Luku 1.1 (Биология для гимназии. II)

Для жизни необходимы энергия и углерод

Всем организмам для жизнедеятельности постоянно необходима энергия. Во всех организмах постоянно происходит обмен веществ, они реагируют на изменения окружающей среды, а также им нужно расти и размножаться. Ни один организм не производит энергию сам, ее получают из внешней среды.

Организмы способны поглощать световую и химическую энергию

Живые организмы могут усваивать два вида энергии: энергию света и химическую энергию. Источниками энергии в неживой среде являются солнечный свет или химическая энергия неорганических соединений. Многие организмы получают необходимую для жизни энергию посредством других живых организмов. В этом случае мы имеем дело с химической энергией, полученной из органических соединений. В ходе фотосинтеза энергия света тоже преобразовывается в химическую – единственный вид энергии, который можно использовать для обеспечения протекания происходящих в живых организмах реакций.

Большинство растений поглощают энергию солнечного света
Все животные и грибы получают энергию за счет других живых организмов.

В ходе химических реакций энергия может запасаться или высвобождаться, в зависимости от того, присоединяют атомы электроны или теряют. В ходе окислительных реакций число электронов в атомах вещества уменьшается, а межатомные связи разрываются. В ходе реакции окисления, классическим примером которой является горение веществ, высвобождается энергия. В ходе клеточного дыхания, также являющегося реакцией окисления, глюкоза расщепляется до двуокиси углерода, а кислород переходит в состав воды. 

В ходе восстановительных реакций атомы принимают электроны, возникают новые межатомные связи, таким образом запасается энергия. Например, при фотосинтезе за счет энергии света из углекислого газа и воды синтезируются сахара, при этом выделяется кислород. 

Большинство живых организмов не могут вырабатывать энергию из неорганических веществ. Они получают ее, расщепляя произведенные другими организмами органические соединения. В отличие от неорганических органические соединения содержат большое количество энергии. Организм может получить ее путем окисления этих соединений и затем использовать полученную энергию в химических реакциях, которые являются основой жизнедеятельности организмов.

Тип энергии


энергия

Хими­ческая энергия

Например, фотосинтез у растений

Из неорга­нических соединений

Из  соединений

Например, хемосинтез у бактерий

Характерно для боль­шинства животных

Энергия высвобож­дается

Энергия накапли­вается

  • да
  • нет

Реакции окисления

  • да
  • нет
  • да
  • нет

Реакции восстанов­ления

  • да
  • нет
  • да
  • нет

Фотосинтез

  • да
  • нет

Жизнь основана на углероде

Жизнь на Земле основана на различных соединениях, содержащих углерод. Следовательно, наличие углерода является самой важной предпосылкой для возникновения жизни. Причина заключается в уникальных химических свойствах атома углерода: углерод может образовывать длинные цепи, к которым могут присоединяться другие атомы. Каждый атом углерода может присоединить до четырех атомов. Углеродная цепь может быть прямой, разветвленной или кольцевой, и длина ее может варьироваться. Вот почему существуют миллионы разных углеродных органических соединений, из которых и состоят живые организмы. С помощью углеродных соединений регулируется протекание жизненных процессов в организмах. Энергия, полученная при их расщеплении, используется для построения новых углеродных соединений, выполняющих самые разные функции. 

Организмы получают углерод из внешней среды. Те организмы, которые используют в качестве источника углерода неорганические вещества, называются автотрофами. К ним относятся растения. Гетеротрофы – это организмы, использующие готовые органические углеродные соединения, которые производят другие организмы. Все животные – гетеротрофы.

Длинные целлюлозные волокна оболочек растительных клеток содержат много углерода
  • Все соединения углерода очень тяжелые, они не летучи.
  • Атомы углерода могут образовывать длинные цепи.
  • Длина углеродных цепочек строго определена.
  • Углеродные цепи могут иметь различную форму, в том числе кольцевую.
  • Один атом углерода может образовывать до четырех химических связей.
  • Углеродные цепи всегда прямые.

Живые организмы играют в круговороте углерода несколько различных ролей. Организмы, использующие в качестве источника углерода неорганические соединения, называют . К ним относится, например,  Есть и такие организмы, которые питаются уже готовыми органическими соединениями. Их называют . К ним относится, например, 

Приложение. Источники энергии и углерода

Все организмы можно поделить на группы, исходя из способа получения ими энергии и углерода.

Живые организмы получают энергию из трех источников:

  • Солнце, или световая энергия;
  • химическая энергия непосредственно из неживой среды, то есть энергия неорганических соединений;
  • химическая энергия других организмов, то есть употребление в пищу готовых органических соединений.

Углерод содержится:

  • в органических веществах,
  • в неорганических веществах.
Гидротермальные источники
​На участках морского дна, где происходит активная вулканическая деятельность, из трещин земной коры поднимается богатая минеральными веществами горячая вода температурой до 405 °C. Обитающие в океанических глубинах бактерии для получения энергии приспособились разлагать минеральные вещества вулканического происхождения. Этими бактериями питаются беспозвоночные животные, живущие на дне океана.

Автотрофы сами «готовят» себе пищу

Автотрофы (в дословном переводе «едят сами») – это организмы, которые сами вырабатывают сложные органические соединения (сахара, жиры, белки и др.) из простых неорганических соединений, используя для этого энергию, полученную от Солнца или в ходе химических реакций. Автотрофия как тип питания означает, что организмы «готовят» себе пищу сами.

Световая энергия используется растениями, водорослями и некоторыми бактериями. Например, за счет энергии света при фотосинтезе вода расщепляется на водород и кислород. Полученный водород используется для восстановления CO, таким образом из двуокиси углерода получают органические соединения. Поскольку органические соединения содержат больше энергии, чем неорганические, в ходе этого процесса запасается энергия. Эта энергия может быть использована позже при расщеплении (окислении) органических соединений, возникших в ходе фотосинтеза. Так энергию Солнца косвенно получают и те организмы, которые сами ее не поглощают.

Автотрофы могут получать энергию и за счет окисления других неорганических соединений, например, ионов железа, серы или сероводорода, аммиака, нитритов и т. п. С помощью высвободившейся энергии из водорода и углекислого газа затем образуются органические соединения. Таким способом получают энергию исключительно микроорганизмы – бактерии и археи. 

Поглощение световой энергии – более эффективный способ, чем окисление неорганических соединений. Поэтому среди автотрофов много организмов, которые используют именно световую энергию. Энергию химических реакций они используют в тех местах, где нет источника света. Благодаря этой способности автотрофные организмы могут жить и в экстремальных условиях, непригодных для большинства других организмов.

Световая энергия используется растениями, водорослями и некоторыми бактериями
Железобактерии получают необходимую для жизни энергию путем окисления содержащих железо минералов
Болотная железная руда возникла благодаря железобактериям. Считается, что на территории Эстонии до XVIII века железо получали именно из болотной руды.

Использующие световую энергию автотрофы  К ним относятся  и некоторые бактерии. Для фотосинтеза нужны вода, углекислый газ и энергия. В ходе фотосинтеза сначала вода разлагается на два вещества:  и . Далее в ходе  реакции углекислый газ реагирует с водородом и образуется богатое энергией соединение –  Таким образом растения  энергию. Чтобы автотроф мог позднее использовать запасы энергии, нужен  при помощи которого происходит реакция  и энергия 

  • Из живой природы
  • Из неживой природы
  • Они могут производить богатые энергией соединения из неорганических веществ.
  • Богатые энергией соединения производятся в ходе окислительных реакций.
  • Все автотрофы являются фотосинтезирующими организмами.
  • Некоторые автотрофы используют энергию связей химических соединений.
  • У автотрофов не протекает процесс клеточного дыхания.
  • Автотрофы получают всю необходимую для жизни энергию за счет световой энергии или энергии химических связей, органические соединения они сами никогда не разлагают.

Гетеротрофы питаются пищей, приготовленной другими организмами

Гетеротрофы (в дословном переводе «иная пища») – это организмы, которые сами не могут образовывать из неорганических соединений органические. Они должны использовать органические соединения, синтезированные другими организмами. Более 95% живых организмов – гетеротрофы, которые не могут жить без автотрофов. Энергию они могут получать аналогично автотрофам из химических реакций, а также от Солнца, но световую энергию используют очень немногие. Поэтому под гетеротрофами понимаются преимущественно организмы, которые получают от других организмов и энергию, и углерод.

Все животные и грибы – гетеротрофы

Гетеротрофы получают энергию в ходе химических реакций при расщеплении пищи и окислении органических соединений. В пищевых цепях они являются консументами. К их числу относятся все животные и грибы, большинство простейших и часть бактерий. Некоторые гетеротрофные бактерии способны также поглощать световую энергию.

Преимущество гетеротрофов заключается в том, что они могут всю полученную с пищей энергию направить на рост и размножение, а автотрофы должны часть энергии расходовать на преобразование неорганического углерода в органические соединения. В то же время зависимые от источников питания гетеротрофы умирают при отсутствии органической пищи. Автотрофы меньше зависят от других организмов, так как могут получить все необходимое для себя из неживой природы.

Вспомните!

Окисление – число электронов уменьшается, связи разрушаются, энергия высвобождается.

Восстановление – число электронов увеличивается, образуются новые связи, энергия запасается.

  • Гетеротрофы сами производят органические соединения из неорганических.
  • Гетеротрофы не могут существовать без автотрофов.
  • Большинство гетеротрофов получает энергию за счет химических реакций.
  • Обычно гетеротрофы являются первым звеном пищевой цепи.
  • Гетеротрофы могут сами произвести все необходимые им вещества.

Приложение. Экстремофилы

Организмы, обитающие в экстремальных условиях, должны иметь защитные механизмы, которые позволят им справляться, например, с высокой температурой или кислотностью среды. Особые свойства экстремофилов используют в промышленности и науке. При идентификации генных последовательностей, диагностике генетических заболеваний и идентификации личности на основе ДНК используется метод, который базируется на термостойком энзиме. Этот энзим получен из обитающей в горячем источнике автотрофной бактерии Thermus aquaticus. Хотя для производства энергии эта бактерия способна сама окислять неорганические соединения, она, по возможности, забирает энергию у обитающих в тех же условиях фотосинтезирующих цианобактерий.

Яркие цвета горячего источника в Йеллоустонском национальном парке обусловлены обитающими в нем микроорганизмами

Словарь терминов

  • химическая энергия – энергия, затраченная на образование связей химических соединений или высвобождающаяся при их разрушении
  • автотроф – организм, самостоятельно синтезирующий необходимые ему для жизни органические вещества из неорганических соединений углерода (обычно из углекислого газа)
  • гетеротроф – организм, получающий необходимый для жизнедеятельности углерод, питаясь готовым органическим веществом
  • восстановление – процесс, в ходе которого атомы присоединяют электроны; при восстановлении энергия поглощается
  • окисление – процесс, в ходе которого атом отдает электроны; протекает с выделением энергии
  • органические вещества – содержащие углерод соединения, из которых состоят живые организмы (кроме двуокисей и карбонатов)
  • неорганические вещества – природные вещества минерального происхождения; все соединения, которые не относятся к органическим
Odota