Автотрофный тип питания¶
Автотрофный тип — способ питания организмов, при котором органические вещества синтезируются из неорганических соединений (углекислого газа, воды, минеральных солей) за счёт энергии света или химических реакций. Организмы, использующие такой тип питания, называются автотрофами; они составляют основу биосферы, являясь первичными продуцентами органического вещества.
¶Классификация автотрофов
По источнику энергии автотрофы делятся на две группы:
| Тип | Источник энергии | Примеры |
|---|---|---|
| Фототрофы | Световая энергия | Зелёные растения, водоросли, цианобактерии |
| Хемотрофы | Энергия окислительно-восстановительных реакций | Нитрифицирующие и железоокисляющие бактерии |
По источнику углерода различают:
- Автотрофы — используют неорганический углерод (CO₂);
- Гетеротрофы — усваивают готовые органические соединения.
Такое деление было предложено в 1890-х годах немецким ботаником Альбертом Франком и получило развитие в работах Вильгельма Пфеффера.
¶Фотосинтез
Основной путь автотрофного питания на Земле — фотосинтез. У высших растений он протекает в хлоропластах и включает две стадии:
- Световая стадия — происходит на тилакоидных мембранах, сопровождается фотолизом воды, синтезом АТФ и восстановлением NADP⁺. Конечные продукты — АТФ, NADPH и кислород.
- Тёмная стадия (цикл Кальвина) — в строме хлоропласта CO₂ фиксируется ферментом рибулозобисфаткарбоксилазой (Рубиско) и восстанавливается до углеводов с использованием АТФ и NADPH.
Общее уравнение фотосинтеза:
6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂
Бактериальный фотосинтез (у пурпурных и зелёных бактерий) отличается отсутствием фотолиза воды и выделения кислорода; в качестве доноров электронов используются сероводород, элементарная сера или органические вещества.
¶Хемосинтез
Хемотрофные автотрофы синтезируют органику, окисляя неорганические субстраты. Ключевые группы:
- Нитрифицирующие бактерии (Nitrosomonas, Nitrobacter) — окисляют аммиак до нитритов, а затем нитритов до нитратов;
- Железоокисляющие бактерии (Acidithiobacillus ferrooxidans) — окисляют двухвалентное железо;
- Серобактерии — окисляют сероводород и элементарную серу;
- Метанотрофы — используют метан в качестве источника углерода и энергии.
Хемосинтез был открыт в 1880-х годах русским микробиологом Сергеем Виноградским, который впервые описал жизненный цикл нитрифицирующих бактерий и ввёл понятие «автотрофность».
¶Роль в биосфере
Автотрофы обеспечивают:
- Первичную продукцию — годовой объём фотосинтеза на Земле оценивается в 100–115 млрд тонн сухой массы;
- Кислородную атмосферу — практически весь свободный O₂ в атмосфере является продуктом фотосинтеза;
- Основу пищевых цепей — без автотрофов гетеротрофные организмы лишены источника органического вещества и энергии.
В океане основную часть первичной продукции создают фитопланктон (диатомовые водоросли, кокколитофориды, цианобактерии), на который приходится около половины глобального фотосинтеза.
¶Эволюция автотрофности
Появление автотрофного питания связывают с возникновением фотосинтезирующих бактерий около 3,5–3,0 млрд лет назад. Кислородный фотосинтез, развившийся у цианобактерий, привёл к Великому кислородному событию около 2,4 млрд лет назад, после которого кислород стал накапливаться в атмосфере, что открыло путь к аэробному дыханию и сложным многоклеточным организмам.
¶Применение
Автотрофные организмы используются в биотехнологии: микроводоросли — для производства биодизеля и нутрицевтиков, хемосинтезирующие бактерии — в гидрометаллургии для извлечения металлов из руд, цианобактерии — в биоудобрениях и проектах жизнеобеспечения в условиях космических полётов.
¶Источники
- Тауберг А. И. Ботаника: учебник для вузов. — М.: Академия, 2006.
- Виноградский С. Н. Микрофлора почвы и её роль в процессах минерализации органических веществ. — СПб., 1897.
- Кузьмин В. В. Ботаника: учебник. — М.: Колос, 2006.
- Мамаев С. А. Ботаника: систематика высших растений. — М.: Издательство МГУ, 1990.
- Биология: учебник для 9 класса / под ред. И. Н. Пономарёвой. — М.: Просвещение, 2018.