Для жизни необходимы энергия и углерод

Всем организмам для жизнедеятельности необходима энергия, чтобы происходил обмен веществ, сохранялась реакция на изменения в окружающей среде, а также способность расти и размножаться. Ни один организм не производит энергию сам, ее получают из внешней среды.

Организмы способны поглощать световую и химическую энергию

Живые организмы могут поглощать два вида энергии: энергию света и химическую энергию. Источником энергии в неживой среде является солнечный свет или химическая энергия неорганических соединений.  Многие организмы получают необходимую для жизни энергию посредством других живых организмов. В этом случае полученная из органических соединений энергия – химическая. В ходе фотосинтеза энергия света тоже преобразовывается в химическую – единственный вид энергии, который необходим для протекания происходящих в организмах реакций.

Большинство растений поглощают энергию солнечного света. Все животные и грибы получают энергию в ходе обмена с другими живыми организмами.

В ходе химических реакций энергия может запасаться или высвобождаться, в зависимости от того присоединяют атомы электроны или теряют. В ходе окислительной реакции число электронов в составе атома вещества уменьшается, межатомыне связи разрываются и высвобождается энергия. Например, в ходе клеточного дыхания глюкоза расщепляется до двуокиси углерода и кислород переходит в состав воды. В ходе окислительно-восстановительной реакции электроны присоединяются к атомам, возникают новые межатомные связи, а также запасается энергия. Например, при фотосинтезе используется световая энергия, чтобы синтезировать из CO₂ и воды сахара, а также выделить кислород. В ходе окисления, классическим примером которой может быть горение вещества, высвобождается энергия.

Большинство живых организмов не могут вырабатывать энергию ни из одного неорганического вещества. Они получают энергию, произведенную другими организмами при расщеплении органических соединений. В отличие от неорганических органические соединения содержат большое количество энергии. Организм может получить ее путем окисления этих соединений и использовать для протекания реакций, которые являются основой для жизнедеятельности организмов.

      • Фотосинтез
      • Окислительно-восстановительные реакции
      • Окислительные реакции

      Жизнь базируется на углероде

      Жизнь на Земле базируется на основе возникших углеродных соединений. Следовательно, углерод имеет важное значение для возникновения жизни. Все это благодаря уникальным химическим свойствам атома углерода: углерод может образовывать длинные цепи, к которым могут присоединяться другие атомы. Каждый атом углерода может присоединить до четырех атомов. Углеродная цепь может быть прямой, разветвленной или кольцевой формы, и длина ее может варьироваться. Вот почему существуют миллионы разных углеродных органических соединений, из которых состоят живые организмы.

      С помощью углеродных соединений регулируется протекание жизненных процессов в организмах. Энергию используют для строительства новых углеродных соединений, выполняющих разные функции. Организмы получают углерод из внешней среды. Те организмы, которые используют в качестве источника углерода неорганические вещества, называются автотрофами. К ним относятся растения. Гетеротрофы – организмы, использующие органические углеродные соединения, которые производят другие организмы. Все животные – гетеротрофы.

      Длинные целлюлозные волокна оболочек растительных клеток содержат много углерода.

      Приложение. Источники энергии и углерода

      Все организмы можно поделить на группы, исходя из способа получения ими энергии и углерода.

      Живые организмы получают энергию из трех источников:

      • Солнце, или световая энергия.
      • Химическая энергия непосредственно из неживой среды, или неорганических соединений.
      • Химическая энергия из других организмов, или употребление в пищу органических соединений.

      Углерод содержится:

      • В органических веществах.
      • В неорганических веществах.
      В регионах вулканической активности на дне моря имеются отверстия, из которых бьет богатая минеральными веществами вода с температурой 405 °C. На глубине обитают бактерии, которые для получения энергии разлагают минеральные вещества вулканического происхождения. Этими бактериями питаются беспозвоночные животные, живущие на дне океана.

      Автотрофы «готовят» себе пищу сами

      Автотрофы (в переводе «сами едят») – организмы, которые вырабатывают сложные органические соединения, например, сахара, жиры и белки, из простых неорганических соединений, используя для этого энергию, полученную от Солнца или выделенную из химических реакций. Автотрофия и означает, что организмы «готовят» себе пищу сами .

      Световая энергия используется растениями, водорослями и некоторыми бактериями при фотосинтезе, например, для расщепления воды на водород и кислород. Полученный водород используется для восстановления CO₂, таким образом из двуокиси углерода получают органические соединения. Поскольку органические соединения содержат больше энергии, чем неорганические, в ходе этого процесса запасается энергия. Эта энергия может быть получена позже при расщеплении (окислении) органических соединений, возникших в ходе фотосинтеза. Так энергию Солнца косвенно получают и те организмы, которые сами световую энергию не поглощают.

      Автотрофы получают энергию также при окислении неорганических соединений, например, ионов железа, серы или сероводорода, аммиака, нитрита, а также других соединений. С помощью высвободившейся энергии из водорода и CO₂ образуются органические соединения. Таким способом получают энергию исключительно микробы – бактерии и археи. Поглощение световой энергии – более эффективный способ связывания энергии, чем окисление неорганических соединений. Поэтому среди автотрофных много организмов, которые используют световую энергию, а энергию химических реакций они используют в тех местах, где нет источника световой энергии. В результате этого они могут жить и в непригодных для других организмов, экстремальных условиях.

      Световая энергия используется растениями, водорослями и некоторыми бактериями.
      Железные бактерии получают необходимую для жизни энергию путем окисления содержащих железо минералов. Болотная руда возникла благодаря железным бактериям. Считается, что на территории Эстонии до XVIII века железо получали из болотной руды.
      • Из живой природы
      • Из неживой природы

      Гетеротрофы питаются приготовленной другими организмами пищей

      Гетеротрофы (в переводе «иная пища») – организмы, которые сами не могут образовывать из неорганических соединений органические. Они должны использовать образованные другими организмами органические соединения. Более 95% живых организмов – гетеротрофы, которые не могут жить без автотрофов. Энергию они могут получать аналогично автотрофам из химических реакций, а также от Солнца. Все же световую энергию используют очень мало гетеротрофов. Таким образом, под гетеротрофами понимаются все организмы, которые и энергию, и углерод получают от других организмов.

      Все животные и грибы – гетеротрофы.

      Гетеротрофы получают энергию при расщеплении пищи в ходе химических реакций, при окислении органических соединений. В пищевых сетях они являются потребителями. К их числу относятся все животные и грибы, большинство простейших и часть бактерий. Некоторые гетеротрофные бактерии способны также поглощать световую энергию.

      Преимущество гетеротрофов заключается в том, что они могут всю полученную с пищей энергию направить на рост и размножение, а автотрофы должны часть энергии расходовать на преобразование неорганического углерода в органические соединения. В то же время зависимые от источников питания гетеротрофы умирают при отсутствии пищи. Автотрофы меньше зависят от других организмов, так как могут получить все необходимое для себя из неживой природы.

      Вспомни

      Реакция окисления – число электронов уменьшается, связи разрушаются, энергия высвобождается.

      Реакция восстановления – число электронов растет, образуются новые связи, энергия запасается.

      АВТОТРОФЫ

      СВЯЗЫВАЮТ УГЛЕРОД

      из энергии света

      из энергии химических реакций

      растения, водоросли, цианобактерии

      бактерии

      ГЕТЕРОТРОФЫ

      ПОЛУЧАЮТ УГЛЕРОД ИЗ ПИЩИ

      из энергии света

      из энергии химических реакций

      бактерии

      животные, грибы, бактерии

      Приложение. Экстремофилы

      Организмы, обитающие в экстремальных условиях, должны иметь защитные механизмы, которые позволят им справляться с экстремальными условиями окружающей среды. Особые свойства экстремофилов используют в промышленности и науке. При идентификации генных последовательностей, обнаружении генетических заболеваний и идентичности на основе ДНК используется метод, который базируется на термостойком энзиме. Этот энзим получен из обитающей в горячем источнике автотрофной бактерии Thermus aquaticus. Хотя для производства энергии эта бактерия способна сама окислять неорганические соединения, она, по возможности, забирает энергию у обитающих в тех же условиях фотосинтезирующих цианобактерий.

      Яркие цвета горячего источника в национальном парке Йеллоустон – это результат жизнедеятельности обитающих там микроорганизмов.

      Словарь терминов

      • химическая энергия – энергия, затраченная на образование связей химических соединений или высвобождающаяся при расщеплении
      • органические вещества – содержащие углерод соединения, из которых состоят живые организмы, кроме двуокисей и карбонатов углерода
      • неорганические вещества – вещества минерального происхождения; все соединения, которые не относятся к органическим
      • автотрофы – организмы, синтезирующие органические вещества из неорганических соединений углерода (обычно из двуокиси углерода)
      • гетеротрофы – организмы, получающие необходимый для жизнедеятельности углерод из пищи, которая содержит органические вещества
      • окисление – химическая реакция, в ходе которой атом теряет электрон и выделяется энергия
      • восстановление – химическая реакция, в ходе которой электрон соединяется с атомом и поглощается энергия
      Palun oota