Для жизни необходимы энергия и углерод

Живые организмы могут усваивать два вида энергии: энергию света и химическую энергию. Источниками энергии в неживой среде являются солнечный свет или химическая энергия неорганических соединений. Многие организмы получают необходимую для жизни энергию посредством других живых организмов. В этом случае мы имеем дело с химической энергией, полученной из органических соединений. В ходе фотосинтеза энергия света тоже преобразовывается в химическую – единственный вид энергии, который можно использовать для обеспечения протекания происходящих в живых организмах реакций.

В ходе химических реакций энергия может запасаться или высвобождаться, в зависимости от того, присоединяют атомы электроны или теряют. В ходе окислительных реакций число электронов в атомах вещества уменьшается, а межатомные связи разрываются. В ходе реакции окисления, классическим примером которой является горение веществ, высвобождается энергия. В ходе клеточного дыхания, также являющегося реакцией окисления, глюкоза расщепляется до двуокиси углерода, а кислород переходит в состав воды. 

В ходе восстановительных реакций атомы принимают электроны, возникают новые межатомные связи, таким образом запасается энергия. Например, при фотосинтезе за счет энергии света из углекислого газа и воды синтезируются сахара, при этом выделяется кислород. 

Большинство живых организмов не могут вырабатывать энергию из неорганических веществ. Они получают ее, расщепляя произведенные другими организмами органические соединения. В отличие от неорганических органические соединения содержат большое количество энергии. Организм может получить ее путем окисления этих соединений и затем использовать полученную энергию в химических реакциях, которые являются основой жизнедеятельности организмов.

Жизнь на Земле основана на различных соединениях, содержащих углерод. Следовательно, наличие углерода является самой важной предпосылкой для возникновения жизни. Причина заключается в уникальных химических свойствах 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, и длина ее может варьироваться. Вот почему существуют миллионы разных углеродных органических соединений, из которых и состоят живые организмы. С помощью углеродных соединений регулируется протекание жизненных процессов в организмах. Энергия, полученная при их расщеплении, используется для построения новых углеродных соединений, выполняющих самые 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 – это организмы, использующие готовые органические углеродные соединения, которые производят другие организмы. Все животные – гетеротрофы.

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

Световая энергия используется растениями, водорослями и некоторыми бактериями. Например, за счет энергии света при фотосинтезе вода расщепляется на водород и кислород. Полученный водород используется для восстановления CO_₂, 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 использована позже при расщеплении (окислении) органических соединений, возникших в ходе фотосинтеза. Так энергию Солнца косвенно получают и те организмы, которые сами ее не поглощают.

Автотрофы могут получать энергию и за счет окисления других неорганических соединений, например, ионов железа, серы или сероводорода, аммиака, нитритов и т. п. С помощью высвободившейся энергии из водорода и углекислого газа затем образуются органические соединения. Таким способом получают энергию исключительно микроорганизмы – бактерии и археи. 

Поглощение световой энергии – более эффективный способ, чем окисление неорганических соединений. Поэтому среди автотрофов много организмов, которые используют именно световую энергию. Энергию химических реакций они используют в тех местах, где нет источника света. Благодаря этой способности автотрофные организмы могут жить и в экстремальных условиях, непригодных для большинства других организмов.

Гетеротрофы (в дословном переводе «иная пища») – это организмы, которые сами не могут образовывать из неорганических соединений органические. Они должны использовать органические соединения, синтезированные другими организмами. Более 95% живых организмов – гетеротрофы, которые не могут жить без автотрофов. Энергию они могут получать аналогично автотрофам из химических реакций, а также от Солнца, но световую энергию используют очень немногие. Поэтому под гетеротрофами понимаются преимущественно организмы, которые получают от других организмов и энергию, и углерод.

Гетеротрофы получают энергию в ходе химических реакций при расщеплении пищи и окислении органических соединений. В пищевых цепях они являются консументами. 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 органической пищи. Автотрофы меньше зависят от других организмов, так как могут получить все необходимое для себя из неживой природы.