Кишечная палочка автотрофный или гетеротрофный

Обновлено: 22.04.2024

В будущем такая бактерия, возможно, поможет удерживать СО₂ в атмосфере на приемлемом уровне.

Все живые существа состоят из биомолекул – жиров, белков, углеводов, нуклеиновых кислот и пр., при этом очень многие такие молекулы организмы собирают сами из подручного сырья. Главное подручное сырьё – то, откуда берётся углерод. И здесь возможны две стратегии: либо углерод мы берём, поглощая и преобразуя органику, например, чужие жиры, белки, углеводы – и тогда нас называют гетеротрофными организмами; либо мы берём углерод из неорганического источника, например, из СО₂ – и тогда мы называемся автотрофными организмами.

Самые известные автотрофы – растения: в их клетках есть набор реакций, который позволяет поглощать углекислый газ извне и сшивать его в органические молекулы; причём энергию для этих реакций растения берут от света. Гетеротрофы – животные и, например, грибы. И углерод, и энергию для синтеза собственных биомолекул гетеротрофы берут из одних и тех же органических веществ, которые каким-то образом п(р)оглотили. Среди бактерий есть и те, и другие, но, к примеру, кишечная палочка – это гетеротроф, предпочитающий углеводы.

Исследователи из Института Вейцмана превратили кишечную палочку из гетеротрофа в автотрофа – то есть заставили её вместо готовой органики поглощать углекислый газ. Естественно, её нужно было снабдить генами, которые кодировали бы нужные ферменты. Эти гены взяли у бактерий рода Pseudomonas – у тех видов Pseudomonas, которые способны поглощать СО₂. Но сами по себе такие гены не подвигли бы кишечную палочку на то, чтобы стать автотрофом: для этого нужно было отключить у неё гены, которые необходимы для гетеротрофного образа жизни.

Из гетеротрофных генов отключили три, и заодно заставили бактерию жить на среде, бедной сахарами, но с большим количеством СО₂. Вместо углеводов кишечной палочке дали муравьиную кислоту: она могла дать энергию для улавливания углекислого газа, но делать биомолекулы для внутреннего употребления из муравьиной кислоты было невозможно. То есть, если совсем точно, кишечную палочку попытались превратить в хемоавтотрофа – такого автотрофа, который пользуется химическим источником энергии для преобразования СО₂ в органику. (Соответственно, если бы бактерию научили пользоваться светом, она бы стала фотоавтотрофом.)

Авторы работы надеялись, что дальше своё слово скажут изменчивость и отбор – в предложенных условиях активнее всего начнут размножаться те бактерии, которым мутации позволят вообще отказаться от питания готовыми сахарами (которых было ровно столько, чтобы не дать кишечным палочкам умереть с голоду и поддержать их эволюцию). Действительно, в статье в Cell говорится, что примерно через 300 дней бактерии оптимизировались и стали активно наращивать биомассу, пользуясь только углекислым газом и муравьиной кислотой. Для того, чтобы окончательно стать автотрофами, то есть чтобы отрегулировать собственные и чужие гены, которые ввели с помощью генной инженерии, бактериям понадобилось 11 мутаций. Некоторые из этих мутаций оказались в ферментах, оперирующих углекислым газом; роль других мутаций пока что вообще неясна.

Тут сама собой в голову приходит мысль, что у нас в руках появился уборщик углекислого газа из атмосферы. Однако та бактерия, которая у нас пока что есть, для этого не вполне подходит.

Во-первых, она эффективно поглощает СО₂, только если его 10% в атмосфере, тогда как сейчас его, к счастью, всего 0,04.

Во-вторых, сама кишечная палочка тоже производит углекислый газ (в том числе из той же муравьиной кислоты), и производит она его больше, чем поглощает.

В-третьих, муравьиную кислоту в качестве источника энергии использовать вообще не очень удобно.

1. Какую роль в сообществе играют автотрофные организмы?

1. Автотрофные организмы играют роль продуцентов (производителей) - создают органические вещества, которыми питаются все остальные члены сообщества.
2. Автотрофы-растения вырабатывают кислород, которым дышат все члены сообщества.

2. Почему гетеротрофные организмы не могут сами создавать органические вещества?

1) Согласно своему определению, гетеротрофы потребляют готовые органические вещества.
2) У гетеротрофов отсутствуют процессы фотосинтеза и/или хемосинтеза.
3) У гетеротрофов отсутствуют хлоропласты, необходимые для процесса фотосинтеза.

3. В чем заключается сходство и различие автотрофного питания у фото- и хемосинтезирующих бактерий?

Сходства: фотосинтез и хемосинтез – это процессы пластического обмена, из углекислого газа и воды синтезируются углеводы. Различия: при фотосинтезе используется энергия света, а при хемосинтезе – энергия окисления неорганических веществ. При фотосинтезе выделяется кислород, при хемосинтезе – нет.

4. В чём проявляется сходство фотосинтеза и энергетического обмена веществ в клетке?

1) Процессы протекают в двухмембранных органоидах (хлоропласты, митохондрии).
2) В обоих процессах происходит синтез АТФ.
3) Процессы идут при участии биоферментов.

5. Найдите три ошибки в приведенном тексте. Укажите номера предложений, в которых они сделаны, исправьте их. (1) Среди автотрофных организмов большое количество растений. (2) Наряду с автотрофным питанием существует гетеротрофное. (3) К гетеротрофам относят паразитические и сорные растения. (4) Сорные растения конкурируют с культурными за свет, воду, минеральные соли и кислород. (5) Часто культурные растения не выдерживают конкуренции. (6) Растения-паразиты поглощают Н2О и СО2 из организмов растений, на которых паразитируют. (7) Они имеют многочисленные приспособления к паразитизму, например, корни-присоски.

3 – сорные растения относят к автотрофам
4 – сорные растения не конкурируют с культурными за кислород
6 – растения-паразиты поглощают воду и органические вещества из организмов растений, на которых паразитируют

6. Рассмотрите предложенную схему типов питания организмов. Запишите в ответе пропущенный термин, обозначенный на схеме вопросительным знаком.

7. Первые опыты по изучению фотосинтеза были проведены Дж. Пристли в 1770-1780-х гг. Он помещал в изолированный сосуд мышь, и вскоре мышь задыхалась. Когда же он вместе с мышью поместил растение, мышь прожила несколько дней (до окончания эксперимента), а у растения появились новые молодые побеги. Какой вывод следует из эксперимента Дж. Пристли? Что служило источником углерода для роста растения?

8. Найдите три ошибки в приведенном тексте. Укажите номера предложений, в которых они сделаны, исправьте их. (1) Каждому организму в процессе жизнедеятельности необходима энергия. (2) Гетеротрофные организмы поглощают из внешней среды готовые органические вещества. (3) К гетеротрофам относят многочисленных животных, паразитические бактерии, вирусы и др. (4) Гетеротрофы не могут самостоятельно синтезировать органические вещества из воды и углекислого газа. (5) Они получают воду и углекислый газ, питаясь различными организмами. (6) Окисляя эти вещества, гетеротрофы получают необходимую им энергию. (7) Гетеротрофные организмы в истории развития жизни на Земле появились вслед за автотрофами.

3 – вирусы не питаются, их не относят ни к автотрофам, ни к гетеротрофам;
5 – они получают готовые органические вещества с пищей;
7 – гетеротрофные организмы на Земле появились первыми

9. В небольших помещениях с обилием комнатных растений ночью концентрация кислорода уменьшается. Объясните почему.

Ночью растения не фотосинтезируют, поэтому они не выделяют кислород. Ночью, как и днем, растения дышат, потребляя кислород и выделяя углекислый газ. Из-за дыхания большого количества растений концентрация кислорода в помещении уменьшается.

10. Найдите три ошибки в приведённом тексте. Укажите номера предложений, в которых они сделаны, исправьте их.
(1) Бактерии – прокариоты, наследственная информация которых заключается в одной линейной молекуле ДНК. (2) Все бактерии по типу питания являются гетеротрофами. (3) Азотфиксирующие бактерии обеспечивают гниение органических остатков в почве. (4) К группе азотфиксаторов относят клубеньковых бактерий, поселяющихся на корнях бобовых растений. (5) Нитрифицирующие бактерии участвуют в круговороте азота. (6) Среди паразитических бактерий хорошо известны холерный вибрион, туберкулёзная палочка, являющиеся возбудителями опасных заболеваний человека. (7) Сапротрофные бактерии питаются органическими остатками.

1 - наследственная информация бактерий заключается в кольцевой молекуле ДНК;
2 - бактерии по типу питания могут быть автотрофами или гетеротрофами;
3 - азотфиксирующие бактерии обеспечивают фиксацию атмосферного азота, гниение органических остатков обеспечивают сапротрофные бактерии

Израильские ученые получили штамм кишечной палочки (Escherichia coli), способный к автотрофному питанию, сообщается в Cell. Бактерии, полученные в лаборатории с помощью генной инженерии и селекции, способны создавать органические вещества из углекислого газа в ходе реакций цикла Кальвина. Ожидается, что такая кишечная палочка будет способствовать биосинтезу нужных человеку веществ в промышленных масштабах без отходов в виде диоксида углерода.

Биотехнология давно позволяет внедрять в ДНК бактерий гены других организмов и делать так, чтобы эти гены экспрессировались, а в результате их экспрессии образовывались нужные вещества. Так в промышленных масштабах получают ряд гормонов (инсулин, гормон роста соматотропин), аминокислоты и другие вещества. Большая часть бактерий, которые для этой цели используют, — гетеротрофы. Это означает, что для производства органических веществ им нужны другие органические вещества. Этим они отличаются от автотрофов, которым для создания органики подходит неорганическое сырье — углекислый газ (CO₂). Автотрофы поглощают его из воздуха и включают в состав более крупных молекул, такой процесс называется фиксацией углерода.

Исследователи из Института Вейцмана под руководством Рона Майло (Ron Milo) вывели кишечную палочку, которая может использовать для производства органики только углекислый газ без добавления каких-либо органических веществ. Для этого они добавили в ДНК Escherichia coli гены ферментов, необходимых для реакций цикла Кальвина (в ходе них CO₂ превращается в органические вещества), инактивировали часть ферментов, необходимых для нормального обмена веществ гетеротрофам, и поместили полученные бактерии в биореакторы, где атмосфера содержит 10 процентов углекислого газа, а не 0,4 процента, как земная.

Несколько поколений бактерий держали в биореакторах, добавляя в среду некоторое количество сахара ксилозы, чтобы микроорганизмы-гетеротрофы могли выжить. Ксилоза не самый удобный источник углерода, поэтому бактерии, способные получать углерод из углекислого газа, получали в такой среде преимущество. Впервые их выделили из биореакторов через 203 дня после запуска эксперимента, а к 340 дню все бактерии были способны использовать CO₂ как материал для построения органических веществ.

Источником энергии для фиксации углерода служила реакция окисления муравьиной кислоты. Хотя это вещество относится к органическим, его атомы E. coli не включали в состав органических молекул, а значит, муравьиная кислота здесь по определению не поддерживала гетеротрофный метаболизм.

A — лабораторная эволюция модифицированных кишечных палочек от бактерий, которым для производства органических веществ нужна ксилоза, до автотрофов, которые получают энергию для синтеза органических веществ за счет окисления муравьиной кислоты (и синтез этот идет только из углекислого газа). B — ход лабораторной эволюции кишечной палочки. Зеленые точки показывают, как менялась доля зависимых от ксилозы бактерий с течением дней

Каждый живой организм, даже одноклеточный, которым является бактерия, нуждается в питательных веществах. Царство микробов огромно, его представителей отличают между собой по многим признакам. В частности, по способу питания бактерии делятся на автотрофные и гетеротрофные организмы.

Микроорганизмы автотрофного и гетеротрофного способов питания – два огромных звена в круговороте веществ на Земле. Первые создают начальные органические элементы для жизнеобеспечения следующего яруса живых организмов.

Вторые формируют биомассу для питания животных и растений, сопровождают их в течение жизни, затем уничтожают мертвые тела вплоть до неорганических веществ, создавая пищу для автотрофов. Цикл начинается снова.

Принципиальные отличия питания двух групп микробов

Разделение бактерий на две группы стало возможным после изучения их обменных процессов. Оказалось, что одни обладают большей самостоятельностью, чем другие.

Автотрофам свойственно питание неорганическими веществами простейшей структуры (водород, азот, углерод и другие). Из них бактерия самостоятельно создает сложные органические конструкции для жизнедеятельности.
Гетеротрофы нуждаются в готовых органических элементах для своего питания.

Оба вида организмов могут поглощать необходимые им вещества только в виде растворов, поэтому важнейший элемент бактериального питания – вода. Еще она является поставщиком кислорода и водорода для реакций окисления/восстановления.

Автотрофные микроорганизмы

По способам питания автотрофные бактерии относятся к двум подгруппам в зависимости от своего энергообеспечения:

фотосинтезирующие бациллы, использующие для обменных процессов энергию светового излучения;
хемосинтезирующие организмы, которые для достижения этих целей прибегают к окислительно-восстановительным реакциям.

Фактически автотрофы создают органические вещества, которые используются в питании гетеротрофными организмами. А неорганические остатки колоний автотрофных железобактерий через тысячи лет могут стать месторождениями одноименных руд.

Гетеротрофные бактерии

микроб убивает животное или растение;
иммунная защита хозяина уничтожает бациллу;
возникает неактивное бактерионосительство или взаимовыгодное сосуществование.

Один и тот же микроорганизм в разных условиях может быть участником любой из трех ситуаций. Первоначальное его попадание в сильный молодой организм закончится смертью микроба или бактерионосительством. Как только организм хозяина ослабеет, бацилла активируется и убьет его.

По признакам взаимоотношений бактерий-гетеротрофов с живыми организмами их условно относят к трем большим группам.

Патогенные микробы, которые, паразитируя в организме жертвы, вызывают у нее инфекционные заболевания.
Сапрофитная флора – тихий паразит. Эти микробы могут жить в организме хозяина, не причиняя ему неприятностей. Они питаются омертвевшими клетками, остатками веществ, которые прошли через систему пищеварения хозяина.
Симбиотические микроорганизмы взамен потребляемых ресурсов организма хозяина вырабатывают для него полезные вещества. Например, клубеньковые бактерии растений или витаминопродуцирующие микроорганизмы кишечника человека. Иногда эта взаимозависимость настолько сильна, что в случае гибели микрофлоры умирает ее бывший носитель.

Значение бактерий разного способа питания для природы и человека

У гетеротрофных микробов функций больше.

Естественный отбор, который они осуществляют, уничтожая слабые, больные и старые организмы.
Помощь в жизнеобеспечении (клубеньковые бактерии у растений, вырабатывающие витамины – у животных).
Санитарная роль состоит в гнилостном разложении останков живых существ.

Роль бактерий-гетеротрофов в естественном отборе ясна и прозрачна. Природа стремится к совершенству, поэтому слабые организмы уничтожаются, давая место для появления более сильных особей. Устраняются и генетически несовершенные субъекты, возникающие в процессе эволюции.

Оставшимся оказывается помощь для их развития. Показательны два примера из растительной и животной жизни.

Клубеньковые бактерии служат обогащению почвы азотом из воздуха. Они имеют специальные элементы (мезосомы), которые фиксируют азот из окружающей среды. Живут клубеньковые бактерии в корнях растений семейства бобовых.

Попадают они туда через микротрещины, потом выделяют вещества, которые стимулируют размножение клеток корня. На нем возникают клубеньковые утолщения. В них клубеньковые бактерии накапливают азот для обмена с растением на углеводы.

Этот феномен синергизма клубеньковых растений и микроорганизмов люди используют в сельском хозяйстве. Бедные азотом почвы засеивают бобовыми растениями, клубеньковые бактерии которых обогащают их азотом.

По осени их запахивают в землю. Так необходимый азот попадает из погибших растений и клубеньковых микроорганизмов в почву для последующего употребления другими культурами, которыми засеют это поле.

Кишечник животных изнутри выстлан гетеротрофными бактериями, которые вырабатывают витамины группы B и K. Таким образом, недостаток их в пище животных и человека восполняют бактерии-симбионты гетеротрофного способа питания.

Помимо этого, гетеротрофы используются для квашения овощей, бродильных процессов. Одним из таких является молочнокислое брожение. В результате получается большое разнообразие молочнокислых продуктов, необходимых для питания человека.

Многие люди имеют аллергию на цельное молоко домашних животных. Употребление молочнокислых продуктов такой реакции не вызывает, потому что белок в них денатурирован. А он ответственен за развитие аллергических реакций.

Заключительная роль гетеротрофов в жизни каждого существа – гнилостное разложение его органических остатков. Процессы гниения необходимы природе так же, как и возникновение жизни. Микроорганизмы, осуществляющие гнилостные разрушения органики, в этот период очень опасны.

Образование высшее филологическое. В копирайтинге с 2012 г., также занимаюсь редактированием/размещением статей. Увлечения — психология и кулинария.

Читайте также: