stringtranslate.com

Автотроф

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

Автотроф — это организм, который может преобразовывать абиотические источники энергии в энергию, запасенную в органических соединениях , которая может использоваться другими организмами . Автотрофы производят сложные органические соединения (такие как углеводы , жиры и белки ), используя углерод из простых веществ, таких как углекислый газ, [1] как правило, используя энергию света или неорганических химических реакций . [2] Автотрофам не нужен живой источник углерода или энергии, и они являются производителями в пищевой цепи, такими как растения на суше или водоросли в воде. Автотрофы могут восстанавливать углекислый газ, чтобы производить органические соединения для биосинтеза и в качестве запасенного химического топлива. Большинство автотрофов используют воду в качестве восстановителя , но некоторые могут использовать другие соединения водорода, такие как сероводород .

Первичные производители могут преобразовывать энергию света ( фототрофы и фотоавтотрофы ) или энергию неорганических химических соединений ( хемотрофы или хемолитотрофы ) для создания органических молекул , которые обычно накапливаются в форме 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 путем окисления неорганических химических соединений, эти организмы называются хемоавтотрофами и часто встречаются в гидротермальных источниках в глубинах океана. Первичные производители находятся на самом низком трофическом уровне и являются причинами, по которым Земля поддерживает жизнь по сей день. [4]

Большинство хемоавтотрофов являются литотрофами , использующими неорганические доноры электронов, такие как сероводород, газообразный водород , элементарную серу , аммоний и оксид железа в качестве восстановителей и источников водорода для биосинтеза и высвобождения химической энергии. Автотрофы используют часть АТФ, произведенного во время фотосинтеза или окисления 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. [6] [7] Он происходит от древнегреческого слова τροφή ( trophḗ ), что означает «питание» или «пища». Первые автотрофные организмы, вероятно, появились в начале архея, но распространились во время Великого окислительного события на Земле с увеличением скорости оксигенного фотосинтеза цианобактериями . [8] Фотоавтотрофы произошли от гетеротрофных бактерий путем развития фотосинтеза . Самые ранние фотосинтезирующие бактерии использовали сероводород . Из-за дефицита сероводорода некоторые фотосинтезирующие бактерии эволюционировали, чтобы использовать воду в фотосинтезе, что привело к появлению цианобактерий . [9]


Варианты

Некоторые организмы полагаются на органические соединения как на источник углерода , но способны использовать свет или неорганические соединения как источник энергии. Такие организмы являются миксотрофами . Организм, который получает углерод из органических соединений, но получает энергию от света, называется фотогетеротрофом , в то время как организм, который получает углерод из органических соединений и энергию от окисления неорганических соединений, называется хемолитогетеротрофом .

Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что некоторые грибы также могут получать энергию от ионизирующего излучения : такие радиотрофные грибы были обнаружены растущими внутри реактора Чернобыльской атомной электростанции . [10]

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

Примеры

В экосистемах Земли существует множество различных типов автотрофов. Лишайники, обитающие в тундровом климате, являются исключительным примером первичного производителя, который посредством мутуалистического симбиоза объединяет фотосинтез водорослями (или дополнительно фиксацию азота цианобактериями) с защитой гриба- редуцента . Кроме того, первичные производители растений (деревья, водоросли) используют солнце как форму энергии и выделяют ее в воздух для других организмов. [3] Конечно, существуют первичные производители H 2 O, включая форму бактерий и фитопланктон . Поскольку существует множество примеров первичных производителей, два доминирующих типа — это кораллы и один из многих типов бурых водорослей, ламинария. [3]

Фотосинтез

Валовая первичная продукция происходит посредством фотосинтеза. Это также основной способ, которым первичные производители берут энергию и производят/высвобождают ее где-то еще. Растения, кораллы, бактерии и водоросли делают это. Во время фотосинтеза первичные производители берут энергию от 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

Зелёные листья папоротника адиантум , фотоавтотрофа

Без первичных производителей, организмов, способных производить энергию самостоятельно, биологические системы Земли не смогли бы поддерживать себя. [3] Растения, наряду с другими первичными производителями, производят энергию, которую потребляют другие живые существа, и кислород, которым они дышат. [3] Считается, что первыми организмами на Земле были первичные производители, расположенные на дне океана. [3]

Автотрофы являются основополагающими для пищевых цепей всех экосистем в мире. Они берут энергию из окружающей среды в форме солнечного света или неорганических химикатов и используют ее для создания топливных молекул, таких как углеводы. Этот механизм называется первичной продукцией . Другие организмы, называемые гетеротрофами , принимают 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 производителей , для получения сырья и топлива, в которых они нуждаются. Гетеротрофы получают энергию, расщепляя углеводы или окисляя органические молекулы (углеводы, жиры и белки), полученные в пище. Плотоядные организмы зависят от автотрофов косвенно, поскольку питательные вещества, полученные от их гетеротрофной добычи, поступают от автотрофов, которых они потребили.

Большинство экосистем поддерживаются автотрофным первичным производством растений и цианобактерий , которые улавливают фотоны , изначально испускаемые солнцем . Растения могут использовать только часть (приблизительно 1%) этой энергии для фотосинтеза . [11] Процесс фотосинтеза расщепляет молекулу воды (H 2 O), высвобождая кислород (O 2 ) в атмосферу и восстанавливая углекислый газ (CO 2 ), чтобы высвободить атомы водорода , которые подпитывают метаболический процесс первичного производства . Растения преобразуют и сохраняют энергию фотона в химических связях 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 , то есть потребителями, такими как животные, углеводы , жиры и белки, содержащиеся в них, становятся источниками энергии для гетеротрофов . [12] Белки могут быть получены с использованием нитратов , сульфатов и фосфатов в почве. [13] [14]

Первичная продукция в тропических ручьях и реках

Водные водоросли вносят значительный вклад в пищевые сети в тропических реках и ручьях. Это отображается в чистой первичной продукции, фундаментальном экологическом процессе, который отражает количество углерода, синтезируемого в экосистеме. Этот углерод в конечном итоге становится доступным для потребителей. Чистая первичная продукция показывает, что темпы первичной продукции в ручье в тропических регионах по крайней мере на порядок выше, чем в аналогичных умеренных системах. [15]

Происхождение автотрофов

Исследователи полагают, что первые клеточные формы жизни не были гетеротрофами, поскольку они полагались на автотрофов, поскольку органические субстраты, доставленные из космоса, были либо слишком гетерогенными, чтобы поддерживать микробный рост, либо слишком восстановленными, чтобы их можно было ферментировать. Вместо этого они считают, что первые клетки были автотрофами. [16] Эти автотрофы могли быть термофильными и анаэробными хемолитоавтотрофами, которые жили в глубоководных щелочных гидротермальных источниках. Показано, что каталитические минералы Fe(Ni)S в этих средах катализируют биомолекулы, такие как РНК. [17] Эта точка зрения подтверждается филогенетическими доказательствами, поскольку физиология и среда обитания последнего универсального общего предка (LUCA) также были предположительно термофильными анаэробами с путем Вуда-Льюнгдаля, его биохимия была переполнена кластерами FeS и радикальными реакционными механизмами. Он зависел от Fe, H 2 и CO 2 . [16] [18] Высокая концентрация K +, присутствующая в цитозоле большинства форм жизни, предполагает, что ранняя клеточная жизнь имела антипортеры Na + /H + или, возможно, симпортеры. [19] Автотрофы, возможно, эволюционировали в гетеротрофы, когда они находились при низком парциальном давлении H 2 , где первой формой гетеротрофии, вероятно, были ферментации аминокислот и пуринов клостридиального типа [20] , а фотосинтез возник в присутствии длинноволнового геотермального света, испускаемого гидротермальными источниками. Предполагается, что первыми фотохимически активными пигментами были Zn-тетрапирролы. [21]

Смотрите также

Ссылки

  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». The New York Times . Архивировано из оригинала 12 сентября 2016 г. Получено 12 сентября 2016 г.
  3. ^ abcdefg "Что такое первичные производители?". Наука . Архивировано из оригинала 14 октября 2019 г. Получено 8 февраля 2018 г.
  4. ^ ab Post, David M (2002). «Использование стабильных изотопов для оценки трофического положения: модели, методы и предположения». Ecology . 83 (3): 703–718. doi :10.1890/0012-9658(2002)083[0703:USITET]2.0.CO;2.
  5. ^ Mauseth, James D. (2014). Ботаника: введение в биологию растений (5-е изд.). Burlington, MA: Jones & Bartlett Learning. стр. 266-267. ISBN 978-1-4496-6580-7.
  6. ^ Франк, Альберт Бернар (1892–93). Lehrbuch der Botanik (на немецком языке). Лейпциг: В. Энгельманн. Архивировано из оригинала 7 марта 2023 года . Проверено 14 января 2018 г.
  7. ^ «Что такое автотрофы?». 11 марта 2019 г.
  8. ^ Crockford, Peter W.; Bar On, Yinon M.; Ward, Luce M.; Milo, Ron; Halevy, Itay (ноябрь 2023 г.). «Геологическая история первичной продуктивности». Current Biology . 33 (21): 4741–4750.e5. Bibcode :2023CBio...33E4741C. doi :10.1016/j.cub.2023.09.040. ISSN  0960-9822. PMID  37827153. S2CID  263839383. Архивировано из оригинала 15 марта 2024 г. Получено 5 декабря 2023 г.
  9. ^ Таунсенд, Рич (13 октября 2019 г.). «Эволюция автотрофов». Университет Висконсин-Мэдисон, кафедра астрономии . Архивировано из оригинала 8 июля 2022 г. Получено 3 мая 2019 г.
  10. ^ Мелвилл, Кейт (23 мая 2007 г.). «Чернобыльский грибок питается радиацией». Архивировано из оригинала 4 февраля 2009 г. Получено 18 февраля 2009 г.
  11. ^ Schurr, Sam H. (19 января 2011 г.). Энергия, экономический рост и окружающая среда . Нью-Йорк. ISBN 9781617260209. OCLC  868970980.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  12. ^ Беккет, Брайан С. (1981). Иллюстрированная человеческая и социальная биология. Oxford University Press. стр. 38. ISBN 978-0-19-914065-7. Архивировано из оригинала 15 марта 2024 . Получено 16 августа 2020 .
  13. ^ Одум, Юджин П. (Юджин Плезантс), 1913-2002. (2005). Основы экологии . Барретт, Гэри У. (5-е изд.). Белмонт, Калифорния: Thomson Brooks/Cole. стр. 598. ISBN 0-534-42066-4. OCLC  56476957.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  14. ^ Смит, Гилберт М. (2007). Учебник общей ботаники. Читайте книги. стр. 148. ISBN 978-1-4067-7315-6. Архивировано из оригинала 15 марта 2024 . Получено 16 августа 2020 .
  15. ^ Дэвис, Питер М.; Банн, Стюарт Э.; Гамильтон, Стивен К. (2008). «Первичная продукция в тропических ручьях и реках». Экология тропических ручьев . С. 23–42. doi :10.1016/B978-012088449-0.50004-2. ISBN 9780120884490.
  16. ^ ab Weiss, Madeline C.; Preiner, Martina; Xavier, Joana C.; Zimorski, Verena; Martin, William F. (16 августа 2018 г.). «Последний универсальный общий предок между древней химией Земли и началом генетики». PLOS Genetics . 14 (8): e1007518. doi : 10.1371/journal.pgen.1007518 . ISSN  1553-7390. PMC 6095482. PMID 30114187  . 
  17. ^ Мартин, Уильям; Рассел, Майкл Дж. (29 октября 2007 г.). «О происхождении биохимии в щелочном гидротермальном источнике». Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences . 362 (1486): 1887–1926. doi :10.1098/rstb.2006.1881. ISSN  0962-8436. PMC 2442388. PMID 17255002  . 
  18. ^ Штеттер, Карл О (29 октября 2006 г.). «Гипертермофилы в истории жизни». Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences . 361 (1474): 1837–1843. doi :10.1098/rstb.2006.1907. ISSN  0962-8436. PMC 1664684. PMID 17008222  . 
  19. ^ 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. 
  20. ^ Schönheit, Peter; Buckel, Wolfgang; Martin, William F. (1 января 2016 г.). «О происхождении гетеротрофии». Trends in Microbiology . 24 (1): 12–25. doi :10.1016/j.tim.2015.10.003. ISSN  0966-842X. ​​PMID  26578093. Архивировано из оригинала 15 марта 2024 г. Получено 4 декабря 2022 г.
  21. ^ Мартин, Уильям Ф.; Брайант, Дональд А.; Битти, Дж. Томас (21 ноября 2017 г.). «Физиологическая перспектива происхождения и эволюции фотосинтеза». FEMS Microbiology Reviews . 42 (2): 205–231. doi :10.1093/femsre/fux056. ISSN  0168-6445. PMC 5972617. PMID 29177446  . 

Внешние ссылки


Найдите значение слова «автотроф» в Викисловаре, бесплатном словаре.