§ 19. Обмен веществ и превращение энергии в организме. Автотрофы и гетеротрофы. Аэробы и анаэробы

Определения и обозначения

Обмен веществ — совокупность процессов поступления, превращения и использования веществ и энергии организмом, а также выведения продуктов обмена. Его называют метаболизмом. Это понятие помогает увидеть, что жизнь клетки складывается не из отдельных реакций, а из взаимосвязанных процессов.

Автотрофы — организмы, которые образуют органические вещества из неорганических, например из углекислого газа и воды. Гетеротрофы получают готовые органические вещества из пищи или остатков организмов. Различие важно для понимания того, откуда клетка берёт углерод для построения своих соединений.

Аэробы используют кислород в процессах получения энергии. Анаэробы получают энергию без его участия; у разных организмов кислород может быть непереносимым или, напротив, пригодным при некоторых условиях. Эти понятия позволяют описать, в какой среде организм способен жить и как извлекает энергию.

Пластический обмен — синтез сложных веществ из более простых, а энергетический обмен — распад органических соединений с высвобождением энергии. Первый нужен для построения клеток, второй — для снабжения процессов энергией. Их различают по функции, хотя в живой клетке они тесно связаны.

Как это устроено

Вещества попадают в организм с пищей, водой и газообменом, а затем проходят через цепочки химических реакций. Клетки используют одни соединения как строительный материал, другие — как источник энергии или сырьё для новых веществ. Продукты, которые организму больше не нужны, удаляются, потому что их накопление мешало бы нормальной работе клеток.

Пластический и энергетический обмен идут совместно, поскольку синтез сложных молекул требует затрат энергии. При распаде органических соединений эта энергия высвобождается, а часть её запасается в АТФ — молекуле, переносящей энергию в клетке. Поэтому энергетические реакции помогают синтезу, а созданные вещества становятся материалом для роста и обновления.

Автотрофы самостоятельно создают органические вещества из неорганических. Растения и некоторые другие организмы используют энергию света, а хемосинтезирующие организмы — энергию химических реакций. Углекислый газ даёт атомы углерода для органических молекул, но энергия поступает не из него: эти два источника нельзя смешивать.

Гетеротрофам нужны готовые органические вещества, потому что они не могут получать весь необходимый углерод из неорганических соединений. Пища даёт им материал для построения собственных молекул, а её распад может снабжать клетку энергией. Поэтому гетеротроф зависит от органики, созданной другими организмами или оставшейся после них.

При наличии кислорода клетки могут получать энергию с его участием; при анаэробном обмене кислород не используется. В зависимости от организма и условий различаются способы превращения органических веществ и количество получаемой энергии. Некоторые организмы, например дрожжи, переключаются: при доступе кислорода используют аэробный путь, а без него могут получать энергию посредством брожения.

Сравнение организмов по способу питания и отношению к кислороду

В таблице нужно отдельно проверять источник органики и способ получения энергии: это разные признаки. Например, готовую органику может использовать как аэробный, так и анаэробный организм. Примеры показывают типичные случаи, но не отменяют различий между отдельными видами.

Разбор задач

Задача 1. Нужно определить, является ли зелёное растение автотрофом или гетеротрофом, и указать источники его углерода и энергии.

1. Сначала выясняем, откуда растение получает углерод для органических веществ. При фотосинтезе оно поглощает углекислый газ, поэтому источник углерода — неорганическое вещество.
2. Затем определяем источник энергии. Для фотосинтеза растение использует свет, а не углекислый газ и не готовую органику из почвы.
3. Сопоставляем это с определением: образование органики из неорганических веществ означает автотрофный способ питания. Почва поставляет воду и минеральные вещества, но не является источником готовой органики для фотосинтеза.

Ответ: зелёное растение — автотроф; углерод оно получает из углекислого газа, энергию — от света.

Задача 2. Сравните получение энергии дрожжами при наличии и отсутствии кислорода и определите их группу по отношению к кислороду.

1. При наличии кислорода дрожжи могут использовать его в аэробном энергетическом обмене, расщепляя органические вещества.
2. Если кислорода нет, дрожжи способны получать энергию при брожении. Следовательно, отсутствие кислорода не прекращает их обмен, а меняет его путь.
3. Так как дрожжи могут работать в обоих условиях, их относят к организмам, способным переключаться между аэробным и анаэробным обменом. Нельзя считать их только строгими аэробами или организмами, которым кислород всегда вреден.

Ответ: при кислороде дрожжи используют аэробный путь, без него — брожение; они способны жить при разных условиях по кислороду.

Задача 3. Организм поглощает готовые органические вещества и получает энергию при их распаде с участием кислорода. Определите его тип питания и отношение к кислороду.

1. Готовая органика поступает извне, значит, организм не создаёт её из неорганических веществ как единственный источник углерода. По способу питания это гетеротроф.
2. В условии прямо сказано, что кислород участвует в получении энергии. Это признак аэробного обмена, поэтому организм относят к аэробам.
3. Проверяем, что выводы основаны на разных данных: готовая органика определяет тип питания, а участие кислорода — способ энергетического обмена. Одно свойство не выводится из другого.

Ответ: организм — гетеротроф и аэроб.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что автотрофы получают энергию из углекислого газа. Её допускают, потому что углекислый газ часто упоминают рядом с фотосинтезом, однако он служит источником углерода, а энергию дают свет или химические реакции. Проверка: отдельно назовите вещество, поставляющее углерод, и источник энергии.

Ошибка — смешивать автотрофный и гетеротрофный способы питания с аэробным и анаэробным обменом. Первые характеризуют источник углерода и органики, вторые — использование кислорода при получении энергии. Чтобы проверить себя, задайте два отдельных вопроса: откуда организм получает органические вещества и участвует ли кислород в энергетических процессах?

Ошибка — считать, что кислород вреден всем анаэробам. Некоторые организмы действительно не переносят его, но другие способны жить при разных условиях и переключать пути обмена. Проверяйте формулировку: слово «анаэробный» указывает на процесс без кислорода, а не автоматически на вред кислорода для любого организма.

Ошибка — представлять обмен веществ только как распад органики. Такое упрощение возникает потому, что распад заметно связан с высвобождением энергии, но клетке также необходимо создавать собственные молекулы. Проверка: найдите в описании обмена и распад, и синтез — без пластического процесса невозможно строить и обновлять клеточные структуры.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать состав клетки, различия между органическими и неорганическими веществами и роль АТФ как переносчика энергии. Эти знания помогают проследить, какие вещества служат сырьём для реакций и как клетка получает энергию для работы.

Дальше понятия пригодятся при изучении фотосинтеза и хемосинтеза — способов образования органических веществ, а также клеточного дыхания и брожения — путей получения энергии. Сравнивая эти процессы, можно увидеть, как организмы используют разные источники вещества и энергии.

Что запомнить

• Обмен веществ включает поступление, превращение и выведение веществ.
• Пластический и энергетический обмен взаимосвязаны.
• Автотрофы создают органические вещества из неорганических.
• Гетеротрофы используют готовые органические вещества.
• Аэробы получают энергию с участием кислорода.
• Анаэробный обмен происходит без участия кислорода.
• Способ питания и отношение к кислороду — разные признаки организма.