4.3. Автотрофный тип обмена веществ

Определения и обозначения

Автотрофный тип обмена веществ — способ обмена, при котором организм образует органические вещества из неорганических, используя внешний источник энергии. Это определение показывает, что автотроф не берёт готовую органику для построения своего тела. Оно помогает отличить способ получения веществ от обычного поглощения пищи.

Фотосинтез — образование органических веществ из углекислого газа и воды за счёт энергии света. Свет поглощают специальные пигменты, а полученная энергия обеспечивает реакции синтеза. При кислородном фотосинтезе выделяется кислород, поэтому процесс связан также с газообменом организма.

Хемосинтез — образование органических веществ из неорганических за счёт энергии, выделяющейся при окислении неорганических веществ. Окисление — химическая реакция, во время которой вещество отдаёт электроны; в таких реакциях освобождается доступная клетке энергия. Это понятие важно, потому что позволяет объяснить автотрофное питание без использования света.

Автотрофы — организмы, которые сами синтезируют органические вещества, используя неорганический источник углерода, обычно углекислый газ. Их относят к этой группе по способу получения углерода для построения органики, а не только по внешнему виду или среде обитания. Поэтому к автотрофам принадлежат не одни растения, но и некоторые бактерии.

Как это устроено

Для синтеза органических веществ клетке нужен углерод, который станет основой углеводов, жиров и других соединений. Большинство автотрофов получает его из углекислого газа и включает в состав органических молекул. Такой процесс называют фиксацией углекислого газа: неорганический углерод становится частью вещества организма. Поэтому наличие углекислого газа важно, даже если организм получает энергию не от света.

Соединить исходные неорганические вещества в более сложные органические молекулы без затрат энергии нельзя. Энергия нужна, чтобы запускать и поддерживать химические реакции синтеза, а её источник зависит от типа автотрофного обмена. При фотосинтезе клетки используют энергию света, при хемосинтезе — энергию химических реакций окисления. Углеродное сырьё при этом не следует путать с энергией: одно даёт материал для молекул, другое позволяет их построить.

При фотосинтезе пигменты поглощают свет определённых участков спектра и передают клетке полученную энергию. Клетка использует её, чтобы из углекислого газа и воды синтезировать органические вещества. Поглощение углекислого газа и выделение газов связывают фотосинтез с газообменом: при кислородном варианте выделяется кислород. Свет нужен не как сырьё для органики, а как источник энергии для её образования.

При хемосинтезе специальные бактерии получают энергию, окисляя отдельные неорганические вещества, например соединения азота или серы. Освободившаяся энергия используется клеткой для фиксации углекислого газа и синтеза органических соединений. Свет и фотосинтетические пигменты для этого процесса не требуются. Поэтому некоторые бактерии могут создавать органическое вещество там, где света мало или нет.

Фотосинтез и хемосинтез сходны тем, что оба приводят к образованию органических веществ из неорганического сырья. Различие между ними определяется прежде всего способом получения энергии: светом или окислительной реакцией. Фотосинтез характерен для растений, водорослей и некоторых бактерий, а хемосинтез — для отдельных групп бактерий. Такое сопоставление помогает не смешивать источник энергии с источником углерода.

Сравнение фотосинтеза и хемосинтеза

Сначала сравнивайте, откуда каждый процесс получает энергию: это главное различие фотосинтеза и хемосинтеза. Затем проверьте источник углерода — в обоих случаях им обычно служит углекислый газ. Такая последовательность не позволяет принять сырьё для синтеза за источник энергии.

Разбор задач

Растение на свету

Условие. Растение на свету образует органические вещества из углекислого газа и воды. Определите тип обмена веществ и назовите процесс. Для ответа отделите источник углерода от источника энергии.

1. Углекислый газ — неорганическое вещество и источник углерода для синтеза органики. Это указывает на автотрофный способ получения углерода.
2. Энергию растение получает от света, а использование световой энергии для синтеза органических веществ характерно для фотосинтеза.
3. Поскольку в условии названы вода, углекислый газ и свет, процесс соответствует фотосинтезу; при кислородном варианте выделяется кислород.

Ответ. Растение ведёт автотрофный обмен веществ; процесс называется фотосинтезом. Углекислый газ даёт углерод, а свет обеспечивает энергией реакции синтеза. Эти две роли не следует смешивать.

Свет или окисление

Условие. В одном процессе энергия поступает от света, а в другом — при окислении неорганического вещества. Назовите оба процесса и укажите их общий признак. Не делайте вывод об источнике углерода только по тому, откуда взялась энергия.

1. Если энергия для синтеза поступает от света, процесс — фотосинтез. Свет здесь является источником энергии, но не источником углерода.
2. Если энергия освобождается при окислении неорганического вещества, процесс — хемосинтез. Такой способ получения энергии характерен для некоторых бактерий.
3. Общий признак состоит в образовании органических веществ из неорганических. В обоих случаях для синтеза обычно используется углекислый газ.

Ответ. Первый процесс — фотосинтез, второй — хемосинтез. Оба обеспечивают автотрофный синтез органических веществ из неорганических. Отличаются они источником энергии.

Бактерии в экосистеме

Условие. Бактерии получают энергию при окислении неорганических соединений и синтезируют органические вещества из углекислого газа. Определите их тип обмена и объясните роль в экосистеме. Важно учесть одновременно и источник энергии, и источник углерода.

1. Окисление неорганических соединений даёт бактериям энергию для реакций. Значит, их процесс не зависит от поглощения света.
2. Углекислый газ служит сырьём для образования органических веществ, поэтому бактерии сами фиксируют неорганический углерод.
3. Сочетание окисления неорганических веществ и синтеза органики из углекислого газа указывает на хемосинтез. Созданная органика становится источником вещества и энергии для других организмов.

Ответ. Это хемоавтотрофные бактерии, осуществляющие хемосинтез. Они вносят органическое вещество в экосистему и поддерживают пищевые связи, в том числе в местах, где фотосинтез ограничен.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что автотрофы получают из среды готовые органические вещества. Так можно решить из-за того, что любой организм поглощает необходимые ему вещества, но у автотрофов главным признаком является самостоятельный синтез органики из неорганических соединений. Чтобы проверить себя, спросите, откуда берётся углерод для органических молекул. Если организм берёт его из углекислого газа и сам строит органику, это автотрофный способ.

Ошибка — путать источник углерода с источником энергии. Углекислый газ называют сырьём для синтеза, а свет или окислительная реакция обеспечивают энергией; смешение возникает, когда оба фактора перечисляют рядом. Проверяйте их отдельными вопросами: «Из чего строятся молекулы?» и «Что даёт энергию реакциям?». Ответы могут указывать на разные вещества или явления.

Ошибка — сводить автотрофный обмен только к фотосинтезу. Фотосинтез знаком по растениям и потому кажется единственным вариантом, однако некоторые бактерии синтезируют органику, используя энергию окисления неорганических веществ. Этот способ называется хемосинтезом. Если в условии говорится об окислении вместо света, проверьте, не описан ли именно он.

Ошибка — утверждать, что любой фотосинтез сопровождается выделением кислорода. Такое представление связано с привычным примером растений, у которых происходит кислородный фотосинтез. Однако фотосинтетические процессы могут идти и без выделения кислорода. Чтобы проверить утверждение, уточните, говорится ли именно о кислородном варианте.

Связь с другими темами

Для понимания автотрофного обмена нужно различать органические и неорганические вещества и знать, что углекислый газ и вода могут участвовать в синтезе органики. Эту тему полезно сопоставлять с клеточным дыханием: при дыхании органические вещества расщепляются с высвобождением энергии, а при автотрофном синтезе из неорганических соединений создаётся органическое вещество. Так легче различать направления обмена веществ.

Автотрофный синтез связан с круговоротами углерода и азота, поскольку организмы включают неорганические элементы в органические соединения. Созданная автотрофами органика поступает в пищевые цепи и влияет на продуктивность экосистем — скорость образования биомассы. Поэтому деятельность автотрофов имеет значение не только для отдельной клетки, но и для целых сообществ.

Что запомнить

• Автотрофы синтезируют органические вещества из неорганических.
• Углекислый газ служит важным источником углерода для автотрофного синтеза.
• Энергия для автотрофного обмена поступает от света или химических реакций.
• Фотосинтез использует энергию света.
• Хемосинтез использует энергию окисления неорганических веществ.
• Фотосинтез и хемосинтез различаются источником энергии, но оба ведут к образованию органических веществ.