Eluks on vaja energiat ja süsinikku

Elusorganismid on võimelised omastama kahte liiki energiat: valgusenergiat ja keemilist energiat. Eluta keskkonnast on võimalik omastada Päikeselt tulevat valgusenergiat või anorgaanilistest ühenditest saadavat keemilist energiat. Paljud organismid saavad aga eluks vajaliku energia teiste elusorganismide 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.

Elusorganismides 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 ning eraldub hapnik. Oksüdatsiooniprotsessis, mille klassikaliseks näiteks on ainete põlemine, vabaneb energia.

Enamik elusorganisme ei saa energiat toota üksnes anorgaanilistest ainetest. Nemad saavad energiat teiste organismide toodetud orgaanilisi ühendeid lagundades. Erinevalt anorgaanilistest ühenditest sisaldavad orgaanilised ühendid palju energiat. Organism saab selle kätte neid ühendeid oksüdeerides ning kasutab seda organismis toimuvateks keemilisteks reaktsioonideks, mis ongi organismide elutegevuse aluseks.

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 elusorganismid 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, 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.

Autotroofid (tõlkes „isesööjad”) 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 endale toidu ise.

Valgusenergiat saavad kasutada taimed, vetikad ja mõned bakterid, fotosünteesis näiteks vee lagundamiseks vesinikuks ja hapnikuks. Saadud vesiniku abil redutseeritakse CO₂, mille tulemusena süsinikdioksiidist saadakse orgaanilised ühendid. Kuna orgaanilised ühendid sisaldavad rohkem energiat kui anorgaanilised ühendid, salvestub selle protsessi käigus energia. Selle energia saab hiljem kätte fotosünteesil tekkinud orgaanilisi aineid lagundades (oksüdeerides). Nii saavad kaudselt Päikeselt energiat ka organismid, kes ise valgusenergiat kasutada ei saa.

Autotroofid võivad energiat saada ka anorgaaniliste ühendite 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 eranditult mikroobid – 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 elusorganismide jaoks sobimatutes ekstreemsetes tingimustes.

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 elusorganismidest on heterotroofid, kes ei saa elada ilma autotroofideta, kes neile anorgaanilised ühendid omastatavaks teevad. 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. Siia hulka kuuluvad kõik loomad ja seened, enamik algloomi, samuti osa baktereid. Mõned heterotroofsed bakterid suudavad kasutada aga ka Päikeselt saadavat valgusenergiat.

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.