§ 30. Типы клеточного питания. Хемосинтез

Определения и обозначения

Автотрофное питание — получение организмом органических веществ из неорганических. Чтобы построить органические молекулы, автотрофу нужны углерод и энергия: углерод обычно поступает из углекислого газа, а энергию организм получает от света или химических реакций. Поэтому автотрофность описывает способ получения вещества, но сама по себе не означает зависимость от освещения. Это различие помогает отделить фотосинтез от хемосинтеза.

Гетеротрофное питание — получение готовых органических веществ из окружающей среды или других организмов. Гетеротроф не создаёт весь необходимый органический материал только из углекислого газа, а использует уже синтезированные молекулы. Они становятся источником углерода и строительным материалом, а при расщеплении могут давать энергию. К гетеротрофам относятся, например, животные и грибы.

Фотосинтез — синтез органических веществ из углекислого газа и воды за счёт энергии света. У растений и многих водорослей свет поглощает хлорофилл — зелёный пигмент, который помогает преобразовать световую энергию в химическую. Эта энергия запасается в химических связях образующихся органических веществ. Так солнечная энергия становится доступной клетке.

Хемосинтез — синтез органических веществ из углекислого газа за счёт энергии, выделяющейся при окислении неорганических веществ. Окисление — это химическая реакция, при которой вещество отдаёт электроны; её энергия может быть использована клеткой. Свет для процесса не нужен, поскольку его заменяет химический источник энергии. Определение помогает отличить хемосинтез от фотосинтеза и от питания готовой органикой.

Как это устроено

Клетка не может строить свои структуры из одной только энергии: ей нужны вещества, из которых можно собрать молекулы. Органические соединения содержат углерод и входят в состав клеточных структур, а их расщепление может обеспечивать клетку энергией. Поэтому организму необходимо получать и строительный материал, и энергию для процессов жизнедеятельности. Способ решения этой задачи зависит от того, умеет ли организм синтезировать органические вещества сам.

При автотрофном питании углерод для органических молекул обычно поступает из углекислого газа — неорганического вещества. Однако превращение углекислого газа в органические соединения требует энергии, поэтому автотрофам необходим её источник. Если энергию даёт свет, происходит фотосинтез; если она высвобождается при окислении неорганических веществ, возможен хемосинтез. Следовательно, источник углерода и источник энергии — разные характеристики питания.

При фотосинтезе хлорофилл поглощает свет, и энергия света преобразуется в химическую энергию. За её счёт из углекислого газа и воды образуются органические вещества; у растений при этом также выделяется кислород. Упрощённо общую схему можно записать так: углекислый газ + вода + световая энергия → органические вещества + кислород. Хлорофилл нужен для поглощения света, но углерод в органических веществах берётся не из него, а из углекислого газа.

При хемосинтезе клетка получает энергию из химических реакций окисления. Например, при окислении аммиака, сероводорода или соединений железа выделяется энергия, часть которой организм использует для синтеза органических веществ из углекислого газа. Само окисляемое вещество обеспечивает процесс энергией, а не обязательно служит источником углерода. Благодаря этому хемосинтез может происходить в темноте.

Хемосинтезирующие организмы — некоторые бактерии и археи; разные их группы используют разные неорганические вещества. Они преобразуют соединения азота, серы и железа, поэтому участвуют в круговоротах этих элементов и влияют на состав среды. В отличие от организмов, которым для синтеза нужен свет, хемосинтетики используют химическую энергию. Это позволяет им существовать, например, в местах без освещения, если там есть подходящие вещества для окисления.

Сравнение способов получения органических веществ

Сначала сравни источник углерода: так можно понять, синтезирует ли организм органические вещества сам или получает их готовыми. Затем проверь источник энергии — именно он различает фотосинтез и хемосинтез. Последние строки таблицы помогают связать особенности питания с условиями жизни и ролью организмов в экосистеме.

Разбор задач

Задача 1. Организм использует энергию света и углекислый газ для образования органических веществ. Определите тип питания и назовите источник энергии. Для решения отделим вопрос о происхождении углерода от вопроса об энергии. Это позволит не принять углекислый газ за источник энергии.

1. Углекислый газ даёт углерод, который включается в состав органических веществ.
2. Организм самостоятельно синтезирует органические вещества из неорганических, значит, его питание автотрофное.
3. Энергия поступает от света, поэтому способ синтеза — фотосинтез.

Ответ: автотрофное питание, фотосинтез; источник энергии — свет.

Задача 2. Бактерии окисляют аммиак и используют выделившуюся энергию для синтеза органических веществ из углекислого газа. Определите процесс и источник энергии. В условии указаны и источник углерода, и реакция, дающая энергию. Для распознавания процесса важна именно эта реакция, а не только то, что исходным углеродным веществом служит углекислый газ.

1. Углекислый газ служит источником углерода для органических веществ.
2. Аммиак — неорганическое вещество, которое бактерии окисляют.
3. Энергия окисления используется для синтеза, значит, происходит хемосинтез.

Ответ: хемосинтез; источник энергии — окисление аммиака.

Задача 3. В первом сообществе органические вещества синтезируются при освещении, а во втором — в темноте за счёт окисления сероводорода. Укажите процессы и объясните различия в энергетическом обеспечении. Сначала определим, что обеспечивает синтез в каждом сообществе. Затем сопоставим это с признаками фотосинтеза и хемосинтеза.

1. В первом сообществе есть освещение, необходимое для использования световой энергии при синтезе органических веществ.
2. Следовательно, в первом сообществе происходит фотосинтез, а энергия поступает от света.
3. Во втором сообществе свет не используется: энергия высвобождается при окислении сероводорода.
4. Значит, во втором сообществе происходит хемосинтез, а источником энергии служит окисление сероводорода.

Ответ: в первом сообществе — фотосинтез, во втором — хемосинтез. Различие в том, что в первом случае клетки используют световую энергию, а во втором — энергию химической реакции окисления.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что любой автотроф использует свет. Так думают, потому что растения и фотосинтез знакомы лучше, чем хемосинтез, однако автотрофы различаются по источнику энергии. Проверь себя: если энергия выделяется при окислении неорганических веществ, это не фотосинтез. Такой автотроф может обходиться без света.

Не смешивай источник углерода с источником энергии. Углекислый газ обычно поставляет углерод, а свет или окисление вещества обеспечивает энергией синтез; путаница возникает потому, что оба источника упоминаются в описании одного процесса. Для проверки задай два отдельных вопроса: «Откуда берётся углерод?» и «За счёт чего идёт синтез?». Ответы на них могут обозначать разные вещества или явления.

Хемосинтез нельзя приписывать растениям: его осуществляют некоторые бактерии и археи. Ошибка возникает, если считать, что любой организм, образующий органические вещества из углекислого газа, обязательно является растением. Проверь себя по способу получения энергии и группе организмов: растения используют фотосинтез, а хемосинтез характерен для отдельных микроорганизмов.

Окисляемое неорганическое вещество при хемосинтезе не следует автоматически считать источником углерода. Его окисление высвобождает энергию, тогда как углерод для органических веществ обычно поступает из углекислого газа. Путаница появляется из-за того, что оба вещества участвуют в процессе. Чтобы проверить рассуждение, отдельно укажи вещество, которое окисляется, и источник углерода.

Связь с другими темами

Для понимания питания нужно знать, чем органические вещества отличаются от неорганических, зачем клетке углекислый газ и что такое обмен веществ. Эти знания помогают различать материал для синтеза и энергию, необходимую для реакций. Без такого разделения легко перепутать источники углерода и энергии.

Фотосинтез и хемосинтез связаны с превращением энергии в клетке, а клеточное дыхание — с высвобождением энергии из органических веществ. Сопоставляя процессы, можно проследить, как энергия поступает в живые системы и затем используется клетками. При этом способы получения органических веществ не следует смешивать с их последующим расщеплением.

Хемосинтез важен для понимания круговоротов азота, серы и железа: микроорганизмы превращают соединения этих элементов. Он также помогает объяснить существование экосистем без солнечного света, где органическая основа создаётся за счёт химической энергии. Поэтому тема объединяет клеточное питание с экологией микроорганизмов.

Что запомнить

• Автотрофы синтезируют органические вещества из неорганических.
• Гетеротрофы используют готовые органические вещества.
• При фотосинтезе источником энергии служит свет.
• При хемосинтезе энергию получают при окислении неорганических веществ.
• Хемосинтез осуществляют некоторые бактерии и археи.
• И при фотосинтезе, и при хемосинтезе углерод для синтеза органических веществ может поступать из углекислого газа.