История жизни

<- Глава 1 Глава 3 ->

Часть 3. Криптозой

 

    Глава 2. Автотрофы и гетеротрофы 

Все живые организмы делятся на автотрофов, способных самостоятельно производить органические вещества (в макромире это растения), и гетеротрофов, питающихся готовой органикой (грибы и животные). Это разделение возникло, разумеется, еще в микромире. Граница между автотрофами и гетеротрофами в микромире  достаточно условна, так как существует множество видов, обладающих смешанной формой питания — миксотрофией, либо использующих наиболее удобный в данных условиях тип питания.

Автотрофы получают энергию из химических реакций (хемоавтотрофы) или из солнечного света (фотоавтотрофы). Используя эту энергию, они из неорганических веществ почвы, воды и воздуха синтезируют органические соединения. При этом почти всегда источником углерода является углекислый газ. Автотрофов за их созидательную производительную функцию называют продуцентами.

Важнейшие и наиболее распространенные из автотрофов – цианобактерии, освоившие кислородный фотосинтез. Для синтеза органики им требуется вода и углекислый газ, которые являются практически неограниченными ресурсами. Еще важнее побочный продукт реакции – кислород, преобразивший Землю. Цианобактерии являются одними из древнейших организмов. Их еще называют сине-зелеными водорослями, так как у них никогда не бывает жгутиков и они относительно малоподвижны.

Эволюционно кислородному фотосинтезу предшествовал бескислородный, в котором исходным сырьем служит не вода H2O, а чаще всего сероводород H2S, а побочным продуктом сера S или даже сульфат S04. Аноксигенные фотосинтезирующие бактерии живут в неглубоких озерах и морях, где со дна поднимается сероводород, образующийся при гниении оседающих на дно мертвых органических останков.

Фототрофность очень широко распространена в мире микробов, потому что подпитываться солнечным светом могут и многие другие микробы, обладающие светочувствительными белками — протеородопсинами. Это гораздо менее эффективный способ утилизации солнечной энергии по сравнению с настоящим фотосинтезом, но зато и гораздо более простой. Протеородопсины встречаются у многих бактерий и архей, обитающих в морях и океанах.

Хемотрофы в качестве внешнего источника энергии используют энергию химических связей неорганических соединений — таких, как сероводород, метан, сера, двухвалентное железо и др. Велика роль хемотрофов в перемещении химических элементов и образовании месторождений полезных ископаемых.

Современные хемотрофы используют кислород. Наиболее древние хемотрофы являются анаэробами, так как во время их появления свободного кислорода на Земле еще не было. Как уже упоминалось, в горячих вулканических источниках обнаружены очень древние археи-метаногены. Они получают энергию, восстанавливая углекислый газ до метана при помощи водорода: 4Н2+СО2 = СН4 + 2Н2О. Современные метаногены перешли к питанию более калорийной пищей и стали гетеротрофами.

Упомянем еще метанотрофов, наиболее древние из которых также анаэробны. Они используют метан в качестве единственного источника как энергии, так и углерода. Это тот редкий случай, когда углерод фиксируется не из углекислого газа, а из метана.

Подавляющее большинство бактерий являются гетеротрофами и питаются готовой органикой. Органическое вещество от автотрофов может передаваться гетеротрофам двумя способами. Гетеротрофы-консументы поедают живые организмы, гетеротрофы-редуценты питаются детритом – органическим веществом отмерших организмов, таким как опавшие листья, подгнившие стволы деревьев, засохшие травы, трупы животных, экскременты и т.п. Основными редуцентами являются грибы и бактерии, а помогают им дождевые черви, личинки насекомых, мелкие почвенные клещи и пр.

Прокариоты, в отличие от одноклеточных эукариотов, не способны к фагоцитозу, то есть не могут заглатывать другие клетки. У них есть два других способа охоты. Бактерии-хищники могут сначала убить «добычу», выделяя токсины, а затем всосать органические вещества, высвободившиеся при распаде погибших клеток. А могут проникнуть внутрь своей жертвы, и размножаясь там, выесть ее изнутри. Консументы важны для регулирования численности продуцентов.

Пожалуй, еще более важна роль редуцентов – они возвращают в биохимический оборот отмершее органическое вещество. Редуценты разлагают мертвую органику до углекислого газа и воды, используя для ее разложения  кислород .

Есть и менее глубокие анаэробные способы переработки органических останков. Их используют бактерии-бродильщики и археи-метаногены.

Самые распространенные бродильщики – молочнокислые бактерии. Они сбраживают сахара до молочной кислоты, данный процесс называется гликолизом. Основное место обитания и естественный резервуар этих микробов – кишечник человека и других животных. Побочный продукт – водород.

Метаногены из водорода H2 и углекислого газа CO2 производят метан. Живут практически везде, где нет кислорода и есть бродильщики. Обитают  в болотах, на свалках, в кишечниках жвачных животных и термитов, помогая им переваривать целлюлозу, да и вообще в кишечниках животных. Человек использует их в производстве метана из бытовых и сельскохозяйственных отходов. Благодаря метаногенам в атмосфере Земли содержится довольно много метана, который вызывает парниковый эффект.

Большинство архей — хемоавтотрофы, среди бактерий широко распространены все известные типы метаболизма.

 

Кто был первым?

 У человека, склонного к размышлению, естественно возникает философский вопрос, подобный вопросу о курице и яйце: а кто были первыми – автотрофы или гетеротрофы?

Потреблять готовую органику, конечно, проще, чем синтезировать. Тем более что органики абиогенного происхождения на древней земле было предостаточно. В тех условиях  могли образовываться и аминокислоты, и жирные кислоты, так что древний океан даже называют «первичным бульоном». Но дело в том, «первичный бульон» является конечным, исчерпываемым ресурсом. Поскольку живые существа размножаются в геометрической прогрессии (в благоприятных условиях прокариоты могут делиться каждые 20-30 минут), потомство первых же гетеротрофов должно было сожрать весь этот бульон за совершенно ничтожное время и вымереть от голода. Не меньшие неприятности, впрочем, ожидают и чисто автотрофную биосферу, которая в том же темпе – и с тем же конечным результатом! – свяжет весь углерод на планете в виде неразложимых высокомолекулярных соединений. Правда, долгое время вокруг подземных источников в гордом одиночестве могли бы существовать хемотрофы, подпитываясь необходимыми веществами из глубин планеты. Но широкое распространение их совершенно невозможно.

Поэтому автотрофность и гетеротрофность должны были появиться одновременно.  И эта мысль подводит нас к понятию экологическая система. В экосистеме то, что для одних является пищей, для других является продуктом жизнедеятельности. Особенно интересна такая взаимосвязь у хемобактерий, которые умудряются получать энергию как из прямой, так и из обратной реакции. Сульфатредукторы восстанавливают сульфаты водородом до сероводорода, серобактерии  окисляют сероводород. Нитрифицирующие бактерии превращают аммонийные соли и аммиак в нитраты, денитрифицирующие восстанавливают нитраты до нитритов и далее до молекулярного азота. Метаногены из водорода и углекислого газа производят метан, метанотрофы сжигают метан с образованием углекислого газа и воды.

Такие пары делают экологические системы очень устойчивыми. Например, ученые опасались, что потепление климата вызовет таяние вечной мерзлоты в Сибири, это приведет к заболачиванию больших территорий, что вызовет увеличение выделения метана археями-метаногенами, живущими в болотах. А так как метан вызывает парниковый эффект, то это еще больше ускорит потепление климата. Но недавние исследования показали, что потепление приводит и к активизации бактерий-метанотрофов, живущих на болотных мхах, они увеличивают потребление метана и стабилизируют ситуацию.

<- Глава 1 Глава 3 ->

 

Понравилась статья? Поделись с друзьями.

Оставить комментарий

40 + = 50