If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Ако си зад уеб филтър, моля, увери се, че домейните *. kastatic.org и *. kasandbox.org са разрешени.

Основно съдържание

Метаболизъм на прокариотите

Как прокариотите получават енергия и хранителни вещества. Хемотропизъм и фототропизъм. Хетеротрофи и автотрофи.

Ключови точки:

  • Някои прокариоти са фототрофи, получаващи енергия от слънцето. Други са хемотрофи, получаващи енергия от химични съединения.
  • Някои прокариоти са автотрофи, фиксиращи въглерод от start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript. Други са хетеротрофи, получаващи въглерод от органични съединения на други организми.
  • Прокариотите може да извършват аеробен (с участие на кислород) или анаеробен (без участие на кислород) метаболизъм и някои могат да преминават между тези метаболитни режими.
  • Някои прокариоти имат специални ензими и пътища, които им позволяват да метаболизират съединения, които съдържат азот или сяра.
  • Прокариотите играят ключова роля в цикъла на хранителните вещества в екосистемите.

Въведение

Най-общо погледнато, ти и аз имаме доста ограничен диапазон начини да се нахраним. Може да имаме възможност да избираме между зеленчуци и сладолед (и, да се надяваме, ще се насладим и на двете в здравословни количества!). Но не е много вероятно да имаме шанс да фотосинтезираме. Също е невероятно да ядем водороден сулфид, съединението, отговорно за "миризмата на развалени яйца", за закуска.
Прокариотите (бактерии и синьо-зелени водорасли) за разлика от хората имат много по-голямо разнообразие от хранителни стратегии – тоест начини, по които получават фиксиран въглерод (горивни молекули) и енергия. Някои видове консумират органична материя като мъртви растения и животни. Други преживяват от неорганични съединения в скалите. Една бактерия, Thiobacillus concretivorans, консумира топящата метал сярна киселина!start superscript, 1, end superscript
В тази статия ще разгледаме по-отблизо многото начини, по които прокариотите получават и метаболизират храна, и как те могат да повлияят на цикъла на хранителните вещества.

Хранителни режими

Всички форми на живот на Земята имат нужда от енергия и фиксиран въглерод (въглерод, участващ в органични молекули), за да изградят макромолекулите, които изграждат техните клетки. Това се отнася за хората, растенията, гъбите и, разбира се, прокариотите. Живите организми могат да бъдат категоризирани по това как получават енергия и въглерод.
Първо, можем да категоризираме организмите по това откъде получават фиксиран (годен за използваме) въглерод:
  • Организми, които фиксират въглерод от въглероден диоксид (start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript) или други неорганични съединения, са наречени автотрофи.
  • Организми, които получават фиксиран въглерод от органични съединения, изградени от други организми (или чрез изяждане на организмите, или чрез техните странични продукти), са наречени хетеротрофи.
В допълнение, можем да категоризираме организмите по това откъде получават енергията си:
  • Организми, които използват светлина (предимно Слънцето) като източник на енергия, са наречени фототрофи.
  • Организми, които използват химикали като източник на енергия, са наречени хемотрофи.
Можем да разделим прокариотите (и други организми) на четири различни категории въз основа на източниците им на енергия и въглерод:
Хранителен режимИзточник на енергияИзточник на въглерод
ФотоавтотрофСветлинаВъглероден диоксид (или свързани съединения)
ФотохетеротрофСветлинаОрганична материя
ХемоавтотрофХимични съединенияВъглероден диоксид (или свързани съединения)
ХемохетеротрофХимични съединенияОрганична материя
По принцип сме доста запознати с фотоавтотрофите, каквито са растенията, и хемохетеротрофите, каквито са хората и други животни. Прокариотните видове попадат в тези две категории, кактo и в двете по-малко познати категории (фотохетеротрофи и хемоавтотрофи), към които растенията и животните не принадлежат.start superscript, 2, comma, 3, end superscript

Аеробно и анаеробно дишане

Друга метаболитна област, в която прокариотите се различават от хората (и са много по-разнообразни от нас!), е нуждата им от кислород. Някои имат нужда от него, някои биват отровени от него, а някои могат да го използват или не в зависимост от наличността.
  • Прокариоти, които имат нужда от start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript за метаболизма си, са наречени задължителни аероби. Хората също са задължителни аероби (както ще откриеш, ако опиташ да задържиш дъха си за твърде дълго).
  • Прокариоти, които не могат да толерират start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript, и извършват само анаеробен метаболизъм, са наречени задължителни анаероби. C. botulinum, бактерията, която причинява ботулизъм (вид хранително натравяне), когато се развие в консервираната храна, е задължителен анаероб – което е причината да се размножава добре във вътрешността на затворени буркани.start superscript, 4, end superscript
  • Факултативните анаероби използват аеробен метаболизъм, когато start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript е наличен, но преминават към анаеробен метаболизъм, ако отсъства. Бактериите, които причиняват стафилококови и стрептококови инфекции, са примери за факултативни анаероби.start superscript, 5, end superscript
Изображение: "Clostridium botulinum," by the U. S. Centers for Disease Control and Prevention (Public Health Image Library), публичен домейн

Серен и азотен метаболизъм

Някои бактерии и археи имат метаболитни пътища, които им позволяват да метаболизират азот и сяра по начини, по които еукариотите не могат. В някои случаи те използват азот- и сяра-съдържащи молекули, за да получат енергия, но в други случаи изразходват енергия, за да преобразуват тези молекули от един вид в друг.

Метаболизъм на сярата

Някои удивителни примери за сяра-метаболизиращи прокариоти се срещат в екосистемите в дълбоките води на моретата. Например определени прокариотни видове могат да окислят сероводорода (start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, S, end text) от горещи хидротермални отдушници. Те използват енергията, освободена при този процес, за да фиксират неорганичния въглерод от водата в захари и други органични молекули в процес, наречен хемосинтеза.start superscript, 6, end superscript
Сяро-метаболизиращите прокариоти често се срещат в дълбоководните екосистеми на хидротермалните отдушници. Хидротермалните отдушници освобождават геотермично нагрята вода, която е богата на разтворени минерали.
_Изображение: "Champagne vent white smokers.jpg," by NOAA (публичен домейн)._
Сяро-метаболизиращите прокариоти образуват основата на хранителните вериги в техните местообитания в дълбоки води (където дори най-малкият лъч светлина не може да достигне, за да поддържа фотосинтеза). Метаболизаторите на сяра поддържат цели общества организми, включително червеи, раци и скариди, на хиляди метри под океанската повърхност.start superscript, 7, end superscript

Метаболизъм на азота

Азот-метаболизиращите прокариоти включват фиксатори на азот, нитрификатори и денитрификатори. Те играят ключови роли в цикъла на азота, като преобразуват азотни съединения от един химичен вид в друг.
Някои растителни видове от семейство бобови живеят в симбиоза с азотфиксиращи бактерии. Растенията предоставят дом на бактериите в сферични структури в корените си, наречени коренови грудки.
_Изображение от "Nitrogen-fixing nodules in the roots of legumes..JPG," by Terraprima (CC BY-SA 3.0)._
Азот-фиксиращите прокариоти преобразуват ("фиксират") атмосферен азот (start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript) в амоняк (start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript), който растенията и други организми могат да включат в органични молекули. Някои растителни видове от семейство бобови, например грахът, образуват взаимоизгодни зависимости (мутуализми) с азот-фиксиращи бактерии. Растенията дават дом и храна на бактериите в структури, наречени коренови грудки, а бактериите предоставят фиксиран азот на корените.
Други прокариоти в почвата, наречени нитрифициращи бактерии, преобразуват амоняка в други видове съединения (нитрати и нитрити), които също могат да бъдат абсорбирани от растенията. Денитрифициращите прокариоти правят приблизително обратното, преобразувайки нитрати в start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript газ.

Биогеохимични цикли

Постоянното рециклиране на химични елементи е жизнено важно за функционирането на екосистемите. В биогеохимичните цикли на Земята химичните елементи биват преобразувани между различни форми в повтарящ се цикъл.
Чрез разнообразния си метаболизъм прокариотите играят важни роли в много глобални цикли. Тук ще разгледаме по-отблизо тяхната функция в два от тези цикъла: на азота и на въглерода.

Кръговрат на азота

Както видяхме в предишния раздел, азотфиксиращите прокариоти преобразуват ("фиксират") атмосферен азот (start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript) в амоняк (start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript). Растенията и други организми могат после да използват амоняка, за да изградят аминокиселини и нуклеотиди.
Други прокариоти в почвата, нитрифициращите бактерии, преобразуват амоняк в други видове съединения (нитрати и нитрити), които също могат да бъдат асборбирани от растенията. Денитрифициращите прокариоти, които преобразуват нитратите в start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript, "преместват" азотни атоми от почвата обратно в атмосферата.
Изображението по-долу показва опростена версия на кръговрата на азота, подчертавайки ролята на прокариотите.
Прокариотите играят няколко роли в цикъла на азота. Азотфиксиращите бактерии (в почвата и кореновите грудки на някои растения) преобразуват газообразния азот от атмосферата в амоняк. Нитрифициращите бактерии преобразуват амоняк в нитрити или нитрати. Амонякът, нитритите и нитратите представляват фиксиран азот и могат да бъдат усвоени от растенията. Денитрифициращите бактерии преобразуват нитратите обратно в газообразен азот.
_Изображение, модифицирано от "Nitrogen cycle" by Johann Dréo (CC BY-SA 3.0). Модифицираното изображение е лицензирано с лиценз CC BY-SA 3.0._

Кръговрат на въглерода

Прокариотите са важни участници и в кръговрата на въглерода. Фотосинтезиращите прокариоти като цианобактериите, използват светлинна енергия, за да усвояват start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript от атмосферата и да го фиксират в органични молекули. Това е същият основен процес, протичаш във фотосинтезиращите растения.
Прокариотните редуценти, от друга страна, преместват въглерод в противоположната посока. Когато те разграждат мъртви органични материали (от живели преди това растения и животни), те връщат start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript в атмосферата чрез процеса клетъчно дишане. Редуцирането освобождава също така и разнообразни други елементи и неорганични молекули за повторна употреба.
Изображението по-долу показва опростена версия на кръговрата на въглерода, подчертавайки ролята на прокариотите.
Прокариотите играят няколко роли в кръговрата на въглерода. Редуциращите прокариоти разграждат мъртва органична материя и освобождават въглероден диоксид чрез клетъчно дишане. Фотосинтезиращите прокариоти усвояват въглероден диоксид от атмосферата и го фиксират в захари.
_Изображение, модифицирано от "Nitrogen cycle" by Johann Dréo (CC BY-SA 3.0). Модифицираното изображение е лицензирано с лиценз CC BY-SA 3.0._

Провери знанията си!

  1. Кое от следните твърдения за метаболитните стратегии на бактериите е вярно?
    Вярно
    Грешно
    Някои бактерии извършват процеса фотосинтеза и произвеждат кислород подобно на растенията.
    Бактериите са винаги автотрофни, но може да получават енергия от светлинни или химични източници.
    Някои хемосинтезиращи бактерии въвеждат енергия и фиксиран въглерод в съобщества, в които фотосинтезата не е възможна (като дълбоководни отдушници).
    Някои бактерии живеят симбиотично в гостоприемниковия организъм и предоставят хранителни вещества на гостоприемника.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Все още няма публикации.
Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.