ძირითადი მასალა
ბიოლოგია
კურსი: ბიოლოგია > თემა 19
გაკვეთილი 2: პროკარიოტების მეტაბოლიზმი და ეკოლოგიაპროკარიოტების მეტაბოლიზმი
როგორ იღებენ პროკარიოტები ენერგიას და საკვებ ნივთიერებებს. ქემოტროფები და ფოტოტროფები. ჰეტეროტროფები და ავტოტროფები.
საკვანძო საკითხები:
- პროკარიოტებს, რომლებიც ენერგიას მზისგან იღებენ, ეწოდებათ ფოტოტროფები. სხვებს ეწოდებათ ქემოტროფები და ისინი ენერგიას ქიმიური ნაერთებიდან იღებენ.
- ზოგი პროკარიოტი არის ავტოტროფი და აფიქსირებს ნახშირბადს start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript-დან. სხვებს ეწოდებათ ჰეტეროტროფები, ისინი ნახშირბადს სხვა ორგანიზმების ორგანული ნივთიერებებიდან იღებენ.
- პროკარიოტებს შეუძლიათ აწარმოონ აერობული (ჟანგბადდამოკიდებული) ან ანაერობული (არაჟანგბადდამოკიდებული) მეტაბოლიზმი, ზოგიერთს კი ორივე - ხან ერთი, ხან მეორე.
- ზოგ პროკარიოტს გააჩნია სპეციალური ფერმენტები და ბიოქიმიური გზები, რომელთა მეშვეობით ისინი მეტაბოლიზმში იყენებენ აზოტის ან გოგირდის შემცველ ნაერთებს.
- პროკარიოტებს მნიშვნელოვანი როლი აქვთ ეკოსისტემაში საკვები ნივთიერებების წრებრუნვაში.
შესავალი
გლობალურად რომ განვიხილოთ, მე და თქვენ ძალიან შეზღუდულები ვართ საკვების მიღების მხრივ. ჩვენ გვაქვს საშუალება ავირჩიოთ ბოსტნეულსა და ნაყინს შორის (და იმედია, საბოლოოდ ორივეს ჯანსაღი რაოდენობით მივირთმევთ!). მიუხედავად ამისა, ნაკლებად სავარაუდოა, რომ ფოტოსინთეზი შევძლოთ. და ნამდვილად არამგონია, ოდესმე საუზმეზე გოგირდწყალბადი ვჭამოთ, ნივთიერება, რომელიც პასუხისმგებელია „გაფუჭებული კვერცხის სუნზე".
პროკარიოტებს (ბაქტერიებსა და არქეებს) ბევრად უფრო მრავალფეროვანი კვებითი სტრატეგიები აქვთ - ანუ, დაფიქსირებული ნახშირბადისა (საწვავი მოლეკულების) და ენერგიის მოპოვების გზები - ვიდრე ადამიანებს. ზოგი სახეობა მოიხმარს ისეთ ორგანულ მასალას, როგორიცაა მკვდარი მცენარე ან ცხოველი, ზოგი კი ქვებში არსებული არაორგანული ნაერთების ხარჯზე ცოცხლობს. ბაქტერია Thiobacillus concretivorans მოიხმარს გოგირდმჟავას, რომელსაც რკინის დადნობაც კი შეუძლია!start superscript, 1, end superscript
ამ სტატიაში დაწვრილებით განვიხილავთ იმ მეტაბოლურ გზებს, რომელთა მეშვეობითაც პროკარიოტები მოიპოვებენ და ინელებენ საკვებს, და გავიგებთ, როგორ ზემოქმედებენ ისინი საკვები ნივთიერებების ციკლზე.
საკვები ნივთიერებების მიღების მოდელები
დედამიწაზე არსებულ სიცოცხლის ყველა ფორმას ესაჭიროება დაფიქსირებული ნახშირბადი (ნახშირბადი, რომელიც ჩართულია ორგანულ მოლეკულებში) იმ მაკრომოლეკულების ასაგებად, რომლებისგანაც შედგება მათი უჯრედები. ეს ეხება ადამიანებს, მცენარეებს, სოკოებს და, რა თქმა უნდა, პროკარიოტებსაც. ცოცხალი ორგანიზმების დაყოფა შესაძლებელია იმის მიხედვით, თუ როგორ იღებენ ისინი ენერგიას და ნახშირბადს.
პირველ ყოვლისა, ორგანიზმებს იმის მიხედვით დავახარისხებთ, თუ საიდან მოიპოვებენ ისინი დაფიქსირებულ (გამოსადეგ) ნახშირბადს:
- ორგანიზმებს, რომლებიც აფიქსირებენ ნახშირბადს ნახშიროჟანგიდან (start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript) ან სხვა არაორგანული ნაერთებიდან, ეწოდებათ ავტოტროფები.
- ორგანიზმებს, რომლებიც სხვა ორგანიზმების მიერ წარმოქმნილი ორგანული ნაერთებიდან მოიპოვებენ დაფიქსირებულ ნახშირბადს (ამ ორგანიზმების ან მათი მეტაბოლიტების შეჭმით), ეწოდებათ ჰეტეროტროფები.
დამატებით, ჩვენ შეგვიძლია, დავახასიათოთ ორგანიზმები იმის მიხედვით, თუ საიდან იღებენ ისინი ენერგიას:
- ორგანიზმებს, რომლებიც იყენებენ სინათლეს (ძირითადად მზეს), როგორც ენერგიის წყაროს, ეწოდებათ ფოტოტროფები.
- ორგანიზმებს, რომლებიც ენერგიის წყაროდ ქიმიურ ნივთიერებებს იყენებენ, ეწოდებათ ქემოტროფები.
შეგვიძლია, პროკარიოტები (და სხვა ორგანიზმები) ოთხ კატეგორიად, დავყოთ იმის მიხედვით, თუ საიდან იღებენ ისინი ენერგიასა და ნახშირბადს:
| საკვების მიღების მოდელი | ენერგიის წყარო | ნახშირბადის წყარო |
|---|---|---|
| ფოტოავტოტროფი | სინათლე | ნახშირორჟანგი (ან მსგავსი ნაერთები) |
| ფოტოჰეტეროტროფი | სინათლე | ორგანული ნაერთები |
| ქემოავტოტროფი | ქიმიური ნაერთები | ნახშირორჟანგი (ან მსგავსი ნაერთები) |
| ქემოჰეტეროტროფი | ქიმიური ნაერთები | ორგანული ნაერთები |
ჩვენ საკმაოდ კარგად ვიცნობთ ფოტოავტოტროფებს, მაგალითად, მცენარეებს, და ქემოჰეტეროტროფებს, მაგალითად, ადამიანებსა და სხვა ცხოველებს. პროკარიოტული სახეობები ამ ორი კატეგორიის გარდა კიდევ შეიძლება მიეკუთვნებოდეს ორ ნაკლებად ცნობილ ჯგუფს (ფოტოჰეტეროტროფებსა და ქემოავტოტროფებს), რომლებშიც მცენარეები და ცხოველები არ შედიან.start superscript, 2, comma, 3, end superscript
აერობული და ანაერობული სუნთქვა
კიდევ ერთი მეტაბოლური თავისებურება, რომლითაც პროკარიოტები განსხვავდებიან ადამიანისაგან (და ჩვენზე უფრო მრავალფეროვანნი არიან!) არის ჟანგბადის საჭიროება. ზოგს იგი ძალიან სჭირდება, ზოგი, პირიქით, იწამლება ჟანგბადით, ზოგისთვის კი მისი გამოყენება ხელმისაწვდომობაზეა დამოკიდებული.
- პროკარიოტებს, რომლებსაც მეტაბოლიზმისთვის start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript სჭირდებათ, ეწოდებათ ობლიგატური აერობები. ადამიანებიც ობლიგატური აერობები არიან (ამას თქვენც აღმოაჩენდით, თუ ოდესმე გიცდიათ სუნთქვის შეკავება დიდი ხნით).
- პროკარიოტებს, რომლებიც ვერ იტანენ start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript-ს და მხოლოდ ანაერობული მეტაბოლიზმი აქვთ, ობლიგატური ანაერობები ეწოდებათ. C. botulinum, ბაქტერია, რომელიც ბოტულიზმს (საკვებით მოწამვლის ერთ-ერთ სახეს) იწვევს დახუფულ საკვებში გაზრდისას, ობლიგატური ანაერობია - სწორედ ამიტომ მრავლდება იგი ადვილად დახუფულ ქილებში.start superscript, 4, end superscript
- ფაკულტატური ანაერობები აწარმოებენ აერობულ მეტაბოლიზმს მაშინ, როდესაც start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript ხელმისაწვდომია, მაგრამ მისი არარსებობის პირობებში გადადიან ანაერობულ მეტაბოლიზმზე. ფაკულტატური ანაერობების მაგალითია ბაქტერიები, რომლებიც იწვევენ სტაფილოკოკურ და სტრეპტოკოკურ ინფექციებსstart superscript, 4, end superscript.
გოგირდისა და აზოტის მეტაბოლიზმი
ბაქტერიების და არქეების ზოგიერთ სახეობას გააჩნია სპეციალური მეტაბოლური გზები, რომელთა მეშვეობითაც ისინი აზოტსა და გოგირდს რთავენ მეტაბოლიზმში, რაც ეუკარიოტებში ვერ ხერხდება. ზოგ შემთხვევაში, ენერგიის მოსაპოვებლად ისინი აზოტის ან გოგირდის შემცველ მოლეკულებს იყენებენ, სხვა შემთხვევებში კი ამ მოლეკულების გარდაქმნაზე ხარჯავენ ენერგიას.
გოგირდის მეტაბოლიზმი
გოგირდის გადამამუშავებელი პროკარიოტების ზოგიერთი საოცარი წარმომადგენელი ღრმა, წყალქვეშა ეკოსისტემებში გვხვდება, მაგალითად, ზოგ პროკარიოტულ სახეობას შეუძლია, დაჟანგოს გოგირდწყალბადი (start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, S, end text) ცხელი ჰიროთერმული წყაროებიდან. ამ დროს გამოყოფილ ენერგიას ეს ორგანიზმები შემდეგ წყალში არსებული არაორგანული ნახშირბადის ფიქსაციისთვის იყენებენ შაქრებად და სხვა ორგანულ მოლეკულებად. ამ პროცესს ქემოსინთეზი ეწოდება.start superscript, 6, end superscript
გოგირდის გადამამუშავებელი პროკარიოტები ზღვის სიღრმეების კვებითი ჯაჭვების საფუძველს ქმნიან (იქ სინათლის მცირე რაოდენობაც კი ვერ აღწევს ფოტოსინთეზისთვის). გოგირდის გადამამუშავებელი ორგანიზმები მთელ პოპულაციებს ეხმარებიან, მათ შორის ჭიებს, კიბორჩხალებს და კრევეტებს, რომლებიც ოკეანის ზედაპირიდან ათასობით მეტრის სიღრმეზე ბინადრობენ.start superscript, 7, end superscript
აზოტის მეტაბოლიზმი
აზოტის გადამამუშავებელ პროკარიოტებში შედიან აზოტის მაფიქსირებლები, ნიტრიფიკატორები და დენიტრიფიკატორები. პროკარიოტები თამაშობენ უმნიშვნელოვანეს როლს აზოტის ციკლში, რადგან მათ შეუძლიათ აზოტის შემცველი ნაერთების გარდაქმნა ერთი ფორმიდან მეორეში.
აზოტის მაფიქსირებელი პროკარიოტები ატმოსფერულ აზოტს (start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript) გარდაქმნიან („აფიქსირებენ") ამიაკად (start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript), რომელსაც შემდგომ მცენარეები და სხვა ორგანიზმები თავიანთ ორგანულ მოლეკულებში ჩართავენ.
ზოგი მცენარე პარკოსანთა ოჯახიდან, მაგალითად ბარდა, ურთიერთსასარგებლო კავშირს (მუტუალიზმს) ამყარებს აზოტის მაფიქსირებელ ბაქტერიებთან. ეს მცენარეები სპეციალურ სტრუქტურებში, ფესვის კვანძებში, აცხოვრებენ და კვებავენ ამ ბაქტერიებს, თავად ბაქტერიები კი დაფიქსირებულ აზოტს აწვდიან ფესვებს.
ნიადაგში არსებული სხვა პროკარიოტები, რომლებსაც ნიტრიფიკატორი ბაქტერიები ეწოდებათ, ამიაკს გარდაქმნიან სხვა ნაერთებად (ნიტრატებად და ნიტრიტებად), რომლის შთანთქმა მცენარეებსაც შეუძლიათ. დენიტრიფიკატორი ბაქტერიები, მეტ-ნაკლებად ამის საპირისპიროს აკეთებენ და ნიტრატებს ისევ აირად start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript-ად გარდაქმნიან.
ბიოქიმიური ციკლები
ქიმიური ელემენტების წრებრუნვა სასიცოცხლოდ მნიშვნელოვანია ეკოსისტემის არსებობისათვის. დედამიწის ბიოგეოქიმიურ ციკლებში, ქიმიური ელემენტები ციკლურად გარდაიქმნებიან მრავალ სხვადასხვა ფორმად.
თავიანთი მრავალფეროვანი მეტაბოლიზმის გამო პროკარიოტები ძალიან მნიშვნელოვან როლს თამაშობენ მრავალ გლობალურ ციკლში. ამჯერად ჩვენ უფრო დაწვრილებით განვიხილავთ მათ დანიშნულებას ამ ორში: აზოტისა და ნახშირბადის ციკლებში.
აზოტის ციკლი
როგორც წინა სექციაში ვნახეთ, აზოტის მაფიქსირებელი პროკარიოტები გარდაქმნიან („აფიქსირებენ") ატმოსფერულ აზოტს (start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript) ამიაკად (start text, N, H, end text, start subscript, 3, end subscript). მცენარეებსა და სხვა ორგანიზმებს ამის შემდეგ შეუძლიათ, ამიაკი საკუთარი მოლეკულების, მაგალითად, ამინომჟავებისა და ნუკლეოტიდების, წარმოსაქმნელად გამოიყენონ.
ნიადაგში არსებული სხვა პროკარიოტები, რომლებსაც ნიტრიფიკატორი ბაქტერიები ეწოდებათ, ამიაკს გარდაქმნიან სხვა ნაერთებად (ნიტრატებად და ნიტრიტებად), რომელთა შთანთქმა მცენარეებსაც შეუძლიათ. დენიტრიფიკატორი პროკარიოტები, რომლებიც ნიტრატებს start text, N, end text, start subscript, 2, end subscript-ად გარდაქმნიან, აზოტის ატომებს ნიადაგიდან ისევ უკან, ატმოსფეროს უბრუნებენ.
ქვემოთ მოცემულ სურათზე წარმოდგენილია აზოტის ციკლის გამარტივებული ვერსია და ყურადღება გამახვილებულია პროკარიოტების როლზე.
ნახშირბადის ციკლი
პროკარიოტებს ასევე დიდი მნიშვნელობა აქვთ ნახშირბადის ციკლში. ფოტოსინთეზური პროკარიოტები, მაგალითად ციანობაქტერიები, სინათლის ენერგიას იყენებენ ატმოსფეროდან start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript-ის შთანთქმისა და ორგანულ მოლეკულებში ფიქსაციის მიზნით. იგივე ძირითადი პროცესი მიმდინარეობს ფოტოსინთეზურ მცენარეებშიც.
მეორე მხრივ, საპროტროფ პროკარიოტებს ნახშირბადი საპირისპირო მიმართულებით მიაქვთ. მკვდარი ორგანული მასალის (ოდესღაც ცოცხალი მცენარეებისა და ცხოველების) დაშლისას ისინი start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript-ს ატმოსფეროში აბრუნებენ უჯრედული სუნთქვის მეშვეობით. გახრწნის პროცესში ასევე გამოიყოფა მრავალი სხვა ელემენტი და არაორგანული მოლეკულა, რომელთა გამოყენებაც ხელახლაა შესაძლებელი.
ქვემოთ მოცემულ სურათზე წარმოდგენილია ნახშირბადის ციკლის გამარტივებული ვერსია და ხაზგასმულია პროკარიოტების როლი მასში.
შეამოწმეთ თვენი ცოდნა!
გსურთ, შეუერთდეთ დისკუსიას?
პოსტები ჯერ არ არის.