Читать лекция по биологии: "Гетеротрофные и автотрофные организмы". Реферат автотрофные и гетеротрофные организмы

Гетеротрофные и автотрофные организмы — реферат

Гетеротрофные и автотрофные организмы АВТОТРОФНЫЕ ОРГАНИЗМЫ Организмы, которые способны синтезировать органические вещества, необходимые для жизнедеятельности, из неорганических соединений, принято называть автотрофами. Автотрофные организмы образуют так называемую первичную продукцию - биомассу органического вещества, которая в дальнейшем утилизируется другими организмами. К автотрофам относятся некоторые бактерии и все без исключения виды зеленых растений. Автотрофные организмы способны усваивать углекислый газ из воздуха и превращать его в сложные органические соединения. Таким образом автотрофы строят свое «тело» из неорганических соединений. Каскад биохимических реакций, конечным продуктом которых являются белки и другие органические вещества, необходимые для жизнедеятельности, требует значительных затрат энергии. По способу получения энергии автотрофы подразделяются на фотоавтотрофы и хемоавтотрофы. Фотоавтотрофные бактерии используют энергию солнечных лучей при синтезе органических веществ из двуокиси углерода по типу фотосинтеза у растений. Важным компонентом уитоплазмы таких микробов являются пигменты: бактериопурпурин, бактериохлорин и др. Основная функция пигментов - поглощение и аккумуляция энергии солнечного света. Наиболее типичными представителями группы фотоавтотрофов являются цианобактерии, пурпурные и зеленые серные бактерии. Явление хемосинтеза у бактерий было открыто в 1888 г. выдающимся русским микробиологом С. Н. Виноградским (1856-1953), показавшим, что в клетках нитрофицирующих бактерий одновременно могут протекать процессы окисления аммиака в азотную кислоту и двуокиси углерода в различные органические соединения. Такие микроорганизмы стали называть хемоавтотрофами, т. е. получающими энергию в результате химических реакций. Хемоавтотрофы способны существовать только в присутствии неорганических соединений, при этом определенные виды бактерий способны окислять определенные минеральные вещества. Единственным источником углерода для хемоавтотрофов служит углекислый газ. К группе хемоавтотрофов относятся бесцветные серные бактерии, нитрифицирующие бактерии, железобактерии и др. Все автотрофные микроорганизмы являются свободноживущими формами и не патогенны для животных и человека. Однако среди автотрофов обнаружены микроорганизмы, которые способны усваивать углерод не только из СО2 воздуха, но и из органических соединений. Такие бактерии получили название миксотрофы . В зависимости от способа поглощения азота, микроорганизмы могут подразделяться на аминоавтотрофы и аминогетеротрофы. Аминоавторофы синтезируют белок из минеральных соединений и из воздуха, это в основном почвенные бактерии. У зеленых растений в основе автотрофного типа питания лежит процесс фотосинтеза. Фотосинтез характерен как для высших растений, так и для водорослей, и, как уже упоминалось, фотосинтезирующих бактерий. Но наибольшего совершенства фотосинтез достиг все-таки у зеленых растений. Фотосинтез - это процесс образования необходимых для жизнедеятельности как самих фотосинтезирующих организмов, так и всех других организмов, сложных органических соединений из простых веществ за счет энергии света, поглощаемой хлорофиллом или другими фотосинтетическими пигментами. Во второй половине XIX в. великий русский биолог К. А. Тимирязев открыл, что светопоглощающим элементом растительной клетки является хлорофилл. Хлорофилл входит в структуру хлоропластов. В одной растительной клетке содержится от 20 до 100 хлоропластов. Хлоропласты окружены мембраной, которая содержит большое количество мешочков - тилэакоидов. В тилэакоидах содержатся фотохимические центры и компоненты, участвующие в транспорте электронов и образовании аденозии трифосфорной кислоты (АТФ). Тимирязевым была также доказана прямая зависимость между интенсивностью света и скоростью фотосинтеза. Значение фотосинтеза очень огромно. В результате фотосинтеза растительность Земли ежедневно образует более 100 млрд. т органических веществ (около половины приходится на долю растений морей и океанов), усваивая при этом около 200 млрд. т СО2, и выделяет во внешнюю среду около 145 млрд. т свободного кислорода. ГЕТЕРОТРОФНЫЕ ОРГАНИЗМЫ Организмы, использующие для своего питания готовые органические соединения, называют гетеротрофными. К гетеротрофным организмам относятся все животные и человек, а также некоторые паразитические растения и бактерии. Разделение организмов по типу питания на автотрофные и гетеротрофные весьма условно. Некоторые автотрофы - фотосинтезирующие зеленые растения - могут усваивать небольшое количество органических соединений. Некоторые растения-хищники (росянка, пузырчатка) используют органические соединения для азотного питания, а углеродное питание осуществляется посредством фотосинтеза. Некоторые автотрофы нуждаются в витаминоподобных веществах. В 1933 г. с помощью изотопного метода американские ученые подтвердили, что ярко выраженные гетеротрофы (грибы и бактерии) способны усваивать углерод, поглощая СО2. Для гетеротрофных бактерий источником углерода служат готовые органические соединения: сахара, спирты, молочная, лимонная и уксусная кислоты, а также воск, клетчатка и крахмал. Из микроорганизмов гетеротрофами являются возбудители брожения (спиртового, пропионово - кислого, молочно - кислого и маслянично - кислого), гнилостные и болезнетворные бактерии. В зависимости от используемого субстрата, гетеротрофные микроорганизмы подразделяются на две обширные группы: мета- и паратрофы. Метатрофы используют органические соединения мертвых субстратов. В эту группу входят в основном гнилостные бактерии. Паратрофы используют органические соединения живых организмов. Именно эти микроорганизмы обычно вызывают инфекционные заболевания человека, животных и растений. Гетеротрофы в качестве источника азота используют готовые аминокислоты: такой путь питания называют аминогетеротрофным. Строгими гетеротрофами являются животные и человек. Для них характерен голозойный тип питания. Поступление питательных веществ путем диффузии сменяется образованием органов для принятия пищи. Например, у простейших, наряду с так называемым сопрозойным способом питания (всасыванием пищи всей поверхностью клетки), имеется и анимальный способ, т. е. заглатывание питательных веществ псевдоподиями (выпячивание цитоплазмы), ресничками или жгутиками. У высших животных имеется строго дифференцированная и сложно организованная пищеварительная система. Одним из начальных отделов пищеварительной системы является ротовой аппарат. Строение и функция ротового аппарата у животных разнообразно и зависит от вида корма; в основном различают грызущий, перетирающий, сосущий типы ротового аппарата. Животных условно подразделяют на фитофагов (растительноядные) и зоофагов (плотоядные). Однако имеются и промежуточные, или смешанные формы. Применительно к животным, целесообразнее употреблять термин «пищеварение». Пищеварение - это начальный этап обмена веществ в организме, состоящий в том, что сложные питательные вещества, входящие в состав пищи, распадаются на элементарные частицы, способные к участию в дальнейших этапах обмена веществ. Например, жиры расщепляются до глицерина и жирных кислот, белки - до аминокислот, углеводы - до моносахаридов. Для расщепления сложных веществ в организме животных и человека имеются разнообразные литические ферменты, часть органических веществ расщепляется симбиотическими микроорганизмами (в рубце жвачных и слепой кишке человека). Различают пищеварение в ротовой полости, желудочное и кишечное. В организации процесса переваривания корма у животных и пищи у человека важную роль играют нервная система и железы внутренней секреции. Таким образом осуществляется нервная и гуморальная регуляции пищеварительных процессов. В ротовой полости пища подвергается механической обработке и действию ряда ферментов, в основном, амипазы и мальтазы. В желудке же пища претерпевает значительное химическое превращение. Под воздействием соляной кислоты и большого количества ферментов расщепляется большинство сложных органических веществ. В кишечнике происходит дальнейшее химическое превращение питательных веществ и их всасывание. Автотрофные и гетеротрофные организмы, входящие в состав биогенезов, взаимно связаны между собой так называемыми трофическими связями. Значение трофических связей в структуре экологических сообществ очень велико. Благодаря им осуществляется круговорот веществ на Земле. Автотрофные организмы, ассимилируя неорганические вещества, используя энергию солнечного света или химических реакций, способствуют образованию так называемой первичной продукции - первичной биомассы или органического вещества. Первичная продукция утилизируется гетеротрофными организмами, и значительная роль в этом принадлежит фитофагам. Фитофаги, в свою очередь, становятся жертвами хищников - зоофагов. Отмершие останки животных и растений вновь превращаются в неорганические вещества, благодаря воздействию абиотических факторов внешней среды, а также организмов-редуцентов и гнилостной микрофлоры. Экосистема и ее компоненты: продуценты, консументы, редуценты

В числе биологических компонентов, слагающих экосистему, четко выделяют три группы организмов׃ продуценты, консументы и редуценты.

Продуценты - организмы, создающие органическое вещество из неорганических соединений (автотрофы - растения, создающие органическое вещество путем фотосинтеза, хемотрофы - некоторые организмы, создающие органику за счет химических реакций).

Консументы - организмы, питающиеся органическим веществом (все животные, часть микроорганизмов, паразитические и насекомоядные растения). Различают консументы первого порядка - растительноядные животные, второго - хищники, третьего - многие паразиты и т.д.

Редуценты - организмы, в ходе жизнедеятельности превращающие органическое вещество в неорганическое (большинство микроорганизмов, грибы).

Соотношение биомассы продуцентов, консументов и редуцентов определяет каркасную структуру экосистемы. Обычно это соотношение графически изображают как пирамиду (пирамиду масс, реже чисел, подразумевается число особей). Как правило, основная доля биомассы приходится на продуцентов, число консументов первого порядка существенно меньше, еще меньше совокупность консументов второго порядка и т.д. При переходе от одной ступени пирамиды к другой теряется от 7 до 15% энергии. Поэтому число ступеней пирамиды ограничено, обычно 5 - 7.

Важнейший компонент экосистемы - организмы - в той или иной мере определяют ее облик. При этом одни из них формируют его в большей степени, чем другие. Виды, играющие основную роль в создании биосреды в экосистеме, называются эдификаторами. Обычно это растения. Однако и животные могут играть эту роль, например, сойка, распространяющая желуди, сурки, создающие (меняющие) условия произрастания растений в степи, почвенные или глубоководные животные (в глубинах океана растения отсутствуют). Организмы, менее влияющие на создание среды и облика экосистемы, называются ассектаторами. Условия их существования определяются эдификаторами.

К числу компонентов экосистемы помимо организмов относится ряд других материальных составляющих׃ энергия (включая все лучевые, волновые и квантовые источники), газовый состав (атмосфера), вода (жидкая составляющая), почвосубстрат. Экологические компоненты обеспечивают круговорот веществ и закономерное прохождение потока энергии в биосфере (глобальной экосистеме). Энергия Солнца, попадая на растения, создает предпосылки для фотосинтеза и продуцирования органического вещества с привлечением газов атмосферы и минеральных веществ из субстрата. Органическое вещество растений потребляется животными и паразитическими растениями и, как растительное, так и животное, вновь разлагается после смерти организмов редуцентами на простые соединения (соли, газы), возвращающиеся таким образом в атмосферу и почвогрунты.

Существенным свойством экосистемы является время ее существования. Вообще, под системным временем (характерным собственным временем системы) подразумевают время, рассматриваемое в масштабе периода существования данной системы или происходящих в ней процессов. Например, время жизни особи, смены поколений, продолжительности существования вида организмов планеты. Для каждой из перечисленных выше систем характерны своя пространственная протяженность (объем, площадь) и масса, а также (минимальное) количество подсистем, позволяющее системе существовать и функционировать. Время жизни биосферы больше, чем время существования умеренных лесов северного полушария планеты, а время существования конкретного участка леса или поляны меньше, чем лесной зоны в целом.

В ходе развития нашей планеты менялся качественно и количественно состав компонентов. Естественно, что изменялись и сами экосистемы. Способность экосистем адаптироваться к изменениям весьма важна. Экосистема представляет собой совокупность разных компонентов. В то же время ее особенности определяются не только суммой их свойств. Универсальное свойство экосистем - их эмерджентность ( возникновение, появление нового). Так, лес - не одно дерево, а множество, которое образует новое свойство.

Различают циклическую (флуктуационную) и поступательную динамику экосистем. К числу циклических изменений относят различные (по времени) типы динамики. Самый простой из них - суточный (связан с изменением освещенности, фотосинтеза, активности дневных, сумеречных или ночных животных). Сезонная динамика определяется положением планеты по отношению к солнцу, что вызывает чередование весны, лета, осени и зимы. Солнечная активность определяет многолетнюю динамику экосистем (2-, 4-, 11-летние циклы и т.п.). Более сложными космическими и планетарными процессами определяются длительные циклы, протяженность которых охватывает периоды от нескольких десятилетий до миллионов лет. Для циклических изменений экосистем характерны их более или менее правильная периодичность.

Поступательная динамика экосистем обычно связана с внедрением в их состав новых видов либо сменой одних видов другими.

В конечном счете и тот и другой процесс приводят к смене биоценозов или экосистем в целом. Такие смены получили название сукцессий (от лат. сукцессио - преемственность, наследование). В случае, если сукцессия обуславливается внешними по отношению к экосистемам факторами, говорят об экзогенных сукцессиях, когда изменение возникает под действием внутренних причин - об эндогенных.

Экзогенные сукцессии могут быть вызваны изменением климата, такие процессы могут идти сто или даже тысячи лет, поэтому их называют вековыми.

В ходе эволюции жизни на Земле биологические виды преобразуются в новые формы. В таком случае можно говорить об эндогенных сукцессиях.

Если изменения вызваны деятельностью человека, говорят об антропогенных сукцессиях. Так, на месте вырубки или пожарища, уничтоживших лес ( 98% лесных пожаров в нашей стране вызываются человеком), последовательно возникают территории, поросшие травянистыми растениями, затем появляются кустарники, кустарники в конце концов скрываются под пологом лиственных деревьев. Под пологом лиственного леса подрастают хвойные породы деревьев, которые, проникая в верхний ярус, образуют смешанный лес. Лиственные деревья короткоживущи по сравнению с хвойными, они постепенно выпадают из верхнего яруса, в результате чего в конце концов на месте гари и вырубки формируется хвойный лес.

В целом независимо от того, идет ли естественная экзо- или эндогенная сукцессия или антропогенная, общими закономерностями будут׃

- последовательное заселение живыми организмами;

- увеличение видового разнообразия живых организмов;

- постепенное обогащение почвы органическими веществами;

- возрастание плодородия почвы;

- усиление связей между различными видами или трофическими группами организмов;

- изменение числа экологических ниш;

- постепенное формирование все более сложных экосистем и биоценозов.

Более мелкие по размеру виды, особенно растительные, как правило, сменяются более крупными, интенсифицируются процессы обмена, круговорота веществ и т.д. Такие сукцессионные ряды заканчиваются слабо меняющимися экосистемами, которые называются климаксными , коренными или узловыми. В определенных климатических условиях последовательность смен, видовой состав участвующих в них видов имеют свою специфику. При этом каждой стадии, включая климаксную, свойствен свой набор видов, который, во-первых, типичен для данного региона, во-вторых, состоит из наиболее приспособленных к конкретной стадии организмов.

Развитие экосистемы продолжается и после достижения ею климаксной стадии.

Может меняться состав и численность отдельных видов, в то же время общим для климаксов является сходство видов-эдификаторов, которые в наибольшей мере определяют условия существования в экосистеме всех организмов. Поскольку в одинаковых климатических условиях набор эдификаторов предопределен, каждый ряд завершается однотипной экосистемой (моноклимаксом).

referat911.ru

Гетеротрофные и автотрофные организмы

Календарь Апрель

Пн		2	9	16	23	30
Вт		3	10	17	24
Ср		4	11	18	25
Чт		5	12	19	26
Пт		6	13	20	27
Сб		7	14	21	28
Вс	1	8	15	22	29

Скачать: Гетеротрофные и автотрофные организмы

Содержание реферата

1. Автотрофные организмы2. Гетеротрофные организмы

1. Автотрофные организмы

Организмы, которые способны синтезировать органические вещества, необходимые для жизнедеятельности, из неорганических соединений, принято называть автотрофами. Автотрофные организмы образуют так называемую первичную продукцию - биомассу органического вещества, которая в дальнейшем утилизируется другими организмами. К автотрофам относятся некоторые бактерии и все без исключения виды зеленых растений. Автотрофные организмы способны усваивать углекислый газ из воздуха и превращать его в сложные органические соединения. Таким образом автотрофы строят свое «тело» из неорганических соединений. Каскад биохимических реакций, конечным продуктом которых являются белки и другие органические вещества, необходимые для жизнедеятельности, требует значительных затрат энергии. По способу получения энергии автотрофы подразделяются на фотоавтотрофы и хемоавтотрофы. Фотоавтотрофные бактерии используют энергию солнечных лучей при синтезе органических веществ из двуокиси углерода по типу фотосинтеза у растений. Важным компонентом уитоплазмы таких микробов являются пигменты: бактериопурпурин, бактериохлорин и др. Основная функция пигментов - поглощение и аккумуляция энергии солнечного света. Наиболее типичными представителями группы фотоавтотрофов являются цианобактерии, пурпурные и зеленые серные бактерии. Явление хемосинтеза у бактерий было открыто в 1888 г. выдающимся русским микробиологом С. Н. Виноградским (1856-1953), показавшим, что в клетках нитрофицирующих бактерий одновременно могут протекать процессы окисления аммиака в азотную кислоту и двуокиси углерода в различные органические соединения. Такие микроорганизмы стали называть хемоавтотрофами, т. е. получающими энергию в результате химических реакций. Хемоавтотрофы способны существовать только в присутствии неорганических соединений, при этом определенные виды бактерий способны окислять определенные минеральные вещества. Единственным источником углерода для хемоавтотрофов служит углекислый газ. К группе хемоавтотрофов относятся бесцветные серные бактерии, нитрифицирующие бактерии, железобактерии и др. Все автотрофные микроорганизмы являются свободноживущими формами и не патогенны для животных и человека. Однако среди автотрофов обнаружены микроорганизмы, которые способны усваивать углерод не только из СО2 воздуха, но и из органических соединений. Такие бактерии получили название миксотрофы (от лат. mixi - смесь, т. е. смешанный тип питания). В зависимости от способа поглощения азота, микроорганизмы могут подразделяться на аминоавтотрофы и аминогетеротрофы. Аминоавторофы синтезируют белок из минеральных соединений и из воздуха, это в основном почвенные бактерии. У зеленых растений в основе автотрофного типа питания лежит процесс фотосинтеза. Фотосинтез характерен как для высших растений, так и для водорослей, и, как уже упоминалось, фотосинтезирующих бактерий. Но наибольшего совершенства фотосинтез достиг все-таки у зеленых растений. Что же такое фотосинтез? Под фотосинтезом понимают процесс образования необходимых для жизнедеятельности как самих фотосинтезирующих организмов, так и всех других организмов, сложных органических соединений из простых веществ за счет энергии света, поглощаемой хлорофиллом или другими фотосинтетическими пигментами. Начало исследованию фотосинтеза положили работы Дж. Пристли, Ж. Сенебье, Я. Ингенхауза. Дж. Пристли (1733-1804) в 1771 г. показал, что воздух, «испорченный» горением или дыханием, вновь становится пригодным для дыхания под воздействием зеленых растений. Таким образом, было установлено, что зеленые растения способны поглощать углекислый газ (СО2) и выделять кислород (О2). Ж. Сенебье (1742-1809) доказал, что источником углерода для зеленых растений является углекислый газ (СО2), который усваивается ими под влиянием света. Ю. Майер (1814-1878) выдвинул гипотезу, в которой утверждалось, что единственным на Земле аккумулятором солнечной энергии являются растения. Суммарно процесс фотосинтеза логично выразить таким образом:

свет 6СО2 + 6Н2O - C6h22O6 + 6О2

Во второй половине XIX в. великий русский биолог К. А. Тимирязев открыл, что светопоглощающим элементом растительной клетки является хлорофилл. Хлорофилл входит в структуру хлоропластов. В одной растительной клетке содержится от 20 до 100 хлоропластов. Хлоропласты окружены мембраной, которая содержит большое количество мешочков - так называемых тилакоидов. В тилакоидах содержатся фотохимические центры и компоненты, участвующие в транспорте электронов и образовании аденозии трифосфорной кислоты (АТФ). Тимирязевым была также доказана прямая зависимость между интенсивностью света и скоростью фотосинтеза. В 1905 г. появилась гипотеза о том, что фотосинтез может проходить и в темноте. Таким образом, процесс фотосинтеза составляют световая и теневая фазы. Однако биохимические доказательства этого предположения были получены лишь в 1937 г. английским исследователем Хиллом. Изучением световых и теневых реакций подробно занимались немецкий физиолог и биохимик Варбург. Главным итогом данного периода в изучении фотосинтеза является то, что было положено начало представлению о фотосинтезе как об окислительно-восстановительном процессе, где восстановление углекислого газа осуществляется при одновременном окислении донора водорода. В 1941 г. советские ученые А. П. Виноградов установил, что источником выделяющегося при фотосинтезе кислорода является не углекислый газ, а вода. С середины XX в. изучению фотосинтеза способствовало создание новых методов исследования (изотопная технология, спектроскопия, электронная микроскопия и др.), позволивших вскрыть тонкие механизмы этого процесса. Наиболее значимыми в этот период являются работы отечественных ученых А. Н. Теренина, А. А. Красновского. Схематично механизм фотосинтеза растений, водорослей, бактерий можно выразить следующим образом:

образование углеводов:

донор Н2 и источник О2 - вода акцептор Н2 и источник С - СО2

образование аминокислот, белков, пигментов и других соединений:

акцептор Н2 и источник N2 - NO2-4источник С - SO4-2

Значение фотосинтеза очень огромно. В результате фотосинтеза растительность Земли ежедневно образует более 100 млрд. т органических веществ (около половины приходится на долю растений морей и океанов), усваивая при этом около 200 млрд. т СО2, и выделяет во внешнюю среду около 145 млрд. т свободного кислорода.

2. Гетеротрофные организмы

Организмы, использующие для своего питания готовые органические соединения, принято называть гетеротрофными. К гетеротрофным организмам относятся все животные и человек, а также некоторые паразитические растения и бактерии. Разделение организмов по типу питания на автотрофные и гетеротрофные весьма условно. Некоторые автотрофы - фотосинтезирующие зеленые растения - могут усваивать небольшое количество органических соединений. Некоторые растения-хищники (росянка, пузырчатка) используют органические соединения для азотного питания, а углеродное питание осуществляется посредством фотосинтеза. Некоторые автотрофы нуждаются в витаминоподобных веществах. В 1933 г. с помощью изотопного метода американские ученые подтвердили, что ярко выраженные гетеротрофы (грибы и бактерии) способны усваивать углерод, поглощая СО2. Для гетеротрофных бактерий источником углерода служат готовые органические соединения: сахара, спирты, молочная, лимонная и уксусная кислоты, а также воск, клетчатка и крахмал. Из микроорганизмов гетеротрофами являются возбудители брожения (спиртового, пропионово - кислого, молочно - кислого и маслянично - кислого), гнилостные и болезнетворные бактерии. В зависимости от используемого субстрата, гетеротрофные микроорганизмы подразделяются на две обширные группы: мета- и паратрофы. Метатрофы используют органические соединения мертвых субстратов. В эту группу входят в основном гнилостные бактерии. Паратрофы используют органические соединения живых организмов. Именно эти микроорганизмы обычно вызывают инфекционные заболевания человека, животных и растений. Гетеротрофы в качестве источника азота используют готовые аминокислоты: такой путь питания называют аминогетеротрофным. Строгими гетеротрофами являются животные и человек. Для них характерен голозойный тип питания. Поступление питательных веществ путем диффузии сменяется образованием органов для принятия пищи. Например, у простейших, наряду с так называемым сопрозойным способом питания (всасыванием пищи всей поверхностью клетки), имеется и анимальный способ, т. е. заглатывание питательных веществ псевдоподиями (выпячивание цитоплазмы), ресничками или жгутиками. У высших животных имеется строго дифференцированная и сложно организованная пищеварительная система. Одним из начальных отделов пищеварительной системы является ротовой аппарат. Строение и функция ротового аппарата у животных разнообразно и зависит от вида корма; в основном различают грызущий, перетирающий, сосущий типы ротового аппарата. Животных условно подразделяют на фитофагов (растительноядные) и зоофагов (плотоядные). Однако имеются и промежуточные, или смешанные формы. Применительно к животным, целесообразнее употреблять термин «пищеварение». Пищеварение - это начальный этап обмена веществ в организме, состоящий в том, что сложные питательные вещества, входящие в состав пищи, распадаются на элементарные частицы, способные к участию в дальнейших этапах обмена веществ. Например, жиры расщепляются до глицерина и жирных кислот, белки - до аминокислот, углеводы - до моносахаридов. Для расщепления сложных веществ в организме животных и человека имеются разнообразные литические ферменты, часть органических веществ расщепляется симбиотическими микроорганизмами (в рубце жвачных и слепой кишке человека). Различают пищеварение в ротовой полости, желудочное и кишечное. В организации процесса переваривания корма у животных и пищи у человека важную роль играют нервная система и железы внутренней секреции. Таким образом осуществляется нервная и гуморальная регуляции пищеварительных процессов. В ротовой полости пища подвергается механической обработке и действию ряда ферментов, в основном, амипазы и мальтазы. В желудке же пища претерпевает значительное химическое превращение. Под воздействием соляной кислоты и большого количества ферментов расщепляется большинство сложных органических веществ. В кишечнике происходит дальнейшее химическое превращение питательных веществ и их всасывание. Автотрофные и гетеротрофные организмы, входящие в состав биогенезов, взаимно связаны между собой так называемыми трофическими связями. Значение трофических связей в структуре экологических сообществ очень велико. Благодаря им осуществляется круговорот веществ на Земле. Автотрофные организмы, ассимилируя неорганические вещества, используя энергию солнечного света или химических реакций, способствуют образованию так называемой первичной продукции - первичной биомассы или органического вещества. Первичная продукция утилизируется гетеротрофными организмами, и значительная роль в этом принадлежит фитофагам, о которых мы упоминали чуть ранее. Фитофаги, в свою очередь, становятся жертвами хищников - зоофагов. Отмершие останки животных и растений вновь превращаются в неорганические вещества, благодаря воздействию абиотических факторов внешней среды, а также организмов-редуцентов и гнилостной микрофлоры.

Поиск

referatplus.ru

Читать лекция по биологии: "Гетеротрофные и автотрофные организмы"

(Назад) скачать (Cкачать работу)

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

Тема 21. Гетеротрофные и автотрофные организмы СОДЕРЖАНИЕ 1. Автотрофные организмы 2. Гетеротрофные организмы 1. АВТОТРОФНЫЕ ОРГАНИЗМЫ Организмы, которые способны синтезировать органические вещества, необходимые для жизнедеятельности, из неорганических соединений, принято называть автотрофами. Автотрофные организмы образуют так называемую первичную продукцию - биомассу органического вещества, которая в дальнейшем утилизируется другими организмами. К автотрофам относятся некоторые бактерии и все без исключения виды зеленых растений. Автотрофные организмы способны усваивать углекислый газ из воздуха и превращать его в сложные органические соединения. Таким образом автотрофы строят свое «тело» из неорганических соединений. Каскад биохимических реакций, конечным продуктом которых являются белки и другие органические вещества, необходимые для жизнедеятельности, требует значительных затрат энергии. По способу получения энергии автотрофы подразделяются на фотоавтотрофы и хемоавтотрофы. Фотоавтотрофные бактерии используют энергию солнечных лучей при синтезе органических веществ из двуокиси углерода по типу фотосинтеза у растений. Важным компонентом уитоплазмы таких микробов являются пигменты: бактериопурпурин, бактериохлорин и др. Основная функция пигментов - поглощение и аккумуляция энергии солнечного света. Наиболее типичными представителями группы фотоавтотрофов являются цианобактерии, пурпурные и зеленые серные бактерии. Явление хемосинтеза у бактерий было открыто в 1888 г. выдающимся русским микробиологом С. Н. Виноградским (1856-1953), показавшим, что в клетках нитрофицирующих бактерий одновременно могут протекать процессы окисления аммиака в азотную кислоту и двуокиси углерода в различные органические соединения. Такие микроорганизмы стали называть хемоавтотрофами, т. е. получающими энергию в результате химических реакций. Хемоавтотрофы способны существовать только в присутствии неорганических соединений, при этом определенные виды бактерий способны окислять определенные минеральные вещества. Единственным источником углерода для хемоавтотрофов служит углекислый газ. К группе хемоавтотрофов относятся бесцветные серные бактерии, нитрифицирующие бактерии, железобактерии и др. Все автотрофные микроорганизмы являются свободноживущими формами и не патогенны для животных и человека. Однако среди автотрофов обнаружены микроорганизмы, которые способны усваивать углерод не только из СО2 воздуха, но и из органических соединений. Такие бактерии получили название миксотрофы (от лат. mixi - смесь, т. е. смешанный тип питания). В зависимости от способа поглощения азота, микроорганизмы могут подразделяться на аминоавтотрофы и аминогетеротрофы. Аминоавторофы синтезируют белок из минеральных соединений и из воздуха, это в основном почвенные бактерии. У зеленых растений в основе автотрофного типа питания лежит процесс фотосинтеза. Фотосинтез характерен как для высших растений, так и для водорослей, и, как уже упоминалось, фотосинтезирующих бактерий. Но наибольшего совершенства фотосинтез достиг все-таки у зеленых растений. Что же такое фотосинтез? Под фотосинтезом понимают процесс образования необходимых для жизнедеятельности как самих фотосинтезирующих организмов, так и всех других организмов, сложных органических соединений из простых веществ за счет энергии света, поглощаемой хлорофиллом или другими фотосинтетическими пигментами. Начало исследованию фотосинтеза положили работы Дж. Пристли, Ж. Сенебье, Я. Ингенхауза. Дж. Пристли (1733-1804) в 1771 г. показал, что воздух, «испорченный» горением или дыханием, вновь становится пригодным для дыхания под воздействием зеленых растений. Таким образом, было установлено, что зеленые растения способны поглощать углекислый газ (СО2) и выделять кислород (О2). Ж. Сенебье (1742-1809) доказал, что источником углерода для зеленых растений является углекислый газ (СО2), который усваивается ими под влиянием света. Ю. Майер (1814-1878) выдвинул гипотезу, в которой утверждалось, что единственным на Земле аккумулятором солнечной энергии являются растения. Суммарно процесс фотосинтеза логично выразить таким образом: свет 6СО2 + 6Н2O - C6h22O6 + 6О2 Во второй половине XIX в. великий русский биолог К. А. Тимирязев открыл, что светопоглощающим элементом растительной клетки является хлорофилл. Хлорофилл входит в структуру хлоропластов. В одной растительной клетке содержится от 20 до 100 хлоропластов. Хлоропласты окружены мембраной, которая содержит большое количество мешочков - так называемых тилакоидов. В тилакоидах содержатся фотохимические центры и компоненты, участвующие в транспорте электронов и образовании аденозии трифосфорной кислоты (АТФ). Тимирязевым была также доказана прямая зависимость между интенсивностью света и скоростью фотосинтеза. В 1905 г. появилась гипотеза о том, что фотосинтез может проходить и в темноте. Таким образом, процесс фотосинтеза составляют световая и теневая фазы. Однако биохимические доказательства этого предположения были получены лишь в 1937 г. английским исследователем Хиллом. Изучением световых и теневых реакций подробно занимались немецкий физиолог и биохимик Варбург. Главным итогом данного периода в изучении фотосинтеза является то, что было положено начало представлению о фотосинтезе как об окислительно-восстановительном процессе, где восстановление углекислого газа осуществляется при одновременном окислении донора водорода. В 1941 г. советские ученые А. П. Виноградов установил, что источником выделяющегося при фотосинтезе кислорода является не углекислый газ, а вода. С середины XX в. изучению фотосинтеза способствовало создание новых методов исследования (изотопная технология, спектроскопия, электронная микроскопия и др.), позволивших вскрыть тонкие механизмы этого процесса. Наиболее значимыми в этот период являются работы отечественных ученых А. Н. Теренина, А. А. Красновского. Схематично механизм фотосинтеза растений, водорослей, бактерий можно выразить следующим образом: образование углеводов: донор Н2 и источник О2 - вода акцептор Н2 и источник С - СО2 образование аминокислот, белков, пигментов и других соединений: акцептор Н2 и источник N2 - NO

referat.co

АВТОТРОФЫ И ГЕТЕРОТРОФЫ, ЧТО ЭТО ТАКОЕ: Способы питания живых организмов

К гетеротрофным организмам относятся все животные и человек, а также некоторые паразитические растения и бактерии. Среди этих растений можно выделить группу растений паразитов и растений-хищников.

ГЕТЕРОТРОФЫ, организмы, использующие для своего питания готовые органические вещества (обычно ткани растений или животных) через процесс, известный как гетеротрофное питание. Трудно переоценить роль автотрофов в природе: именно они оказываются первичными продуцентами органического вещества, которое затем используется всеми другими живыми организмами — гетеротрофами.

Гетеротрофные организмы (животные, грибы , часть прокариот ) не могут создавать органические соединения непосредственно из неорганических. К консументам относятся по преимуществу животные, включая, естественно, и человека. Редуценты — заключительное звено в пищевой цепи и экологической пирамиде.

Все остальные живые существа, населяющие нашу планету, не способны использовать солнечную энергию и синтезировать органические вещества из неорганических соединений. У растений, фотосинтезирующих бактерий этот путь используется с наступлением темноты, с прекращением фотосинтеза. Организмы, которые способны синтезировать органические вещества, необходимые для жизнедеятельности, из неорганических соединений, принято называть автотрофами.

Автотрофные организмы способны усваивать углекислый газ из воздуха и превращать его в сложные органические соединения. Таким образом автотрофы строят свое «тело» из неорганических соединений.

По способу получения энергии автотрофы подразделяются на фотоавтотрофы и хемоавтотрофы. Фотоавтотрофные бактерии используют энергию солнечных лучей при синтезе органических веществ из двуокиси углерода по типу фотосинтеза у растений.

Хемоавтотрофы способны существовать только в присутствии неорганических соединений, при этом определенные виды бактерий способны окислять определенные минеральные вещества. Однако среди автотрофов обнаружены микроорганизмы, которые способны усваивать углерод не только из СО2 воздуха, но и из органических соединений.

Автотрофные и гетеротрофные организмы

В зависимости от способа поглощения азота, микроорганизмы могут подразделяться на аминоавтотрофы и аминогетеротрофы. Аминоавторофы синтезируют белок из минеральных соединений и из воздуха, это в основном почвенные бактерии. У зеленых растений в основе автотрофного типа питания лежит процесс фотосинтеза.

В 1905 г. появилась гипотеза о том, что фотосинтез может проходить и в темноте. Таким образом, процесс фотосинтеза составляют световая и теневая фазы. Однако биохимические доказательства этого предположения были получены лишь в 1937 г. английским исследователем Хиллом. Организмы, использующие для своего питания готовые органические соединения, принято называть гетеротрофными. Некоторые автотрофы — фотосинтезирующие зеленые растения — могут усваивать небольшое количество органических соединений.

Некоторые автотрофы нуждаются в витаминоподобных веществах. Из микроорганизмов гетеротрофами являются возбудители брожения (спиртового, пропионово — кислого, молочно — кислого и маслянично — кислого), гнилостные и болезнетворные бактерии. В зависимости от используемого субстрата, гетеротрофные микроорганизмы подразделяются на две обширные группы: мета- и паратрофы.

В эту группу входят в основном гнилостные бактерии. Паратрофы используют органические соединения живых организмов. Именно эти микроорганизмы обычно вызывают инфекционные заболевания человека, животных и растений. Гетеротрофы в качестве источника азота используют готовые аминокислоты: такой путь питания называют аминогетеротрофным. У высших животных имеется строго дифференцированная и сложно организованная пищеварительная система.

Строение и функция ротового аппарата у животных разнообразно и зависит от вида корма; в основном различают грызущий, перетирающий, сосущий типы ротового аппарата. Животных условно подразделяют на фитофагов (растительноядные) и зоофагов (плотоядные). Однако имеются и промежуточные, или смешанные формы. Применительно к животным, целесообразнее употреблять термин «пищеварение».

Гетеротрофы (гетеротрофные организмы)

Различают пищеварение в ротовой полости, желудочное и кишечное. В организации процесса переваривания корма у животных и пищи у человека важную роль играют нервная система и железы внутренней секреции. Таким образом осуществляется нервная и гуморальная регуляции пищеварительных процессов. В ротовой полости пища подвергается механической обработке и действию ряда ферментов, в основном, амипазы и мальтазы.

Под воздействием соляной кислоты и большого количества ферментов расщепляется большинство сложных органических веществ. В кишечнике происходит дальнейшее химическое превращение питательных веществ и их всасывание.

Все животные и грибы — гетеротрофы. Все растения делятся на две группы по типу использования питательных веществ – автотрофы и гетеротрофы. Одноклеточная эвглена на свету зеленая и автотроф, а в темноте бесцветная и гетеротроф. Строгими гетеротрофами являются животные и человек. Хотя между автотрофами и гетеротрофами есть принципиальное различие, резкой границы между ними иногда провести не удается (как это часто бывает в природе вообще).

Также интересно:

Век

proslogogu.ru

Автотрофные и гетеротрофные клетки. Фотосинтез, хемосинтез, биосинтез белков

Реферат

Автотрофные и гетеротрофные клетки. Фотосинтез, хемосинтез,

биосинтез белков

1. Автотрофные и гетеротрофные клетки. Фотосинтез. Хемосинтез

Автотрофные клетки. По способу получения органических соединений все клетки делятся на две группы. Одна группа клеток способна синтезировать органические вещества из неорганических соединений (СО2 и Н2О и т. д.). Из этих бедных энергией соединений клетки синтезируют глюкозу, аминокислоты, а затем и более сложные органические соединения: сложные углеводы, белки и т. д. Клетки, способные синтезировать органические соединения из неорганических, называются автотрофными или автотрофами. Главными автотрофами на Земле являются клетки зеленых растений Автотрофное питание присуще также небольшой группе микроорганизмов.

Гетеротрофные клетки. Другая группа клеток не способна синтезировать органические вещества из неорганических соединений. Эти клетки нуждаются в доставке уже готовых органических соединений. Животные поедают других животных и растения и получают с пищей готовые углеводы, жиры, белки. В ходе жизнедеятельности происходит расщепление этих веществ. Из части освободившихся при этом веществ — глюкозы, аминокислот и др. — синтезируются более сложные, присущие данной клетке вещества: гликоген, жиры, белки; другая часть расщепляется, и освобождающаяся при этом энергия используется для жизнедеятельности.

Клетки, не способные к синтезу органических соединений из неорганических веществ и нуждающиеся, поэтому в доставке готовых органических веществ извне, называются гетеротрофными клетками или гетеротрофами. Клетки всех животных, человека, большинства микроорганизмов, а также некоторых растений (например, грибов) являются гетеротрофами.

Фотосинтез. Синтез органических соединений из простых, бедных энергией веществ нуждается в притоке энергии извне. Зеленые растения используют для этой цели световую энергию Солнца. Растительные клетки обладают специальным механизмом, позволяющим им преобразовывать световую энергию в энергию химических связей. Этот процесс называется фотосинтезом.

Процесс фотосинтеза выражается следующим суммарным уравнением:

6СО2 + 6Н2О=C6h22O6+6О2

В ходе этого процесса вещества, бедные энергией (СО2 и Н2О), переходят в углевод — сложное богатое энергией органическое вещество. В результате фотосинтеза выделяется также молекулярный кислород.

Суммарное уравнение фотосинтеза не дает представления о его механизме. Это сложный, многоступенчатый процесс. Центральная роль в нем принадлежит хлорофиллу — органическому веществу зеленого цвета.

В зеленых листьях содержится примерно 1% хлорофилла от сухого веса. Хлорофилл растворяется в спирте, и его можно извлечь настаиванием листьев в спирте. Раствор хлорофилла имеет зеленый цвет и флуоресцирует.

Флуоресценция хлорофилла в растворе объясняется тем, что электроны в молекуле хлорофилла поглощают световую энергию, в результате они покидают орбиту, соответствующую их исходному состоянию, и перескакивают на высшую орбиту, соответствующую их «возбужденному» состоянию. Затем электроны возвращаются обратно на свою первоначальную орбиту, и при этом переходе они отдают поглощенную ими энергию в виде света флуоресценции. Хлорофилл в растворе не способен запасать энергию света. Другая картина наблюдается s клетке, где молекулы хлорофилла встроены в структуру хлоропласта и находятся в соединении с молекулами ферментов, липоидов и других веществ. Хлорофилл в зеленом листе при освещении не флуоресцирует. Поглощенная хлорофиллом энергия света здесь не рассеивается, а преобразуется в энергию химических связей.

Для того чтобы разобраться в механизме этого преобразования, обратимся к схеме фотосинтеза.

Процесс фотосинтеза начинается с освещения хлоропласта видимым светом. Фотон «ударяет» в электрон молекулы хлорофилла, сообщает ему энергию, и электрон переходит в «возбужденное» состояние: он покидает основную орбиту и перескакивает на высшую орбиту. После этого он сразу же падает обратно. При этом избыточная энергия электрона частично переходит в тепло (около 25%), а большей частью передается соединениям, находящимся в клетке, вызывая их превращения.

Часть «падающих» электронов захватывается ионами водорода. В клетке всегда имеется некоторое количество Н+ и ОН -ионов, так как в водном растворе часть молекул воды находится в диссоциированном состоянии:

Н2О = Н++ОН- (1)

Ион водорода присоединяет электрон и превращается в атом водорода:

Н++ е = Н (2)

Ион гидроксила, оставшийся без своего противоиона, немедленно же передает свой электрон другим молекулам или ионам и превращается в свободный радикал ОН:

ОН-= е + ОН (3)

Свободные атомы водорода и ОН -радикалы в химическом отношении весьма активны. Атомы водорода присоединяются к органическому веществу, имеющему сложную структуру и соответственно довольно громоздкое название: никотинамидди-нуклеотидфосфат (сокращенно НАДФ). НАДФ всегда содержится в клетке; присоединив водород, он переходит в восстановленную форму:

НАДФ + 2Н = НАД ФxН2 (4)

Свободные ОН -радикалы взаимодействуют друг с другом, причем образуется молекулярный кислород, выделяющийся в атмосферу, и вода:

4ОН = О2 + 2Н2О (5)

Просуммировав реакции 1, 2, 3 и 5, получим:

2Н2О = О2 + 4Н (6)

Таким образом, молекулярный кислород, образующийся при фотосинтезе, возникает в результате разложения (фотолиза) воды. Это не ферментативный процесс. По своему механизму фотолиз воды сходен с электролизом воды. Вспомните, что при пропускании электрического тока через водный раствор ионы водорода получают электроны от катода и превращаются в атомы водорода (если бы в растворе находился НАДФ, он присоединил бы эти атомы водорода и перешел в НАДФхН2), а ОН -ионы, отдав электроны аноду, превращаются в свободные ОН -радикалы, из которых образуется молекулярный кислород и вода.

Энергия другой части «падающих» электронов, а также электронов, отделяющихся от ионов гидроксила и обладающих еще некоторым запасом энергии, преобразуется в энергию макроэргической фосфатной связи: из АДФ (всегда присутствующей в клетке) и неорганического фосфата (Ф) синтезируется АТФ:

АДФ + Ф=АТФ

Таким образом, избыточная энергия возбужденных электронов при переходе их в исходное состояние порождает три процесса:

1. Фотолиз воды с образованием молекулярного кислорода.

2. Восстановление НАДФ с образованием НАДФxН2.

3. Синтез АТФ.

Эти реакции идут только на свету. Их осуществление является непосредственным результатом поглощения хлорофиллом лучистой энергии. Поэтому данная стадия фотосинтеза называется световой фазой. Дальнейшие синтетические процессы фотосинтеза протекают как на свету, так и в темноте. Поэтому комплекс этих реакций называется темновой фазой.

Темновая фаза фотосинтеза представляет собой ряд последовательных ферментативных реакций. В осуществлении этих реакций принимают участие синтезированные в световую фазу АТФ и НАДФxН2. Центральное место среди реакций темновой фазы занимает реакция связывания углекислоты: СО2 диффундирует в лист из атмосферы и включается в состав одного из промежуточных соединений. В конечном итоге образуются углеводы — сначала моносахариды, затем ди- и полисахариды.

Итак, в световую фазу фотосинтеза световая энергия Солнца преобразуется в энергию химических связей НАДФxНг и АТФ. В темповую фазу энергия этих веществ (НАДФxН2 и АТФ) расходуется на синтез углеводов.

Процесс фотосинтеза представляет основной механизм, при помощи которого зеленые растения производят органические вещества. Все вещества растения, любая его «урожайная» часть — плоды, семена, корнеплоды, древесина и т. д. — образуются из веществ, порожденных в результате фотосинтетической активности его клеток.

Продуктивность фотосинтеза составляет примерно 1 г органических веществ на 1 мг площади листьев в 1 час. Таким образом, при прочих равных условиях урожай тем выше, чем больше поверхность листьев выросших растений и чем дольше они функционируют как фотосинтетические системы.

В изучение роли света и хлорофилла в процессе усвоения СО2 при фотосинтезе большой вклад внес крупнейший русский ученый К. А. Тимирязев. Тимирязеву принадлежат и непревзойденные работы по популяризации знаний по фотосинтезу, о котором он писал так: «Это процесс, от которого в конечной инстанции зависят все проявления жизни на нашей планете». Это вполне обоснованное утверждение, так как фотосинтез не только основной поставщик органических соединений, но и единственный источник свободного кислорода на Земле.

Растительные клетки, как и все другие клетки, постоянно дышат, т. е. поглощают кислород и выделяют СО2. Днем же наряду с дыханием с помощью хлорофилл содержащего механизма растительные клетки преобразуют световую энергию в химическую: они синтезируют органические вещества. При этом в качестве побочного продукта реакции выделяется молекулярный кислород. Количество кислорода, выделяемого растительной клеткой в процессе фотосинтеза, в 20—30 раз больше, чем поглощение его в одновременно идущем процессе дыхания. Понятно поэтому, что днем, когда растения и дышат, и фотосинтезируют, они обогащают воздух кислородом, а ночью, когда фотосинтез прекращается, они только дышат, т. е. поглощают кислород и выделяют углекислоту.

Хемосинтез

Кроме клеток зеленых растений, автотрофность свойственна также некоторым бактериям, у которых нет хлорофилла. Способ, с помощью которого они мобилизуют энергию для синтетических реакций, принципиально иной, нежели у растительных клеток. Этот тип автотрофов был открыт русским ученым-микробиологом С.Н. Виноградским. Для синтезов бактерии используют энергию химических реакций. Они обладают специальным ферментным аппаратом, позволяющим им преобразовывать энергию химических реакций, в частности энергию реакций окисления неорганических веществ, в химическую энергию синтезируемых органических соединений. Этот процесс называется хемосинтезом.

Наиболее известные автотрофы-хемосинтетики — нитрифицирующие бактерии. Источником энергии у одной группы этих бактерий служит реакция окисления аммиака в азотистую кислоту; другая группа нитрифицирующих бактерий использует энергию, выделяющуюся при окислении азотистой кислоты в азотную. Автотрофами-хемосинтетиками являются железобактерии и серобактерии. Первые из них используют энергию, выделяющуюся при окислении двухвалентного железа в трехвалентное, вторые окисляют сероводород до серной кислоты.

Роль автотрофов-хемосинтетиков очень велика, особенно нитрифицирующих бактерий. Они имеют важное значение для повышения урожайности, так как в результате их жизнедеятельности азот, находящийся в виде соединений, недоступных для усвоения растениями, превращается в соли азотной кислоты, которые хорошо ими усваиваются.

2. Биосинтез белков

Любая живая клетка способна синтезировать белки, и эта способность представляет одно из наиболее важных и характерных ее свойств. С особенной энергией идет биосинтез белков в период роста и развития клеток. В это время активно синтезируются белки для построения клеточных органоидов, мембран. Синтезируются ферменты и белки. Биосинтез белков идет интенсивно и у многих взрослых, т. е. закончивших рост и развитие клеток, например у клеток пищеварительных желез, синтезирующих белки-ферменты (пепсин, трипсин) или у клеток желез с внутренней секрецией, синтезирующих белки-гормоны (инсулин, тироксин). Способность к синтезу белков присуща, впрочем, не только растущим или секреторным клеткам: любая клетка в течение всей жизни постоянно синтезирует белки, так как в ходе нормальной жизнедеятельности молекулы белков постепенно изнашиваются, структура и функции их нарушаются. Такие пришедшие в негодность молекулы белков удаляются из клетки. Взамен синтезируются новые полноценные молекулы, состав и деятельность клетки не нарушаются.

Любая клетка по внешнему виду и по свойствам похожа на материнскую. Так как свойства клетки зависят от ее белков, то ясно, что клетка способна синтезировать белки такие же, какие синтезировала материнская клетка. Следовательно, способность к синтезу белка передается по наследству от клетки к клетке и сохраняется ею в течение всей жизни.

Вопросы о том, как происходит синтез столь большой и сложной молекулы белка, как отбираются нужные аминокислоты, расставляются и соединяются в определенном и строгом порядке, еще сравнительно недавно представляли неразрешимую загадку. Эти вопросы в настоящее время в основном выяснены, и решение их представляет величайшее достижение биологии и биохимии XX в.

Основная роль в определении структуры белка принадлежит ДНК. Мы уже знаем, что молекулы ДНК очень велики. Их длина в десятки и сотни раз превышает длину самых крупных молекул белков: по длине цепочки ДНК можно было бы уложить одну за другой десятки, а то и сотни молекул белков. В настоящее время установлено, что разные участки ДНК определяют синтез различных белков. Одна молекула ДНК участвует в синтезе нескольких десятков белков.

Каждый участок ДНК, определяющий синтез одной молекулы белка, называется геном. Каждый ген — участок двойной спирали ДНК, на котором содержится информация о структуре какого-то одного белка.

Чтобы разобраться в том, каким образом структура ДНК определяет структуру белка, приведем такой пример. Многие знают об азбуке Морзе, при помощи которой передают сигналы и телеграммы. По азбуке Морзе все буквы алфавита обозначены сочетаниями коротких и длинных сигналов — точками и тире. Буква А обозначается •—, Б - -и т. д. Собрание условных обозначений называется кодом или шифром. Азбука Морзе представляет собой пример кода. Получив телеграфную ленту с точками и тире, знающий код Морзе легко расшифрует (раскодирует) написанное.

Макромолекула ДНК, состоящая из нескольких тысяч последовательно расположенных четырех видов нуклеотидов, представляет собой код, определяющий структуру белка. Так же как в коде Морзе каждой букве соответствует определенное сочетание точек и тире, так в коде ДНК каждой аминокислоте соответствует определенное сочетание последовательно связанных нуклеотидов.

Код ДНК

Код ДНК удалось расшифровать почти полностью. Сущность кода ДНК состоит в следующем. Каждой аминокислоте соответствует участок, цепи ДНК из трех рядом стоящих нуклеотидов. Например, участок Т—Т—Т соответствует аминокислоте лизину, отрезок А—Ц—А—цистеину, Ц—А—А — валину и т. д.

Допустим, что в гене нуклеотиды следуют в таком порядке:

А—Ц—А—Т—Т—Т—А—А—Ц—Ц—А—А— Г— Г.

Разбив этот ряд на тройки (триплеты), мы сразу же расшифруем, какие аминокислоты и в каком порядке следуют в молекуле белка:

А—Ц—А Т—Т—Т А—А—Ц Ц—А—А Г—Г—Г

Цистеиц Лизин Лейцин Валин Пролин

В коде Морзе всего два знака. Для обозначения всех букв, всех цифр и знаков препинания приходится брать на некоторые буквы или цифры до 5 знаков. В коде ДНК проще. Разных нуклеотидов 4. Число возможных комбинаций из 4 элементов по 3 равно 64. Разных же аминокислот всего 20. Таким образом, различных триплетов нуклеотидов с избытком хватает для кодирования всех аминокислот.

Транскрипция. Установлено, что сами ДНК непосредственного участия в синтезе белка не принимают, ДНК находятся в ядре клетки, а синтез белка происходит в рибосомах — мельчайших структурах, находящихся в цитоплазме. В ДНК только содержится и хранится информация о структуре белков. Для синтеза белка в рибосомы направляются точные копии этой информации. Это осуществляется с помощью РНК, которые синтезируются на ДНК и точно копируют ее структуру. Последовательность нуклеотидов РНК точно повторяет последовательность нуклеотидов в одной из цепей гена. Таким образом, информация, содержащаяся в структуре данного гена, как бы переписывается на РНК. Этот процесс называется транскрипцией («транскрипциа» — переписывание, лат.). С каждого гена можно снять любое число копий РНК. Эти РНК, несущие в рибосомы информацию о составе белков, называются информационными (и - РНК).

Для того, чтобы понять, каким образом состав и последовательность расположения нуклеотидов в гене могут быть «переписаны» на РНК, вспомним принцип комплементарности, на основании которого построена двуспиральная молекула ДНК. Нуклеотиды одной цепи обусловливают характер противолежащих нуклеотидов другой цепи. Если на одной цепи находится А, то на том же уровне другой цепи стоит Т, а против Г всегда находится Ц. Других комбинаций не бывает. Принцип комплементарности действует и при синтезе информационной РНК. Против каждого нуклеотида одной из цепей ДНК встает комплементарный к нему нуклеотид информационной РНК. Таким образом, против Гднк встает Црнк против Цднк — Грнк, против Аднк — Урнк, против Тднк — Арнк. В результате образующаяся цепочка РНК по составу и последовательности своих нуклеотидов представляет собой точную копию состава и последовательности нуклеотидов одной из цепей ДНК. Молекулы информационной РНК направляются к месту, где происходит синтез белка, т. е. к рибосомам. Туда же идет из цитоплазмы поток материала, из которого строится белок, т. е. аминокислоты. В цитоплазме клеток всегда имеются аминокислоты, образующиеся в результате расщепления белков пищи.

Транспортные РНК

Аминокислоты попадают в рибосому не самостоятельно, а в сопровождении особых молекул РНК, специально приспособленных для транспорта аминокислот к рибосомам. Они так и называются: транспортные РНК (т - РНК). Транспортные РНК — это сравнительно короткие цепочки, состоящие всего из нескольких десятков нуклеотидов. На одном конце их молекулы имеется структура, к которой может присоединиться аминокислота. На другом конце транспортной РНК находится триплет нуклеотидов, который соответствует по коду данной аминокислоте. Например, молекула транспортной РНК для аминокислоты лизина на одном конце имеет «площадку» для «посадки» лизина, а на другом конце — триплет нуклеотидов: У—У—У. Так как существует не менее 20 различных аминокислот, то, очевидно, существует не менее 20 различных транспортных РНК. На каждую аминокислоту имеется своя транспортная РНК.

Реакция матричного синтеза. Для изучавшего неорганическую и органическую химию привычны, реакции, протекающие в растворах, в которых молекулы веществ находятся в хаотическом движении. Реакции в таких системах осуществляются в результате случайного столкновения молекул. Чем концентрация веществ выше, тем больше вероятность столкновения, тем выше скорость реакции. Напротив, при понижении концентрации веществ вероятность встречи молекул невелика и скорость реакции может быть ничтожной.

В живых системах мы встречаемся с новым типом реакций, наподобие описанной выше реакции редупликации ДНК или реакции синтеза РНК. Такие реакции неизвестны в неживой природе. Они называются реакциями матричного синтеза.

Термином «матрица» в технике обозначают форму, употребляемую для отливки монет, медалей, типографского шрифта: затвердевший металл в точности воспроизводит все детали формы, служившей для отливки. Матричный синтез напоминает отливку на матрице: новые молекулы синтезируются в точном соответствии с планом, заложенным в структуре уже существующих молекул. Матричный принцип лежит в основе важнейших синтетических реакций клетки, таких, как синтез нуклеиновых кислот и белков. В этих реакциях обеспечивается точная, строго специфичная последовательность мономерных звеньев в синтезируемых полимерах. Здесь происходит направленное стягивание мономеров в определенное место клетки — на молекулы, служащие матрицей, где реакция и осуществляется. Если бы такие реакции происходили путем случайного столкновения молекул, они протекали бы бесконечно медленно. Синтез сложных молекул на основе матричного принципа осуществляется быстро и точно.

Роль матрицы в матричных реакциях играют макромолекулы нуклеиновых кислот — ДНК или РНК. Мономерные молекулы, из которых синтезируется полимер, — нуклеотиды или аминокислоты - соответствии с принципом комплементарности располагаются и фиксируются на матрице в строго определенном, наперед заданном порядке. Затем происходит «сшивание» мономерных звеньев в полимерную цепь, и готовый полимер сбрасывается с матрицы. После этого матрица готова к сборке новой полимерной молекулы. Понятно, что, как на данной форме может производиться отливка только какой-то одной монеты, или медали, или какой-то одной буквы, так и на данной матричной молекуле может идти «сборка» только какого-то одного полимера.

Матричный тип реакций — специфическая особенность химизма живых систем. Они являются основой фундаментального свойства всего живого — его способности к воспроизведению себе подобного.

Кроме живой клетки, матричный тип реакций нигде в природе обнаружен не был.

Трансляция

Информация о структуре белка, записанная в и - РНК в виде последовательности нуклеотидов, переносится далее в виде последовательности аминокислот в синтезируемой полипептидной цепи. Этот процесс называется трансляцией («трансляциа»— перенесение, перевод, лат.). Для того чтобы разобраться в том, как в рибосомах происходит трансляция, т. е. перевод информации с языка нуклеиновых кислот на язык белков. Рибосомы на рисунке изображены в виде яйцевидных тел, унизывающих и-РНК. Первая рибосома вступает на нитевидную молекулу и-РНК с левого конца и начинает синтез белка. По мере сборки белковой молекулы рибосома ползет по и-РНК (на рисунке слева направо). Когда рибосома продвинется вперед на 50—100 А, с того же конца на и-РНК входит вторая рибосома, которая, как и первая, начинает синтез и движется вслед за первой рибосомой. Затем на и-РНК вступает третья рибосома, четвертая и т. д. Все они выполняют одну и ту же работу: каждая синтезирует один и тот же белок, запрограммированный на данной и-РНК. Чем дальше вправо продвинулась рибосома по и-РНК, тем больший отрезок белковой молекулы «собран». Когда рибосома достигает правого конца и-РНК, синтез окончен и рибосома вместе со своим «изделием» сваливается в окружающую среду. Здесь они расходятся: рибосома — на любую и-РНК (так как она способна к синтезу любого белка; характер белка зависит от матрицы), белковая молекула — в эндоплазматическую сеть и по ней перемещается в тот участок клетки, где требуется данный вид белка. Через короткое время заканчивает работу вторая рибосома, затем третья и т. д. А с левого конца и-РНК на нее вступают все новые и новые рибосомы, и синтез белка идет непрерывно. Число рибосом, умещающихся одновременно на молекуле и-РНК, зависит от длины и-РНК. Так, например, на молекуле и-РНК, программирующей синтез белка-гемоглобина, длина которой около 1500 А0, помещается до 5 рибосом (диаметр рибосомы приблизительно 230 А). Группа рибосом, помещающихся одновременно на одной молекуле и-РНК, называется полирибосомой или, сокращенно, полисомой.

Теперь остановимся подробнее на механизме работы рибосомы. Рибосома во время своего движения по и-РНК в каждый данный момент находится в контакте с небольшим участком ее молекулы. Возможно, что размер этого участка составляет всего один триплет нуклеотидов. Рибосома передвигается по и-РНК не плавно, а прерывисто, «шажками» — триплет за триплетом. На некотором, расстоянии от места контакта рибосомы с и-РНК находится пункт «сборки» белка: здесь помещается и работает фермент белок-синтетаза, создающий полипептидную цепь, т. е. образующий пептидные связи между аминокислотами.

Сам механизм «сборки» белковой молекулы в рибосомах осуществляется следующим образом. В каждую рибосому, входящую в состав полисомы, т.е. движущуюся по и-РНК, из окружающей среды непрерывным потоком идут молекулы т-РНК с «навешанными» на них аминокислотами. Они проходят, задевая своим кодовым концом место контакта рибосомы с и-РНК, дотрагиваются до триплета нуклеотидов и-РНК, который в данный момент находится в рибосоме. Противоположный конец т-РНК (несущий аминокислоту) оказывается при этом вблизи пункта «сборки» белка. Однако только в том случае, если кодовый триплет т-РНК окажется комплементарным к триплету и-РНК (находящемуся в данный момент в рибосоме), аминокислота, доставленная т-РНК, попадет в состав молекулы белка и отделится от т-РНК. Тотчас же рибосома делает «шаг» вперед по и-РНК на один триплет, а свободная т-РНК выбрасывается из рибосомы в окружающую среду. Здесь она захватывает новую молекулу аминокислоты и несет ее в любую из работающих рибосом. Так постепенно, триплет за триплетом, движется по и-РНК рибосома и растет звено за звеном — полипептидная цепь. Так работает рибосома — этот удивительный органоид клетки, который с полным правом называют «молекулярным автоматом» синтеза белка.

Мы уже упоминали о синтезе белка, недавно осуществленном химиками в лабораторных условиях. Этот искусственный синтез потребовал огромных усилий, много времени и средств. А в живой клетке синтез одной молекулы белка завершается в 3—4 секунды. Вот пример, насколько совершеннее работает синтетический аппарат живой клетки.

Роль ферментов в биосинтезе белка

Не следует забывать, что ни один шаг в процессе синтеза белка не идет без участия ферментов. Все реакции белкового синтеза катализируются специальными ферментами. Синтез информационной РНК ведет фермент, который «ползет» вдоль молекулы ДНК от начала гена до его конца и оставляет позади себя готовую молекулу информационной РНК. Ген в этом процессе дает только программу для синтеза, а сам процесс осуществляет фермент. Без участия ферментов не происходит и соединения аминокислот с транспортной РНК.

Существуют особые ферменты, обеспечивающие захват и соединение аминокислот с их транспортными РНК. Наконец, в рибосоме в процессе сборки белка работает фермент, сцепляющий аминокислоты между собой.

Энергетика биосинтеза белка

Еще одной очень важной стороной биосинтеза белка является его энергетика. Мы уже упоминали, что любой синтетический процесс представляет собой эндотермическую реакцию и, следовательно, нуждается в затрате энергии. Биосинтез белка представляет цепь синтетических реакций: 1) синтез и-РНК, 2) соединение аминокислот с т-РНК и 3) «сборку» белка. Все эти реакции требуют энергетических затрат. Энергия для синтеза белка доставляется реакцией расщепления АТФ. Каждое звено биосинтеза всегда сопряжено с распадом 2 АТФ.

Список литературы

1. Азимов А. Краткая история биологии. М.,1997.

2. Кемп П., Армс К. Введение в биологию. М.,2000.

3. Либберт Э. Общая биология. М.,1978 Льоцци М. История физики. М.,2001.

4. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. Учебное пособие. М.,1999.

5. Небел Б. Наука об окружающей среде. Как устроен мир. М.,1993.

www.neuch.ru

их роль в экосистеме :: SYL.ru

Всем живым существам на Земле нужна еда для того, чтобы выжить. Пища – это не только то, чем питаются люди и животные, это также полезные ископаемые и питательные вещества, которые поглощают растения. Мнение о том, что растения являются начальным источником питания, было бы большим преуменьшением, так как для выживания они тоже должны питаться. Все было создано природой таким способом, чтобы живые существа могли гармонично сосуществовать друг с другом. Говоря простым языком, автотрофы и гетеротрофы – это растения и животные, которые отличаются по своему способу питания.

Автотрофы

Для растений пищей являются крахмал и питательные вещества, которые добываются из почвы и солнечного света. Им не нужно заниматься поисками пропитания, достаточно будет просто использовать свои собственные врожденные способности и особенности для получения необходимых питательных веществ, обеспечивающих рост и развитие. Автотрофы – это растения, которые добывают себе пропитание из дождя, почвы и солнечного света.

Важную роль в снабжении клеток питательными и минеральными веществами играет фотосинтез (использование света), а также хемосинтез (химическая энергия). В ходе этих сложных процессов «сырые» питательные вещества и полезные ископаемые преобразовываются в специальные клетки, которые поглощают солнечный свет и трансформируют его в энергию. Автотрофы также именуются производителями.

автотрофы и гетеротрофы

Гетеротрофы

Гетеротрофы – это организмы, которые не в силах самостоятельно синтезировать себе пищу. Сюда относятся животные и человек, то есть потребители, которые нуждаются во внешних источниках пропитания. Выработка энергии для сохранения жизни и правильного функционирования организма требуют поглощения и переваривания пищи. Без этих процессов гетеротрофы просто не смогли бы существовать.

Гетеротрофов также называют потребителями. Сюда входят травоядные животные (например, крупный рогатый скот, олени, слоны и так далее), плотоядные животные (лев, змеи и акулы, все те, кто питаются другими животными), а также всеядные существа (люди). Гетеротрофами также считаются земляные черви, поедающие остатки мертвых растений и животных, грибы.

Автотрофы, гетеротрофы: сравнительная характеристика

Автотрофы получают углерод из неорганических источников, например, углекислый газ (CO2), в то время как гетеротрофы получают свою долю углерода от других организмов. Автотрофы обычно являются растениями, гетеротрофы – животными. Автотрофы и гетеротрофы отличаются друг от друга по многим показателям. Автотрофы создают себе питание фотосинтезом или хемосинтезом при помощи неживых компонентов экосистемы.

организмы автотрофы и гетеротрофы

Гетеротрофы зависят от автотрофов в пищевом плане. Автотрофы напрямую зависят от энергии от солнца и преобразовывают неорганическое вещество в органику. Гетеротрофы зависят от солнечной энергии лишь косвенно, а органические вещества приобретают от автотрофов и используют их в метаболических процессах.

Фотосинтез и хемосинтез

В процессе фотосинтеза автотрофы используют энергию солнца, чтобы преобразовать воду из почвы и углекислый газ из воздуха в глюкозу. Последняя предоставляет энергию и используется для создания целлюлозы (которая незаменима для строительства клеточных мембран), например, растениями, морскими водорослями, фитопланктоном и некоторыми бактериями. Насекомоядные растения используют фотосинтез для выработки энергии, но зависят и от других организмов для получения таких питательных веществ, как азот, калий и фосфор. Следовательно, эти растения также считаются автотрофами.

Хемотрофы используют энергию, образующуюся в результате химических реакций, для производства пищи. Чаще всего в реакцию вступает сероводород (метан с кислородом). Углекислый газ является главным источником углерода для хемотрофов. Примером могут быть бактерии, найденные в действующих вулканах, термальных источниках, гейзерах и на морском дне. Эти организмы выживают в самых экстремальных условиях.

Пищевая цепочка

Автотрофы не зависят от других организмов, они сами являются основным производителем и занимают начальный уровень пищевой цепочки. Травоядные животные, которые питаются автотрофами, занимают второй трофический уровень. Далее располагаются всеядные и плотоядные гетеротрофы. Наконец, на вершине цепи питания находится человек, который использует для пропитания как первых, так и вторых.

автотрофы гетеротрофы хемотрофы

Биологические организмы автотрофы и гетеротрофы – это два типа биотических компонентов экосистемы, которые взаимодействуют друг с другом. Все живые организмы могут быть классифицированы как автотрофы или как гетеротрофы. В экосистеме поток энергии от одного организма к другому описан понятием пищевой цепи. Каждый организм, зависящий от следующего организма в плане пропитания, формирует линейную последовательность, через которую энергия переходит от одного организма к другому. Проще говоря, пищевая цепочка показывает, кто кого ест.

Автотрофы, гетеротрофы, хемотрофы: роль в экосистеме

Все пищевые цепочки начинаются на уровне производителя. Основные потребители едят производителей для получения энергии. Основные потребители съедаются вторичными потребителями; вторичных потребителей едят третичные потребители и так далее.

Общим примером для объяснения понятия пищевой цепи является экосистема, где трава - производитель, и мышь, которая съедает траву, становится основным потребителем. Мышь оказывается добычей для змеи, которая становится вторичным потребителем. Орлы едят змей и становятся третичными потребителями.

Роль гетеротрофов и автотрофов, а также хемотрофов в природе переоценить невозможно. Мертвые животные разлагаются, и таким образом питательные вещества возвращаются назад в почву. Этот цикл потока питательных веществ от одного уровня к следующему периодически повторяется между биотическими и неживыми компонентами экосистемы.

Несмотря на множество отличий, автотрофы и гетеротрофы находятся в прямой зависимости друг от друга. Для выживания в глобальном смысле этого слова они просто необходимы друг другу, так как являются одними из важнейших компонентов экосистемы, хотя в теории хемотрофы и автотрофы смогли бы существовать без гетеротрофов, последние же без чужой жизненной энергии не проживут.

www.syl.ru

Гетеротрофные и автотрофные организмы - Биология и естествознание - Каталог файлов

Тема 21. Гетеротрофные и автотрофные организмы

СОДЕРЖАНИЕ

1. Автотрофные организмы 2. Гетеротрофные организмы

1. АВТОТРОФНЫЕ ОРГАНИЗМЫ