Первичные пищевые группы — это группы организмов , разделенные по способу питания в соответствии с источниками энергии и углерода, необходимыми для жизни, роста и размножения. Источниками энергии могут быть свет или химические соединения; источники углерода могут быть органического или неорганического происхождения. [1]
Термины аэробное дыхание , анаэробное дыхание и ферментация ( фосфорилирование на уровне субстрата ) не относятся к первичным группам питания, а просто отражают различное использование возможных акцепторов электронов в конкретных организмах, таких как O2 в аэробном дыхании или нитрат ( NO−
3), сульфат ( SO2−
4) или фумарат при анаэробном дыхании, или различные промежуточные продукты метаболизма при брожении.
Фототрофы поглощают свет в фоторецепторах и преобразуют его в химическую энергию.
Хемотрофы выделяют химическую энергию.
Освобожденная энергия хранится в виде потенциальной энергии в АТФ , углеводах или белках . В конечном итоге энергия используется для жизненных процессов, таких как движение, рост и размножение.
Растения и некоторые бактерии могут чередовать фототрофию и хемотрофию в зависимости от доступности света.
Органотрофы используют органические соединения в качестве доноров электронов/водорода .
Литотрофы используют неорганические соединения в качестве доноров электронов/водорода.
Электроны или атомы водорода из восстановительных эквивалентов (доноров электронов) необходимы как фототрофам, так и хемотрофам в окислительно -восстановительных реакциях , которые передают энергию в анаболических процессах синтеза АТФ (у гетеротрофов) или биосинтеза (у автотрофов). Доноры электронов или водорода берутся из окружающей среды.
Органотрофные организмы часто также являются гетеротрофными, используя органические соединения в качестве источников как электронов, так и углерода. Аналогично, литотрофные организмы часто также являются автотрофными, используя неорганические источники электронов и CO 2 в качестве неорганического источника углерода.
Некоторые литотрофные бактерии могут использовать различные источники электронов в зависимости от доступности возможных доноров.
Органические или неорганические вещества (например, кислород), используемые в качестве акцепторов электронов, необходимых в катаболических процессах аэробного или анаэробного дыхания и брожения, здесь не учитываются.
Например, растения являются литотрофами, поскольку они используют воду в качестве донора электронов для цепи переноса электронов через тилакоидную мембрану. Животные являются органотрофами, поскольку они используют органические соединения в качестве доноров электронов для синтеза АТФ (растения также делают это, но это не принимается во внимание). Оба используют кислород в дыхании в качестве акцептора электронов, но этот признак не используется для определения их как литотрофов.
Гетеротрофы метаболизируют органические соединения, чтобы получить углерод для роста и развития.
Автотрофы используют углекислый газ (CO2 ) в качестве источника углерода.
Хемоорганогетеротрофный организм — это организм, которому требуются органические субстраты для получения углерода для роста и развития, и который получает энергию от разложения органического соединения. Эту группу организмов можно далее подразделить в зависимости от того, какой органический субстрат и соединение они используют. Редуценты являются примерами хемоорганогетеротрофов , которые получают углерод и электроны или водород из мертвого органического вещества. Травоядные и плотоядные являются примерами организмов, которые получают углерод и электроны или водород из живого органического вещества.
Хемоорганотрофы — это организмы , которые используют химическую энергию органических соединений в качестве источника энергии и получают электроны или водород из органических соединений, включая сахара (т. е. глюкозу ), жиры и белки. [2] Хемогетеротрофы также получают атомы углерода, необходимые им для функционирования клеток, из этих органических соединений.
Все животные являются хемогетеротрофами (то есть они окисляют химические соединения в качестве источника энергии и углерода), как и грибы , простейшие и некоторые бактерии . Важное отличие этой группы заключается в том, что хемоорганотрофы окисляют только органические соединения, тогда как хемолитотрофы вместо этого используют окисление неорганических соединений в качестве источника энергии. [3]
В следующей таблице приведены некоторые примеры для каждой группы питательных веществ: [4] [5] [6] [7]
*Некоторые авторы используют -гидро-, когда источником является вода.
Распространенная конечная часть -troph происходит от древнегреческого τροφή trophḗ «питание».
Некоторые, обычно одноклеточные, организмы могут переключаться между различными метаболическими режимами, например, между фотоавтотрофией, фотогетеротрофией и хемогетеротрофией у Chroococcales . [13] Rhodopseudomonas palustris — другой пример — может расти как с кислородом , так и без него , использовать свет, неорганические или органические соединения для получения энергии. [14] Такие миксотрофные организмы могут доминировать в своей среде обитания из-за их способности использовать больше ресурсов, чем фотоавтотрофные или органогетеротрофные организмы. [15]
В природе могут существовать всевозможные комбинации, но некоторые из них более распространены, чем другие. Например, большинство растений являются фотолитоавтотрофными , поскольку они используют свет в качестве источника энергии, воду в качестве донора электронов и CO2 в качестве источника углерода. Все животные и грибы являются хемоорганогетеротрофными , поскольку они используют органические вещества как в качестве источников химической энергии, так и в качестве доноров электронов/водорода и источников углерода. Однако некоторые эукариотические микроорганизмы не ограничиваются только одним режимом питания. Например, некоторые водоросли живут фотоавтотрофно на свету, но переходят на хемоорганогетеротрофность в темноте. Даже высшие растения сохранили свою способность дышать гетеротрофно крахмалом ночью, который был синтезирован фототрофно в течение дня.
Прокариоты демонстрируют большое разнообразие категорий питания . [16] Например, цианобактерии и многие пурпурные серные бактерии могут быть фотолитоавтотрофными , используя свет для получения энергии, H 2 O или сульфид в качестве доноров электронов/водорода и CO 2 в качестве источника углерода, тогда как зеленые несерные бактерии могут быть фотоорганогетеротрофными , используя органические молекулы как в качестве доноров электронов/водорода, так и источников углерода. [8] [16] Многие бактерии являются хемоорганогетеротрофными , используя органические молекулы в качестве источников энергии, электронов/водорода и углерода. [8] Некоторые бактерии ограничены только одной группой питания, тогда как другие являются факультативными и переключаются с одного режима на другой в зависимости от доступных источников питательных веществ. [16] Сероокисляющие , железные и анаммокс- бактерии, а также метаногены являются хемолитоавтотрофными , использующими неорганическую энергию, электроны и источники углерода. Хемолитогетеротрофы редки, поскольку гетеротрофия подразумевает наличие органических субстратов, которые также могут служить легкими источниками электронов, что делает литотрофию ненужной. Фотоорганоавтотрофы редки, поскольку их органический источник электронов/водородов обеспечил бы легкий источник углерода, что приводит к гетеротрофии.
Усилия синтетической биологии позволили трансформировать трофический режим двух модельных микроорганизмов из гетеротрофного в хемоорганоавтотрофный:
Таблица 1: Определения метаболических стратегий для получения углерода и энергии