Główna zawartość

Kurs: AP®︎ Biology (2018) > Rozdział 19

Lekcja 2: Metabolizm i ekologia prokaryotów

Metabolizm prokaryotów

Skąd prokaryota zyskują składniki odżywcze i energię. Chemotrofy, fototrofy, heterotrofy i autotrofy. Tłumaczenie na język polski zrealizowane przez Fundację Edukacja dla Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji „HASCO-LEK".

Kluczowe punkty:

Niektóre prokariota są fototrofami, co oznacza, że do procesów metabolicznych wykorzystują energię słoneczną. Inne są chemotrofami, co oznacza, że w tym samym celu wykorzystują związki chemiczne.
Niektóre prokariota są autotrofami, asymilują węgiel z ${CO}_{2}$ ‍. Inne są heterotrofami, wykorzystują węgiel pochodzący ze związków organicznych innych organizmów.
Prokariota mogą posiadać metabolizm aerobowy (wymagający tlenu) lub anaerobowy (niewymagający tlenu), niektóre zaś mogą w zależności od potrzeb przejawiać jeden lub drugi rodzaj metabolizmu.
Niektóre prokariota posiadają specjalne enzymy i szlaki, które pozwalają im metabolizować związki zawierające azot lub siarkę.
Prokariota odgrywają kluczową rolę w obiegu materii w ekosystemach.

Wprowadzenie

W tym kontekście, ty i ja mamy dość ograniczony zakres możliwości odżywiania się. Możemy wybierać pomiędzy warzywami i lodami (i miejmy nadzieję, że w kwestii takiego wyboru zakończyłoby się delektowaniem obu w zdrowych ilościach!). Jednak nie przeprowadzimy procesu fotosyntezy, czy nie zjemy siarczku wodoru, związku odpowiedzialnego za zapach "zgniłych jaj" na śniadanie.

Prokariota (bakteria i archaea) są bardziej zróżnicowane niż ludzie w swoich strategiach odżywczych - czyli sposobach uzyskiwania węgla asymilowanego (cząsteczek energetycznych) i energii. Niektóre gatunki wykorzystują materiał organiczny, taki jak martwe rośliny i zwierzęta. Inne żyją z nieorganicznych związków znajdujących się w skałach. Jedna bakteria, Thiobacillus concretivorans, wykorzystuje kwas siarkowy rozpuszczający nawet metal!

^{1}

W tym artykule przyjrzymy się bliżej sposobom, w jakie prokariota pozyskują i metabolizują żywność oraz opowiemy jak mogą one wpływać na obieg materii.

Sposoby odżywiania

Wszystkie formy życia na Ziemi potrzebują energii i węgla asymilowanego (węgiel włączony w cząsteczki organiczne) w celu zbudowania makromolekuł tworzących ich komórki. Dotyczy to ludzi, roślin, grzybów i oczywiście prokariota. Żywe organizmy można podzielić na kategorie, ze względu na sposób w jaki uzyskują energię i węgiel.

Po pierwsze, możemy kategoryzować organizmy poprzez to, z czego otrzymują węgiel asymilowany (zdatny do użycia):

Organizmy, które asymilują węgiel z dwutlenku węgla ( ${CO}_{2}$ ‍) lub innych związków nieorganicznych nazywane są autotrofami.
Organizmy otrzymujące węgiel asymilowany z organicznych związków wytwarzanych przez inne organizmy (poprzez jedzenie organizmów lub ich produktów ubocznych) nazywane są heterotrofami.

Ponadto, możemy kategoryzować organizmy poprzez to skąd pozyskują energię:

Organizmy wykorzystujące światło (głównie słońce) jako źródło energii nazywa się fototrofami.
Organizmy wykorzystujące związku chemiczne jako źródło energii nazywają się chemotrofami.

Możemy podzielić prokariota (i inne organizmy) na cztery różne kategorie w oparciu o ich źródła pozyskiwania energii i węgla:

Sposób odżywiania	Źródło energii	Źródło węgla
Fotoautotrofy	Światło	Dwutlenek węgla (lub składniki pokrewne)
Fotoheterotrofy	Światło	Składniki organiczne
Chemoautotrofy	Związki chemiczne	Dwutlenek węgla (lub składniki pokrewne)
Chemoheterotrofy	Związki chemiczne	Składniki organiczne

Jesteśmy zaznajomieni z fotoautotrofami, takimi jak rośliny i chemoheterotrofami, takimi jak ludzie i inne zwierzęta. Gatunki prokariota należą do tych dwóch kategorii, a także dwóch mniej znanych kategorii (fotoheterotrofów i chemoautotrofów), do których nie należą rośliny i zwierzęta.

^{2, 3}

Oddychanie tlenowe i beztlenowe

Innym obszarem metabolicznym, w którym prokariota różnią się od ludzi (i są na tym polu znacznie bardziej zróżnicowane niż my!) jest oddychanie. Niektóre organizmy potrzebują tlenu, dla niektórych tlen jest trujący, inne zaś mogą funkcjonować korzystając z tlenu lub nie korzystając, w zależności od jego dostępności.

Prokariota, które potrzebują $O_{2}$ ‍ w celu metabolizowania są nazywane obligatoryjnymi aerobami. Ludzie również należą do tej grupy (zapewne przekonaliście się o tym, gdy próbowaliście zbyt długo wstrzymywać oddech).
Prokariota, które nie tolerują $O_{2}$ ‍ i wykazują tylko beztlenowy metabolizm nazywane są obligatoryjnymi anaerobami. C. botulinum, bakteria, która wywołuje zatrucie jadem kiełbasianym (forma zatrucia pokarmowego), rozwija się w konserwach i jest obligatoryjnym anaerobem - dlatego doskonale mnoży się wewnątrz zapieczętowanej puszki. $^{4}$ ‍
Fakultatywne beztlenowe mogą wykazywać metabolizm tlenowy, gdy jest obecny $O_{2}$ ‍, ale także metabolizm beztlenowy, gdy brak jest tlenu. Bakterie, które powodują infekcje gronkowcowe i paciorkowcowe, są przykładami beztlenowców fakultatywnych. $^{5}$ ‍

Metabolizm siarkowy i azotowy

Niektóre bakterie i archaea posiadają szlaki metaboliczne, które pozwalają im metabolizować azot i siarkę w sposób, w jaki eukariota nie potrafią. W niektórych przypadkach używają cząsteczek zawierających azot lub siarkę do pozyskiwania energii, ale w innych przypadkach wykorzystują energię, do przekształcenia tych cząsteczek z jednej w drugą.

Metabolizm siarkowy

Niektóre fascynujące przykłady prokariota metabolizujących siarkę znaleźć możemy w ekosystemach głębinowych. Na przykład niektóre gatunki prokariotyczne mogą utleniać siarkowodór (

H_{2} S

) z kominów gorących źródeł hydrotermalnych. Wykorzystują energię uwalnianą w tym procesie do asymilacji węgla nieorganicznego z wody do cukrów i innych organicznych cząsteczek w procesie zwanym chemosyntezą.

^{6}

Prokariota metabolizujące siarkę stanowią podstawę łańcuchów pokarmowych w swoich głębinowych siedliskach (gdzie nie ma najmniejszego promienia światła do przeprowadzania procesu fotosyntezy). Organizmy metabolizujące siarkę wspomagają całe społeczności, w tym robaki, kraby i krewetki, tysiące metrów pod powierzchnią oceanu.

^{7}

Metabolizm azotowy

Prokariota metabolizujące azot obejmują organizmy asymilujące azot, nitryfikatory i denitryfikatory. Odgrywają one kluczowe role w cyklu azotu poprzez przekształcanie związków azotu z jednej postaci chemicznej do innej.

Prokariota asymilujące azot przekształcają cząsteczkowy azot atmosferyczny (

N_{2}

) w amoniak (

{NH}_{3}

), który rośliny i inne organizmy mogą włączać do cząsteczek organicznych. Niektóre gatunki roślin w rodzinie roślin bobowatych, takie jak groch, tworzą wzajemnie korzystne relacje ( mutualizm) z bakteriami asymilującymi azot. Roślina gości i żywi bakterie w swoich strukturach zwanych brodawkami korzeniowymi, a bakterie dostarczają zasymilowany azot do korzeni.

Inne prokariota żyjące w glebie, nazywane są bakteriami nitryfikującymi, przekształcają one amoniak w inne typy związków (azotany i azotyny), które mogą być również wchłaniane przez rośliny. prokaryota denitryfikujące działają podobnie, przekształcając azotany w

N_{2}

gas.

Cykle biogeochemiczne

Stały recykling pierwiastków chemicznych ma zasadnicze znaczenie dla funkcjonowania ekosystemów. W cyklach biogeochemicznych Ziemi, pierwiastki chemiczne są przekształcane w różnych formach w powtarzającym się cyklu.

Z powodu zróżnicowanego metabolizmu prokariota odgrywają ważną rolę w wielu globalnych cyklach. Tutaj przyjrzymy się bliżej ich funkcji w dwóch z nich: cyklach azotu i węgla.

Cykl azotowy

Jak widzieliśmy w ostatniej sekcji, prokariota wiążące azot przekształcają atmosferyczny azot cząsteczkowy (

N_{2}

) w amoniak (

{NH}_{3}

). Rośliny i inne organizmy mogą następnie używać powstały amoniak do budowy cząsteczek takich jak aminokwasy i nukleotydy.

Inne prokariota występujące w glebie, bakterie nitryfikacyjne, przekształcają amoniak w inne rodzaje związków (azotany i azotyny), które również mogą być wchłaniane przez rośliny. Denitryfikujące prokariota, które przekształcają azotany w

N_{2}

, przenoszą atomy azotu z gleby z powrotem do atmosfery.

Poniższy obraz przedstawia uproszczoną wersję cyklu azotowego, z zaznaczeniem roli prokariota.

_Obraz z "Nitrogen cycle" by Johann Dréo (CC BY-SA 3.0). The modified image is licensed under a CC BY-SA 3.0 license._

Cykl węglowy

Organizmy prokariotyczne są ważne także w cyklu węglowym. Fotosyntetyczne prokariota, takie jak cyjanobakterie, wykorzystują energię świetlną, do usuwania

{CO}_{2}

z atmosfery i asymilacji z cząsteczkami organicznymi. Jest to ten sam podstawowy proces przeprowadzany przez rośliny fotosyntetyzujące.

Prokariotyczne destruenty, z drugiej strony, przenoszą węgiel w przeciwnym kierunku. Kiedy rozkładają martwy materiał organiczny (z poprzednio żyjących roślin i zwierząt), zwracają

{CO}_{2}

do atmosfery poprzez oddychanie komórkowe. Rozkład uwalnia także wiele innych pierwiastków i nieorganicznych cząsteczek do ponownego użycia.

Poniższy obraz przedstawia uproszczoną wersję cyklu węglowego, z zaznaczeniem roli prokariota.

Autorstwo

Ten artykuł jest modyfikacją "Prokaryotic metabolism," by OpenStax College, Biology (CC BY 4.0). Download the original article for free at http://cnx.org/contents/47cb544e-2d71-4962-8d42-87f00bad4045@10.

Zmodyfikowany artykuł może być używany zgodnie z licencją CC BY-NC-SA 4.0.

Cytowane prace:

Bryson, B. (2003). A short history of nearly everything. New York, NY: Broadway Books.
Photoheterotroph. (2016, 17 Styczeń). Źródło 17 Maj, 2016 z Wikipedii: https://en.wikipedia.org/wiki/Photoheterotroph.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Diverse nutritional and metabolic adaptations have evolved in prokaryotes. In Campbell biology (10th ed., p. 575). San Francisco, CA: Pearson.
Clostridium botulinum. (2016, 4 Marzec). Źródło 21 Marzec, 2016 Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Clostridium_botulinum.
Facultative anaerobic organism. (2015, 23 Grudzień). Źródło 17 Maj, 2016 z Wikipedii: https://en.wikipedia.org/wiki/Facultative_anaerobic_organism.
National Oceanic and Atmospheric Administration. (2013, 12 Luty). Chemosynthesis vs. photosynthesis. W _Ocean explorer. Źródło http://oceanexplorer.noaa.gov/edu/learning/5_chemosynthesis/activities/chemovsphoto.html.
Hydrothermal vent. (2016, 14 Marzec). Źródło 14 Marzec, 2016 z Wikipedii: https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrothermal_vent.

Dodatkowe źródła

Anaerobic respiration. (2016, 29 Luty). Źródło 14 Marzec, 2016 z Wikipedii: https://en.wikipedia.org/wiki/Anaerobic_respiration.

Botulism. (2016, 14 Marzec). Źródło 21 Marzec, 2016 z Wikipedii: https://en.wikipedia.org/wiki/Botulism.

Bryson, B. (2003). A short history of nearly everything. New York, NY: Broadway Books.

Chemosynthesis. (2016, 2 Luty). Źródło 14 Marzec, 2016 z Wikipedii: https://en.wikipedia.org/wiki/Chemosynthesis.

Clostridium botulinum. (2016, 4 Marzec). Źródło 21 Marzec, 2016 Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Clostridium_botulinum.

Denitrifying bacteria. (2016, 2 Marzec). Źródło 14 Marzec, 2016 z Wikipedii: https://en.wikipedia.org/wiki/Denitrifying_bacteria .

Facultative anaerobic organism. (2015, 23 Grudzień). Źródło 17 Maj, 2016 z Wikipedii: https://en.wikipedia.org/wiki/Facultative_anaerobic_organism.

Hydrothermal vent. (2016, 14 Marzec). Źródło 14 Marzec, 2016 z Wikipedii: https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrothermal_vent.

Lindemann, W. C. and Glover, C. R. (1990). Nitrogen fixation by legumes. W College of agriculture and home economics. Źródło http://www.csun.edu/~hcbio027/biotechnology/lec10/lindemann.html.

National Oceanic and Atmospheric Administration. (2013, 12 Luty). Chemosynthesis vs. photosynthesis. W _Ocean explorer. Źródło http://oceanexplorer.noaa.gov/edu/learning/5_chemosynthesis/activities/chemovsphoto.html.

Nitrogen assimilation. (2016, 8 Luty). Źródło 14 Marzec, 2016 z Wikipedii: https://en.wikipedia.org/wiki/Nitrogen_assimilation.

Nitrogen-fixing bacteria. (2016, 3 Luty). W Encyclopedia Britannica. Źródło http://www.britannica.com/science/nitrogen-fixing-bacteria.

Photoheterotroph. (2016, 17 Styczeń). Źródło 17 Maj, 2016 z Wikipedii: https://en.wikipedia.org/wiki/Photoheterotroph.

Purves, W. K., Sadava, D., Orians, G. H., and Heller, H. C. (2003). Prokaryotes have exploited many metabolic possibilities. W Life: The science of biology (7th ed., pp. 532). Sunderland, MA: Sinauer Associates, Inc.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Diverse nutritional and metabolic adaptations have evolved in prokaryotes. W Campbell biology (edycja 10, str.. 575-576). San Francisco, CA: Pearson.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Prokaryotes play crucial roles in the biosphere. W Campbell biology (edycja 10, str. 581-582). San Francisco, CA: Pearson.

Simplified summary of microbial metabolism. (n.d.). W Lectures 1 & 2: The biosphere & carbon and energy metabolism. Źródło http://web.mit.edu/7.01x/7.014/documents/Carbon_and_energy_Lecture_Handout_000.pdf.

Sulfolobus. (2016, 1 Marzec). Źródło 14 Marzec, 2016 z Wikipedii: https://en.wikipedia.org/wiki/Sulfolobus.

Sulfur metabolism. (2016, 20 Luty). Źródło 14 Marzec, 2016 z Wikipedii: https://en.wikipedia.org/wiki/Sulfur_metabolism.

Wilkins, D. and Gray-Wilson, N. (2016, 23 Marzec). Prokaryote nutrition and metabolism - Advanced. W CK-12 biology advanced concepts. Retrieved from http://www.ck12.org/book/CK-12-Biology-Advanced-Concepts/section/11.9/.

Sprawdź, czy rozumiesz!

Które z następujących stwierdzeń dotyczących strategii metabolicznych bakterii są prawdziwe?

	Prawda	Fałsz
Niektóre bakterie prowadzą fotosyntezę i wytwarzają tlen, podobnie jak rośliny.
Bakterie są zawsze autotroficzne, ale mogą uzyskać energię ze światła lub związków chemicznych.
Niektóre bakterie chemosyntetyzujące wprowadzają energię i węgiel zasymilowany do społeczności organizmów, gdzie nie jest możliwa fotosynteza (np. kominy głębinowe).
Niektóre bakterie żyją symbiotycznie wewnątrz organizmów gospodarzy, dostarczając organizmowi gospodarza składników odżywczych.

Niektóre bakterie syntetyzują własne cząsteczki energetyczne/asymilują własny węgiel (autotrofy), inne zaś pobierają węgiel zasymilowany ze swoich środowisk (heterotrofy).

Niektóre autotrofy wykorzystują energię świetlną do syntezy własnych cząsteczek energetycznych, a inne uzyskują energię z reakcji chemicznych.

Bakterie, które pozyskują energię z reakcji chemicznych i wykorzystują ją do asymilacji węgla, nazywane są organizmami chemosyntetycznymi. Bakterie te mogą być niezbędne dla społeczności, w których nie ma światła, jak te wokół kominów głębinowych źródeł termalnych. Mogą one stanowić podstawę łańcucha pokarmowego (działać jako producenci podstawowi) w tych ekosystemach.

Niektóre bakterie mają symbiotyczne (wzajemnie korzystne) związki z innymi organizmami, żyjąc wewnątrz tych organizmów i dostarczając im składników odżywczych.

Poniższe stwierdzenia dotyczące metabolicznych strategii bakterii są prawdziwe:

	Prawda	Fałsz
Niektóre bakterie prowadzą fotosyntezę i wytwarzają tlen, podobnie jak rośliny.
Bakterie są zawsze autotroficzne, ale mogą uzyskać energię ze światła lub związków chemicznych.
Niektóre bakterie chemosyntetyzujące wprowadzają energię i węgiel zasymilowany do społeczności organizmów, gdzie nie jest możliwa fotosynteza (np. kominy głębinowe).
Niektóre bakterie żyją symbiotycznie wewnątrz organizmów gospodarzy, dostarczając organizmowi gospodarza składników odżywczych.

Chcesz dołączyć do dyskusji?

Zaloguj się

Sortuj według

Na razie brak głosów w dyskusji

Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.