Особливості обміну речовин та перетворення енергії в автотрофних і гетеротрофних організмів

Єдність та узгодженість процесів пластичного й енергетичного обмінів забезпечують функціонування організмів як цілісних біологічних систем, здатних до саморегуляції й самооновлення. Для забезпечення власних енергетичних потреб організми використовують енергію, що надходить з навколишнього середовища, акумулюючи її у формі хімічних зв’язків органічних молекул.

Автотрофне живлення.

Організми, здатні синтезувати органічні речовини з неорганічних, називають автотрофами (від грец. autos – сам і trophe – їжа, живлення). Одні з них використовують для цих процесів енергію світла – зелені рослини й деякі прокаріоти (ціанобактерії, зелені та пурпурові бактерії). Пригадайте, що процес утворення органічних речовин з неорганічних за участю світла називають фотосинтезом, а організми, які в такий спосіб акумулюють енергію, – фототрофами, або фотосинтетиками.

Іншим потенційним джерелом є енергія екзотермічних реакцій. Процес утворення органічних сполук з неорганічних за рахунок енергії хімічних реакцій називають хемосинтезом. Організми, здатні засвоювати енергію хімічних реакцій, називають хемотрофами, або хемосинтетиками. Таких організмів багато поміж бактерій та архей: залізобактерії, сіркобактерії, нітрифікувальні бактерії тощо (рис. 70).

Автотрофні організми в зоні штормових викидів Білого моря.

Поміж бурих водоростей, що гниють на узбережжі, на вологому солоному піску, насиченому сірководнем, вирізняються плями різного кольору.

Це скупчення прокаріотів:

ціанобактерії – зелені,

пурпурні бактерії – рожеві,

а сіркобактерії – білі плями.

Перелічимо кілька реакцій, що відбуваються за участі бактерій, у яких виділяється достатня для синтезу органічних сполук кількість енергії. Залізобактерії окиснюють сполуки Феруму(II) до сполук Феруму(III), сіркобактерії окиснюють Сульфур сірководню до молекулярної сірки. Тіонові бактерії також перетворюють сполуки Сульфуру, окиснюючи молекулярну сірку, сульфіти або сульфіди до сульфатів.

Водневі бактерії окиснюють молекулярний водень до води. Нітрифікувальні бактерії здатні окиснювати амоніак, що утворюється під час гниття органічних речовин, до нітритів та нітратів. Отже, спектр перетворюваних хімічних речовин є досить широким. Проте енергія, що виділяється в описаних реакціях, не використовується безпосередньо для синтезу органічних сполук.

На першому етапі вона акумулюється у зв’язках молекул АТФ і лише потім використовується для синтезу органічних речовин з неорганічних. Ця особливість є спільною ознакою хемосинтезу й фотосинтезу.

1. Які особливості живлення зелених рослин як автотрофних організмів?

2. Які особливості метаболізму автотрофних організмів?

3. Які особливості виділення речовин у автотрофів?

Гетеротрофне живлення.

Організми ж, які використовують енергію готових органічних речовин, називають гетеротрофами (від грец. heteros – інший і trophe – їжа, живлення). До цієї групи належать гриби, більшість тварин і бактерій.

Для них джерелом енергії є синтезовані іншими організмами органічні сполуки, які вони отримують з їжею (живі організми, їхні рештки або продукти життєдіяльності).

Є організми, яким властивий змішаний тип живлення – міксотрофи. Міксотрофам притаманне автотрофне живлення (речовинами, що утворюються внаслідок фотосинтезу або хемосинтезу) та гетеротрофне (органічними сполуками, що надходять з навколишнього середовища). До міксотрофів відносять деякі залізобактерії, сіркобактерії, одноклітинні еукаріотичні організми, рослини-напівпаразити, комахоїдні рослини тощо.

Різноманітність гетеротрофних організмів. Гетеротрофні організми різняться за об’єктами живлення, які є джерелом органічних речовин.

Об’єктами живлення для одних тварин можуть бути інші тваринні організми, на яких вони полюють. Тип живлення, за якого один організм (хижак) живиться іншим (або іншими) організмом (жертвою), називають хижацтвом. У процесі спільної еволюції хижаки і жертви пристосовуються один до одного: у хижаків з’являються і розвиваються засоби виявлення й атаки, а в жертв — засоби маскування і захисту.

Хижацтво не треба плутати з типом живлення, за якого об’єктом живлення тварини є рослинний організм, – фітофагією. Поміж безхребетних до фітофагів належать губки, більшість червів і комах. Хребетні фітофаги частково використовують тваринну їжу, оскільки їм необхідні певні незамінні амінокислоти тваринного походження, наприклад, північні олені іноді споживають у їжу лемінгів тощо.

За такого типу живлення в рослин виникають певні захисні пристосування. Найефективнішим «винаходом» для захисту є утворення найбільш поширених у світі рослин полімерних сполук – целюлози та лігніну. Обидві речовини дуже стійкі, міцні й для їх побудови не потрібно будь-яких «дефіцитних» хімічних елементів. У деяких безхребетних є ферменти, які розщеплюють ці речовини (наприклад, целюлаза), але в хребетних тварин вони відсутні, і її засвоєння здійснюється переважно за допомогою симбіотичних одноклітинних організмів. Найвідоміші приклади взаємовигідного співіснування тварин і мікроорганізмів – різні жуйні тварини.

Вівці: В 1 см3 об’єму шлунка вівці налічується до 16 млн бактерій, 1 млн джгутикових найпростіших і 330 тис. інфузорій.

Організми, які живляться соками або виділеннями інших організмів і виконують при цьому життєво важливі трофічні функції, називають симбіотрофами. Таких організмів багато поміж мікроорганізмів.

У природі також натрапляємо на випадки співіснування організмів, за яких один з організмів (паразит) певний час використовує іншого (хазяїна) як джерело живлення та середовище існування. Такий тип живлення називають паразитизмом. Паразити є поміж бактерій, одноклітинних еукаріотів, тварин (плоскі, круглі та кільчасті черви, членистоногі, молюски), грибів (борошнисто-росяні, трутовики, ріжки, сажки) і навіть квіткових рослин.

Повитиця – паразитична рослина.

На земній кулі нараховують 274 види повитиць, в Україні – 14. Паразитують на 630 видах рослин, нерідко викликаючи їх повну загибель. Рослини не мають коренів і справжніх листків, стебла тонкі, жовто-коричневі або зелено-жовті, що прикріплюються до інших рослин за допомогою присосків. Квітки рожеві або білуваті, зібрані в суцвіття, плід – коробочка.

Відмінність паразитизму від хижацтва та інших форм взаємодії організмів полягає в тому, що фізіологія паразита підпорядкована фізіології хазяїна, його життєвий цикл неможливий без отримання від хазяїна необхідних для нього ресурсів.

Сапрофагія – тип живлення органічними речовинами тіл мертвих організмів або продуктів їхньої життєдіяльності. Такі органічні речовини часто називають детритом, а організми, для яких він є об’єктом живлення, – детритофагами. Відомо багато трупоїдних хребетних тварин – гієни, грифи, стерв’ятники, ворони, деякі риби. У такий же спосіб можуть харчуватися і великі безхребетні. Наприклад, жук-мертвоїд здатен удвох із самкою закопувати трупи мишей на глибину до 20 см і там годувати ними своїх личинок.

Найбільше різноманітних детритофагів мешкає в ґрунті, завдяки чому з органічних речовин, що розкладаються, формується гумус.

Дощовий черв’як – детритофаг.

Усього відомо близько 1500 видів дощових черв’яків, більшість яких мешкає в тропіках. Вагомий внесок у вивчення біології та значення дощових черв’яків для лісових ґрунтів зробив український вчений Андрій Зражевський.

Значна частина детриту гниє та розкладається в процесі живлення грибів і бактерій. Ці організми об’єднують в особливу групу редуцентів, які завершують розкладання органічних речовин, повертаючи до екосистеми Карбон у вигляді неорганічних сполук, воду і мінеральні солі. Енергія, що надходить до організму з навколишнього середовища, може запасатися в хімічних зв’язках синтезованих сполук або ж витрачатися на різноманітні процеси функціонування.

Приклади гетеротрофних і міксотрофних організмів: Бабка, венерина мухоловка, хамелеон.

Завдання: Розпізнайте гетеротрофний і міксотрофний організм. Поясніть своє рішення.

Приклади хижацтва: полювання зграї вовків (а) і крокодилів (б)

Проаналізуйте способи полювання хижаків і дайте

відповіді на запитання.

1. Яка стратегія полювання притаманна зображеним тваринам?

2. Які особливості будови є пристосуваннями для такої стратегії?