§ 31. Типы клеточного питания. Фотосинтез

Определения и обозначения

Автотрофное питание — получение органических веществ из неорганических с использованием энергии света или химических реакций. Например, из углекислого газа клетка может построить углеводы. Это понятие показывает, что организму не обязательно получать готовую органическую пищу.

Гетеротрофное питание — получение органических веществ и энергии за счёт готовых органических веществ. Их источником служат другие организмы или их продукты. Такой способ позволяет использовать уже созданные органические соединения, а не синтезировать их из неорганических.

Фотосинтез — образование органических веществ из углекислого газа и воды с использованием энергии света; при этом выделяется кислород. У растений процесс идёт в хлоропластах — органоидах с пигментами, поглощающими свет. Фотосинтез помогает запасать энергию света в химических связях органических веществ.

Хемосинтез — образование органических веществ из углекислого газа за счёт энергии окисления неорганических веществ. Его осуществляют некоторые бактерии, которым для получения энергии не нужен свет. Это понятие объясняет, как автотрофное питание возможно там, где нет освещения.

Как это устроено

Клеточное питание различают по двум признакам: источнику углерода для построения органических молекул и источнику энергии для этого процесса. Если углерод поступает из углекислого газа, организм относят к автотрофам; если он получает готовые органические вещества — к гетеротрофам. По источнику энергии выделяют фототрофов, использующих свет, и хемотрофов, получающих энергию в химических реакциях. Эти признаки не следует смешивать: способ получения углерода и способ получения энергии отвечают на разные вопросы.

При фотосинтезе свет поглощают пигменты хлоропластов, прежде всего хлорофилл. Энергия света приводит к реакциям световой фазы, в которой расщепляется вода, выделяется кислород и образуются АТФ и восстановленный НАДФ. АТФ служит переносчиком энергии, а восстановленный НАДФ — переносчиком частиц, необходимых для дальнейших превращений. Поэтому световая фаза не просто улавливает свет, а переводит его энергию в формы, которые клетка может использовать.

В темновой фазе углекислый газ связывается и включается в реакции образования углеводов. Непосредственно поглощать свет для этих реакций не требуется, однако они используют АТФ и восстановленный НАДФ, образованные на свету. Название «темновая» описывает отсутствие прямого требования к свету, а не обязательное протекание процесса ночью. Если продукты световой фазы недоступны, темновая фаза тоже не сможет нормально идти.

Суммарное уравнение фотосинтеза часто записывают так: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ (свет, пигменты). Оно показывает, что углекислый газ и вода используются для образования органического вещества и кислорода. Но эта запись объединяет множество отдельных реакций в одну схему. Она не показывает промежуточные соединения, последовательность превращений и то, что выделяемый кислород образуется из воды.

Интенсивность фотосинтеза зависит от освещённости, концентрации углекислого газа и температуры. Каждый фактор влияет на реакции по-своему, а общий результат определяет тот из них, которого в данных условиях не хватает сильнее всего. Например, дополнительный свет не даст заметного ускорения, если процесс уже ограничен недостатком CO₂. Это объясняет, почему повышение одного показателя не всегда увеличивает скорость фотосинтеза.

Типы клеточного питания

Сначала определите, откуда организм получает углерод, а затем — откуда получает энергию. Так вы не перепутаете автотрофное питание с использованием света: автотроф может получать энергию и от химических реакций. Указанные в таблице группы обобщены, поэтому конкретный организм полезно проверять по обоим признакам.

Разбор задач

Задача 1. Определите тип питания растения, животного и серобактерии, указав источник углерода и энергии. Сначала разделим два вопроса: источник углерода определяет, автотроф это или гетеротроф, а источник энергии показывает, является ли организм фото- или хемотрофом. Растение использует свет, животное — энергию органических веществ, а серобактерия может получать энергию при окислении неорганических соединений серы.

1. У растения источником углерода служит CO₂, а энергию для синтеза органических веществ даёт свет. Значит, оно автотроф и фототроф. Такой тип питания называют фотоавтотрофным.
2. Животное получает углерод вместе с готовыми органическими веществами пищи. Энергию оно высвобождает при их расщеплении, поэтому относится к гетеротрофам. Поглощение солнечного света не служит источником энергии для его клеточного питания.
3. Серобактерия использует CO₂ как источник углерода. Энергию она получает при окислении неорганических соединений серы, поэтому это хемоавтотроф. В данном случае автотрофность не означает обязательное использование света.

Ответ: растение — фотоавтотроф; животное — гетеротроф; серобактерия — хемоавтотроф. У первых и третьего источником углерода служит CO₂, а у животного — готовая органика.

Задача 2. Запишите суммарное уравнение фотосинтеза и назовите поступающие вещества и продукты. Уравнение должно показывать исходные вещества слева и образующиеся вещества справа. Коэффициенты нужны, чтобы уравнять количество атомов каждого элемента в обеих частях записи.

1. Записываем углекислый газ и воду как исходные вещества: CO₂ и H₂O. Они используются в процессе при наличии света и фотосинтетических пигментов. Углерод органического продукта поступает из CO₂.
2. В качестве упрощённого органического продукта указываем глюкозу C₆H₁₂O₆, а вторым продуктом — кислород O₂. Для шести атомов углерода глюкозы нужны 6CO₂. Затем коэффициентами уравниваем водород и кислород.
3. Получаем суммарную запись: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ (свет, пигменты). Скобка указывает условия процесса, а не дополнительное вещество. Уравнение обобщает итог, но не описывает промежуточные реакции.

Ответ: в фотосинтез поступают углекислый газ и вода; образуются органическое вещество, в записи — глюкоза, и кислород. Выделяемый кислород связан с расщеплением воды.

Задача 3. Температура и освещённость постоянны, концентрацию CO₂ повысили, но скорость фотосинтеза почти не изменилась. Нужно объяснить наблюдение и предложить условие ускорения процесса. Повышение концентрации одного исходного вещества должно помогать лишь тогда, когда именно его недостаток сдерживает фотосинтез.

1. Сравниваем три условия, влияющих на скорость: освещённость, концентрацию CO₂ и температуру. Концентрацию CO₂ увеличили, но заметного эффекта нет. Значит, углекислый газ, вероятно, уже не был главным ограничителем.
2. Предполагаем, что скорость сдерживает другой фактор, например недостаточная освещённость или температура, не соответствующая оптимальной для реакций. Увеличивать CO₂ дальше в такой ситуации малоэффективно. Нужно выяснить, какой фактор находится в недостатке.
3. Если ограничивает освещённость, её повышение при достаточном CO₂ и подходящей температуре может увеличить скорость. Если же ограничивает температура, нужно приблизить её к подходящему для растения диапазону. Изменять следует именно ограничивающий фактор, учитывая, что чрезмерные значения тоже могут быть вредны.

Ответ: скорость почти не изменилась, потому что процесс ограничивает другой фактор, а не концентрация CO₂. Скорость может возрасти, если устранить этот недостаток, например обеспечить подходящую освещённость при благоприятной температуре.

Типичные ошибки

Автотрофное питание иногда считают синонимом фотосинтеза. Так происходит потому, что фотосинтез — знакомый пример создания органических веществ из неорганических, но это только один способ автотрофного питания наряду с хемосинтезом. Чтобы проверить себя, спросите, означает ли термин источник углерода или конкретный способ получения энергии: фотосинтез указывает на использование света.

Ошибочно полагать, что все автотрофы используют свет. Световые примеры растений и водорослей могут заслонить существование хемоавтотрофов, получающих энергию при окислении неорганических веществ. Проверка проста: отдельно назовите источник углерода и источник энергии. Если углерод поступает из CO₂, организм автотрофен, даже когда энергия не связана со светом.

Выделяемый при фотосинтезе кислород иногда приписывают углекислому газу, поскольку CO₂ входит в суммарное уравнение. Но в световой фазе расщепляется вода, и именно с ней связан выделяемый O₂. Проверяя объяснение, разделите исходные вещества и проследите, какой из них расщепляется при образовании кислорода. Общее уравнение само по себе не показывает эту последовательность.

Темновую фазу неверно представлять как набор реакций, которые обязательно идут ночью. Название можно понять слишком буквально, хотя оно означает, что реакции не требуют непосредственного поглощения света. Они используют вещества, созданные световой фазой, поэтому связаны с ней. Для проверки спросите, сможет ли темновая фаза идти без продуктов, образующихся на свету.

Связь с другими темами

Для понимания фотосинтеза нужны знания о строении хлоропласта и роли мембран: на мембранах происходят связанные со светом процессы. Различие органических и неорганических веществ помогает проследить, из чего образуются органические соединения. С клеточным дыханием фотосинтез связан через превращения энергии и обмен углеродом и кислородом, хотя это разные процессы. Эти знания пригодятся при изучении продуктивности экосистем, пищевых цепей и глобального круговорота веществ.

Что запомнить

• Автотрофы используют углекислый газ как источник углерода.
• Гетеротрофы получают готовые органические вещества.
• Фотосинтез использует энергию света.
• Хемосинтез использует энергию окисления неорганических веществ.
• В световой фазе образуются АТФ и восстановленный НАДФ, при расщеплении воды выделяется кислород.
• Скорость фотосинтеза может ограничиваться освещённостью, концентрацией углекислого газа или температурой.