Główna zawartość
Biologia
Kurs: Biologia > Rozdział 23
Lekcja 2: Metabolizm i ekologia prokaryotówMetabolizm 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 start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript. 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!start superscript, 1, end superscript
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 (start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript) 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.start superscript, 2, comma, 3, end superscript
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 start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript 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 start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript 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.start superscript, 4, end superscript
- Fakultatywne beztlenowe mogą wykazywać metabolizm tlenowy, gdy jest obecny start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript, ale także metabolizm beztlenowy, gdy brak jest tlenu. Bakterie, które powodują infekcje gronkowcowe i paciorkowcowe, są przykładami beztlenowców fakultatywnych.start superscript, 5, end superscript
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 (start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, S, end text) 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.start superscript, 6, end superscript
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.start superscript, 7, end superscript
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 (start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript) w amoniak (start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript), 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 start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript 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 (start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript) w amoniak (start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript). 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 start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript, przenoszą atomy azotu z gleby z powrotem do atmosfery.
Poniższy obraz przedstawia uproszczoną wersję cyklu azotowego, z zaznaczeniem roli prokariota.
Cykl węglowy
Organizmy prokariotyczne są ważne także w cyklu węglowym. Fotosyntetyczne prokariota, takie jak cyjanobakterie, wykorzystują energię świetlną, do usuwania start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript 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 start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript 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.
Sprawdź, czy rozumiesz!
Chcesz dołączyć do dyskusji?
Na razie brak głosów w dyskusji