Краткое содержание: Параграф § 23 / Биология 10 класс

Основные способы получения питательных веществ клетками

В зависимости от метода получения питательных веществ, организмы подразделяются на две основные группы: автотрофы и гетеротрофы. Для поддержания жизнедеятельности и создания структурных элементов, клеткам требуется не только энергия, но и значительное количество различных веществ.

Автотрофное питание

Автотрофы – это организмы, способные синтезировать необходимые для жизни органические соединения из неорганических веществ, таких как углекислый газ (\( CO_{2} \)), вода (\( H_{2}O \)), и минеральные соли, используя внешний источник энергии.

• Фотоавтотрофы (или фотосинтетики) используют энергию солнечного света для реакций биосинтеза. Примеры: растения, водоросли и некоторые бактерии.
• Хемоавтотрофы (или хемосинтетики) получают энергию, окисляя неорганические вещества (\( H_{2}S \), \( NH_{3} \), \( Fe^{2+} \)) в ходе химических превращений. Примеры: некоторые группы бактерий (серные, водородные, железобактерии).

Гетеротрофное питание

Гетеротрофы не могут самостоятельно синтезировать все необходимые органические вещества и потребляют их в готовом виде, извлекая их из окружающей среды. Эти вещества затем используются для построения собственных белков, липидов, углеводов и других компонентов. К гетеротрофам относятся животные, грибы, многие бактерии и бесхлорофилльные растения (например, корни, питающиеся готовыми органическими веществами).

Хемосинтез

Хемосинтез – это особый тип автотрофного питания, характерный для определенных бактерий, при котором углекислый газ (\( CO_{2} \)) служит единственным источником углерода, а энергия для синтеза органических веществ получается за счет окисления неорганических соединений. Открытие хемосинтеза принадлежит русскому ученому-микробиологу Сергею Николаевичу Виноградскому (1856–1953). Примеры хемосинтезирующих бактерий:

• Серные бактерии: Окисляют сероводород (\( H_{2}S \)) и другие восстановленные соединения серы до серы или серной кислоты, используя высвободившуюся энергию для ассимиляции \( CO_{2} \).
• Нитрифицирующие бактерии: Превращают аммиак (\( NH_{3} \)) и аммонийные соли в нитриты (\( NO_{2}^{-} \)), а затем нитриты в нитраты (\( NO_{3}^{-} \)). Они играют ключевую роль в круговороте азота.
• Водородные и железобактерии: Окисляют водород (\( H_{2} \)) или двухвалентное железо (\( Fe^{2+} \)) соответственно.

Фотосинтез

Фотосинтез – это процесс автотрофного питания, свойственный растениям и цианобактериям, при котором с помощью солнечной энергии из неорганических веществ (\( H_{2}O \) и \( CO_{2} \)) синтезируются органические вещества (углеводы). Суммарное уравнение фотосинтеза: \( 6H_{2}O + 6CO_{2} \overset{свет}{\longrightarrow} C_{6}H_{12}O_{6} + 6O_{2} \). Процесс протекает в специализированных органоидах – хлоропластах, которые содержат пигменты, в первую очередь хлорофилл. Хлоропласты имеют двойную мембрану и внутреннюю систему мембранных мешочков – тилакоидов, собранных в стопки – граны.

Фазы фотосинтеза

Процесс фотосинтеза условно делится на две фазы:

• Световая фаза: Протекает только при наличии света, в мембранах тилакоидов. Энергия света преобразуется в энергию АТФ и восстановительные эквиваленты НАДФН (Никотинамидадениндинуклеотидфосфат восстановленный). В световой фазе происходит:
  • Фотолиз воды (\( H_{2}O \overset{свет}{\longrightarrow} 2e^{-} + 2H^{+} + 1/2O_{2} \)), что приводит к выделению молекулярного кислорода (\( O_{2} \)) в качестве побочного продукта.
  • Синтез АТФ (фотофосфорилирование) за счет градиента концентрации протонов на мембране тилакоида.
  Суммарный результат: синтез АТФ и НАДФН, и образование \( O_{2} \).
• Темновая фаза: Протекает как на свету, так и в темноте, в строме хлоропласта. Используя АТФ и НАДФН, накопленные в световой фазе, происходит фиксация углекислого газа (\( CO_{2} \)) и синтез глюкозы (\( C_{6}H_{12}O_{6} \)) в цикле последовательных ферментативных реакций, называемом циклом Кальвина. На образование одной молекулы глюкозы затрачивается \( 6CO_{2} \), \( 12 \text{НАДФН} \), \( 12H^{+} \) и \( 18 \text{АТФ} \).

Значение фотосинтеза

Фотосинтез имеет колоссальное значение для биосферы:

• Обеспечивает планету органическими веществами, являясь основой пищевых цепей.
• Поддерживает постоянный уровень углекислого газа (\( CO_{2} \)) и обогащает атмосферу кислородом (\( O_{2} \)).
• Привел к образованию озонового слоя (\( O_{3} \)), который защищает все живое от жесткого ультрафиолетового излучения, сделав возможным выход жизни на сушу.
• В истории Земли появление фотосинтезирующих организмов вызвало «кислородную революцию», существенно изменившую состав первичной атмосферы и условия для эволюции.