Питанием называют совокупность процессов, включающих поступление в организм, переваривание, всасывание и усвоение им пищевых веществ. В процессе питания организмы получают химические соединения, используемые ими для всех процессов жизнедеятельности. По способу получения органических веществ, т. е. по способу питания, все живые организмы делятся на автотрофов и гетеротрофов.
Автотрофы могут сами синтезировать необходимые им органические вещества, получая из окружающей среды углерод в виде СО2, воду и минеральные соли. Одним автотрофам источником энергии для реакций биосинтеза служит солнечный свет; такие организмы называются фототрофами или фотосинтетиками. Другие автотрофы используют для синтеза органических веществ энергию, высвобождающуюся в ходе химических превращений неорганических соединений. Их называют хемотрофами или хемосинтетиками. К фототрофным относятся клетки зелёных растений, содержащие хлорофилл и бактерии, способные к фотосинтезу (например, цианобактерии), а к хемотрофным – некоторые другие бактерии.
Гетеротрофы не могут сами синтезировать весь набор необходимых им для жизнедеятельности органических веществ. Поэтому они поглощают нужные им соединения из окружающей среды. Затем они строят из полученных органических веществ собственные белки, липиды, углеводы. К гетеротрофам относятся животные, грибы и многие бактерии. Кроме того, клетки растений, неспособные к фотосинтезу (например, клетки корня), также питаются гетеротрофно, поскольку получают органические вещества из других органов зелёного растения.
Существуют также организмы, способные использовать оба способа питания. Это, например, эвглена зелёная, которую ботаники относят к одноклеточным зелёным водорослям, а зоологи – к жгутиковым простейшим. И те и другие правы, поскольку на свету этот организм – фототроф, а в темноте – гетеротроф. Некоторые растения, например венерина мухоловка или росянка, способны пополнять нехватку азота ловлей и перевариванием насекомых, другие растения частично перешли к паразитическому образу жизни и, помимо фотосинтеза, могут получать органические вещества из организма хозяина при помощи особых видоизменений корней (омела, петров крест, повилика).
Полученные авто– или гетеротрофным путем органические вещества не могут непосредственно обеспечивать энергией процессы, происходящие в клетке. За счёт энергии химических связей этих веществ сначала обязательно синтезируется универсальный для всех живых существ источник энергии – АТФ.
Питание. Автотрофы. Гетеротрофы.
1. Какие организмы являются гетеротрофами?
2. Какие организмы на Земле практически не зависят от энергии солнечного света?
Сейчас трудно сказать, какие организмы возникли на Земле первыми – автотрофы или гетеротрофы. Существует даже гипотеза, предполагающая возникновение симбионтного организма, похожего на современные лишайники: одни его клетки были автотрофами, а другие – гетеротрофами, и сосуществовали они в едином очень простом организме, помогая друг другу. В современных условиях первичной энергией для всех живых существ на Земле (кроме некоторых хемосинтетиков) является энергия солнца. Гетеротрофы находятся в прямой зависимости от органических веществ, производимых зелеными растениями в процессе фотосинтеза. Питаясь растительной пищей, животные получают непосредственно те белки, липиды и углеводы, которые синтезированы за счёт солнечного света. Мясо домашних животных также строится из молекул, полученных ими с растительной пищей. Поэтому, питаясь мясными продуктами, люди всё равно поглощают молекулы, полученные с использованием энергии того же солнечного света.
§ 24. Автотрофное питание. Фотосинтез
1. Какие виды автотрофного питания вы знаете?
2. Как называются органоиды клетки, в которых происходит фотосинтез?
3. Что такое ароморфоз?
Фотосинтез. Солнце было и остаётся неисчерпаемым источником энергии для нашей планеты. Важнейшим ароморфозом архейской эры стало возникновение фотосинтеза – процесса, с помощью которого часть живых существ «научилась» использовать энергию солнечного света для синтеза необходимых им веществ.
Фотосинтезирующими органоидами зелёных растений служат хлоропласты. Структурной и функциональной единицей хлоропластов являются тилакоиды – плоские мембранные мешочки, уложенные в стопки (граны). На мембранах тилакоидов расположены особые комплексы, в которые входят молекулы хлорофилла, а также переносчиков электронов – цитохромов. Хлорофилл обладает особой химической структурой, которая позволяет ему улавливать кванты света. Существует несколько видов молекул хлорофилла, различающихся по длине волны улавливаемых квантов. Основными «ловцами» световых частиц являются хлорофиллы аI (с длиной волны улавливаемых квантов 700 нм) и аII (680 нм). Другие пигменты выполняют вспомогательную роль.
Фотосинтез происходит в две фазы – световую и темновую. Во время световой фазы накапливается энергия, необходимая для синтеза органических веществ, происходящего в темновой фазе.
Рис. 41. Схема фотосинтеза у растений
Световая фаза. Процесс световой фазы фотосинтеза растений включает в себя нециклическое фосфорилирование и фотолиз воды (рис. 41). Реакции происходят на мембранах хлоропластов.
Фотосистема I. Молекулы хлорофилла аI поглощают свет с длиной волны 700 нм. Электроны, получившие избыток энергии, участвуют в реакции диссоциации воды (Н2О = Н+ + ОН-). Электроны и ионы водорода реагируют с НАДФ+ (никотинамидадениндинуклеотидфосфата):
НАДФ+ + 2е + 2Н+ = НАДФ · Н + Н+.
Полученное в данной реакции вещество НАДФ · Н играет роль восстановителя в реакциях темновой фазы.
Процесс распада воды до Н+ и ОН-, протекающий при участии электронов, имеющих избыток энергии за счёт фотореакций, получил название фотолиза воды.
Фотосистема II. Молекулы хлорофилла аII поглощают свет с длиной волны 680 нм. Электроны с избыточной энергией по системе цитохромов переносятся на молекулы хлорофилла аI и занимают пустующие орбитали, которые раньше занимали электроны, связавшиеся с ионами водорода в ходе фотолиза воды. (При прохождении электронов по цепочке цитохромов часть их энергии используется для синтеза АТФ.) В результате возникает нехватка электронов в молекулах хлорофилла аII. Эта нехватка восполняется электронами гидроксид-анионов (ОН-), которые образовались в ходе того же фотолиза воды. Отдавая электроны молекулам хлорофилла аII, эти ионы превращаются в гидроксид-радикалы:
ОН- – e = ОН.
Гидроксид-радикал – это чрезвычайно неустойчивое химическое соединение, поэтому, только образовавшись, оно самопроизвольно превращается в воду и свободный кислород, выделяемый растением во внешнюю среду:
4OН = 2Н2O + O2
Таким образом, кислород, которым дышит подавляющее большинство живых организмов на Земле, представляет собой побочный продукт фотосинтеза, образующийся вследствие фотолиза воды.
В реакциях световой фазы фотосинтеза накапливается энергия (НАДФ·Н и АТФ), которая тратится в процессах темновой фазы. Синтез АТФ из АДФ за счёт энергии света – очень эффективный процесс: за одно и то же время в хлоропластах образуется в 30 раз больше АТФ, чем в митохондриях.
Темновая фаза. Если световая фаза может протекать только при освещении растения, то реакции темновой фазы протекают независимо от света. Эти реакции осуществляются в строме хлоропластов, куда из тилакоидов поступают богатые энергией вещества: НАДФ·Н и АТФ. Источник углерода – СО2 – растение получает из воздуха через устьица. В реакциях темновой фазы СО2 восстанавливается до глюкозы, причём этот процесс протекает с затратами энергии, запасённой в молекулах АТФ и НАДФ·Н. Превращение углекислого газа в глюкозу в ходе темновой фазы фотосинтеза получило название цикла Кальвина, по имени его открывателя.
Суммарные уравнения и частные реакции фотосинтеза представлены в таблице 5.
Продуктивность фотосинтеза весьма высока: за один час на 1 м2 площади листа синтезируется до 1 г Сахаров; при этом часть энергии выделяется в виде тепла.
В результате фотосинтеза растения накапливают органические вещества и обеспечивают постоянство уровня СO2 и O2 в атмосфере. В верхних слоях воздушной оболочки (на высоте 15–20 км) Земли из кислорода образуется озон, имеющий химическую формулу O3. Озоновый слой защищает все живые организмы от опасных для жизни ультрафиолетовых лучей.