Автотрофные растения¶
Автотрофные растения — это растения, способные синтезировать органические вещества из неорганических соединений (углекислого газа и воды) за счёт энергии света, то есть являющиеся автотрофами. Вместе с автотрофными водорослями и цианобактериями они образуют группу фототрофов, составляющую основу биосферы как по массе, так и по роли в круговороте веществ.
¶Происхождение термина
Понятие «автотроф» ввёл в 1895 году немецкий ботаник и химик Вильгельм Пфеффер, противопоставив его гетеротрофам — организмам, получающим готовые органические вещества из внешней среды. В русскоязычной литературе термин закрепился в работах по физиологии растений и биохимии начала XX века.
¶Фотосинтез как основа автотрофности
Ключевой процесс, обеспечивающий автотрофность растений, — фотосинтез. В ходе световой фазы энергия фотонов используется для синтеза АТФ и восстановления NADP⁺, а в темновой фазе (цикле Кальвина) углекислый газ фиксируется ферментом рибулозодифосфаткарбоксилазой (Рубиско) и восстанавливается до углеводов.
Общее уравнение фотосинтеза:
6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂
Существует три основных типа фотосинтеза, различающихся по первичному акцептору углекислого газа:
| Тип | Акцептор CO₂ | Продукт | Типичные растения |
|---|---|---|---|
| C3 | Рибулозо-1,5-бисфосфат | 3-фосфоглицерат | Пшеница, рис, большинство древесных пород |
| C4 | Фосфoenолпируват | Щавелево-уксусная кислота | Кукуруза, сорго, сахарный тростник |
| CAM | Фосфoenолпируват (ночью) | Щавелево-уксусная кислота | Кактусы, агавы, бромелиевые |
¶Хемосинтезирующие растения
Помимо фотосинтеза, автотрофность у растений может проявляться в форме хемосинтеза — синтеза органики за счёт энергии окислительно-восстановительных реакций. Этот путь характерен для некоторых бактерий (нитрифицирующие, железобактерии), но у высших растений хемосинтез не наблюдается. Существование растений, сочетающих фотосинтез с хемосинтезом, не подтверждено.
¶Экологическая роль
Автотрофные растения выполняют в экосистемах несколько ключевых функций:
- Продуценты — создают первичную органическую массу, на которой основана вся пищевая цепь.
- Газообмен — поглощают углекислый газ и выделяют кислород, поддерживая его концентрацию в атмосфере.
- Круговорот веществ — участвуют в переносе и трансформации макро- и микроэлементов.
- Формирование почвы — отмершие растительные остатки являются основой гумуса.
По оценкам учёных, автотрофные организмы (преимущественно растения и фитопланктон) фиксируют около 100–115 млрд тонн углерода в год, что определяет глобальный баланс углерода в биосфере.
¶Эволюция автотрофности
Автотрофность возникла в результате эволюции фотосинтеза. Древнейшие свидетельства фотосинтезирующих организмов — строматолиты — датируются около 3,5 млрд лет назад. Кислородный фотосинтез, давший начало накоплению кислорода в атмосфере, появился около 2,4–2,7 млрд лет назад (Великое кислородное событие). Высшие растения вышли на сушу в силуре — девоне (около 430 млн лет назад), и с этого момента автотрофная растительность стала основным продуцентом наземных экосистем.
¶Применение
Знание об автотрофности растений используется в сельском хозяйстве (селекция высокоэффективных фотосинтезирующих сортов), биотехнологии (создание трансгенных растений с улучшенным фотосинтезом) и экологии (моделирование глобального углеродного цикла). В России исследования фотосинтеза ведутся в Институте физиологии растений РАН, Институте биологии развития РАН и ряде университетских лабораторий.
¶Источники
- Лотте Х. С. История развития учения о фотосинтезе. — М.: Наука, 1973.
- Таусон В. Л. Биохимия растений. — М.: Высшая школа, 1971.
- Глазачева Н. А. Фотосинтез и продуктивность растений. — М.: Изд-во МГУ, 2010.
- Пеньковский В. В. Физиология растений. — М.: Изд-во МГУ, 2012.
- Соломон Э., Мартин К., Берг Д., Мартин Р. Биология. — М.: Питер, 2009.