Гетеротроф
Гетеротроф ( / ˈ h ɛ t ər ə ˌ t r oʊ f , - ˌ t r ɒ f / ; [1] [2] от древнегреческого ἕτερος ( héteros ) «другой» и τροφή ( трофḗ ) «питание») — организм , который не может производить собственную пищу, вместо этого получая питание из других источников органического углерода , главным образом растительных или животных веществ. В пищевой цепи гетеротрофы являются первичными, вторичными и третичными консументами, но не продуцентами. [3] [4] К живым организмам, которые являются гетеротрофными, относятся все животные и грибы , некоторые бактерии и простейшие . [5] и многие растения-паразиты . Термин гетеротроф возник в микробиологии в 1946 как часть классификации микроорганизмов по типу питания . [6] Этот термин сейчас используется во многих областях, таких как экология , при описании пищевой цепи .
Гетеротрофы можно подразделить в зависимости от источника энергии. Если гетеротроф использует химическую энергию, то он хемогетеротроф (например, человек и грибы). Если он использует свет для получения энергии, то он фотогетеротроф (например, зеленые несерные бактерии ).
Гетеротрофы представляют собой один из двух механизмов питания ( трофические уровни ), другой — автотрофы ( ауто = сам, троф = питание). Автотрофы используют энергию солнечного света ( фотоавтотрофы ) или окисления неорганических соединений ( литоавтотрофы ) для преобразования неорганического углекислого газа в органические соединения углерода и энергию для поддержания своей жизни. Сравнивая эти два понятия в общих чертах, гетеротрофы (например, животные) поедают либо автотрофы (например, растения), либо другие гетеротрофы, либо и то, и другое.
Детритофаги — гетеротрофы, которые получают питательные вещества , потребляя детрит (разлагающиеся части растений и животных, а также фекалии ). [7] Сапротрофы (также называемые лизотрофами) — это хемогетеротрофы , которые используют внеклеточное пищеварение для переработки разложившегося органического вещества. Чаще всего этому процессу способствует активный транспорт таких материалов посредством эндоцитоза внутри внутреннего мицелия и составляющих его гиф . [8]
Типы
[ редактировать ]Гетеротрофы могут быть органотрофами и литотрофами . Органотрофы используют восстановленные углеродные соединения в качестве источников электронов, таких как углеводы , жиры и белки растений и животных. С другой стороны, литогетеротрофы используют неорганические соединения, такие как аммоний , нитрит или сера , для получения электронов. Другой способ классификации различных гетеротрофов — отнесение их к хемотрофам или фототрофам . Фототрофы используют свет для получения энергии и осуществления метаболических процессов, тогда как хемотрофы используют энергию, полученную путем окисления химических веществ из окружающей среды. [9]
Фотоорганогетеротрофы, такие как родоспирилловые и пурпурные несерные бактерии, синтезируют органические соединения с помощью солнечного света в сочетании с окислением органических веществ.Они используют органические соединения для строительства структур. Они не фиксируют углекислый газ и, по-видимому, не имеют цикла Кальвина . [10] Хемолитогетеротрофы, такие как Oceanithermus profundus . [11] получают энергию от окисления неорганических соединений, в том числе сероводорода , элементарной серы , тиосульфата и молекулярного водорода . Миксотрофы (или факультативные хемолитотрофы) могут использовать в качестве источника углерода либо углекислый газ, либо органический углерод, а это означает, что миксотрофы способны использовать как гетеротрофные, так и автотрофные методы. [12] [13] Хотя миксотрофы обладают способностью расти как в гетеротрофных, так и в автотрофных условиях, C. vulgaris имеет более высокую биомассу и продуктивность липидов при выращивании в гетеротрофных условиях по сравнению с автотрофными. [14]
Гетеротрофы, потребляя восстановленные соединения углерода, способны использовать всю энергию, получаемую из пищи, для роста и размножения, в отличие от автотрофов, которым приходится использовать часть своей энергии для фиксации углерода. [10] Как гетеротрофы, так и автотрофы обычно зависят от метаболической активности других организмов в плане получения питательных веществ, отличных от углерода, включая азот, фосфор и серу, и могут умереть от нехватки пищи, поставляющей эти питательные вещества. [15] Это относится не только к животным и грибам, но и к бактериям. [10]
Происхождение и диверсификация
[ редактировать ]Гипотеза химического происхождения жизни предполагает, что жизнь зародилась в пребиотическом супе с гетеротрофами. [16] Краткое изложение этой теории таково: ранняя Земля имела сильно восстановительную атмосферу и источники энергии, такие как электрическая энергия в виде молний, что приводило к реакциям, приводившим к образованию простых органических соединений , которые в дальнейшем реагировали с образованием более сложных соединений и в конечном итоге приводили к образованию более сложных соединений. в жизни. [17] [18] Альтернативные теории автотрофного происхождения жизни противоречат этой теории. [19]
Теория химического происхождения жизни, начинающейся с гетеротрофной жизни, была впервые предложена в 1924 году Александром Ивановичем Опариным и в итоге опубликовала «Происхождение жизни». [20] Впервые он был независимо предложен на английском языке в 1929 году Джоном Бердоном Сандерсоном Холдейном . [21] Хотя эти авторы до определенной степени сходились во мнении о наличии газов и развитии событий, Опарин отстаивал прогрессивную сложность органического вещества до образования клеток, в то время как Холдейн больше задумывался о концепции генов как единиц наследственности и возможности Свет играет роль в химическом синтезе ( автотрофия ). [22]
Доказательства в поддержку этой теории появились в 1953 году, когда Стэнли Миллер провел эксперимент , в котором он добавил газы, которые, как считалось, присутствовали на ранней Земле : воду (H 2 O), метан (CH 4 ), аммиак (NH 3 ) и водород (H 2 ) – в колбу и стимулировал их электричеством, напоминающим молнию, присутствовавшую на ранней Земле. [23] Результатом эксперимента стало открытие, что ранние условия Земли способствовали выработке аминокислот, а недавний повторный анализ данных показал, что было произведено более 40 различных аминокислот, в том числе несколько, которые в настоящее время не используются жизнью. [16] Этот эксперимент положил начало области синтетической химии пребиотиков и теперь известен как эксперимент Миллера-Юри . [24]
На ранней Земле океаны и мелководья были богаты органическими молекулами, которые могли использоваться примитивными гетеротрофами. [25] Этот метод получения энергии был энергетически выгодным до тех пор, пока органический углерод не стал более дефицитным, чем неорганический углерод, создавая потенциальное эволюционное давление, приводящее к автотрофному развитию. [25] [26] После эволюции автотрофов гетеротрофы смогли использовать их в качестве источника пищи вместо того, чтобы полагаться на ограниченные питательные вещества, содержащиеся в их окружающей среде. [27] В конце концов, автотрофные и гетеротрофные клетки были поглощены этими ранними гетеротрофами и образовали симбиотические отношения. [27] автотрофных Предполагается , что эндосимбиоз клеток развился в хлоропласты , в то время как эндосимбиоз более мелких гетеротрофов развился в митохондрии , что позволило дифференцировать ткани и развиться в многоклеточность. Это достижение позволило дальнейшее разнообразие гетеротрофов. [27] Сегодня многие гетеротрофы и автотрофы также используют мутуалистические отношения, которые обеспечивают необходимые ресурсы обоим организмам. [28] Одним из примеров этого является мутуализм между кораллами и водорослями, где первый обеспечивает защиту и необходимые соединения для фотосинтеза, а второй обеспечивает кислород. [29]
Однако эта гипотеза противоречива, поскольку CO 2 был основным источником углерода на ранней Земле, что позволяет предположить, что ранняя клеточная жизнь была автотрофами, которые полагались на неорганические субстраты в качестве источника энергии и жили в щелочных гидротермальных источниках или кислых геотермальных прудах. [30] Считалось, что простые биомолекулы, доставленные из космоса, были либо слишком восстановлены, чтобы их можно было ферментировать, либо слишком гетерогенны, чтобы поддерживать рост микробов. [31] Гетеротрофные микробы, вероятно, возникли при низких H 2 парциальных давлениях . Основания, аминокислоты и рибоза считаются первыми субстратами ферментации. [32]
Гетеротрофы в настоящее время встречаются во всех сферах жизни: бактерии , археи и эукарии . [33] Доменные бактерии обладают разнообразной метаболической активностью, включая фотогетеротрофы, хемогетеротрофы, органотрофы и гетеролитотрофы. [33] В Домене Эукария королевства Грибы и Животные полностью гетеротрофны, хотя большинство грибов поглощают питательные вещества из окружающей среды. [34] [35] Большинство организмов в царстве Protista гетеротрофны, тогда как царство Plantae почти полностью автотрофно, за исключением микогетеротрофных растений. [34] Наконец, домен Archaea сильно различается по метаболическим функциям и содержит множество методов гетеротрофии. [33]
Блок-схема
[ редактировать ]- автотроф
- Гетеротроф
Экология
[ редактировать ]Многие гетеротрофы являются хемоорганогетеротрофами , которые используют органический углерод (например, глюкозу) в качестве источника углерода и органические химические вещества (например, углеводы, липиды, белки) в качестве источников электронов. [36] Гетеротрофы выполняют функции потребителей в пищевой цепи : они получают эти питательные вещества из сапротрофных , паразитических или голозойных питательных веществ . [37] Они расщепляют сложные органические соединения (например, углеводы, жиры и белки), вырабатываемые автотрофами, на более простые соединения (например, углеводы на глюкозу , жиры на жирные кислоты и глицерин , а белки на аминокислоты ). Они высвобождают химическую энергию молекул питательных веществ путем окисления атомов углерода и водорода углеводов, липидов и белков до углекислого газа и воды соответственно.
Они могут катаболизировать органические соединения путем дыхания, ферментации или того и другого. Ферментирующие гетеротрофы являются либо факультативными, либо облигатными анаэробами , которые осуществляют ферментацию в среде с низким содержанием кислорода, в которой производство АТФ обычно сочетается с фосфорилированием на уровне субстрата и производством конечных продуктов (например, спирта, CO 2 , сульфида). [38] Эти продукты затем могут служить субстратами для других бактерий в анаэробном переваре и превращаться в CO 2 и CH 4 , что является важным этапом углеродного цикла для удаления органических продуктов ферментации из анаэробной среды. [38] Гетеротрофы могут подвергаться дыханию , при котором производство АТФ сочетается с окислительным фосфорилированием . [38] [39] Это приводит к выбросу отходов окисленного углерода, таких как CO 2 , и восстановленных отходов, таких как H 2 O, H 2 S или N 2 в атмосферу O. На дыхание и ферментацию гетеротрофных микробов приходится большая часть выброса СО 2 в атмосферу, что делает его доступным для автотрофов в качестве источника питательных веществ и для растений в качестве субстрата для синтеза целлюлозы. [40] [39]
Дыхание у гетеротрофов часто сопровождается минерализацией — процессом преобразования органических соединений в неорганические формы. [40] Когда источник органических питательных веществ, потребляемый гетеротрофом, содержит важные элементы, такие как N, S, P, в дополнение к C, H и O, они часто сначала удаляются, чтобы продолжить окисление органических питательных веществ и производство АТФ посредством дыхания. [40] S и N в органическом источнике углерода превращаются в H 2 S и NH 4 + путем десульфурилирования и дезаминирования соответственно. [40] [39] Гетеротрофы также допускают дефосфорилирование как часть разложения . [39] Преобразование N и S из органической формы в неорганическую форму является важной частью цикла азота и серы . H 2 S, образующийся в результате десульфурилирования, далее окисляется литотрофами и фототрофами, тогда как NH 4 + образующийся в результате дезаминирования, далее окисляется литотрофами до доступных для растений форм. [40] [39] Способность гетеротрофов минерализовать необходимые элементы имеет решающее значение для выживания растений. [39]
Большинство опистоконтов и прокариот гетеротрофны; в частности, все животные и грибы являются гетеротрофами. [5] Некоторые животные, например кораллы , вступают в симбиотические отношения с автотрофами и получают таким образом органический углерод. Более того, некоторые растения-паразиты также стали полностью или частично гетеротрофными, в то время как плотоядные растения поедают животных, чтобы увеличить запасы азота, оставаясь при этом автотрофными.
Животные относят к гетеротрофам по поеданию, грибы — к гетеротрофам по всасыванию.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «гетеротроф» . Dictionary.com Полный (онлайн). nd
- ^ «гетеротроф» . Словарь Merriam-Webster.com .
- ^ «Определение гетеротрофа» . Биологический словарь. 28 апреля 2017 г. Проверено 2 декабря 2023 г.
- ^ Хогг, Стюарт (2013). Основная микробиология (2-е изд.). Уайли-Блэквелл . п. 86. ИСБН 978-1-119-97890-9 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б «Как клетки собирают энергию» (PDF) . Высшее образование МакГроу-Хилл . Архивировано из оригинала (PDF) 31 июля 2012 г. Проверено 10 октября 2010 г.
- ^ Львов, А.; CB ван Ниль; Пи Джей Райан; Э. Л. Татум (1946). Номенклатура пищевых типов микроорганизмов (PDF) . Симпозиумы Колд-Спринг-Харбор по количественной биологии. Том. XI (5-е изд.). Колд-Спринг-Харбор, Нью-Йорк: Биологическая лаборатория. стр. 302–303. Архивировано (PDF) из оригинала 7 ноября 2017 г.
- ^ Ветцель, Р.Г. (2001). Лимнология: Озерные и речные экосистемы (3-е изд.). Академическая пресса. п. 700.
- ^ "Назначение сапротрофов и их внутреннее питание, а также основные два вида грибов, которые чаще всего упоминаются, а также описывается визуально процесс сапротрофного питания через схему гиф, относящуюся к Rhizobium на влажный, несвежий цельнозерновой хлеб или гниющие фрукты». Принципы продвинутой биологии, стр. 296. [ нужна полная цитата ]
- ^ Миллс, Алабама (1997). Экологическая геохимия месторождений полезных ископаемых: Часть A: Процессы, методы и проблемы со здоровьем. Часть B: Тематические исследования и темы исследований (PDF) . Общество экономических геологов. стр. 125–132. ISBN 978-1-62949-013-7 . Проверено 9 октября 2017 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Маусет, Джеймс Д. (2008). Ботаника: Введение в биологию растений (4-е изд.). Издательство Джонс и Бартлетт. п. 252 . ISBN 978-0-7637-5345-0 .
гетеротрофы фиксируют углерод.
- ^ Мирошниченко, М.Л.; Л'Харидон, С.; Жантон, К.; Антипов А.Н.; Кострикина, Н.А.; Тиндалл, Би Джей; и др. (1 мая 2003 г.). «Oceanithermus profundus gen. nov., sp. nov., термофильная, микроаэрофильная, факультативно хемолитогетеротрофная бактерия из глубоководных гидротермальных источников» . Международный журнал систематической и эволюционной микробиологии . 53 (3): 747–752. дои : 10.1099/ijs.0.02367-0 . ПМИД 12807196 .
- ^ Либес, Сьюзен М. (2009). Введение в морскую биогеохимию (2-е изд.). Академическая пресса. п. 192. ИСБН 978-0-12-088530-5 .
- ^ Дворкин, Мартин (2006). Прокариоты: экофизиология и биохимия (3-е изд.). Спрингер. п. 988. ИСБН 978-0-387-25492-0 .
- ^ Лян, Янна (июль 2009 г.). «Биомасса и липидная продуктивность Chlorella vulgaris в автотрофных, гетеротрофных и миксотрофных условиях роста». Биотехнологические письма . 31 (7): 1043–1049. дои : 10.1007/s10529-009-9975-7 . ПМИД 19322523 . S2CID 1989922 .
- ^ Кэмпбелл и Рис (2002). Биология (7-е изд.). издательства Бенджамина-Каммингса ISBN 978-0805371710 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Бада, Джеффри Л. (2013). «Новое понимание химии пребиотиков из экспериментов Стэнли Миллера с искровым разрядом» . Обзоры химического общества . 42 (5): 2186–2196. дои : 10.1039/c3cs35433d . ISSN 0306-0012 . ПМИД 23340907 .
- ^ Брейчер, Пол Дж. (2015). «Первобытный суп, который готовится сам» . Природная химия . 7 (4): 273–274. дои : 10.1038/nchem.2219 . ISSN 1755-4330 . ПМИД 25803461 .
- ^ Ласкано, Антонио (2015), «Первобытный суп» , в Гарго, Мюриэль; Ирвин, Уильям М.; Амилс, Рикардо; Кливс, Хендерсон Джеймс (ред.), Энциклопедия астробиологии , Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg, стр. 2010–2014, Бибкод : 2015enas.book.2010L , doi : 10.1007/978-3-662-44185-5_1275 , ISBN 978-3-662-44184-8 , получено 23 апреля 2022 г.
- ^ Шенхайт, Питер; Букель, Вольфганг; Мартин, Уильям Ф. (2016). «О происхождении гетеротрофии» . Тенденции в микробиологии . 24 (1): 12–25. дои : 10.1016/j.tim.2015.10.003 . ПМИД 26578093 .
- ^ Сэнгер, Ф.; Томпсон, EOP (1 февраля 1953 г.). «Аминокислотная последовательность в глицильной цепи инсулина. 1. Идентификация низших пептидов из частичных гидролизатов» . Биохимический журнал . 53 (3): 353–366. дои : 10.1042/bj0530353 . ISSN 0306-3283 . ПМК 1198157 . ПМИД 13032078 .
- ^ Холдейн, JBS (1929) Происхождение жизни. Ежегодник «Рационалист», 3, 3–10.
- ^ Тирар, Стефан (2017). «Дж.Б.С. Холдейн и происхождение жизни» . Журнал генетики . 96 (5): 735–739. дои : 10.1007/s12041-017-0831-6 . ISSN 0022-1333 . ПМИД 29237880 . S2CID 28775520 .
- ^ Миллер, Стэнли Л. (15 мая 1953 г.). «Производство аминокислот в возможных условиях примитивной Земли» . Наука . 117 (3046): 528–529. Бибкод : 1953Sci...117..528M . дои : 10.1126/science.117.3046.528 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 13056598 .
- ^ Ласкано, Антонио; Бада, Джеффри Л. (2003). «Эксперимент Стэнли Л. Миллера 1953 года: пятьдесят лет пребиотической органической химии» . Происхождение жизни и эволюция биосферы . 33 (3): 235–242. Бибкод : 2003OLEB...33..235L . дои : 10.1023/А:1024807125069 . ПМИД 14515862 . S2CID 19515024 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Прейнер, Мартина; Аше, Силке; Беккер, Сидни; Беттс, Холли С.; Бонифаций, Адриан; Кампруби, Элои; Чандру, Кухан; Эрастова, Валентина; Гарг, Шрирам Г.; Хаваджа, Нозаир; Костырка, Глэдис (26 февраля 2020 г.). «Будущее исследований происхождения жизни: преодоление разногласий, существовавших десятилетиями» . Жизнь . 10 (3): 20. Бибкод : 2020Жизнь...10...20П . дои : 10.3390/life10030020 . ISSN 2075-1729 . ПМК 7151616 . ПМИД 32110893 .
- ^ Джордан, Карл Ф. (2022), «Термодинамический взгляд на эволюцию» , Эволюция с термодинамической точки зрения , Cham: Springer International Publishing, стр. 157–199, doi : 10.1007/978-3-030-85186-6_12 , ISBN 978-3-030-85185-9 , получено 23 апреля 2022 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Захар, Иштван; Боза, Гергели (01 февраля 2020 г.). «Эндосимбиоз до эукариот: становление митохондрий у протоэукариот» . Клеточные и молекулярные науки о жизни . 77 (18): 3503–3523. дои : 10.1007/s00018-020-03462-6 . ISSN 1420-682X . ПМЦ 7452879 . ПМИД 32008087 .
- ^ Оки, Джордан Г.; Смит, Вэл Х.; Мартин-Сереседа, Мерседес (25 мая 2016 г.). «Основные эволюционные переходы жизни, масштабирование метаболизма, а также количество и размер митохондрий и хлоропластов» . Труды Королевского общества B: Биологические науки . 283 (1831): 20160611. doi : 10.1098/rspb.2016.0611 . ISSN 0962-8452 . ПМЦ 4892803 . ПМИД 27194700 .
- ^ Ноултон, Нэнси; Ровер, Форест (2003). «Многовидовой микробный мутуализм на коралловых рифах: хозяин как среда обитания» . Американский натуралист . 162 (С4): С51–С62. дои : 10.1086/378684 . ISSN 0003-0147 . ПМИД 14583857 . S2CID 24127308 .
- ^ Муховская, КБ; Варма, С.Дж.; Шевалло-Беру, Э.; Летюилье-Карл, Л.; Ли, Г.; Моран, Дж. (2 октября 2017 г.). «Металлы способствуют последовательности обратного цикла Кребса» . Экология и эволюция природы . 1 (11): 1716–1721. Бибкод : 2017NatEE...1.1716M . дои : 10.1038/s41559-017-0311-7 . ISSN 2397-334X . ПМЦ 5659384 . ПМИД 28970480 .
- ^ Вайс, Мэдлин С.; Прейнер, Мартина; Ксавье, Джоана С.; Зиморски, Верена; Мартин, Уильям Ф. (16 августа 2018 г.). «Последний универсальный предок между древней земной химией и зарождением генетики» . ПЛОС Генетика . 14 (8): e1007518. дои : 10.1371/journal.pgen.1007518 . ISSN 1553-7404 . ПМК 6095482 . ПМИД 30114187 . S2CID 52019935 .
- ^ Шенхайт, Питер; Букель, Вольфганг; Мартин, Уильям Ф. (01 января 2016 г.). «О происхождении гетеротрофии» . Тенденции в микробиологии . 24 (1): 12–25. дои : 10.1016/j.tim.2015.10.003 . ISSN 0966-842X . ПМИД 26578093 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Ким, Бён Хон; Гэдд, Джеффри Майкл (4 мая 2019 г.). Прокариотический метаболизм и физиология . Издательство Кембриджского университета. дои : 10.1017/9781316761625 . ISBN 978-1-316-76162-5 . S2CID 165100369 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Тейлор, Д.Л.; Брунс, Т.Д.; Лик, младший; Рид, DJ (2002), Специфика и функция микоризы у мико-гетеротрофных растений , Экологические исследования, том. 157, Берлин, Гейдельберг: Springer Berlin Heidelberg, стр. 375–413, doi : 10.1007/978-3-540-38364-2_15 , ISBN 978-3-540-00204-8 , получено 23 апреля 2022 г.
- ^ Баттерфилд, Николас Дж. (2011). «Животные и изобретение фанерозойской системы Земли» . Тенденции в экологии и эволюции . 26 (2): 81–87. дои : 10.1016/j.tree.2010.11.012 . ISSN 0169-5347 . ПМИД 21190752 .
- ^ Миллс, А.Л. «Роль бактерий в геохимии окружающей среды» (PDF) . Проверено 19 ноября 2017 г. .
- ^ «Гетеротрофное питание и контроль плотности бактерий» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 24 мая 2011 г. Проверено 19 ноября 2017 г. .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Готшалк, Герхард (2012). Бактериальный метаболизм . Серия Springer по микробиологии (2-е изд.). Спрингер. дои : 10.1007/978-1-4612-1072-6 . ISBN 978-0387961538 . S2CID 32635137 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и ж Уэйд, Бингл (2016). MICB 201: Вводная экологическая микробиология . стр. 236–250.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и Кирчман, Дэвид Л. (2014). Процессы в микробной экологии . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. стр. 79–98. ISBN 9780199586936 .