7.1. Автотрофне та гетеротрофне живлення
Усе живе виникає в результаті біопродукційного процесу та є наслідком життєдіяльності організмів: живлення та розмноження рослин, тварин або мікроорганізмів. Завдяки біопродукцій-ному процесу існують екосистеми та біосфера Землі. При багатьох рисах подібності живі організми несхожі за способами створення органічної речовини та джерел отримання сировини та енергії, що необхідні для цього процесу.
У світі живих істот (за всього їх різноманіття) реалізується два основні докорінно різні типи живлення – автотрофне та гетеротрофне. Організми з автотрофним типом живлення використовують для побудови свого тіла неорганічні речовини, перетворюючи їх в органічні сполуки за рахунок зовнішніх джерел енергії. Організми з гетеротрофним живленням не здатні до самостійного синтезу органічних речовин, вони отримують їх у готовому вигляді. Гетеротрофи тільки перетворюють їх у специфічні органічні речовини свого тіла.
У суто хімічному плані автотрофне живлення полягає в утворенні великих молекул органічних сполук з окремих атомів хімічних елементів або простих молекул неорганічних сполук. Так, наприклад, зелені рослини в ході процесу живлення з ізольованих атомів вуглекислого газу С02 та іонів мінеральних речовин (N03~, NH4+, К+, Р04 3 та ін.) утворюють макромолекули органічних речовин. Таким чином, автотрофне живлення – це немов процес агрегування атомів у макромолекули, з яких складається жива речовина. Він вимагає обов’язкового притоку енергії. Без нього автотрофне живлення неможливе.
У живих організмів з автотрофним живленням у процесі еволюції виробилися два біохімічні механізми, які здатні забезпечувати їх енергією, – фотосинтез та хемосинтез.
Фотосинтез – це процес утворення органічних речовин за рахунок використання енергії сонячної радіації. У фотосинте-зуючих організмів для поглинання сонячної радіації сформувався комплекс пігментів, головним серед яких є хлорофіл. Хлорофіл має здатність поглинати кванти сонячної енергії та направляти їх на синтез органічної речовини. Хлорофіл має зелений колір, і тому вся група живих організмів, що мають хлорофіл, складають світ зелених рослин. Усі зелені рослини є автотрофами, і всі вони використовують енергію сонячного світла для забезпечення свого живлення.
Принципова схема фотосинтезу наведена на рис. 7.1. Цей процес може бути виражений сумарним хімічним рівнянням
CO, + Я О + 962 ккал -> СКН, „Ой + О, + AG.
Z Z 0 LA о £,
Процес фотосинтезу веде до накопичення вільної енергії AG у кількості 470 кДж/моль.
При фотосинтезі не тільки утворюються органічні речовини, а й відбувається виділення кисню. Спеціалісти з геохімії встановили, що первинна атмосфера нашої планети мала відновлюваль-ний характер. До її складу входили азот, окис вуглецю, водень та інші гази. Вільний кисень у ній був зовсім відсутній. Надходження кисню до атмосфери Землі почалося тільки з моменту виникнення (це відбулося приблизно 3 млрд. років тому) зелених автотрофних рослин, які проводили фотосинтез. За час існування зелених рослин в атмосфері накопичилося 20,95% кисню.
Хемосинтез – це також процес утворення органічних речовин, але в цьому випадку як джерело енергії використовуються деякі типи хімічних реакцій, при яких виділяється енергія Хемосинтез здійснюють лише мікроорганізми. Він був відкритий в 1887-1890-х роках СМ. Виноградським. Як джерело енергії хе-мотрофи використовують прості неорганічні сполуки сіркнг, заліза
або азоту, які при окисненні дають вільну енергію. Процес отримання енергії при хемосинтезі відбувається за такими схемами:
NH3 + 02 -> HN03 + 83,5 ккал H2S + 02 -> H2S04 + 159 ккал FeC03 + 02 -» Fe(OH)3 + 40 «гкал
Відповідно мікроорганізми, які використовують ту чи іншу з цих трьох екзотермічних реакцій, називаються азотобактеріями, сіркобактеріями або залізобактеріями.
Гетеротрофне живлення принципово відрізняється від автотрофного тим, що організми, які реалізують його, будують своє тіло з готових органічних сполук. Енергію, необхідну для засвоєння та перетворення цих речовин, вони отримують за рахунок окиснення цих же органічних сполук. За таких обставини біо-продукційний процес гетеротрофних організмів не веде до збільшення живої речовини на Землі. Він тільки збільшує різноманіття форм живої матерії.