§23. Питание клетки

Определения и обозначения

Питание клетки — поступление веществ из окружающей среды и их использование для построения клеточных структур и получения энергии. Иными словами, клетка не просто поглощает вещества, а преобразует их и включает в обмен веществ. Благодаря питанию она растёт, обновляет свои части и поддерживает жизненные процессы.

Автотрофное питание — образование органических веществ из неорганических за счёт энергии света или химических реакций. Автотрофная клетка создаёт органическое вещество из исходных соединений, например углекислого газа и воды. Это позволяет ей не зависеть от готовой органической пищи как основного источника углерода.

Гетеротрофное питание — получение готовых органических веществ из окружающей среды и их последующее расщепление и использование клеткой. Такие вещества могут быть источником энергии и материалом для построения собственных клеточных структур. Поэтому гетеротрофам необходимы другие организмы или продукты их жизнедеятельности.

Хемосинтез — синтез органических веществ из неорганических за счёт энергии окисления неорганических соединений. Окисление — это химическое превращение, при котором выделяется энергия. Хемосинтез важен тем, что позволяет некоторым бактериям создавать органическое вещество даже там, куда не проникает свет.

Как это устроено

В клетку поступают вода, минеральные соли, газы и органические вещества, но набор и количество веществ зависят от типа клетки. Вода служит средой для химических реакций, а минеральные соли нужны, например, для поддержания состава клетки и работы её систем. Углекислый газ может стать исходным веществом для образования органики, а готовые органические соединения клетка использует как пищу. Без постоянного поступления веществ клетка не смогла бы восполнять потери и поддерживать обмен веществ.

Питательные вещества нужны клетке одновременно для двух задач: построения и получения энергии. Из поступивших соединений клетка собирает или обновляет свои структуры, поскольку старые компоненты изнашиваются, а растущей клетке требуется дополнительный материал. Другие вещества расщепляются в ходе химических реакций, и при этом высвобождается энергия. Она необходима для движения веществ внутри клетки, синтеза новых соединений и других процессов, поэтому питание нельзя свести только к «доставке строительного материала».

Автотрофы берут исходные вещества преимущественно из неорганической среды и сами синтезируют из них органические соединения. Энергия для синтеза поступает от света или выделяется при химических реакциях; примеры автотрофов — растения, водоросли и некоторые бактерии. Гетеротрофы получают органические вещества уже готовыми, например с пищей или из окружающей среды, а затем преобразуют их. Так различаются не только исходные вещества, но и способ получения энергии и типичные представители каждой группы.

При фотосинтезе клетка использует энергию света, чтобы образовывать органические вещества из углекислого газа и воды. У растений процесс происходит в хлоропластах — клеточных структурах, содержащих хлорофилл, который поглощает свет. Энергия света обеспечивает превращения исходных веществ, а полученные органические соединения могут использоваться для роста и запасаться. Поэтому фотосинтез связывает энергию Солнца с образованием органического вещества, доступного затем другим организмам.

Хемосинтез возможен без света, потому что его источник энергии — не свет, а химические реакции окисления неорганических соединений. Некоторые бактерии получают таким способом энергию, окисляя, например, соединения серы, азота или железа. Эту энергию они используют для синтеза органических веществ из неорганических. Следовательно, бактерии-хемосинтетики могут быть первичными производителями органического вещества в средах, где фотосинтез затруднён или невозможен.

Сравнение способов питания клеток

Сравнивайте способы питания по всей строке, а не по одному признаку: источник энергии и исходные вещества — разные характеристики. Например, слово «свет» указывает на энергию, но не на строительный материал. Таблица помогает определить способ питания организма и понять его роль в экосистеме.

Разбор задач

Задача 1. Определите способ питания зелёного растения, использующего углекислый газ, воду и энергию солнечного света. Нужно установить, откуда растение получает исходные вещества и что даёт энергию. Само наличие света ещё не ответ, пока мы не связали его с процессом образования органики.

1. Углекислый газ и вода — неорганические вещества, которые служат исходным материалом для синтеза органических соединений. Значит, растение не получает готовую органику как главный источник для этого процесса. Это первый признак автотрофного питания.
2. Солнечный свет обеспечивает энергией превращение исходных веществ. При использовании света для синтеза органики происходит фотосинтез. Поэтому здесь устанавливается и конкретный вид автотрофного процесса.
3. Проверяем два признака вместе: исходные вещества неорганические, а органические соединения образуются в клетке. Источник энергии — свет, а не окисление неорганических соединений. Это отличает фотосинтез от хемосинтеза.

Ответ: растение питается автотрофно; указанный процесс — фотосинтез.

Задача 2. Сравните питание человека и серобактерии: какие вещества они получают из окружающей среды и откуда берут энергию. Сопоставим не названия организмов, а сначала источник органического вещества, затем источник энергии. Это важно, потому что тип питания нельзя определить только по тому, что организм поглощает вещества.

1. Человек получает готовые органические вещества с пищей. Их расщепление высвобождает энергию, а продукты пищеварения клетка использует для обмена веществ и построения своих структур. Следовательно, человек — гетеротроф.
2. Серобактерия, осуществляющая хемосинтез, использует неорганические вещества и получает энергию при окислении соединений серы. Эту энергию она расходует на синтез органических веществ из неорганических. Значит, она относится к автотрофам-хемосинтетикам.
3. Проверяем различие: человеку нужна готовая органика, тогда как серобактерия сама синтезирует её. В первом случае энергия связана с расщеплением органических веществ, во втором — с окислением неорганических соединений. Так выявляются и разные источники энергии.

Ответ: человек — гетеротроф, а серобактерия-хемосинтетик — автотроф; она получает энергию при окислении неорганических соединений серы.

Задача 3. Объясните, почему исчезновение автотрофных организмов нарушило бы питание большинства гетеротрофов в экосистеме. Для ответа нужно проследить, откуда берётся органическое вещество в пищевых цепях. Затем следует выяснить, что произойдёт с организмами, которые получают его не самостоятельно, а от других.

1. Автотрофы образуют органические вещества из неорганических, используя световую или химическую энергию. Так в экосистеме появляется запас органического вещества, который становится пищей для других организмов. Автотрофы поэтому выступают производителями.
2. Гетеротрофы получают готовую органику непосредственно от производителей или через другие звенья пищевой цепи. Если автотрофов не станет, образование нового органического вещества резко сократится. Тогда у потребителей уменьшится доступная пища.
3. Связываем причину и следствие: гетеротрофам нужна готовая органика, а её образование в экосистеме во многом обеспечивают автотрофы. Нарушение первого звена влияет на последующие звенья. Поэтому последствия затронут большинство пищевых цепей.

Ответ: без автотрофов большинство гетеротрофов лишилось бы основного источника органического вещества, и пищевые цепи были бы нарушены.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что автотрофы получают органические вещества только извне. Её допускают, потому что растения действительно поглощают воду и минеральные соли из среды, но это не означает, что они берут оттуда готовую органику. Проверьте себя: автотроф образует органические вещества из неорганических исходных соединений.

Ошибка — называть все бактерии гетеротрофами. Так считают, потому что многие бактерии питаются готовыми органическими веществами, однако существуют и бактерии-хемосинтетики. Чтобы проверить ответ, спросите, может ли организм синтезировать органику из неорганических веществ и откуда берёт энергию.

Ошибка — путать источник энергии с исходным веществом. Например, свет даёт энергию для фотосинтеза, но не становится строительным материалом органических молекул; путаница возникает из-за того, что оба фактора нужны одновременно. Проверьте себя двумя вопросами: «Из чего образуется органика?» и «За счёт чего идёт процесс?»

Ошибка — считать питанием только поглощение пищи. Такое представление пропускает дальнейшую судьбу веществ: они должны быть преобразованы, использованы клеткой или расщеплены с высвобождением энергии. Проверьте себя: включает ли ваше объяснение поступление, преобразование и использование веществ? Если упомянуто только поглощение, оно неполное.

Связь с другими темами

Для понимания питания нужно различать органические и неорганические вещества, знать основы строения клетки и роль хлоропластов. Эти знания помогают объяснить, почему фотосинтез происходит в определённых клеточных структурах, а минеральные соли не являются готовой органической пищей. Далее тема связана с обменом веществ, фотосинтезом и клеточным дыханием: питание обеспечивает клетку веществами, а дыхание помогает высвобождать энергию из органики. В экологии способы питания объясняют положение организмов в пищевых цепях: автотрофы выступают производителями, гетеротрофы — потребителями.

Что запомнить

• Питание клетки обеспечивает её веществами для роста, восстановления и получения энергии.
• Автотрофы синтезируют органические вещества из неорганических.
• Гетеротрофы используют готовые органические вещества.
• Фотосинтез идёт за счёт энергии света.
• Хемосинтез идёт за счёт энергии окисления неорганических веществ.
• Растения, водоросли и некоторые бактерии являются автотрофами.
• Способы питания связывают клеточный обмен веществ с пищевыми цепями.