Які особливості живлення зелених рослин як автотрофних організмів?

АВТОТРОФНЕ ЖИВЛЕННЯ (від грец. аутос – сам і трофос – їжа) – це надходження в організм неорганічних речовин, необхідних для синтезу власних органічних сполук.

Залежно від джерел енергії, що використовується при цьому, розрізняють фотоавтотрофне живлення (властиве ціанобактеріям і зеленим рослинам, у клітинах яких є зелені пігменти, що вбирають зовнішню світлову енергію) та хемоавтотрофне живлення (у деяких груп бактерій, які використовують внутрішню хімічну енергію неорганічних сполук).

Якими ж є особливості обміну речовин й енергії у зелених рослин як найдосконалішої групи автотрофів?

По-перше, у зелених рослин надходження неорганічних речовин забезпечують регульовані процеси повітряного і мінерального живлення. Повітряне живлення – це процес поглинання та засвоєння з повітря вуглекислого газу, який є вихідним продуктом для фотосинтезу. Надходження СО2 відбувається крізь продихи листка, тому саме цей вегетативний орган є органом повітряного живлення.

Мінеральне живлення – це процес поглинання та засвоєння з ґрунту води та хімічних елементів, необхідних для життєдіяльності. Органом мінерального живлення в рослин є корінь.

По-друге, звичайним явищем для зелених рослин є поєднання автотрофного живлення з гетеротрофним й використання готових органічних речовин із зовнішнього середовища або із резервів у клітинах.

В усіх рослин є період, коли організм використовує для життя раніше синтезовані та відкладені про запас органічні речовини. У темновий період живлення рослин також є гетеротрофним.

За особливостями живлення серед рослин виокремлюють такі групи:

рослини-сапрофіти (ялинник звичайний, гніздівка звичайна),

рослини-напівпаразити (омела-біла, дзвінець, перестріч, очанка),

рослини-паразити (вовчок, петрів хрест, повитиця),

рослини-хижаки (венерина мухоловка, росичка круглолиста, жирянка, пухирник, непентес).

По-третє, зелені рослини із середовища отримують енергію Сонця. Утворення глюкози залежить передусім від якості й кількості світлової енергії, що поглинається хлорофілом і каротиноїдами листків. Найбільше значення для рослин мають сині, фіолетові й червоні промені видимого спектра.

На початкових стадіях вегетації для росту й розвитку рослин важливими є сині промені, а в дорослому віці більш необхідними стають червоні промені.

Отже, особливостями живлення зелених рослин є повітряне й мінеральне живлення, використання готових органічних речовин і світлової енергії.

Які особливості внутрішньоклітинного метаболізму автотрофних організмів?

Визначальними процесами автотрофного метаболізму є анаболічні реакції.

Це різні види фотосинтезу архей, фотобактерій та еукаріотичних рослин й хемосинтез залізо-, сірко- та нітрифікуючих бактерій. У деяких солелюбних (галофільних) архей спостерігається безхлорофільний фотосинтез, що здійснюється за участі бактеріородопсину. Принциповою відмінністю між кисневим фотосинтезом зелених рослин й ціанобактерій та бактеріальним фотосинтезом зелених і пурпурних сіркобактерій є те, що останній відбувається за участі бактеріохлорофілів у анаеробних умовах, кисень не виділяється, джерелом Гідрогену є сірководень.

Кисневий фотосинтез відбувається з виділенням кисню за участі хлорофілів й каротиноїдів у зелених рослин та хлорофілів і фікобілінів – у ціанобактерій. Джерелом Гідрогену та молекулярного кисню для цього фотосинтезу слугує вода.

Ще однією особливістю автотрофів є їхня здатність перетворювати продукти фотосинтезу на амінокислоти, жирні кислоти, нуклеотиди, з яких далі утворюються складні біомолекули. Такий автотрофний анаболізм, що пов'язаний з фото- й хемосинтезом, називається первинним синтезом органічних речовин.

І ось тут виявляється ще одна особливість, пов’язана з використанням мінерального Нітрогену у вигляді амоніаку й нітратів, а точніше їхніх йонів (NН4+, NO3–).

Зелені рослини можуть завдяки цьому синтезувати усі необхідні їм амінокислоти в процесах амінування й переамінування.

Біосинтез білка в автотрофів відбувається так само, як і у тварин: на рибосомах за участі іРНК й тРНК. Однак у рослин існує додатковий шлях синтезу білка за допомогою ферментів-транспептидаз (транспептидази). Він полягає в тому, що ферменти переносять пептиди від однієї білкової молекули до іншої. При цьому відбувається рекомбінація ділянок різних білкових молекул із заданою амінокислотною послідовністю. В результаті нові білки утворюються без великих витрат енергії та речовин.

Для катаболізму автотрофів також характерні особливості, пов’язані з хемо- й фотосинтезом. Автотрофні організми в реакціях катаболізму розщеплюють синтезовані ними ж органічні речовини (найчастіше глюкозу або крохмаль). Окрім того, АТФ синтезується не лише в процесі дихання після окиснення глюкози, а й під час світлової фази фотосинтезу завдяки фотофосфорилюванню.

Отже, метаболізм автотрофних організмів має особливості, що визначаються їхньою здатністю до первинного синтезу органічних сполук з неорганічних речовин.

Які особливості виділення речовин у автотрофів?

Екскреція – сукупність процесів, спрямованих на виведення невикористаних продуктів обміну речовин й енергії, а також чужорідних і шкідливих для клітини сполук.

Особливостями екскреції у автотрофів є те, що вони – первинні продуценти і синтезують в необхідній кількості усі потрібні органічні речовини. Наприклад, у рослин синтезується лише стільки білків, скільки необхідно на даний час.

Вони ніколи не утворюють білків у надлишку і тому виділяють дуже мало нітрогеновмісних відходів – продуктів розщеплення білків. Окрім того, кінцеві продукти обміну речовин у автотрофних організмів (О2, СО2, вода) слугують вихідними сполуками для інших реакцій. Наприклад, у рослин СО2 використовується в темновій фазі фотосинтезу, а вода – в світловій. Спеціалізованих органів екскреції у автотрофів немає, однак продукти виділення в них можуть накопичуватися та видалятися в середовище з тканинами й органами, що відмирають. Так, у зелених рослин відходи метаболізму відкладаються у відмерлих тканинах, у листках чи корі, що періодично видаляються. Виділення води у вигляді пари відбувається під час транспірації через продихи, сочевички, видалення надлишку води (гутація – від лат. gutta –крапля) – через водяні продихи (гідатоди) тощо.

Вода випаровується через усі частини рослини та найінтенсивніше це здійснюють листки.

Своєрідним способом виділення є внутрішньоклітинне виділення та ізоляція переведених у важкорозчинну форму продуктів обміну. Наприклад, органічні кислоти, що можуть спричинити шкоду клітині, зв’язуються з катіонами і відкладаються у вигляді кристалів у цитоплазмі (наприклад, включення з кальцій оксалату в щавлю).

Отже, виділення речовин у процесі життєдіяльності є важливим компонентом обміну речовин і гомеостазу рослинного організму.

ОБМІН РЕЧОВИН У АВТОТРОФНИХ ОРГАНІЗМІВ – це обмін, що характеризується надходженням неорганічних речовин, які є джерелом Карбону, Гідрогену й Нітрогену, переважанням у клітинах анаболічних реакцій, первинним синтезом власних органічних сполук і використанням кінцевих продуктів обміну для реакцій.

Чому розрізняють різні типи й види гетеротрофного живлення?

ГЕТЕРОТРОФНЕ ЖИВЛЕННЯ (від грец. гетерос – різний і трофос – їжа) – це процес надходження в організм готових органічних речовин, що слугують джерелом Карбону.

Залежно від джерел енергії розрізняють фотогетеротрофне живлення (пурпурні несірчані бактерії, геліобактерії мають бактеріохлорофіли, що використовують зовнішню світлову енергію) та хемогетеротрофне живлення (археї, більшість бактерій, тварини, гриби, що використовують внутрішню хімічну енергію органічних сполук).

У живій природі виокремлюють ще один тип живлення – міксотрофний.

Мікстотрофне живлення (від грец. міксо – змішаний і їжа) – це процес надходження в організм за одних умов середовища неорганічних речовин для фотоавтотрофного живлення, а за інших умов – готових органічних речовин для хемогетеротрофного живлення.

Іншими словами, це змішане живлення, що спостерігається в комахоїдних рослин, рослин-паразитів, евглени зеленої, діатомових водоростей, певних груп бактерій.

Найбільш поширеними є організми з хемогетеротрофним типом живлення – хемогетеротрофи. Саме вони демонструють різноманітність видів гетеротрофного живлення.

За джерелом готових органічних речовин їх класифікують на:

хижаків (хижі тварини, хижі гриби, хижі рослини отримують готові органічні речовини з тіла своєї жертви),

фітофагів (рослиноїдні тварини використовують органічні речовини зеленої маси),

сапрофагів (жук-гнойовик, річкові раки, гієни, грифи споживають органічні речовини відмерлих організмів),

паразитів (черви-гельмінти, блохи, воші живляться поживними речовинами живих організмів, чим завдають їм шкоди)

симбіотрофів (актинії, губани-чистильники, мікоризні гриби живляться поживними речовинами живих організмів, не завдаючи їм шкоди).

Способи здобування їжі в гетеротрофних організмів є дуже різноманітними, але шлях засвоєння поживних речовин у більшості з них подібний і складається з таких етапів: поглинання їжі – перетравлювання складних поживних речовин – всмоктування малих біомолекул – метаболізм – виділення.

Отже, типи й види гетеротрофного живлення розрізняють за джерелом енергії та джерелами отримання готових органічних речовин.

Які особливості метаболізму гетеротрофів?

Визначальними й переважаючими процесами метаболізму гетеротрофів є катаболічні реакції розщеплення складних органічних речовин. Завдяки їм відбуваються вивільнення хімічної енергії, перетворення її в енергію АТФ і використання для життєдіяльності та реакцій анаболізму. Катаболізм більшості гетеротрофів можна поділити на три етапи.

• Підготовчий етап – це специфічний для гетеротрофів етап перетравлювання й розщеплення біополімерів до малих молекул:

білки – до амінокислот,

жири – до жирних кислот і гліцеролу,

полісахариди – до моносахаридів.

Цей етап відбувається у травній системі, а також внутрішньоклітинно в лізосомах. У цих процесах не виділяється достатньої кількості енергії для синтезу АТФ, вся вона втрачається в тепловій формі.

• Безкисневий (анаеробний) етап – розщеплення мономерів до ще менших молекул, переважно ацетил-КоА; на цьому етапі в реакціях синтезується незначна кількість АТФ. За неповного розщеплення 1 моль глюкози вивільняється 200 кДж енергії. Одним із основних шляхів 2-го етапу аеробного дихання є гліколіз.

• Кисневий (аеробний) етап включає цикл Кребса та окиснювальне фосфорилювання, що відбуваються в мітохондріях. На цьому етапі органічні речовини окиснюються до вуглекислого газу, а всі відщеплені від них електрони та протони переносяться на кисень, внаслідок чого утворюється вода. На цьому етапі синтезується найбільша кількість АТФ. Так, з 1 моль глюкози вивільняється 2600 кДж енергії.

Вивільнена енергія й малі молекули беруть участь в анаболічних процесах утворення власних органічних речовин. Таку сукупність перетворень називають вторинним синтезом органічних речовин. Цей синтез здійснюється завдяки внутрішньоклітинній енергії окиснення речовин, а не зовнішній світловій енергії, як у автотрофів.

Ще однією особливістю анаболізму гетеротрофів є потреба в незамінних амінокислотах й жирних кислотах, що не синтезуються в їхніх організмах і мають надходити з їжею. На відміну від автотрофів, здатних засвоювати Нітроген мінеральних сполук, гетеротрофні організми потребують Нітроген в органічній формі (амінокислоти, білки).

Отже, метаболізм гетеротрофних організмів має особливості, що визначаються використанням готових органічних речовин та їхньою здатністю до вторинного синтезу органічних речовин.

Як відбувається екскреція у гетеротрофних організмів?

У зв’язку з різноманіттям видів живлення й переважанням катаболічних реакцій розщеплення в організмі гетеротрофів утворюються й видаляються дуже різні речовини.

Такими сполуками можуть бути:

1) кінцеві продукти окиснення (вуглекислий газ, вода);

2) надлишок води й солей;

3) отруйні сполуки, що надійшли до організму з їжею або утворилися під час реакцій (наприклад, токсини);

4) кінцеві продукти обміну білків (амоніак, сечовина);

5) чужорідні речовини (наприклад, отрутохімікати, радіонукліди).

Виділення з організму може здійснюватись шляхом дифузії (у грибів, твариноподібних організмів, бактерій) або за участі спеціальних видільних органів (протонефридії, метанефридії, зелені залози, видільні трубочки, нирки) .

Своєрідним способом виділення є відкладання переведених у важкорозчинну форму продуктів обміну в клітинах тіла (наприклад, у клітинах жирового тіла комах).

Для гетеротрофів важливим видом обміну речовин є обмін білків. У ньому кінцевими продуктами є нітрогеновмісні сполуки – амоніак, сечовина, сечова кислота, що швидко видаляються з організму. Досить часто у зв’язку з потребами економії води легкорозчинні амоніак і сечовина замінюються на важкорозчинні речовини, якими є гуанін (наприклад, у павуків) або сечова кислота (наприклад, у комах, плазунів, птахів).

Отже, завершальний етап обміну речовин й енергії у гетеротрофів також має свої особливості, якими є наявність нітрогеновмісних кінцевих продуктів і спеціалізованих органів виділення.

ОБМІН РЕЧОВИН У ГЕТЕРОТРОФНИХ ОРГАНІЗМІВ – це обмін, що характеризується надходженням готових органічних речовин, які є джерелом вільної хімічної енергії, Карбону, Гідрогену й Нітрогену, переважанням у клітинах катаболічних реакцій розщеплення цих речовин, вторинним синтезом власних органічних сполук і видаленням із клітин кінцевих продуктів обміну, зокрема амоніаку.