-океанов — возможно, даже важнее первой. Речь идет о сбоях в работе углеродного цикла. На нашей планете он — главная причина существования относительно стабильного климата. Принцип работы углеродного цикла прост: когда на планете становится чересчур холодно, поглощение углекислого газа горными породами резко замедляется (процесс такого поглощения быстро идет только в теплой среде). При этом «поставки» углекислого газа с извержениями вулканов идут в прежнем темпе. Когда связывание газа падает, а поступление не снижается, концентрация CO₂ естественным образом растет. Планеты, как известно, находятся в вакууме межпланетного пространства, и единственный значимый путь потери тепла для них — его излучение в виде волн инфракрасного излучения. Углекислый газ такое излучение от поверхности планеты поглощает, отчего атмосфера слегка подогревается. От этого с водной глади океанов испаряется водяной пар, который также поглощает ИК-излучение (еще один парниковый газ).
В итоге именно CO₂ выступает главным застрельщиком в процессе нагрева планеты.
Именно этот механизм приводит к тому, что оледенения на Земле рано или поздно заканчиваются. Он же не дает ей и перегреваться: при чрезмерно высоких температурах углекислый газ быстрее связывается горными породами, после чего они, в силу тектоники плит земной коры, постепенно тонут в мантии. Уровень CO2 падает, и климат становится более прохладным.
Важность этого механизма для нашей планеты трудно переоценить. Представим на секунду поломку углеродного кондиционера: скажем, вулканы перестали извергаться и больше не доставляют из недр Земли углекислый газ, некогда опустившийся туда со старыми континентальными плитами. Первое же оледенение станет буквально вечным, ведь чем больше на планете льда, тем больше солнечного излучения она отражает в космос. А новая порция CO2 не сможет разморозить планету: ей неоткуда будет взяться.
Именно так, по идее, должно быть на планетах-океанах. Даже если вулканическая активность временами и сможет прорвать панцирь экзотического льда на дне планетарного океана, хорошего в этом мало. Ведь на поверхности морского мира просто нет горных пород, которые могли бы связать избыточный углекислый газ. То есть может начаться его неконтролируемое накопление и, соответственно, перегрев планеты.
Нечто подобное — правда, безо всякого всепланетного океана — случилось на Венере. На этой планете тоже нет тектоники плит, хотя почему так вышло, толком неизвестно. Поэтому вулканические извержения там, прорываясь временами через кору, поставили в атмосферу много углекислого газа, но поверхность не может его связать: континентальные плиты не погружаются вниз и новые не поднимаются наверх. Поэтому поверхность существующих плит уже связала весь СО2, который могла, и больше поглотить не может, и на Венере так жарко, что свинец там всегда останется жидкостью. И это при том, что, согласно моделированию, при земной атмосфере и углеродном цикле эта планета была бы пригодным для обитания близнецом Земли.
Есть ли жизнь без кондиционера?
Критики «земного шовинизма» (позиции, гласящей, что жизнь возможна только на «копиях Земли», планетах со строго земными условиями) тут же задали вопрос: а почему, собственно, все решили, что минералы не смогут прорываться через слой экзотического льда? Чем прочнее и непроницаемее крышка над чем-то раскаленным, тем больше под ней скапливается энергии, которая стремится вырваться наружу. Вот та же Венера — тектоники плит вроде нет, а углекислый газ прорвался из недр в таких количествах, что житья от него нет в прямом смысле этого слова. Следовательно, то же самое возможно и с выносом наверх минералов — твердые породы при вулканических извержениях вполне попадают наверх.
Но даже если так, остается другая проблема — «сломанный кондиционер» углеродного цикла. Может ли планета-океан быть обитаемой и без него?
В Солнечной системе немало тел, на которых углекислый газ вовсе не играет роль главного регулятора климата. Вот, скажем, Титан, крупный спутник Сатурна.
Титан. Фото: NASA / JPL-Caltech / Stéphane Le Mouélic, University of Nantes, Virginia Pasek, University of ArizonaТело это ничтожно малой в сравнении с Землей массы. Однако оно образовалось далеко от Солнца, и излучение светила не «выпарило» из него легкие элементы, в том числе азот. От этого на Титане атмосфера почти из чистого азота, того же газа, что доминирует на нашей планете. Вот только плотность его азотной атмосферы вчетверо больше нашей — при гравитации в семь раз слабее.
При первом же взгляде на климат Титана возникает устойчивое ощущение, что он крайне стабилен, хотя «углеродного» кондиционера в прямом виде там и нет. Достаточно сказать, что между полюсом и экватором Титана разница температур — всего три градуса. Будь на Земле такая же ситуация, планета была бы куда более равномерно заселена и в целом более пригодна для жизни.
Более того, расчеты ряда научных групп(1),(2),(3),(4) показали: при плотности атмосферы в пять раз выше земной, то есть на четверть выше, чем на Титане, даже парникового эффекта одного только азота вполне хватит для того, что температурные колебания упали почти до нуля.
На такой планете и днем, и ночью, и на экваторе, и на полюсе температура была бы всегда одинаковой. Земная жизнь о таком может только мечтать.
Планеты-океаны по своей плотности находятся как раз на уровне Титана (1,88 г/см³), а не Земли (5,51 г/см³). Скажем, три планеты в зоне обитаемости TRAPPIST-1 в 40 световых годах от нас имеют плотность от 1,71 до 2,18 г/см³. Иными словами, скорее всего, у подобных планет более чем достаточная плотность азотной атмосферы, чтобы иметь стабильный климат за счет одного только азота. Углекислый газ не сможет превратить их в раскаленную Венеру, потому что действительно большая масса воды может связать много углекислого газа даже безо всякой тектоники плит (углекислый газ поглощается водой, причем чем выше давление, тем больше она может его содержать).
Глубоководные пустыни
С гипотетическими внеземными бактериями и археями все, кажется, просто: они могут жить в весьма тяжелых условиях и им для этого вовсе не нужно изобилие множества химических элементов. Сложнее с растениями и живущей за их счет высокоорганизованной жизнью.
Итак, планеты-океаны могут иметь стабильный климат — очень вероятно, что более стабильный, чем имеет Земля. Возможно и наличие там заметного количества минералов, растворенных в воде. И все же жизнь там вовсе не масленица.
Взглянем на Землю. Если не брать последние миллионы лет, ее суша — чрезвычайно зеленая, почти лишенная бурых или желтых пятен пустынь. А вот океан зеленым вовсе не выглядит, кроме отдельных узких прибрежных зон. Почему так?
Все дело в том, что на нашей планете океан — это биологическая пустыня. Жизнь требует углекислого газа: из него «строится» растительная биомасса и только с нее может кормиться биомасса животная. Если в воздухе вокруг нас CO2 больше 400 частей на миллион, как сейчас, то растительность расцветает. Если его стало бы меньше 150 частей на миллион, все деревья погибли бы (и такое может случиться через миллиард лет).
При менее чем 10 частях СО2 на миллион все растения погибли бы вообще, а вместе с ними — и все действительно сложные формы жизни.
На первый взгляд, это должно означать, что в море — настоящее раздолье для жизни. Ведь в земных океанах содержится в сто раз больше углекислого газа, чем в атмосфере. Следовательно, строительного материала для растений должно быть очень много.
На деле нет ничего дальше от истины. Воды в океанах Земли — 1,35 квинтиллиона (миллиарда миллиардов) тонн, а атмосферы — чуть больше пяти квадриллионов (миллионов миллиардов) тонн. То есть в тонне воды заметно меньше СО2, чем в тонне воздуха. Водные растения в земных океанах почти всегда имеют куда меньше СО2 в своем распоряжении, чем наземные.
Что еще хуже — водные растения имеют хорошую скорость метаболизма только в теплой воде. А именно в ней СО2 меньше всего, ведь растворимость его в воде падает с ростом температур. Поэтому водоросли — в сравнении с наземными растениями — существуют в условиях постоянного колоссального дефицита СО2.
Именно поэтому попытки ученых подсчитать биомассу земных организмов показывают, что море, занимающее две трети планеты, вносит ничтожный вклад в общую биомассу. Если взять общую массу углерода — ключевого материала в сухой массе любого живого существа — обитателей суши, то она равна 544 миллиардам тонн. А в телах обитателей морей и океанов — всего шесть миллиардов тонн, крохи с барского стола, чуть больше процента.
Все это может привести к мнению, что, хотя жизнь на планетах-океанах и возможна, она будет весьма и весьма неприглядной. Биомасса Земли, будь она при прочих равных покрыта одним океаном, составляла бы в пересчете на сухой углерод всего 10 миллиардов тонн — в полсотни раз меньше, чем сейчас.
Однако и здесь рано ставить крест на водных мирах. Дело в том, что уже при давлении в две атмосферы количество СО2, способного раствориться в морской воде, возрастает больше чем в два раза (для температуры в 25 градусов).
При атмосферах в четыре-пять раз плотнее земной — а именно таких стоит ожидать на планетах типа TRAPPIST-1e, g и f — углекислого газа в воде может оказаться настолько много, что вода местных океанов начнет сближаться с земным воздухом. Иными словами, водные растения на планетах океанах оказываются в куда лучших условиях, чем на нашей планете. А там, где больше зеленой биомассы, и животные имеют лучшую кормовую базу. То есть в отличие от Земли моря планет-океанов могут быть не пустынями, а оазисами жизни.
Саргассовы планеты
Но что делать, если планета-океан по недоразумению все же имеет земную плотность атмосферы? И здесь все не так плохо. На Земле водоросли стремятся прикрепиться к дну, но там, где для этого нет никаких условий, оказывается, что водные растения вполне могут плавать.
Часть саргассовых водорослей использует наполненные воздухом мешочки (они напоминают виноградины, откуда и португальское слово «саргассы» в названии Саргассова моря) для обеспечения плавучести, и в теории это позволяет брать СО2 из воздуха, а не из воды, где его дефицит. За счет плавучести им проще заниматься фотосинтезом. Правда, такие водоросли хорошо размножаются лишь при довольно высоких температурах воды, и поэтому на Земле им бывает относительно неплохо только в некоторых местах, типа Саргассова моря, где вода весьма теплая. Если планета-океан достаточно тепла, то даже земная плотность атмосферы не является непреодолимым препятствием для морских растений. Они вполне могут брать СО2 из атмосферы, избегая проблем с низким содержанием углекислого газа в теплой воде.
Саргассовы водоросли. Фото: Allen McDavid Stoddard / Фотодом / ShutterstockЧто интересно, плавучие водоросли в том же Саргассовом море порождают целую плавучую экосистему, что-то вроде «плавучей суши». Там живут крабы, для которых плавучести водорослей хватает, чтобы передвигаться по их поверхности так, будто это суша. Теоретически в спокойных районах планеты-океана на плавучих группах морских растений может развиваться довольно «сухопутная» жизнь, хотя самой суши там и не сыщешь.
Check your privilege, землянин
Проблема выявления самых перспективных мест для поисков жизни в том, что пока у нас мало данных, позволяющих выделить среди планет-кандидатов наиболее вероятных носителей жизни. Сама по себе концепция «зоны обитаемости» тут не самый лучший помощник. В ней пригодными для жизни считаются те планеты, что получают от своей звезды достаточное количество энергии, чтобы поддерживать жидкие водоемы хотя бы на части своей поверхности. В Солнечной системе и Марс, и Земля — в зоне обитаемости, но на первом сложной жизни на поверхности как-то незаметно.
В основном потому, что это совсем не такой мир, как Земля, с принципиально иной атмосферой и гидросферой. Линейное представление в стиле «планета-океан — это Земля, но только покрытая водой» может ввести нас в такое же заблуждение, что в начале XX века существовало относительно пригодности Марса к жизни. Реальные океаниды могут резко отличаться от нашей планеты — иметь совсем другую атмосферу, иные механизмы стабилизации климата и даже иные механизмы снабжения морских растений углекислым газом.
Детальное понимание того, как на самом деле устроены водные миры, позволяет заранее понять, какой будет зона обитаемости для них, и тем самым быстрее подойти к детальным наблюдениям таких планет в «Джеймс Уэбб» и другие перспективные крупные телескопы.
Подводя итоги, нельзя не признать, что до самого недавнего времени наши представления о том, какие миры действительно обитаемы, а какие — нет, чересчур страдали от антропоцентризма и геоцентризма. И, как теперь выясняется, от «сушецентризма» — мнения, что если мы сами возникли на суше, то она является самым важным местом в развитии жизни, причем не только на нашей планете, но и у других солнц. Быть может, наблюдения ближайших лет не оставят и камня на камне от этой точки зрения.
Александр Березин
автотрофов | Национальное географическое общество
Автотроф — это организм, который может производить свою собственную пищу, используя свет, воду, углекислый газ или другие химические вещества.
Поскольку автотрофы сами производят еду, их иногда называют производителями.
Растения — наиболее известный тип автотрофов, но существует множество различных видов автотрофных организмов. Водоросли, обитающие в воде и более крупные формы которых известны как водоросли, являются автотрофными. Фитопланктон, крошечные организмы, обитающие в океане, являются автотрофами.Некоторые виды бактерий являются автотрофами.
Большинство автотрофов для приготовления пищи используют процесс, называемый фотосинтезом. При фотосинтезе автотрофы используют энергию солнца для преобразования воды из почвы и углекислого газа из воздуха в питательное вещество, называемое глюкозой. Глюкоза — это разновидность сахара. Глюкоза дает растениям энергию. Растения также используют глюкозу для производства целлюлозы — вещества, которое они используют для роста и построения клеточных стенок.
Все растения с зелеными листьями, от мельчайших мхов до высоких елей, синтезируют или создают себе пищу посредством фотосинтеза.Водоросли, фитопланктон и некоторые бактерии также осуществляют фотосинтез.
Некоторые редкие автотрофы производят пищу посредством процесса, называемого хемосинтезом, а не посредством фотосинтеза. Автотрофы, выполняющие хемосинтез, не используют энергию солнца для производства пищи. Вместо этого они производят пищу, используя энергию химических реакций, часто соединяя сероводород или метан с кислородом.
Организмы, использующие хемосинтез, живут в экстремальных условиях, где обнаружены токсичные химические вещества, необходимые для окисления.Например, бактерии, живущие в действующих вулканах, окисляют серу для производства собственной пищи. В Йеллоустонском национальном парке в американских штатах Вайоминг, Айдахо и Монтана в горячих источниках были обнаружены бактерии, способные к хемосинтезу.
Бактерии, обитающие в глубинах океана, возле гидротермальных источников, также производят пищу посредством хемосинтеза. Гидротермальный источник — это узкая трещина на морском дне.
Морская вода просачивается через трещину в горячую, частично расплавленную породу внизу. Затем кипящая вода возвращается обратно в океан, наполненная минералами из раскаленных камней.Эти минералы включают сероводород, который бактерии используют в хемосинтезе.
Автотрофные бактерии, которые производят пищу путем хемосинтеза, также были обнаружены в местах на морском дне, называемых холодными просачиваниями. При холодных выходах сероводород и метан просачиваются из-под морского дна и смешиваются с океанской водой и растворенным углекислым газом. Автотрофные бактерии окисляют эти химические вещества для производства энергии.
Автотрофы в пищевой цепи
Чтобы объяснить пищевую цепочку — описание того, какие организмы питаются другими организмами в дикой природе, ученые сгруппировали организмы по трофическим или питательным уровням.Есть три трофических уровня. Поскольку автотрофы не потребляют другие организмы, они находятся на первом трофическом уровне.
Автотрофы едят травоядные, организмы, питающиеся растениями. Травоядные животные — второй трофический уровень. Хищники, существа, которые едят мясо, и всеядные, существа, питающиеся всеми типами организмов, составляют третий трофический уровень.
Травоядные, плотоядные и всеядные животные являются потребителями — они потребляют питательные вещества, а не производят свои собственные. Основными потребителями являются травоядные животные.Плотоядные и всеядные животные являются вторичными потребителями.
Все пищевые цепочки начинаются с какого-то автотрофа (производителя). Например, в Скалистых горах растут автотрофы, такие как травы. Олени-мулы — травоядные животные (основные потребители), питающиеся автотрофными травами. Плотоядные животные (вторичные потребители), такие как горные львы, охотятся и поедают оленей.
В гидротермальных источниках производителем пищевой цепи являются автотрофные бактерии. Основные потребители, такие как улитки и мидии, потребляют автотрофов.
Плотоядные животные, такие как осьминоги, потребляют улиток и мидий.
Увеличение количества автотрофов обычно приводит к увеличению количества животных, которые их поедают. Однако уменьшение количества и разнообразия автотрофов в районе может разрушить всю пищевую цепочку. Если лесной участок загорится в результате лесного пожара или будет расчищен для строительства торгового центра, травоядные животные, такие как кролики, больше не смогут найти пищу. Некоторые кролики могут переехать в лучшую среду обитания, а некоторые могут умереть. Без кроликов лисы и другие мясоеды, которые ими питаются, также теряют источник пищи.Они тоже должны двигаться, чтобы выжить.
Гетеротрофы | Национальное географическое общество
Гетеротроф — это организм, который питается другими растениями или животными для получения энергии и питательных веществ. Этот термин происходит от греческих слов гетеро для «другого» и trophe для «питания».
Организмы подразделяются на две широкие категории в зависимости от того, как они получают энергию и питательные вещества: автотрофы и гетеротрофы. Автотрофы известны как производители, потому что они могут делать себе еду из сырья и энергии.Примеры включают растения, водоросли и некоторые виды бактерий. Гетеротрофы известны как потребители, потому что они потребляют производителей или других потребителей. Собаки, птицы, рыбы и люди — все это примеры гетеротрофов.
Гетеротрофы занимают второй и третий уровни пищевой цепи, последовательность организмов, которые обеспечивают энергией и питательными веществами другие организмы. Каждая пищевая цепь состоит из трех трофических уровней, которые описывают роль организма в экосистеме. Первый трофический уровень занимают автотрофы, такие как растения и водоросли.Травоядные — организмы, питающиеся растениями — занимают второй уровень. Плотоядные (организмы, питающиеся мясом) и всеядные (организмы, питающиеся растениями и мясом) занимают третий уровень.
И первичные (травоядные), и вторичные (плотоядные и всеядные) потребители являются гетеротрофами, а первичные производители — автотрофами.
Третий тип гетеротрофных потребителей — детритофаги. Эти организмы получают пищу, питаясь останками растений и животных, а также фекалиями. Детритофаги играют важную роль в поддержании здоровой экосистемы, перерабатывая отходы.Примеры детритофагов включают грибы, червей и насекомых.
Есть две подкатегории гетеротрофов: фотогетеротрофы и хемогетеротрофы. Фотогетеротрофы — это организмы, которые получают энергию от света, но все же должны потреблять углерод от других организмов, поскольку они не могут использовать углекислый газ из воздуха. Хемогетеротрофы, напротив, получают энергию и углерод от других организмов.
Основное различие между автотрофами и гетеротрофами состоит в том, что первые способны производить себе пищу путем фотосинтеза, а вторые — нет.Фотосинтез — это процесс, который включает производство глюкозы (сахара) и кислорода из воды и углекислого газа с использованием энергии солнечного света. Автотрофы могут производить энергию из солнца, но гетеротрофы должны полагаться на другие организмы для получения энергии.
Еще одно важное различие между автотрофами и гетеротрофами состоит в том, что автотрофы имеют важный пигмент, называемый хлорофиллом, который позволяет им улавливать энергию солнечного света во время фотосинтеза, тогда как гетеротрофы этого не делают. Без этого пигмента фотосинтез не мог бы происходить.
Гетеротрофы получают пользу от фотосинтеза по-разному. Они зависят от процесса получения кислорода, который образуется как побочный продукт во время фотосинтеза. Более того, фотосинтез поддерживает автотрофов, от которых зависит выживание гетеротрофов. Хотя мясоедные плотоядные животные не могут напрямую зависеть от фотосинтезирующих растений, чтобы выжить, они зависят от других животных, которые потребляют фотосинтезирующие растения в качестве источника пищи.
Обзор фотосинтеза — Концепции биологии — 1-е канадское издание
Цели обученияК концу этого раздела вы сможете:
- Обобщить процесс фотосинтеза
- Объясните важность фотосинтеза для других живых существ
- Определить реагенты и продукты фотосинтеза
- Опишите основные структуры, участвующие в фотосинтезе
Все живые организмы на Земле состоят из одной или нескольких клеток.Каждая клетка работает на химической энергии, содержащейся в основном в молекулах углеводов (пища), и большинство этих молекул производится одним процессом: фотосинтезом. Посредством фотосинтеза определенные организмы преобразуют солнечную энергию (солнечный свет) в химическую энергию, которая затем используется для создания молекул углеводов. Энергия, используемая для удержания этих молекул вместе, высвобождается, когда организм расщепляет пищу. Затем клетки используют эту энергию для выполнения работы, такой как клеточное дыхание.
Энергия фотосинтеза непрерывно поступает в экосистемы нашей планеты и передается от одного организма к другому.Следовательно, прямо или косвенно процесс фотосинтеза обеспечивает большую часть энергии, необходимой живым существам на Земле.
Фотосинтез также приводит к выбросу кислорода в атмосферу. Короче говоря, в том, чтобы есть и дышать, люди почти полностью зависят от организмов, осуществляющих фотосинтез.
Концепция в действии
Щелкните следующую ссылку, чтобы узнать больше о фотосинтезе.
Некоторые организмы могут осуществлять фотосинтез, а другие — нет.Автотроф — это организм, который может производить себе пищу. Греческие корни слова autotroph означают «сам» ( auto ) «кормушка» ( troph ). Растения — самые известные автотрофы, но существуют и другие, в том числе определенные типы бактерий и водорослей (рис. 5.2). Океанические водоросли вносят огромное количество пищи и кислорода в глобальные пищевые цепи.
Растения также являются фотоавтотрофами, типом автотрофов, которые используют солнечный свет и углерод из углекислого газа для синтеза химической энергии в форме углеводов.Все организмы, осуществляющие фотосинтез, нуждаются в солнечном свете.
Гетеротрофы — это организмы, неспособные к фотосинтезу, которые поэтому должны получать энергию и углерод из пищу, поедая другие организмы.Греческие корни слова гетеротроф означают «другой» ( гетеро ) «кормушка» ( troph ), что означает, что их пища поступает от других организмов. Даже если пищевым организмом является другое животное, происхождение этой пищи восходит к автотрофам и процессу фотосинтеза. Люди — гетеротрофы, как и все животные. Гетеротрофы прямо или косвенно зависят от автотрофов. Олени и волки — гетеротрофы. Олень получает энергию, поедая растения. Волк, поедающий оленя, получает энергию, которая изначально поступала от растений, поедаемых этим оленем.Энергия в растении поступала от фотосинтеза, и поэтому в данном примере это единственный автотроф (рис. 5.3). Используя это рассуждение, вся пища, потребляемая людьми, также связана с автотрофами, которые осуществляют фотосинтез.
Рис. 5.3. Энергия, запасенная в молекулах углеводов в результате фотосинтеза, проходит через пищевую цепь. Хищник, который ест этих оленей, получает энергию, происходящую от фотосинтезирующей растительности, которую потребляли олени. (Источник: Стив Ван Рипер, Служба охраны рыболовства и дикой природы США)Фотосинтез в продуктовом магазине
Рисунок 5.4 Фотосинтез — это происхождение продуктов, составляющих основные элементы питания человека.
(кредит: Associação Brasileira de Supermercados)Основные продуктовые магазины в Соединенных Штатах разделены на отделы: молочные продукты, мясо, продукты, хлеб, крупы и т. д. В каждом проходе находятся сотни, если не тысячи, различных продуктов, которые покупатели могут покупать и потреблять (рис. 5.4).
Хотя существует большое разнообразие, каждый элемент связан с фотосинтезом. Мясо и молочные продукты связаны с фотосинтезом, потому что животных кормили растительной пищей.Хлеб, крупы и макаронные изделия в основном получают из злаков, которые являются семенами фотосинтезирующих растений. А как насчет десертов и напитков? Все эти продукты содержат сахар — основную молекулу углеводов, образующуюся непосредственно в процессе фотосинтеза. Связь фотосинтеза применима к каждому приему пищи и к каждой еде, которую потребляет человек.
Фотосинтез требует солнечного света, двуокиси углерода и воды в качестве исходных реагентов (рис. 5.5). После завершения процесса фотосинтез высвобождает кислород и производит молекулы углеводов, чаще всего глюкозу.Эти молекулы сахара содержат энергию, необходимую живым существам для выживания.
Рис. 5.5. Фотосинтез использует солнечную энергию, углекислый газ и воду для выделения кислорода для производства энергосберегающих молекул сахара. Фотосинтез — это происхождение продуктов, составляющих основные элементы питания человека. (кредит: Associação Brasileira de Supermercados)Сложные реакции фотосинтеза можно резюмировать с помощью химического уравнения, показанного на рисунке 5.6.
Рис. 5.6. Процесс фотосинтеза можно представить уравнением, в котором углекислый газ и вода производят сахар и кислород, используя энергию солнечного света. Хотя уравнение выглядит простым, многие шаги, которые происходят во время фотосинтеза, на самом деле довольно сложны, как в том, как реакция, суммирующая клеточное дыхание, представляет собой множество индивидуальных реакций. Прежде чем изучать детали того, как фотоавтотрофы превращают солнечный свет в пищу, важно ознакомиться с задействованными физическими структурами.
У растений фотосинтез происходит главным образом в листьях, которые состоят из многих слоев клеток и имеют дифференцированную верхнюю и нижнюю стороны.Процесс фотосинтеза происходит не на поверхностных слоях листа, а в среднем слое, называемом мезофиллом (рис. 5.7). Газообмен углекислого газа и кислорода происходит через небольшие регулируемые отверстия, называемые устьицами.
У всех автотрофных эукариот фотосинтез происходит внутри органеллы, называемой хлоропластом. У растений хлоропластсодержащие клетки существуют в мезофилле. Хлоропласты имеют двойную (внутреннюю и внешнюю) мембрану. Внутри хлоропласта находится третья мембрана, которая образует многослойные дискообразные структуры, называемые тилакоидами.В тилакоидную мембрану встроены молекулы хлорофилла, пигмента (молекула, поглощающая свет), через которую начинается весь процесс фотосинтеза. Хлорофилл отвечает за зеленый цвет растений. Тилакоидная мембрана охватывает внутреннее пространство, называемое тилакоидным пространством. В фотосинтезе участвуют и другие типы пигментов, но хлорофилл, безусловно, является наиболее важным. Как показано на рисунке 5.7, стопка тилакоидов называется гранумом, а пространство, окружающее гранум, называется стромой (не путать с устьицами, отверстиями на листьях).
Рис. 5.7 Не все клетки листа осуществляют фотосинтез. Клетки в среднем слое листа содержат хлоропласты, которые содержат фотосинтетический аппарат. (кредит «лист»: модификация работы Кори Занкера)В жаркий и сухой день растения закрывают устьица для экономии воды. Какое влияние это окажет на фотосинтез?
Фотосинтез проходит в две стадии: светозависимые реакции и цикл Кальвина. В светозависимых реакциях, которые происходят на тилакоидной мембране, хлорофилл поглощает энергию солнечного света, а затем преобразует ее в химическую энергию с использованием воды.Светозависимые реакции высвобождают кислород в результате гидролиза воды в качестве побочного продукта. В цикле Кальвина, который происходит в строме, химическая энергия, полученная в результате светозависимых реакций, управляет как захватом углерода в молекулах углекислого газа, так и последующей сборкой молекул сахара.
Две реакции используют молекулы-носители для передачи энергии от одной к другой. Носители, которые перемещают энергию из светозависимых реакций в реакции цикла Кальвина, можно рассматривать как «полные», потому что они несут энергию.После высвобождения энергии «пустые» энергоносители возвращаются к светозависимым реакциям, чтобы получить больше энергии.
Процесс фотосинтеза изменил жизнь на Земле. Используя энергию солнца, фотосинтез позволил живым существам получить доступ к огромному количеству энергии. Благодаря фотосинтезу живые существа получили доступ к достаточному количеству энергии, что позволило им развить новые структуры и достичь биологического разнообразия, которое очевидно сегодня.
Только некоторые организмы, называемые автотрофами, могут осуществлять фотосинтез; они требуют наличия хлорофилла, специального пигмента, который может поглощать свет и преобразовывать световую энергию в химическую энергию.Фотосинтез использует углекислый газ и воду для сборки молекул углеводов (обычно глюкозы) и высвобождения кислорода в воздух. У эукариотических автотрофов, таких как растения и водоросли, есть органеллы, называемые хлоропластами, в которых происходит фотосинтез.
Глоссарийавтотроф: организм, способный производить собственную пищу
хлорофилл: зеленый пигмент, улавливающий световую энергию, которая управляет реакциями фотосинтеза
хлоропласт: органелла, в которой происходит фотосинтез
granum: стопка тилакоидов, расположенных внутри хлоропласта
гетеротроф: организм, потребляющий другие организмы в пищу
светозависимая реакция: первая стадия фотосинтеза, когда видимый свет поглощается с образованием двух энергоносителей (АТФ и НАДФН)
мезофилл: средний слой клеток в листе
фотоавтотроф: организм, способный синтезировать собственные молекулы пищи (запасать энергию), используя энергию света
пигмент: молекула, способная поглощать световую энергию
стома: отверстие, регулирующее газообмен и регулирование воды между листьями и окружающей средой; множественное число: устьица
строма: заполненное жидкостью пространство, окружающее грану внутри хлоропласта, где происходят реакции фотосинтеза цикла Кальвина
тилакоид: дискообразная мембранная структура внутри хлоропласта, где происходят светозависимые реакции фотосинтеза с использованием хлорофилла, встроенного в мембраны
Какие царства способны фотосинтезировать?
Живые организмы разделены на различных таксонов или групп в системе, известной как таксономия .
Когда Карл Линней впервые начал классифицировать растения и животных в середине 1700-х годов, существовало два царства: plantae (растения) и animalia (животные).
Со временем эти королевства кардинально изменились, поскольку делались новые открытия и предлагались новые системы классификации. В 1990 году Карл Р. Вёзе и его коллеги выдвинули трехдоменную систему: бактерии, археи и эукарии (что означает любой организм с ядром в своих клетках).
Восемь лет спустя зоолог по имени Томас Кавалье-Смит предложил систему с шестью царствами, в которой царство Бактерий (также известное как Монера) имело два подразделения: эубактерии (настоящие бактерии) и архебактерии.
В 2015 году Кавалье-Смит и его коллеги пересмотрели эту систему и теперь включают семь царств: бактерии , археи , протисты (протисты), хромисты (водоросли), грибы , растения (несосудистые и несосудистые). сосудистые растения) и Animalia (животные).
Процесс фотосинтеза
Некоторые организмы могут использовать фотосинтез для получения энергии от солнца, углекислого газа и воды и преобразования ее в химическую энергию.Фотосинтез превращает эти соединения в кислород, который выбрасывается в атмосферу, и органические вещества, такие как сахар или углеводы. Однако из семи царств только некоторые включают фотосинтезирующие организмы. Какие царства могут фотосинтезировать?
Королевство Протиста
Царство протистов было впервые предложено немецким зоологом Эрнстом Хеклелем в 1866 году. Это было третье королевство в то время, предназначенное для создания места для микроорганизмов . Протисты — это не совсем животные или растения, и у них нет ядра, которое делает их прокариотами.Тем не менее, протисты составляют более четверти фотосинтеза в мире! К протистам могут относиться динофлагелляты, диатомовые водоросли и многоклеточные водоросли.
Фотосинтетические протисты часто имеют симбиотические отношения с другими организмами вокруг них. Фотосинтетические динофлагеллаты, обитающие вокруг коралловых полипов, удерживают неорганический углерод от солнечного света, давая близлежащим кораллам дополнительную энергию и питательные вещества для создания каркаса из карбоната кальция. Протисты являются основными производителями, что означает, что они находятся в нижней части пищевой цепочки и служат пищей для многих водных видов.
Kingdom Plantae
Это королевство включает все сосудистые и несосудистые растения , такие как мхи, папоротники, хвойные и цветковые растения. К фотосинтезу способны почти все растения, за исключением нескольких паразитических форм.
Клетки растений имеют множество различных органелл, которые выполняют функции, необходимые для выживания растения. Один тип органелл — хлоропласт. Без хлоропластов растения толщиной всего около 0,001 мм не смогли бы фотосинтезировать.
Два пигмента, хлорофилл a и хлорофилл b , придают хлоропластам зеленый цвет, поэтому листья растений зеленые. Хлоропласты — это электростанции, производящие энергию, , которые создают и хранят пищу посредством фотосинтеза.
Kingdom Chromista
Особи в королевстве Chromista не имеют близкого родства с растениями или другими водорослями. Они отличаются от других организмов, потому что имеют хлорофилл c , в отличие от a или b , и не хранят энергию в крахмале.Некоторые микроскопические диатомовые водоросли со скелетами из кремнезема и гигантские водоросли в океанах подпадают под королевство Хромиста. Большинство из них являются фотосинтезирующими, и они наиболее важны в водных экосистемах.
Kingdom Bacteria
Цианобактерии, также известные как сине-зеленые водоросли , также являются фотосинтезирующими организмами.
Хотя они напоминают водоросли, которые являются протистами, у них отсутствует мембраносвязанное ядро, что делает их прокариотами, классифицируемыми в царстве бактерий.
В отличие от растений, которые имеют два типа пигментов хлорофилла, у цианобактерий есть только хлорофилл и , в дополнение к другим, таким как синий пигмент фикобиллин, который придает им сине-зеленый цвет, желтые каротиноиды и иногда красный пигмент. , фикоэритрин.
Цианобактерии можно найти в некоторых из самых суровых природных условий на Земле, например, в горячих источниках, под замерзшими озерами и под камнями в раскаленных пустынях. Большинство из них могут расти только там, где есть свет.
Царство архей
Подобно бактериям, археи также лишены ядра и мембраносвязанных органелл. Есть только один фотосинтезирующий архей, Halobacterium , который фотосинтезирует совсем не так, как растения и бактерии. Вместо того, чтобы использовать хлорофилл с множеством белков, он использует один белок (называемый бактериородопсином) для поглощения света, используя форму витамина А.
Обзор фотосинтеза | Биология для неосновных I
Результаты обучения
- Обобщить процесс фотосинтеза
Все живые организмы на Земле состоят из одной или нескольких клеток. Каждая клетка работает на химической энергии, содержащейся в основном в молекулах углеводов (пища), и большинство этих молекул производится одним процессом: фотосинтезом. Посредством фотосинтеза определенные организмы преобразуют солнечную энергию (солнечный свет) в химическую энергию, которая затем используется для создания молекул углеводов.Энергия, используемая для удержания этих молекул вместе, высвобождается, когда организм расщепляет пищу. Затем клетки используют эту энергию для выполнения работы, такой как клеточное дыхание.
Энергия фотосинтеза непрерывно поступает в экосистемы нашей планеты и передается от одного организма к другому.
Следовательно, прямо или косвенно процесс фотосинтеза обеспечивает большую часть энергии, необходимой живым существам на Земле.
Фотосинтез также приводит к выбросу кислорода в атмосферу.Короче говоря, в том, чтобы есть и дышать, люди почти полностью зависят от организмов, осуществляющих фотосинтез.
Узнать больше о фотосинтезе
Солнечная зависимость и производство продуктов питания
Некоторые организмы могут осуществлять фотосинтез, а другие — нет. Автотроф — это организм, который может производить себе пищу. Греческие корни слова autotroph означают «сам» ( auto ) «кормушка» ( troph ). Растения — самые известные автотрофы, но существуют и другие, в том числе определенные типы бактерий и водорослей (рис. 1).Океанические водоросли вносят огромное количество пищи и кислорода в глобальные пищевые цепи. Растения также являются фотоавтотрофами, типом автотрофов, которые используют солнечный свет и углерод из углекислого газа для синтеза химической энергии в форме углеводов. Все организмы, осуществляющие фотосинтез, нуждаются в солнечном свете.
Рис. 1. (а) Растения, (б) водоросли и (в) некоторые бактерии, называемые цианобактериями, являются фотоавтотрофами, которые могут осуществлять фотосинтез. Водоросли могут расти на огромных участках воды, иногда полностью покрывая поверхность.(Фото a: Стив Хиллебранд, Служба охраны рыбных ресурсов и дикой природы США; кредит b: «эвтрофикация и гипоксия» / Flickr; кредит c: НАСА; данные шкалы от Мэтта Рассела)
Рис. 2. Энергия, запасенная в молекулах углеводов в результате фотосинтеза, проходит через пищевую цепь. Хищник, который ест этих оленей, получает энергию, происходящую от фотосинтезирующей растительности, которую потребляли олени. (Источник: Стив Ван Рипер, Служба охраны рыболовства и дикой природы США)
Гетеротрофы — это организмы, неспособные к фотосинтезу, поэтому они должны получать энергию и углерод из пищи, потребляя другие организмы.Греческие корни слова гетеротроф означают «другой» ( гетеро ) «кормушка» ( troph ), что означает, что их пища поступает от других организмов. Даже если пищевым организмом является другое животное, происхождение этой пищи восходит к автотрофам и процессу фотосинтеза. Люди — гетеротрофы, как и все животные. Гетеротрофы прямо или косвенно зависят от автотрофов. Олени и волки — гетеротрофы. Олень получает энергию, поедая растения. Волк, поедающий оленя, получает энергию, которая изначально поступала от растений, поедаемых этим оленем.Энергия в растении поступала от фотосинтеза, и поэтому в данном примере это единственный автотроф (рис. 2). Используя это рассуждение, вся пища, потребляемая людьми, также связана с автотрофами, которые осуществляют фотосинтез.
Фотосинтез — это многоступенчатый процесс, требующий солнечного света, двуокиси углерода (с низким содержанием энергии) и воды в качестве субстратов (рис. 3). После завершения процесса он выделяет кислород и производит глицеральдегид-3-фосфат (GA3P), простые молекулы углеводов (с высоким содержанием энергии), которые впоследствии могут быть преобразованы в глюкозу, сахарозу или любую из десятков других молекул сахара.Эти молекулы сахара содержат энергию и активированный углерод, необходимые всем живым существам для выживания.
Рис. 3. Фотосинтез использует солнечную энергию, углекислый газ и воду для производства энергоемких углеводов. Кислород образуется как побочный продукт фотосинтеза.
Ниже приводится химическое уравнение фотосинтеза (Рисунок 4):
Рис. 4. Основное уравнение фотосинтеза обманчиво просто. В действительности процесс проходит в несколько этапов с участием промежуточных реагентов и продуктов.Глюкоза, основной источник энергии в клетках, состоит из двух трехуглеродных GA3P.
Хотя уравнение выглядит простым, многие этапы фотосинтеза на самом деле довольно сложны. Прежде чем изучать детали того, как фотоавтотрофы превращают солнечный свет в пищу, важно ознакомиться с соответствующими структурами.
У растений фотосинтез обычно происходит в листьях, которые состоят из нескольких слоев клеток. Процесс фотосинтеза происходит в среднем слое, называемом мезофиллом .Газообмен углекислого газа и кислорода происходит через небольшие регулируемые отверстия, называемые устьицами (в единственном числе: стома), которые также играют роль в регулировании газообмена и водного баланса. Устьица обычно расположены на нижней стороне листа, что помогает свести к минимуму потерю воды. Каждая стома окружена замыкающими клетками, которые регулируют открытие и закрытие устьиц, набухая или сжимаясь в ответ на осмотические изменения.
У всех автотрофных эукариот фотосинтез происходит внутри органеллы, называемой хлоропластом .У растений хлоропластсодержащие клетки существуют в мезофилле. Хлоропласты имеют двойную мембранную оболочку (состоящую из внешней и внутренней мембран). Внутри хлоропласта расположены многослойные дискообразные структуры, называемые тилакоидами . В тилакоидную мембрану встроен хлорофилл, пигмент , (молекула, поглощающая свет), ответственный за начальное взаимодействие между светом и растительным материалом, и многочисленные белки, составляющие цепь переноса электронов.Тилакоидная мембрана охватывает внутреннее пространство, называемое просветом тилакоида . Как показано на Рисунке 5, стопка тилакоидов называется гранулом , а заполненное жидкостью пространство, окружающее гранум, называется стромой , или «ложе» (не путать со стомой или «ртом», отверстием на эпидермис листа).
Практический вопрос
Рис. 5. Фотосинтез происходит в хлоропластах, которые имеют внешнюю и внутреннюю мембраны. Стеки тилакоидов, называемые грана, образуют третий мембранный слой.
В жаркий и сухой день растения закрывают устьица для экономии воды. Какое влияние это окажет на фотосинтез?
Покажи ответУровень углекислого газа (необходимого фотосинтетического субстрата) немедленно упадет. В результате скорость фотосинтеза будет подавлена.
Две части фотосинтеза
Фотосинтез проходит в две последовательные стадии: светозависимые реакции и светонезависимые реакции. В светозависимых реакциях энергия солнечного света поглощается хлорофиллом, и эта энергия преобразуется в запасенную химическую энергию.В светонезависимых реакциях химическая энергия, собранная во время светозависимых реакций, управляет сборкой молекул сахара из углекислого газа. Следовательно, хотя светонезависимые реакции не используют свет в качестве реагента, они требуют, чтобы продукты светозависимых реакций функционировали. Кроме того, светом активируются некоторые ферменты светонезависимых реакций. Светозависимые реакции используют определенные молекулы для временного хранения энергии: они называются энергоносителями.Энергоносители, которые перемещают энергию из светозависимых реакций в светонезависимые, можно рассматривать как «полные», потому что они богаты энергией. После высвобождения энергии «пустые» энергоносители возвращаются к светозависимой реакции, чтобы получить больше энергии. На рисунке 6 показаны компоненты внутри хлоропласта, где происходят светозависимые и светонезависимые реакции.
Рис. 6. Фотосинтез проходит в две стадии: светозависимые реакции и цикл Кальвина.Светозависимые реакции, которые происходят в тилакоидной мембране, используют световую энергию для образования АТФ и НАДФН. Цикл Кальвина, который имеет место в строме, использует энергию, полученную из этих соединений, для производства GA3P из CO 2 .
Щелкните ссылку, чтобы узнать больше о фотосинтезе.Фотосинтез в продуктовом магазине
Рис. 7. Пища, потребляемая людьми, возникает в результате фотосинтеза. (кредит: Associação Brasileira de Supermercados)
Основные продуктовые магазины в Соединенных Штатах разделены на отделы, например, молочные продукты, мясо, продукты, хлеб, крупы и т. Д.В каждом проходе (рис. 7) находятся сотни, если не тысячи, различных продуктов, которые покупатели могут покупать и потреблять.
Хотя существует большое разнообразие, каждый элемент связан с фотосинтезом. Мясо и молочные продукты связаны, потому что животные питались растительной пищей. Хлеб, крупы и макаронные изделия в основном получают из крахмалистых зерен, которые являются семенами растений, зависящих от фотосинтеза. А как насчет десертов и напитков? Все эти продукты содержат сахар — сахароза — это растительный продукт, дисахарид, молекула углеводов, которая строится непосредственно в результате фотосинтеза.Более того, многие предметы не так очевидно получены из растений: например, бумажные изделия, как правило, являются растительными продуктами, а многие пластмассы (в большом количестве в качестве продуктов и упаковки) могут быть получены из водорослей или из нефти, окаменелых остатков фотосинтезирующих организмов. Практически все специи и ароматизаторы в ряду специй были произведены растением в виде листа, корня, коры, цветка, фрукта или стебля. В конечном итоге фотосинтез связан с каждым приемом пищи и каждой пищей, которую человек потребляет.
Вкратце: обзор фотосинтеза
Процесс фотосинтеза изменил жизнь на Земле.Используя энергию солнца, фотосинтез эволюционировал, чтобы позволить живым существам получить доступ к огромному количеству энергии. Благодаря фотосинтезу живые существа получили доступ к достаточному количеству энергии, что позволило им строить новые структуры и достигать очевидного сегодня биоразнообразия.
Только некоторые организмы, называемые фотоавтотрофами, могут осуществлять фотосинтез; они требуют наличия хлорофилла, специального пигмента, который поглощает определенные части видимого спектра и может улавливать энергию солнечного света.Фотосинтез использует углекислый газ и воду для сборки молекул углеводов и выделения кислорода в виде отходов в атмосферу. У эукариотических автотрофов, таких как растения и водоросли, есть органеллы, называемые хлоропластами, в которых происходит фотосинтез и накапливается крахмал. У прокариот, таких как цианобактерии, этот процесс менее локализован и происходит внутри складчатых мембран, выступов плазматической мембраны и в цитоплазме.
Внесите свой вклад!
У вас была идея улучшить этот контент? Нам очень понравится ваш вклад.
Улучшить эту страницуПодробнее
2.4 Энергия попадает в экосистемы через фотосинтез — Экологическая биология
Клетки работают за счет химической энергии, содержащейся в основном в молекулах углеводов, и большинство этих молекул вырабатываются одним процессом: фотосинтезом. Посредством фотосинтеза определенные организмы преобразуют солнечную энергию (солнечный свет) в химическую энергию, которая затем используется для создания молекул углеводов. Энергия, хранящаяся в связях, удерживающих эти молекулы вместе, высвобождается, когда организм расщепляет пищу.Затем клетки используют эту энергию для выполнения работы, например движения. Энергия фотосинтеза непрерывно поступает в экосистемы нашей планеты и передается от одного организма к другому. Следовательно, прямо или косвенно процесс фотосинтеза обеспечивает большую часть энергии, необходимой живым существам на Земле. Фотосинтез также приводит к выбросу кислорода в атмосферу. Короче говоря, еда и дыхание человека почти полностью зависят от организмов, осуществляющих фотосинтез.
Рис. 1. (а) Растения, (б) водоросли и (в) некоторые бактерии, называемые цианобактериями, являются фотоавтотрофами, которые могут осуществлять фотосинтез. Водоросли могут расти на огромных участках воды, иногда полностью покрывая поверхность. (Фото а: Стив Хиллебранд, Служба рыбных ресурсов и дикой природы США; кредит б: «эвтрофикация и гипоксия» / Flickr; кредит в: НАСА; данные шкалы от Мэтта Рассела)Некоторые организмы могут осуществлять фотосинтез, а другие — нет. Автотроф — организм, который может производить свою собственную пищу.Греческие корни слова автотроф означают «сам» (авто), «кормушка» (троф). Растения — самые известные автотрофы, но существуют и другие, в том числе определенные типы бактерий и водорослей (рис. 1). Океанические водоросли вносят огромное количество пищи и кислорода в глобальные пищевые цепи. Более конкретно, растения фотоавтотрофы , тип автотрофов, которые используют солнечный свет и углерод из углекислого газа для синтеза химической энергии в форме углеводов. Все организмы, осуществляющие фотосинтез, нуждаются в солнечном свете.
Рис. 2. Энергия, запасенная в молекулах углеводов в результате фотосинтеза, проходит через пищевую цепь. Хищник, который ест этих оленей, получает энергию, происходящую от фотосинтезирующей растительности, которую потребляли олени. (предоставлено Стивом Ван Рипером, Служба рыб и дикой природы США)Гетеротрофы — это организмы, неспособные к фотосинтезу, которые, следовательно, должны получать энергию и углерод из пищи, потребляя другие организмы. Греческие корни слова гетеротроф означают «другой» ( гетеро ) «кормушка» ( troph ), что означает, что их пища поступает от других организмов.Даже если потребляемым организмом является другое животное, оно прослеживает запасенную энергию до автотрофов и процесса фотосинтеза. Люди — гетеротрофы, как и все животные и грибы. Гетеротрофы прямо или косвенно зависят от автотрофов. Например, олень получает энергию, поедая растения. Волк, поедающий оленя, получает энергию, которая изначально поступала от растений, съеденных этим оленем (рис. 2). Используя это рассуждение, всю пищу, потребляемую людьми, можно проследить до автотрофов, которые осуществляют фотосинтез.
Краткое описание фотосинтеза Рис. 3. Фотосинтез использует солнечную энергию, углекислый газ и воду для выделения кислорода и производства энергосберегающих молекул сахара.Фотосинтез требует солнечного света, углекислого газа и воды в качестве исходных реагентов (рис. 3). После завершения процесса фотосинтез высвобождает кислород и производит молекулы углеводов, чаще всего глюкозу. Эти молекулы сахара содержат энергию, необходимую живым существам для выживания.Сложные реакции фотосинтеза можно резюмировать химическим уравнением, показанным на рисунке 4 ниже.
Хотя уравнение выглядит простым, многие этапы фотосинтеза на самом деле довольно сложны. У растений фотосинтез происходит в основном в хлоропластах листьев. Хлоропласты имеют двойную (внутреннюю и внешнюю) мембрану. Внутри хлоропласта находится третья мембрана, которая образует многослойные дискообразные структуры, называемые тилакоидами. В тилакоидную мембрану встроены молекулы хлорофилла , пигмента (молекула, поглощающая свет), через которую начинается весь процесс фотосинтеза.
Рис. 4. Это уравнение означает, что шесть молекул углекислого газа (CO2) соединяются с шестью молекулами воды (h3O) в присутствии солнечного света. Это производит одну молекулу глюкозы (C 6 H 12 O 6 ) и шесть молекул кислорода (O2). Две части фотосинтезаФотосинтез проходит в две стадии: светозависимые реакции и цикл Кальвина . В светозависимых реакциях хлорофилл поглощает энергию солнечного света, а затем преобразует ее в химическую энергию с помощью воды.Светозависимые реакции выделяют кислород, как побочный продукт расщепления воды. В цикле Кальвина химическая энергия, полученная в результате светозависимых реакций, управляет как захватом углерода в молекулах диоксида углерода , так и последующей сборкой молекул сахара.
Глобальное значение фотосинтезаПроцесс фотосинтеза имеет решающее значение для биосферы по следующим причинам:
- Создает O 2 , что важно по двум причинам.Молекулярный кислород в атмосфере Земли создается фотосинтезирующими организмами; без фотосинтеза не было бы O 2 для поддержки клеточного дыхания (см. главу 3.2), необходимого для сложной многоклеточной жизни. Фотосинтезирующие бактерии, вероятно, были первыми организмами, осуществившими фотосинтез, появившимися 2–3 миллиарда лет назад. Благодаря их активности и разнообразию современных фотосинтезирующих организмов в атмосфере Земли в настоящее время содержится около 21% O 2 . Кроме того, этот O 2 жизненно важен для создания озонового слоя (см. Главу 10.2), который защищает жизнь от вредного ультрафиолетового излучения, испускаемого солнцем. Озон (O 3 ) образуется в результате разрушения и повторной сборки O 2 .
- Он обеспечивает энергией почти все экосистемы. Преобразуя энергию света в химическую энергию, фотосинтез обеспечивает энергию, используемую организмами, будь то растения, кузнечики, волки или грибы. Единственные исключения встречаются в очень редких и изолированных экосистемах, таких как близкие к глубоководным гидротермальным источникам, где организмы получают энергию, исходную из минералов, а не солнца.
- Он обеспечивает углерод, необходимый для органических молекул. Организмы в основном состоят из двух вещей: воды и органических молекул, причем последние основаны на углероде. Посредством процесса фиксации углерода фотосинтез берет углерод из CO 2 и преобразует его в сахара (которые являются органическими). Углерод в этих сахарах может быть повторно использован для создания других типов органических молекул, в которых нуждаются организмы, таких как липиды, белки и нуклеиновые кислоты. Например, углерод, используемый для создания вашей ДНК, когда-то был CO 2 , который использовался фотосинтезирующими организмами (см. Раздел 3.1 для получения дополнительной информации о пищевых сетях).
Атрибуция
Основы науки об окружающей среде Камалы Доршнер лицензировано CC BY 4.0. Изменено по сравнению с оригиналом Мэтью Р. Фишером.