Последовательности биологических процессов

Консументы первого порядка

Консументами первого порядка в пищевых цепях являются микроорганизмы, растения-паразиты, а также растения-хищники и травоядные животные. Также в эту группу входит практически все одомашненные человеком животные. Отличительной чертой фитофагов является то, что они питаются биомассой продуцентов. Но несмотря на то, что формально их объединяет одна категория, эти растительноядные гетеротрофы добывают пищу различным образом.

В пищевой цепи консументы первого порядка играют роль первичных потребителей.

Потребление биоматериала в области леса равняется 10% от суммарно произведённой продуцентами продукции, на других климатических зонах эта цифра возрастает до 30-50%, а максимума достигает в фотических зонах (освещаемой солнцем верхней толще водоёмов), где пищей являются цианобактерии и фитопланктон.

Роль хемосинтезирующих бактерий

Хемотрофы играют главную роль в сложных процессах превращения и круговорота соответствующих химических веществ в природе. Поскольку сероводород и аммиак являются достаточно токсичными веществами, существует необходимость в их нейтрализации. Это также осуществляют хемотрофные бактерии. В ходе химических превращений образуются вещества, необходимые другим организмам, что делает возможным их нормальный рост и развитие. Крупные месторождения руд железа и марганца на дне морей и болот возникают благодаря деятельности хемотрофов. А именно — железобактерий.

Человек научился использовать уникальные свойства хемотрофов и в своей деятельности. К примеру, с помощью серобактерий очищают сточные воды от сероводорода, защищают металлические и бетонные трубы от коррозии, а почвы от закисления.

Итак, бактерии хемосинтезирующие являются особыми прокариотами, способными осуществлять соответствующие химические реакции в анаэробных условиях. Эти организмы окисляют вещества. Энергию, которая при этом выделяется, они сначала запасают в связях АТФ, а потом используют для осуществления процессов жизнедеятельности. Основными из них являются железо- , серо- и азотфиксирующие бактерии. Они обитают как в водной, так и в почвенной среде. Хемотрофы являются незаменимым звеном в круговороте веществ, обеспечивают живые организмы необходимыми веществами и широко используются человеком в его хозяйственной и промышленной деятельности.

Хемотрофы

Хемотрофы существуют благодаря своей способности получать энергию в процессе окислительных или восстановительных реакций органических и неорганических веществ. В качестве «пищи» хемотрофам подойдет все: сероводород и метан, сера и углеводы, двухвалентное железо и белок, жиры и углеводороды. Желательно, чтобы в процессе хемосинтеза участвовала вода и газ. Одним хемотрофам обязательно нужен кислород, другим хватит метана.

Классическими представителями хемотрофов являются бактерии. Благодаря своей «всеядности» эти организмы могут существовать практически в любой среде, от впадины термального или сильно минерализированного водоема до внутренних органов человека, от куска хлеба или плоти до колбы с нефтью. Кстати, примером полезной деятельности хемотрофов может стать история про образование минеральной воды типа «Нафтуся». Атмосферные осадки просачиваются в насыщенные нефтью подземные полости. Десяток лет и бактерии полностью перерабатывают смесь жидкостей, превращая их в целебный напиток.

Грибы-сапрофиты

Плесневые грибы селятся на любой поверхности

Способы питания грибов-сапрофитов классические. По мнению многих ученых они являются первичными по отношению к любому другому типу, характерному для большинства представителей этого царства. Такие организмы поселяются на определенном мертвом субстрате – почве, пнях деревьев, полуразложившихся плодах, продуктах, трупах животных. Гифы пронизывают этот субстрат, начинают выделять ферменты и поглощать питательные вещества.

Сапротрофы играют важную роль в природе. Питаются грибы мертвыми организмами и разлагают их. Так высвобождаются зольные элементы, доступные для поглощения растениями. Из простых минералов автотрофы синтезируют сложную органику, которая необходима гетеротрофам для поддержания жизненного цикла всего живого.

Большинство сапрофитов живет в грунте. Они бывают микроскопическими и макроскопическими. В группе макроскопических сапрофитов самые распространенные представители – шляпочные и плесневые. Шляпочные виды каждый знает, они растут в лесах и на лугах, бывают съедобными и несъедобными. Живут на старой древесине, берут участие в разложении опавшей хвои и листьев. Питаются продуктами распада органических веществ.

Плесневые разновидности поселяются на любой среде, включая домашние продукты. Это также мертвая материя, которая становится их питательным субстратом. Это одна из самых многочисленных групп, которая заселяет все уголки планеты. Грибы плесневые питаются, разлагая грубую органику до более простой, затем к процессу подключаются бактерии.

Происхождение концепции

Микробиолог Сергей Виноградский в 1890 году был первым ученым, который заговорил о возможном существовании хемосинтетических процессов, поскольку он предположил, что должен существовать процесс, подобный процессу фотосинтеза, который использует источник энергии, отличный от солнечного света.

Однако термин «хемосинтез» был придуман в 1897 году Пфеффером.Теории Виноградского были подтверждены в 1977 году в ходе экспедиции подводной лодки «Элвин» в глубокие океанические воды вокруг Галапагосских островов.

Во время этой экспедиции ученые на борту подводной лодки обнаружили бактериальные экосистемы, которые существовали в присутствии неорганических веществ, а другие — в симбиозе с некоторыми беспозвоночными морскими животными.

В настоящее время во всем мире известны различные хемосинтетические экосистемы, особенно связанные с морской и океанической средой и, в меньшей степени, с наземными экосистемами. В этих средах хемосинтезирующие микроорганизмы представляют собой важных первичных продуцентов органического вещества.

Органотрофы и литотрофы

Питание позволяет бактерии восполнить запас электронов, необходимых ей для многих клеточных процессов. При всем многообразии веществ, которые могут быть донорами электронов, микробы делятся на две группы:

органотрофы;
литотрофы.

Органотрофы окисляют органику. Донорами выступают молекулы аминокислот, жиров, сахаров (чаще всего – глюкозы). После окисления молекулы могут распадаться, образуя более простые устойчивые соединения. К органотрофам, в частности, относятся бактерии гниения.

Донорами электронов для литотрофов выступают неорганические соединения. Так, в процессе питания литотрофы могут повышать валентность металлов, окислять аммиак до нитритов или азота, нитриты – до нитратов, сульфид – до серы, серу – до сульфата, фосфит – до фосфата, угарный газ – до углекислого и т.д.

Пластический обмен

Фотосинтез, который свойственен растениям, а также некоторым бактериям. Они называются автотрофами, поскольку способны самостоятельно синтезировать необходимые для жизни органические вещества из неорганических соединений.
Хемосинтез протекает у бактерий, называемых хемотрофами. И они также могут обеспечивать себя необходимыми органическими соединениями. Для их жизнедеятельности не нужен кислород, они используют диоксид углерода.
Биосинтез белков осуществляется в живых организмах. К ним относятся и гетеротрофы, которые, в отличие от двух предыдущих упоминаемых форм, неспособны самостоятельно обеспечивать себя органическими веществами, а поэтому получают их с помощью других организмов.

Остановимся на этих процессах более подробно.

Фотосинтез

Процесс, без которого не была бы возможна жизнь на Земле. Многим формам жизни для дыхания нужен кислород взамен выдыхаемого ими в воздух углекислого газа. Этим важным веществом нас обеспечивают растения, в зелёных листьях которых содержатся хлоропласты. Их окружает пара мембран, поскольку внутри хлоропласта в цитоплазме содержатся ценные граны с собственными защитными оболочками. В этих стопках тилакоидов, в свою очередь, присутствует хлорофилл, отвечающий за цвет растения, но главное — делающий процесс фотосинтеза возможным.

Осуществляется он посредством соединения шести молекул углекислого газа с водой, в результате чего образуется глюкоза. Побочным продуктом реакции является жизненно необходимый кислород. Процесс возможен только на свету, при использовании солнечной энергии.

Хемосинтез

Хемосинтез протекает у микроорганизмов, также способных к самостоятельному преобразованию неорганических соединений в органические. К ним относятся:

железобактерии (окисляют соли железа);
водородные (молекулы водорода);
серные (сернистый водород);
нитрифицирующие (аммиак из гниющих остатков растений);
тионовые (молекулы серы, а также её соединения в виде солей).

Окисление углекислого газа происходит без участия кислорода, с использованием запасённой ранее энергии. Из диоксида углерода синтезируются органические вещества, необходимые для жизнедеятельности.

Биосинтез белков

Сложный процесс, направленный на разложение попадающих в организм белков на составляющие, из которых впоследствии синтезируются собственные уникальные белки. Состоит из двух стадий.

Транскрипция — процесс, состоящий из трёх этапов (образование транскрипта, процессинг, сплайсинг), которые происходят в ядре клетки. Они направлены на создание информационной РНК (иРНК) из ДНК. В результате новый полимер полностью копирует небольшой участок нити ДНК с той разницей, что тимину в нём эквивалентен урацил.

Трансляция — перенос информации с синтезированной на предыдущем этапе молекулы РНК на строящийся полипептид с указаниями о его будущей структуре. Процесс происходит на рибосомах, расположенных в цитоплазме клетки. Они имеют овальную форму и состоят из частей, которые могут соединяться только при наличии иРНК. Сам перенос информации осуществляется в несколько этапов.

Под действием ферментов и при участии АТФ аминокислоты проходят активацию с образованием аминоациладенилата.
Аминоксилота связывается с транспортной РНК (тРНК) с выделением аденозинмонофосфата (АМФ).
Образованный на предыдущем этапе комплекс объединяется с рибосомой.
Аминокислоты подставляются в структуры пептида и освобождают тРНК.

Итак, все вещества, поступающие в живой организм, распределяются в нём так, чтобы приносить ему пользу. Сложные распадаются с выделением энергии, необходимой для дальнейшей жизнедеятельности (например, выполнение физической или умственной работы человеком), запасаемой в АТФ. А из простых веществ организм синтезирует новые соединения с использованием энергии, накопившейся в универсальном источнике — молекуле той самой АТФ. При этом энергия не расходуется безвозвратно — она запасается в новых соединениях.

Диссимиляция и ассимиляция в корне отличаются друг от друга, но при этом они неразрывно связаны. Ведь именно катаболизм даёт энергию, без которой невозможен анаболизм, то есть синтез необходимых организму веществ. Вот почему эти два процесса являются очень важными.

https://youtube.com/watch?v=M1QOYJrSQG4

https://youtube.com/watch?v=x1ZlDMYA3AY

Автотрофы и гетеротрофы – сходства и отличия

Пища — единственный источник энергии для всех живых организмов на этой планете. Эта еда доступна из разных источников. Живые организмы подразделяются в зависимости от способов питания:

Автотрофы;
Гетеротрофы.

Сравнение автотрофов и гетеротрофов в таблице

Автотрофы	Гетеротрофы
Обычно представители растительного царства и некоторые одноклеточные организмы, такие как цианобактерии.	Все представители животного царства.
Автотрофы сами производят себе пищу.	Гетеротрофы зависят от других источников пищи.
Их можно классифицировать как фотоавтотрофы и хемоавтотрофы.	Их можно классифицировать как фотогетеротрофы и хемогетеротрофы.
Хлоропласт помогает в приготовлении пищи.	Они не содержат хлоропласта, поэтому не производят пищу.
Они получают энергию из неорганических источников путем преобразования энергии света в химическую энергию.	Они получают энергию прямо или косвенно от других организмов.
Автотрофы могут накапливать световую энергию и химическую энергию.	Гетеротрофы не могут накапливать энергию.
Они находятся на начальном уровне пищевой цепочки.	Они находятся на вторичном или третичном уровне пищевой цепочки.
Они не могут сдвинуться с места.	Могут перемещаться с одного места на другое в поисках пищи и крова.
Зеленые растения, водоросли и несколько фотосинтезирующих бактерий являются примерами автотрофов.	Коровы, буйволы, тигры, лошади, люди являются примерами гетеротрофов.

Редуценты

Дрожжи, грибы и бактерии-гетеротрофы подразделяют по способу питания на три вида:

сапрофиты – используют в пищу продукты жизнедеятельности и разлагающиеся ткани животных и растений (большинство бактерий);
симбионты – находятся в тесной позитивной взаимосвязи с другими организмами (кишечная палочка человека, белые грибы и дуб);
паразиты – питаются за счёт другого организма, вызывая повреждения клеток и тканей (дизентерийная палочка, палочка Коха, спорынья).

Рис. 3. Грибы-сапрофиты.

Сапрофиты играют важную роль в круговороте веществ и являются редуцентами в пищевой цепочке. Благодаря редуцентам все органические останки разрушаются и превращаются в перегной – питательную среду для растений.

Вирусы не относятся ни к гетеротрофам, ни к автотрофам, т.к. имеют свойства неживой материи. Для размножения им не требуются питательные вещества.

Автотрофы, гетеротрофы, хемотрофы: роль в экосистеме

Все пищевые цепочки начинаются на уровне производителя. Основные потребители едят производителей для получения энергии. Основные потребители съедаются вторичными потребителями; вторичных потребителей едят третичные потребители и так далее.

Общим примером для объяснения понятия пищевой цепи является экосистема, где трава — производитель, и мышь, которая съедает траву, становится основным потребителем. Мышь оказывается добычей для змеи, которая становится вторичным потребителем. Орлы едят змей и становятся третичными потребителями.

Роль гетеротрофов и автотрофов, а также хемотрофов в природе переоценить невозможно. Мертвые животные разлагаются, и таким образом питательные вещества возвращаются назад в почву. Этот цикл потока питательных веществ от одного уровня к следующему периодически повторяется между биотическими и неживыми компонентами экосистемы.

Несмотря на множество отличий, автотрофы и гетеротрофы находятся в прямой зависимости друг от друга. Для выживания в глобальном смысле этого слова они просто необходимы друг другу, так как являются одними из важнейших компонентов экосистемы, хотя в теории хемотрофы и автотрофы смогли бы существовать без гетеротрофов, последние же без чужой жизненной энергии не проживут.

Гетеротрофы — растения

Некоторые растения также относятся к гетеротрофам. Это в основном те, которые ведут паразитический образ жизни, потребляя органические вещества других растений. К таким растительным видам относятся, например, петров крест, повилика, раффлезия и многие другие. Все они окрашены в самые разнообразные цвета, кроме зеленого, поскольку не обладают необходимым для фотосинтеза хлорофиллом. Некоторые другие растения-паразиты, имеющие хлорофилл и окрашенные в зеленый цвет, не являются гетеротрофами, поскольку получают от других растений не органические вещества, а воду и минеральные вещества, органические же синтезируют сами.

Примеры хемоавтотрофов

Nitrosomonas

Nitrosomonas является род азотфиксирующих бактерий.

Как вы уже могли догадаться, «фиксация азота» означает взятие азота из неорганических соединений, таких как аммиак, и сборку его в органические соединения, такие как аминокислоты.

Фиксация азота имеет решающее значение для многих экосистем, даже тех, которые в основном зависят от растений. Многие растения не могут вырабатывать свой собственный азот – это означает, что им требуются азотфиксирующие бактерии в почве, или они не могут получить азотные соединения, необходимые им для жизни.

Фиксация азота является чрезвычайно важной концепцией в сельском хозяйстве, где многие культуры сами не могут проводить фиксацию азота. Чтобы обеспечить достаточное количество органических соединений азота для выращивания в почве, фермеры либо должны убедиться в наличии достаточного количества азотфиксирующих бактерий для поддержания своего урожая, либо добавить искусственные соединения азота в виде удобрений

Следует отметить, что некоторые азотфиксирующие бактерии развили постоянные симбиотические отношения с определенным растением. вид, К ним относятся симбиотические бактерии, обнаруженные в клубеньках на корнях «азотфиксирующих» растений, таких как бобовые. Однако эти азотфиксирующие бактерии не являются хемоавтотрофами, так как они эволюционировали, чтобы полагаться на своих растений-хозяев в пище. Они больше не автотрофы, так как они больше не могут прокормить себя.

Другие типы азотфиксирующих бактерий остаются независимыми и остаются хемоавтотрофами.

Железные бактерии

Железные бактерии – это тип бактерий, которые получают энергию путем окисления двухвалентного железа, которое растворяется в воде.

Поскольку они получают энергию из железа, они могут жить в воде с концентрациями железа, которые убивают большинство организмов. Железные бактерии можно найти в богатых железом колодцах, реках и горячих источниках.

Их иногда считают вредителями, потому что произведенное ими окисленное железо может испачкать раковины, туалеты, одежду и другие материалы, если попадет в воду. Это особенно характерно для колодезной воды, которая не проходит через фильтрация процесс, который проходит муниципальная водопроводная вода.

Тем не менее, железные бактерии также были союзником некоторых отраслей промышленности. В индустрии добычи железа ведутся исследования того, как использовать эти бактерии для захвата и очистки железа, которое иначе было бы недоступно для человека, потому что оно растворяется в воде или смешивается с другими минералами.

Метаногены

Метаногены – это бактерии, которые производят метан. Это хемоавтотрофы, энергия которых электронов, обнаруженных в газообразном водороде, образует метан и другие органические соединения.

Метаногены можно найти на дне океана, где они могут создавать огромные пузырьки метана под дном океана. Их также можно найти в болотах и болотах, где они несут ответственность за производство метана «болотный газ».

Некоторые метаногены живут в кишках жвачных, таких как коровы, и в меньшей степени в кишечниках людей. Это означает, что хемоавтотрофы живут прямо в вашем собственном теле!

Метан является чрезвычайно мощным парниковым газом, способным улавливать гораздо больше солнечного тепла, чем углекислый газ. Поскольку небольшое количество метана может быть таким мощным парниковым газом, многие экологи обеспокоены мясной промышленностью, которая выращивает миллионы голов крупного рогатого скота, в кишечнике которого содержатся многие триллионы бактерий, производящих метан.

Считается, что сокращение животноводства и потребления говядины было бы одним из мощных способов борьбы с антропогенными изменениями климата, вызванными парниковыми газами.

автотрофного – Любой организм, производящий энергию, получает энергию из неорганических источников и использует ее для создания органических молекул.
Углеродная фиксация – Процесс, посредством которого углерод из неорганических молекул, таких как диоксид углерода, собирается в органические молекулы, такие как сахара, белки и липиды.
Photoautotroph – Организм, который использует энергию солнечного света, чтобы питать свою клеточную деятельность и создавать органические молекулы.

Описание автотрофов

Автотрофы — организмы, которые синтезируют из неорганических соединений органические. Другими словами, они получают необходимые питательные компоненты из окружающей среды. А также у них имеются следующие особенности:

Они поглощают солнечную энергию.
Способны выделять кислород на свету.
Потребляют углекислый газ.

Организмы, являющиеся представителями этой группы, играют важную роль в природе.

Они выполняют функцию первичных продуцентов — гетеротрофы используют синтезируемые ими органические компоненты для поддержания своей жизнедеятельности.

Нельзя недооценивать значение автотрофов в экосистеме и пищевой цепочке мира.

Какие организмы относят к автотрофам?

Все автотрофы разделяют на две группы в зависимости от способа получения ими энергии:

фотоавтотрофы (зеленые растения, водоросли, цианобактерии);
хемоавтотрофы (различные виды бактерий).

Представители первой группы получают энергию в процессе фотосинтеза, при этом участвуя в круговороте углерода в биосфере. Обязательным условием жизни фотосинтезирующих растений и водорослей является солнечный свет. Под его воздействием хлоропласты преобразуют углекислый газ и воду в питательные вещества.

Вторая группа представлена бактериями, которые продуцируют энергию с помощью хемосинтеза – процесса преобразования неорганических соединений за счет химических реакций в питательные вещества. В число хемоавтотрофов входят галофилы, термоацидофилы, метаногены и другие организмы, обитающие в экстремальной среде кислых горячих или глубоководных источников.

Типы хемотрофов.

Гетеротрофы

Слово «гетеротроф» тоже образуется из двух слов:

Гетеро означает «другой»;
Трофи внимательному читателю знакомо, означает «питание».

Следовательно, гетеротрофы — организмы, питающиеся тем, что приготовлено другими. Зная, кто такие автотрофы и гетеротрофы, рассмотрим ситуацию на примере. Автотрофы преобразуют солнечную энергию или химические процессы таким образом, чтобы получать питательные вещества. Второй тип живых существ поедает эти организмы, чтобы с минимальными издержками получить необходимую энергию. Люди тоже поедают представителей живой природы, поэтому мы относимся ко второму из описанных видов организмов.

Перечень сходств и различий

Основное сходство между обоими видами живых организмов — им необходим кислород и солнечный свет. Кроме того, они нуждаются в полноценном питании и в воде.

Между автотрофами и гетеротрофами, определение которым дается в биологии, имеются и отличия. Они перечислены в таблице:

Свойство	Автотрофы	Гетеротрофы
Запас углеводов	Крахмал	Гликоген
Реакция на воздействие внешних раздражителей	Имеется	Отсутствует
Структура системы органов	Есть как репродуктивные, так и вегетативные	Помимо репродуктивных, имеются соматические
Положение в пищевой цепи	Считаются продуцентами, то есть самостоятельно производят химические элементы	Могут быть как консументами, то есть потребляют готовые вещества, так и продуцентами (употребляют в пищу органические компоненты, переработанные до неорганических)

Примеры детритофагов

Дождевые черви – детритофаги, которые делают почву плодородной

Земляные, или дождевые черви – одни из самых многочисленных и распространенных детритофагов в природе. Они поедают отмершее органическое вещество и фекалии животных вместе с окружающей почвой. Переваривая пищу, они не только помогают уменьшить количество отходов на земле, но и делают почву более плодородной.

Дождевые черви несут пользу многим живым организмам. Некоторые садоводы намеренно заводят червей, чтобы улучшить качество почвы для роста растений. После того, как дождевые черви расщепляют органическое вещество, растения получают больше необходимых им питательных веществ из почвы.

Навозные мухи помогают сделать почву плодородной, переваривая фекалии

Еще одним детритофагом, которого приветствуют огородники, является навозная муха, питающаяся экскрементами. Навозные мухи будут непрерывно питаться кучей фекалий, пока она полностью не иссякнет. Пищеварительная система этих насекомых также производит вещества, которые улучшают качество почвы. Растения обычно крупнее и здоровее, когда они выращиваются в улучшенной навозными мухами почве.

Мокрицы играют важную роль в процессе компостирования

Последний пример, который мы рассмотрим — это мокрицы. Они способны производить вещество, которое покупают многие садоводы, а другие создают правильные условия для его производства. Это вещество – компост. Компост – это органическое удобрение, которое получается в процессе разложения детритофагами и редуцентами органического материала животного или растительного происхождения.

Устройство экосистем

Экосистема – это взаимодействие живых организмов и условий среды. Примеры таких экосистем: муравейник, лесная поляна, ферма, даже кабина космического корабля или вся планета Земля.

Экологи используют термин «биогеоценоз» — это вариант экосистемы, описывающий взаимосвязь микроорганизмов, растений, почвы и животных на однородном участке суши.

Четких границ между экосистемами или биогеоценозами нет. Одна экосистема может постепенно переходить в другую, а большие экосистемы состоят и маленьких. То же касается и биогеоценозов. И чем меньше экосистема или биогеоценоз, тем теснее взаимодействуют организмы, которые входят в их состав.

Пример – муравейник. Там обязанности распределены ясно: есть охотники, охранники и строители. Муравейник – часть лесного биогеоценоза, который – часть ландшафта.

Другой пример – лес. Тут экосистема сложнее, потому что в лесу живет много видов животных, растений, бактерий и грибов. Между ними нет такой тесной связи, как у муравьев в муравейнике, а многие животные и вовсе со временем покидают лес.

Ландшафты – экосистема еще сложнее: биогеоценозы в них связывает общий климат, строение территории и то, что животные и растения расселяются на ней. Организмы тут связаны только переменами газового состава атмосферы и химического состава воды. А все экосистемы Земли связаны атмосферой и Мировым океаном в биосферу.

Любая экосистема состоит из живых организмов, неживого фактора (вода, воздух) и мертвой органики — детрита. А пищевая связь организмов регулирует энергетику всей экосистемы в целом.