Elus püsimiseks vajavad organismid pidevalt energiat – nad peavad hoidma käigus ainevahetust, reageerima keskkonnale, kasvama ning paljunema. Ükski organism ise energiat ei tooda, see tuleb hankida keskkonnast.
Organismid on võimelised omastama valgusenergiat või keemilist energiat
Organismid on võimelised omastama kahte liiki energiat: valgusenergiat ja keemilist energiat. Eluta keskkonnast on võimalik omastada Päikeselt tulevat valgusenergiat või anorgaanilistest ainetest saadavat keemilist energiat. Paljud organismid saavad aga eluks vajaliku energia teiste organismide vahendusel. Sellisel juhul saadakse energia keemilise energiana orgaanilistest ühenditest. Ka valgusenergia muundatakse fotosünteesi käigus keemiliseks energiaks, mis on ainus energialiik, mida organismides toimuvates reaktsioonides kasutada saab.
Organismides salvestatakse või vabastatakse energiat reaktsioonides, kus aatomid liidavad või loovutavad elektrone. Oksüdeerumise käigus aine koostises olevate aatomite elektronide arv väheneb, aatomitevahelised sidemed lõhutakse ning vabaneb energia. Näiteks rakuhingamise käigus lagundatakse glükoos süsinikdioksiidiks ja hapnik läheb vee koosseisu. Redutseerumise käigus lisandub aatomitesse elektrone, tekivad uued aatomitevahelised sidemed ning seeläbi salvestatakse energia. Näiteks fotosünteesis kasutatakse valgusenergiat, et CO2-st ja veest sünteesida suhkruid, mille käigus eraldub hapnik. Oksüdatsiooniprotsessis, mille klassikaliseks näiteks on ainete põlemine, vabaneb energia.
Enamik organisme ei saa energiat toota üksnes anorgaanilistest ainetest. Nemad saavad energiat teiste organismide toodetud orgaanilisi ühendeid lagundades. Erinevalt anorgaanilistest ainetest sisaldavad orgaanilised ühendid palju energiat. Organism saab selle kätte neid ühendeid oksüdeerides ning kasutab seda organismis toimuvates keemilistes reaktsioonides, mis ongi organismide elutegevuse aluseks.
Energia vabaneb | Energia salvestub | |
Oksüdeerivad reaktsioonid | ||
Redutseerivad reaktsioonid | ||
Fotosüntees |
Elu põhineb süsinikul
Elu planeedil Maa põhineb süsiniku baasil tekkinud ühenditel. Seega on süsinik elu tekkeks kõige määravama tähtsusega. Põhjuseks on süsiniku aatomi ainulaadsed keemilised omadused: süsinikul on võime moodustada pikki ahelaid, mille külge saavad liituda teised aatomid. Iga süsinikuaatom suudab endaga liita kuni neli aatomit. Süsinikuahel võib olla sirge, harunev või rõngakujuline ja ka selle pikkus võib varieeruda. Seetõttu ongi olemas miljoneid erinevaid orgaanilisi süsinikuühendeid, millest organismid koosnevad.
Süsinikuühendite kaudu reguleeritakse eluprotsesside kulgu organismides. Energiat kasutatakse erinevaid ülesandeid täitvate uute süsinikuühendite ehitamiseks. Süsinikku ennast saavad organismid keskkonnast. Organisme, kes kasutavad süsinikuallikana anorgaanilisi, s.o eluta keskkonnast pärit ühendeid, nimetatakse autotroofideks. Autotroofid on näiteks taimed. Heterotroofid on aga organismid, kes kasutavad süsinikuallikana teiste organismide toodetud orgaanilisi süsinikuühendeid. Kõik loomad on heterotroofid.
- Kõik süsinikuühendid on väga rasked ning need ei lendu.
- Süsinukuaatomid saavad moodustada pikki ahelaid.
- Süsinikuahelad on fikseeritud pikkusega.
- Süsinikuahelad võivad olla väga erineva kujuga, ka rõngakujulised.
- Ühe süsinikuaatomiga saab liituda kuni neli aatomit.
- Süsinikuahelad on alati sirged.
Energia ja süsiniku allikad
Organisme saab jagada rühmadesse selle põhjal, kust nad saavad süsinikku ja energiat.
Süsinikku on võimalik saada
- orgaanilistest ühenditest,
- anorgaanilistest ühenditest.
Energiat on organismidel võimalik saada kolmest allikast:
- Päikeselt valgusenergiana,
- keemilist energiat otse eluta keskkonnast ehk anorgaanilistest ainetest,
- keemilist energiat teiste organismide vahendusel ehk toiduks tarbitud orgaanilistest ühenditest.
Autotroofid teevad endale ise toitu
Autotroofid (tõlkes „isetoitujad”) on organismid, kes toodavad keerukaid orgaanilisi ühendeid, nt suhkruid, rasvu ja valke, lihtsatest anorgaanilistest ühenditest, kasutades selleks kas valgusenergiat või keemilistest reaktsioonidest saadud energiat. Autotroofia tähendabki seda, et organismid valmistavad toidu endale ise.
Valgusenergiat kasutavad taimed, vetikad ja mõned bakterid fotosünteesis vee lagundamiseks vesinikuks ja hapnikuks. Saadud vesiniku abil redutseeritakse CO2, mille tulemusena süsinikdioksiidist saadakse orgaanilised ühendid. Kuna selle protsessi käigus salvestub energia, sisaldavad orgaanilised ühendid rohkem energiat kui anorgaanilised ühendid. Selle energia saab hiljem kätte fotosünteesil tekkinud orgaanilisi aineid lagundades (oksüdeerides). Nii saavad Päikeselt kaudselt energiat ka organismid, kes ise valgusenergiat kasutada ei saa.
Autotroofid võivad energiat saada ka anorgaaniliste ainete oksüdeerimisest. Energia saamiseks võivad nad oksüdeerida näiteks rauaiooni, väävlit või vesinikdisulfiidi, ammoniaaki, nitriteid, aga ka muid ühendeid. Vabanenud energia abil valmistatakse vesinikust ja CO2-st orgaanilisi ühendeid. Sellisel moel saavad energiat ainult bakterid ja arhed. Valgusenergia kasutamine on tunduvalt tõhusam energiasidumisviis kui anorgaaniliste ühendite oksüdeerimine. Seetõttu on autotroofide hulgas just eriti palju valgusenergiat kasutavaid organisme, keemiliste reaktsioonide energiat kasutavad autotroofsed organismid on enamasti tõrjutud elama kohtadesse, kus valgust energiaallikana pole. Selle tulemusena suudavad nad aga elada ka teiste organismide jaoks sobimatutes ekstreemsetes tingimustes.
Heterotroofid tarbivad teiste tehtud toitu
Heterotroofid (tõlkes „muusööjad”) on organismid, kes ise anorgaanilistest ühenditest orgaanilisi ühendeid valmistada ei oska. Nad peavad süsinikuallikana kasutama teiste organismide elutegevuse käigus tekkinud orgaanilisi ühendeid. Enam kui 95 protsenti organismidest on heterotroofid, kes ei saa elada ilma autotroofideta, kes neile anorgaanilistest ühenditest orgaanilisi ühendeid, s.o sobivat toitu valmistavad. Energiat võivad nad sarnaselt autotroofidega saada nii keemilistest reaktsioonidest kui ka valgusest. Valgusenergiat kasutavad siiski väga vähesed heterotroofid. Seetõttu mõeldakse heterotroofide all enamasti organisme, kes saavad nii energia kui ka süsiniku teistelt organismidelt.
Heterotroofid saavad energiat toidu lõhustamisel toimuvatest keemilistest reaktsioonidest orgaanilisi ühendeid oksüdeerides. Nad on seega toiduahelates tarbijad. Nende hulka kuuluvad kõik loomad ja seened, enamik algloomi, samuti osa baktereid. Mõned heterotroofsed bakterid suudavad aga kasutada ka Päikeselt saadavat valgusenergiat. Mõned aastakümned tagasi arvati, et valgusenergiat kasutavad heterotroofid on väga eksootilised. Teaduse arengu tulemusena teame praegu, et see on üks Maa aineringluse seisukohalt väga tähtis ainevahetuse tüüp.
Heterotroofide eeliseks on see, et nad saavad kõik toidust saadud energia suunata kasvamisse ja sigimisse, autotroofid peavad aga osa energiat kulutama anorgaanilise süsiniku muutmiseks orgaanilisteks ühenditeks. Samas sõltuvad heterotroofid toiduallikatest ning surevad orgaanilise toidu puudusel. Autotroofid on teistest organismidest vähem sõltuvad, sest suudavad eluta loodusest hankida endale kõik vajaliku.
Lisa. Miksotroofid
Leidub organisme, kelle aine- ja energiavahetus on paindlik ja keda ei saa vaid ühe ainevahetustüübiga kirjeldada. Miksotroofid on organismid, kes suudavad energia ja/või süsiniku saamiseks kasutada mitut tüüpi allikat. Näiteks omavad mõned üherakulised protistid kloroplaste ja valguse käes olles võivad nad saada energiat ja süsinikuühendeid fotosünteesist, pimedas aga toituda orgaanilisest materjalist, näiteks bakteritest. Nii talitab ka meie veekogudes levinud silmviburlane.
Miksotroof on ka rabades elav huulhein, kes meelitab putuka keemiliste signaalidega oma kleepuvale lehele. Seejärel keerdub leht kokku, taim lagundab putuka ja kasutab saadud toitaineid oma ainevahetuses.
Uskumatult veider eluviis on fotosünteesival mereteol (Elysia chlorotica), kes on ka välimuselt taimelehe moodi. Toitudes vetikatest, varastab ta nende kloroplaste. Need säilivad teo keharakkudes mitu kuud ja fotosünteesivad nagu oleksid vetikarakus. Kuidas kloroplastid võõras organismis nii kaua töökorras püsivad, kui enamus nende valkudest on kodeeritud vetikaraku tuuma geenide poolt? Tavaliselt sünteesitakse need valgud vetikaraku tsütoplasmas ja transporditakse kloroplastidesse. Teo ja vetika genoomide DNA järjestused näitasid, et vajalikud geenid on vetikarakkudest teo rakkudesse üle kandunud ja avalduvad seal. See võimaldab kloroplastidel töötada ja loomal fotosünteesida.
Purpurbakterid on paljude veekeskkondade tavalised asukad. Nad võivad olla autotroofid, kuid vahel nad fotosünteesi ei kasutada ja võtavad valguselt ainult energia (energia saavad valgusest, kuid orgaanilised süsinikuühendid keskkonnast).
Mõisted
- keemiline energia – keemilistes ühendites olevate sidemete moodustumisel kulutatav või lõhustumisel vabanev energia
- orgaanilised ühendid – süsinikku sisaldavad ühendid, mis on organismide peamisteks koostisosadeks
- anorgaanilised ühendid – eluta loodusest pärinevad ühendid; kõik ühendid, mis ei kuulu orgaaniliste ühendite alla
- autotroofid – organismid, kes ise sünteesivad elutegevuseks vajalikud orgaanilised ühendid anorgaanilistest süsinikuühenditest (tavaliselt süsinikoksiidist)
- heterotroofid – organismid, kes saavad elutegevuseks vajaliku süsiniku toidus sisalduvast orgaanilisest ainest
- oksüdeerumine – protsess, mille käigus aatom loovutab elektroni ning eraldub energia
- redutseerumine – protsess, mille käigus elektron liitub aatomiga ning energia neeldub
- Service provided by Star Cloud LLC