stringtranslate.com

автотроф

Обзор цикла между автотрофами и гетеротрофами . Фотосинтез — основной способ, с помощью которого растения, водоросли и многие бактерии производят органические соединения и кислород из углекислого газа и воды ( зеленая стрелка ).

Автотроф — это организм, который производит сложные органические соединения (такие как углеводы , жиры и белки ) с использованием углерода из простых веществ, таких как углекислый газ , [1] обычно используя энергию света ( фотосинтез ) или неорганических химических реакций ( хемосинтез ). [2] Они преобразуют абиотический источник энергии (например, свет) в энергию, запасенную в органических соединениях , которая может использоваться другими организмами (например, гетеротрофами ). Автотрофы не нуждаются в живом источнике углерода или энергии и являются производителями в пищевой цепи , например, растения на суше или водоросли в воде (в отличие от гетеротрофов , являющихся потребителями автотрофов или других гетеротрофов). Автотрофы могут восстанавливать углекислый газ, создавая органические соединения для биосинтеза и в качестве запасаемого химического топлива. Большинство автотрофов используют воду в качестве восстановителя , но некоторые могут использовать и другие соединения водорода, такие как сероводород .

Первичные продуценты могут преобразовывать энергию света ( фототрофы и фотоавтотрофы ) или энергию неорганических химических соединений ( хемотрофы или хемолитотрофы ) для построения органических молекул , которые обычно накапливаются в виде биомассы и будут использоваться в качестве источника углерода и энергии. другими организмами (например, гетеротрофами и миксотрофами ). Фотоавтотрофы являются основными первичными производителями, преобразующими энергию света в химическую энергию посредством фотосинтеза , в конечном итоге создавая органические молекулы из углекислого газа , неорганического источника углерода . [3] Примерами хемолитотрофов являются некоторые археи и бактерии (одноклеточные организмы), которые производят биомассу в результате окисления неорганических химических соединений. Эти организмы называются хемоавтотрофами и часто встречаются в гидротермальных источниках в глубоком океане. Первичные производители находятся на самом низком трофическом уровне и являются причиной того, что на Земле существует жизнь по сей день. [4]

Большинство хемоавтотрофов являются литотрофами , использующими неорганические доноры электронов, такие как сероводород, газообразный водород , элементарная сера , аммоний и оксид железа, в качестве восстановителей и источников водорода для биосинтеза и выделения химической энергии. Автотрофы используют часть АТФ, образующуюся при фотосинтезе или окислении химических соединений, для восстановления НАДФ + до НАДФН с образованием органических соединений. [5]

История

Термин «автотроф » был придуман немецким ботаником Альбертом Бернхардом Франком в 1892 году . Первые автотрофные организмы, вероятно , возникли в начале архея, но распространились во время Великого события окисления Земли с увеличением скорости кислородного фотосинтеза цианобактериями . [7] Фотоавтотрофы произошли от гетеротрофных бактерий путем развития фотосинтеза . Самые ранние фотосинтезирующие бактерии использовали сероводород . Из-за нехватки сероводорода некоторые фотосинтезирующие бактерии стали использовать воду для фотосинтеза, что привело к появлению цианобактерий . [8]

Варианты

Некоторые организмы полагаются на органические соединения в качестве источника углерода , но способны использовать свет или неорганические соединения в качестве источника энергии. Такие организмы являются миксотрофами . Организм, получающий углерод из органических соединений, а энергию — из света, называется фотогетеротрофом , а организм, получающий углерод из органических соединений, а энергию — за счёт окисления неорганических соединений, — хемолитогетеротрофом .

Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что некоторые грибы могут также получать энергию от ионизирующего излучения : такие радиотрофные грибы были обнаружены растущими внутри реактора Чернобыльской атомной электростанции . [9]

Блок-схема определения того, является ли вид автотрофом, гетеротрофом или подтипом

Примеры

В экосистеме Земли в разных состояниях существует множество различных типов первичных производителей. Грибы и другие организмы, которые получают биомассу за счет окисления органических материалов, называются разлагателями и не являются первичными продуцентами. Однако лишайники , расположенные в тундровом климате, представляют собой исключительный пример первичного продуцента, который путем мутуалистического симбиоза сочетает фотосинтез водорослей ( или дополнительно фиксацию азота цианобактериями) с защитой гриба- разлагателя . Кроме того, растительные первичные продуценты (деревья, водоросли) используют солнце как форму энергии и передают его в воздух для других организмов. [3] Конечно, существуют первичные производители H 2 O, в том числе бактерии и фитопланктон . Поскольку существует множество примеров первичных продуцентов, двумя доминирующими типами являются кораллы и один из многих типов бурых водорослей – ламинария. [3]

Фотосинтез

Валовая первичная продукция происходит за счет фотосинтеза. Это также основной способ, с помощью которого первичные производители берут энергию и производят/выпускают ее где-то еще. Это делают растения, кораллы, бактерии и водоросли. Во время фотосинтеза первичные производители берут энергию Солнца и преобразуют ее в энергию, сахар и кислород. Первичным производителям также нужна энергия для преобразования этой же энергии в другом месте, поэтому они получают ее из питательных веществ. Одним из типов питательных веществ является азот. [4] [3]

Экология

Зеленые листья папоротника адиантового , фотоавтотрофа.

Без первичных производителей, организмов, способных самостоятельно производить энергию, биологические системы Земли были бы неспособны поддерживать себя. [3] Растения, наряду с другими первичными производителями, производят энергию, которую потребляют другие живые существа, и кислород, которым они дышат. [3] Считается, что первые организмы на Земле были первичными продуцентами, расположенными на дне океана. [3]

Автотрофы имеют основополагающее значение для пищевых цепей всех экосистем мира. Они берут энергию из окружающей среды в виде солнечного света или неорганических химикатов и используют ее для создания молекул топлива, таких как углеводы. Этот механизм называется первичным производством . Другие организмы, называемые гетеротрофами , используют автотрофы в качестве пищи для выполнения функций, необходимых для их жизни. Таким образом, гетеротрофы – все животные , почти все грибы , а также большинство бактерий и простейших – зависят от автотрофов, или первичных продуцентов , в получении необходимого им сырья и топлива. Гетеротрофы получают энергию путем расщепления углеводов или окисления органических молекул (углеводов, жиров и белков), полученных с пищей. Плотоядные организмы косвенно полагаются на автотрофы, поскольку питательные вещества , полученные от их гетеротрофной добычи, поступают от съеденных ими автотрофов.

Большинство экосистем поддерживаются автотрофной первичной продукцией растений и цианобактерий , которые улавливают фотоны , первоначально испускаемые Солнцем . Растения могут использовать только часть (приблизительно 1%) этой энергии для фотосинтеза . [10] Процесс фотосинтеза расщепляет молекулу воды (H 2 O), выделяя кислород (O 2 ) в атмосферу и восстанавливая углекислый газ (CO 2 ) с выделением атомов водорода , которые питают метаболический процесс первичного производства . Растения преобразуют и сохраняют энергию фотонов в химические связи простых сахаров во время фотосинтеза. Эти растительные сахара полимеризуются для хранения в виде длинноцепочечных углеводов , включая другие сахара, крахмал и целлюлозу; Глюкоза также используется для производства жиров и белков . Когда автотрофы поедаются гетеротрофами , т. е. консументами, такими как животные, содержащиеся в них углеводы , жиры и белки становятся источниками энергии для гетеротрофов . [11] Белки можно производить, используя нитраты , сульфаты и фосфаты в почве. [12] [13]

Первичная продукция в тропических ручьях и реках

Водные водоросли вносят значительный вклад в пищевые сети тропических рек и ручьев. Об этом свидетельствует чистая первичная продукция, фундаментальный экологический процесс, который отражает количество углерода, синтезируемого в экосистеме. Этот углерод в конечном итоге становится доступным потребителям. Чистая первичная продукция показывает, что темпы первичной первичной продукции в потоке в тропических регионах по крайней мере на порядок выше, чем в аналогичных системах с умеренным климатом. [14]

Происхождение автотрофов

Исследователи полагают, что первые клеточные формы жизни не были гетеротрофами, поскольку они полагались на автотрофы, поскольку органические субстраты, доставленные из космоса, были либо слишком гетерогенны, чтобы поддерживать рост микробов, либо слишком редуцированы для ферментации. Вместо этого они считают, что первые клетки были автотрофами. [15] Эти автотрофы могли быть термофильными и анаэробными хемолитоавтотрофами, обитавшими в глубоководных щелочных гидротермальных источниках. Показано, что каталитические минералы Fe(Ni)S в этих средах катализируют биомолекулы, такие как РНК. [16] Эта точка зрения подтверждается филогенетическими данными, поскольку физиология и среда обитания последнего универсального общего предка (LUCA) также были термофильными анаэробами с путем Вуда-Люнгдала, его биохимия была изобилует кластерами FeS и радикальными реакциями. механизмов и зависел от Fe, H 2 и CO 2 . [15] [17] Высокая концентрация K +, присутствующая в цитозоле большинства форм жизни, позволяет предположить, что на ранней стадии клеточной жизни были антипортеры Na + /H + или, возможно, симпортеры. [18] Автотрофы, возможно, превратились в гетеротрофов, когда они находились при низком парциальном давлении H 2 , где первой формой гетеротрофии, вероятно, была ферментация пурина аминокислотного и клостридиального типа [19] , а фотосинтез возник в присутствии длинноволнового геотермального света, испускаемого гидротермальными источниками. вентиляционные отверстия. Предполагается, что первыми фотохимически активными пигментами являются Zn-тетрапирролы. [20]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Моррис, Дж. и др. (2019). «Биология: как устроена жизнь», 3-е издание, WH Freeman. ISBN  978-1319017637
  2. ↑ Чанг, Кеннет (12 сентября 2016 г.). «Видения жизни на Марсе в глубинах Земли». Нью-Йорк Таймс . Проверено 12 сентября 2016 г.
  3. ^ abcdefg «Что такое первичные производители?». Наука . Проверено 8 февраля 2018 г.
  4. ^ ab Post, Дэвид М. (2002). «Использование стабильных изотопов для оценки трофического положения: модели, методы и предположения». Экология . 83 (3): 703–718. doi :10.1890/0012-9658(2002)083[0703:USITET]2.0.CO;2.
  5. ^ Маусет, Джеймс Д. (2008). Ботаника: Введение в биологию растений (4-е изд.). Издательство Джонс и Бартлетт. п. 252. ИСБН 978-0-7637-5345-0.
  6. ^ Франк, Альберт Бернар (1892–93). Lehrbuch der Botanik (на немецком языке). Лейпциг: В. Энгельманн.
  7. ^ Крокфорд, Питер В.; Бар Он, Инон М.; Уорд, Люс М.; Майло, Рон; Халеви, Италия (ноябрь 2023 г.). «Геологическая история первичной продуктивности». Современная биология . 33 (21): 4741–4750.e5. дои : 10.1016/j.cub.2023.09.040. ISSN  0960-9822. PMID  37827153. S2CID  263839383.
  8. ↑ Таунсенд, Рич (13 октября 2019 г.). «Эволюция автотрофов». Факультет астрономии Университета Висконсин-Мэдисон . Проверено 3 мая 2019 г.
  9. ↑ Мелвилл, Кейт (23 мая 2007 г.). «Чернобыльский гриб питается радиацией». Архивировано из оригинала 4 февраля 2009 года . Проверено 18 февраля 2009 г.
  10. ↑ Шурр, Сэм Х. (19 января 2011 г.). Энергетика, экономический рост и окружающая среда . Нью-Йорк. ISBN 9781617260209. ОСЛК  868970980.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  11. ^ Беккет, Брайан С. (1981). Иллюстрированная человеческая и социальная биология. Издательство Оксфордского университета. п. 38. ISBN 978-0-19-914065-7.
  12. ^ Одум, Юджин П. (Юджин Плезантс), 1913–2002. (2005). Основы экологии . Барретт, Гэри В. (5-е изд.). Бельмонт, Калифорния: Томсон Брукс/Коул. п. 598. ИСБН 0-534-42066-4. ОСЛК  56476957.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  13. ^ Смит, Гилберт М. (2007). Учебник общей ботаники. Читать книги. п. 148. ИСБН 978-1-4067-7315-6.
  14. ^ Дэвис, Питер М.; Банн, Стюарт Э.; Гамильтон, Стивен К. (2008). «Первичная продукция тропических ручьев и рек». Экология тропического ручья . стр. 23–42. дои : 10.1016/B978-012088449-0.50004-2. ISBN 9780120884490.
  15. ^ аб Вайс, Мэдлин С.; Прейнер, Мартина; Ксавье, Джоана С.; Зиморски, Верена; Мартин, Уильям Ф. (16 августа 2018 г.). «Последний универсальный общий предок между древней земной химией и зарождением генетики». ПЛОС Генетика . 14 (8): e1007518. дои : 10.1371/journal.pgen.1007518 . ISSN  1553-7390. ПМК 6095482 . ПМИД  30114187. 
  16. ^ Мартин, Уильям; Рассел, Майкл Дж. (29 октября 2007 г.). «О происхождении биохимии щелочных гидротермальных источников». Философские труды Королевского общества B: Биологические науки . 362 (1486): 1887–1926. дои : 10.1098/rstb.2006.1881. ISSN  0962-8436. ПМЦ 2442388 . ПМИД  17255002. 
  17. ↑ Стеттер, Карл О (29 октября 2006 г.). «Гипертермофилы в истории жизни». Философские труды Королевского общества B: Биологические науки . 361 (1474): 1837–1843. дои : 10.1098/rstb.2006.1907. ISSN  0962-8436. ПМЦ 1664684 . ПМИД  17008222. 
  18. ^ Соуза, Филиппа Л.; Тиргарт, Торстен; Лэндан, Гидди; Нельсон-Сати, Шиджулал; Перейра, Инес АС; Аллен, Джон Ф.; Лейн, Ник; Мартин, Уильям Ф. (19 июля 2013 г.). «Ранняя биоэнергетическая эволюция». Философские труды Королевского общества B: Биологические науки . 368 (1622): 20130088. doi :10.1098/rstb.2013.0088. ISSN  0962-8436. ПМЦ 3685469 . ПМИД  23754820. 
  19. ^ Шенхайт, Питер; Букель, Вольфганг; Мартин, Уильям Ф. (1 января 2016 г.). «О происхождении гетеротрофии». Тенденции в микробиологии . 24 (1): 12–25. дои : 10.1016/j.tim.2015.10.003. ISSN  0966-842X. ПМИД  26578093.
  20. ^ Мартин, Уильям Ф; Брайант, Дональд А; Битти, Дж. Томас (21 ноября 2017 г.). «Физиологический взгляд на происхождение и эволюцию фотосинтеза». Обзоры микробиологии FEMS . 42 (2): 205–231. doi : 10.1093/femsre/fux056. ISSN  0168-6445. ПМЦ 5972617 . ПМИД  29177446. 

Внешние ссылки


Поищите автотроф в Викисловаре, бесплатном словаре.