Podstawowe zależności między organizmami żywymi.

Oddychanie i odżywianie – to niezwykle ważne czynności życiowe wszystkich organizmów żywych. O tym, że tak właśnie jest, nie trzeba nikogo przekonywać, ale możemy sobie bardziej przybliżyć, analizując ich przebieg na przykładzie roślin i zwierząt.


Podobieństwa roślin i zwierząt w odżywianiu wynikają z tego, że obie grupy organizmów musza wytworzyć podobne związki organiczne: białka, kwasy nukleinowe, cukrowce, tłuszczowce obok innych substancji specyficznych dla poszczególnych grup i zwierząt. Pokarmy muszą, zatem dostarczać mniej lubi więcej złożonych substratów do budowy wymienionych związków. Wszystkie zwierzęta, ludzie oraz niektóre bakterie i grzyby otrzymują w pokarmach wodę oraz stosunkowo złożone substancje organiczne – cukrowce, białka i tłuszcze oraz witaminy. Taki sposób odżywiania nazwami odżywianiem cudzożywnym (heterotrofizmem), dlatego, że organizmy te nie potrafią syntetyzować złożonych substancji z prostych związków nieorganicznych z środowiska. Taką zdolnością obdarzone są autotrofy, czyli organizmy samożywne syntetyzujące cukrowce i złożone związki azotowe z dwutlenku węgla, wody oraz soli mineralnych. Tak odżywiają się wszystkie rośliny zielone i niektóre bakterie.
Do syntezy skomplikowanych związków, szczególnie z prostszych składników, jest potrzebna energia. Dla ogromnej większości organizmów autotroficznych jest nią energia słoneczna, absorbowana przez barwniki asymilacyjne – chlorofile i karotenoidy. Mniej liczne gatunki – głównie spośród bakterii – w inny sposób zdobywają energię ze środowiska. Utleniają one różne substancje mineralne, np. siarkowodór, amoniak lub związki żelaza. Wydzielająca się w czasie tych reakcji energia chemiczna wykorzystywana jest do asymilacji, CO2. Tak, więc niektóre bakterie i rośliny zielone unikają ogromny trudności energetycznych, trapiących obecnie ludzkość. Dlatego też patrząc na zboża, niepozorna pokrzywę, czy perz zachwaszczający nasze pola uprawne, musimy sobie uświadomić, ze w ich zielonych komórkach mieści się nadzwyczaj precyzyjne minilaboratorium różnorodnych, złożonych syntez organicznych, w którym jako materiały wyjściowe wykorzystywane są tak proste związki, jak dwutlenek węgla, woda i sole mineralne oraz darmowa energia promieni słonecznych.
Organizmy heterotroficzne są bardziej wymagające – pobierają ze środowiska złożone związki organiczne, takie jak tłuszczowce, białka, cukrówce i witaminy. Źródłem tych pokarmów mogą być martwe szczątki organizmów lub żywe organizmy. Podział na auto i – heterotrofy dotyczy sposobu odżywiania się związkami węglowymi. Podobny sposób wiąże się ze zdobywaniem związków azotowych. Zwierzęta dostają w pożywieniu azot w postaci białek roślinnych lub zwierzęcych, które po strawieniu dają aminokwasy – substraty do budowy swoistych dla danego organizmu białek
Ogromna większość roślin pobiera azot w postaci soli mineralnych z podłożą. W komórkach sole te są przetwarzane na związki organiczne. Jeszcze większą samodzielnością pod tym względem charakteryzują się niektóre bakterie zdolne do wiązania azotu atmosferycznego, stanowiącego około 78% składu otaczającego nas powietrza. I dla nich jednak głównym problemem to koszty energetyczne tej syntezy. Do redukcji N2 konieczna jest ogromna ilość energii. Niektóre bakterie asymilujące azot współżyją z roślinami motylkowatymi w specjalnie wykształconych dla nich strukturach – brodawkach korzeniowych. Ma tu miejsce typowa na świcie biologicznym „wymiana usług” zwana symbiozą. Bakterie wiążą azot w ilościach przekraczających ich własne zapotrzebowanie na związki azotowe; nadmiar przekazują roślinie gospodarzowi. W zamian za te cenne związki azotowe bakterie otrzymują od rośliny produkty fotosyntezy, stanowiące dla nich źródło energii, wykorzystywanej w różnych procesach, w tym również w asymilacji azotu, same są, bowiem heterotrofami i nie asymilują, CO2.
Szczególnym przypadkiem roślin zielonych, które muszą korzystać z organicznych związków azotowych, są te, które bytują na glebach prawie pozbawionych związków azotowych, Wykształciły one mechanizmy chwytania i trawienia drobnych owadów lub innych organizmów zwierzęcych dostarczających im pokarmów azotowych. Są to rośliny owadożerne nazywane często mięsożernymi; przedstawicielem roślin tego typu w naszym kraju jest rosiczka.
Oprócz węgla, wodoru, tlenu i azotu wszystkie żywe organizmy musza pobierać w pokarmach składniki mineralne, zwane makroskładnikami i mikroskładnikami w zależności od tego, w jakiej ilości są organizmowi potrzebne. Rośliny pobierają je z podłoża przez korzenie, a zwierzęta i ludzie korzystają ze składników mineralnych, nagromadzonych w spożywanych organach roślinnych i zwierzęcych oraz w wodzie, która jest również ważnym składnikiem pokarmowym.

Odżywianie się roślin
Fotosynteza

Istota procesu fotosyntezy polega na wytworzeniu cukrów z prostych substratów: CO2 i wody, z udziałem energii świetlnej. Proces ten zachodzi tylko u roślin zielonych i niektórych bakterii, a ścisłej mówiąc w chloroplastach roślin i w ciałkach chromoforowych bakterii. Struktury te stanowią miniaturowe fabryki produkujące substancje ograniczone, dzięki występowaniu w ich barwników asymilacyjnych: chlorofili lub bakteriochlorofili i karotenoidów Barwniki te absorbują energię świetlną i z udziałem innych związków występujących w chloroplastach przekształca ja w energie wiązań chemicznych, magazynowana w cząsteczkach cukrów prostych, prostych następnie w bardziej złożonych związkach organicznych. Z tej energii świetlnej przed wielu laty przekształconej w energię chemiczna korzystamy spalając w piecach drewno i węgiel lub ropę naftowa – przekształcone produkty fotosyntezy.
Proces fotosyntezy składa się z dwóch funkcjonalnie zależnych od siebie faz, przebiegających jednocześnie lub w różnym czasie w chloroplastach. Są to: faza świetlna zwana fotochemiczna oraz faza bezpośrednia niezależna od światła zwana fazą ciemna.
Faza świetlna przebiega w lamelkach chloroplastów. Występujące w niej barwniki tworzą zespoły składające się z karotenoidów i kilkuset cząsteczek chlorofilu ściśle powiązanych z cząsteczkami białka. Obok nich występują inne związki uczestniczące w transporcie elektronów, wybijanych przez fotony z cząsteczek chlorofilu.
W wyniku przemian w fazie świetlnej powstają dwa ważne związki wykorzystywane w reakcjach asymilacji dwutlenku węgla i dalszych etapach syntezy cukrów: są to ATP, NADPH2, w których roślina zmagazynowała energie świetlna. Te produkty fazy świetlnej nazwami siła asymilacyjną.
Faza ciemna zlokalizowana jest w stromie chloroplastów, tam gdzie zachodzą reakcje biochemiczne asymilacji, CO2, czyli włączanie go do związków chemicznych.
Proces fotosyntezy uzależniony jest od wielu czynników. Moza tu zaliczyć czynniki wpływające na przebieg fazy świetlnej; światło, budowa chloroplastów i zawartości w nich chlorofilu, aktywność i ilość przenośników elektronów oraz enzymów uczestniczących w świetlnym etapie fotosyntezy. Do drugiej grupy nalezą, wszystkie te czynniki, które maja wpływ na sprawne wnikanie cząsteczek, CO2 do liścia oraz ułatwiają jego przemieszczanie się do chloroplastów w samym liściu. Do trzeciej grupy nalezą wszystkie te czynniki, które uczestniczą bądź regulują fazę niezależną bezpośrednio od światła: są to czynniki usprawniające przebieg reakcji enzymatycznych cyklu Carvina lub innych dróg asymilacji, CO2.
Różnorodność warunków środowiska, w którym rozwijają się rośliny, jest tak wielka, że również skala przystosowania do nich roślin zarówno pod względem budowy anatomicznej jak i przebiegu reakcji biochemicznych musi być nie mała.
Źródłem światła w procesie fotosyntezy może być nie tylko słońce, lecz także oświetlenie elektryczne, pod warunkiem, że będzie ono wysyłać fale świetlne, które s absorbowane przez chlorofil i że natężenie oświetlenia będzie wystarczająco duże. Należy podkreślić, że wymagania świetlne są też bardzo zróżnicowane. Któż z nas nie widział glonów rozwijających się przy słabych lampach elektrycznych, elektrycznych jaskiniach, jaskiniach, których panuje półmrok i zawsze jest niska temperatura. Światło to byłoby jednak za słabe dla zapewnia fotosyntezy jakiejkolwiek roślinie uprawnej, nawet takiej, którą nazywamy rośliną cieniolubną. Wraz ze wzrastającym natężeniem oświetlenia intensywność fotosyntezy wzrasta aż do uzyskanie najwyższych wartości w punkcie zwanym maksymalnym wysyceniem świetlnym. Nieco mniej zróżnicowana jest reakcja roślin na zmianę temperatury. U większości roślin występujących w klimacie umiarkowanym fotosynteza osiąga największą intensywność w temperaturze 20,30 0C.

Odżywianie się zwierząt

W przeciwieństwie do roślin i niektórych bakterii zwierzęta są heterotrofami, czyli cudzożywnymi. Oznacza to, że nie syntetyzują związków organicznych z materii nie organicznej, a pobierają je w postaci gotowej, zjadając rośliny lub inne zwierzęta. Związki pobrane z pokarmem najpierw ulęgają rozkładowi do postaci przyswajalnej przez dane zwierzę, a następnie, po wchłonięciu i rozprowadzeniu do wszystkich komórek organizmu, są wykorzystywane w syntezie związków służących do budowy własnego ciała i jako materiał energetyczny.
Pokarm pobierany przez zwierzęta musi, więc zawierać wszystkie te składniki, których dany gatunek nie może zsyntetyzować. Heterotrofy maja zróżnicowane zapotrzebowanie, na różne rodzaje składników pokarmowych.
Do heterotrofów zalicza się większość zwierząt, saprofityczne i pasożytnicze bakterie i grzyby, oraz nieliczne wyższe rośliny pasożytnicze, jak np. kanianka, zaraza, raflezja i niektóre storczyki (łuskiewnik).Całkowicie cudzożywne organizmy potrzebują zarówno organicznych związków węgla, jak i azotu. Natomiast drożdże i niektóre pleśnie asymilują nieorganiczny azot. Auksotrofy należące do organizmów cudzożywnych nie potrafią zsyntetyzować tylko jednego lub kilku związków organicznych. Saprofity odżywiają się martwą substancją organiczną, natomiast pasożyty żyją w ścisłej zależności od żyjących organizmów. Innym rodzajem cudzożywności są różne postacie symbiozy (porosty, mikoryza, bakterie korzeniowe.

Pasożyt, organizm zwierzęcy lub roślinny korzystający czasowo lub nieprzerwanie z zasobów wytworzonych przez inny organizm (żywiciela) i przez to doprowadzający do jego osłabienia lub śmierci, np. wirusy, bakterie i grzyby chorobotwórcze, pasożytnicze rośliny i zwierzęta.
Roztocza, saprofity, organizmy cudzożywne odżywiające się związkami organicznymi pochodzącymi z rozkładu martwych szczątków roślin i zwierząt. Ważne ogniwo warunkujące ponowne włączenie pierwiastków odżywczych do obiegu materii w ekosystemie (estruenci). Roztocza najliczniej reprezentowane są wśród bakterii i grzybów.Cudzożywne (saprofityczne) rośliny wyższe nie mają zdolności bezpośredniego pobierania związków organicznych. Pośredniczą w tym procesie inne organizmy, np. grzyby, których strzępki oplatają lub wnikają w głąb ich korzeni (mikoryza). Saprofityczne rośliny wyższe pozbawione są barwników asymilacyjnych (stąd ich żółtawa barwa), posiadają uwstecznione liście i dobrze rozwinięte systemy korzeniowe.Roztocza występują w rodzinie gruszyczkowatych (Pirolaceae), np. korzeniówka pospolita (Monotropa hypopitys) i storczykowatych (Orchidaceae), np. gnieźnik leśny (Neottia nidus-avis) czy żłobik koralowaty (Corallorhiza trifida).
Bakterie (Bacteria, Schizomycetes), jedna z gromad królestwa bezjądrowych obejmująca organizmy jednokomórkowe o różnych kształtach (ziarenkowce, pałeczki, laseczki, przecinkowce i śrubowce), które mogą się łączyć, tworząc dwoinki, łańcuszki luźno powiązanych komórek (paciorkowiec), nieregularne skupienia (gronkowiec) lub regularne prostopadłościany (pakietowiec).Zamiast jądra komórkowego mają nukleoid. W ich komórkach brak również mitochondriów, których rolę pełnią mezosomy. W niesprzyjających warunkach bakterie tworzą formy przetrwalnikowe. Rozmnażają się wegetatywnie przez podział (rzadko obserwowane procesy płciowe służą jedynie do tworzenia form mieszańcowych).Bakterie są w większości cudzożywne (heterotrofy), część zaś samożywna (chemoautotrofy i fotoautotrofy). Są wśród nich zarówno tlenowce, jak i beztlenowce.Bakterie mają bardzo szeroką tolerancję ekologiczną i mogą występować w ekstremalnych warunkach środowiska (np. w gorących źródłach czy na śniegu). Odgrywają (obok grzybów) ważną rolę w rozkładzie materii organicznej (destruenci). Niektóre pasożytują w organizmach ludzkich, zwierzęcych i roślinnych (bakterie chorobotwórcze). Do najważniejszych grup ekologiczno-fizjologicznych należą bakterie glebowe (wytwarzające m.in. próchnicę glebową) i bakterie korzeniowe. Ze względu na wykorzystywane źródło energii wyróżnia się m.in. bakterie: siarkowe (uzyskujące energię, potrzebną do asymilacji dwutlenku węgla, podczas utleniania siarki i jej związków), metanowe (rozkładające związki organiczne z wytworzeniem metanu), wodorowe (utleniające wodór cząsteczkowy), żelazowe (utleniające związki żelazawe do żelazowych), purpurowe siarkowe (samożywne, zawierające bakteriochlorofil, które w czasie fotosyntezy redukują dwutlenek węgla, utleniając siarkowodór) i purpurowe bezsiarkowe (na świetle, przy braku tlenu, samożywne, w czasie fotosyntezy redukujące dwutlenek węgla przez utlenianie znajdujących się w środowisku alkoholi lub wodoru).
Oddychanie
Oddychanie to całokształt procesów składających się na wymianę tlenu i dwutlenku węgla między komórkami a otoczeniem. Rozróżnia się następujące etapy oddychania:
1) Zewnętrzne, czyli wymianę gazów między otoczeniem i płucami, lub skrzelami, zwłaszcza u płazów – przez skórę.
2) Transport tlenu i dwutlenku węgla przez krew.
3) Wymiana gazów między krwią a tkankami.
4) Oddychanie komórkowe, czyli procesy utleniania w tkankach.
Proces ten może przebiegać w obecności tlenu – będzie to oddychanie tlenowe, lub bez udziału tlenu – oddychanie beztlenowe.
Oddychanie tlenowe można przedstawić następującym równaniem chemicznym –
C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O

Organizmy żyjące w warunkach niedoboru tlenu, np. w glebie, jelitach zwierząt rozkładają związki organiczne w procesie fermentacji. Fermentacja alkoholowa zachodząca u drożdży - C6H12O6 -> 2C2H5OH + 2CO2
Rośliny przytwierdzone na stałe do podłoża, potrafią zabezpieczyć się przed uduszeniem w warunkach uniemożliwiających normalne oddychanie tlenowe. Takie warunki mogą powstawać w czasie powodzi, gdy korzenie znajdują się w glebie zalanej woda. Duże mięsiste owoce, bulwy lub kłącza, nasiona z twarda, grubą łupiną nasienną, to przykłady wskakujące na możliwości wystąpienia deficytu tlenu, spowodowanego jego zbyt małą dyfuzją do oddychających tkanek. We wnętrzu jabłek w temperaturze ponad 30 0C stężenie tlenu może spaść do 3,5 % przy wzroście stężenia, CO2 do około 20%. Podobne zmiany stwierdzono w kłączach różnych roślin. W takich warunkach rośliny zaczynają oddychać w sposób przypominający fermentacje drożdży – jest to oddychanie beztlenowe, w którego wyniku roślina zdobywa bardzo mała ilość energii, ale może przetrwać nie korzystne dla niej warunki.
Rośliny wprawdzie nie dysponują specjalnie przystosowanymi do wymiany gazowej organami, jednak duża powierzchnia i stosunkowa mała ilość liści, bardzo ułatwia dyfuzję tlenu, podstawowego substratu oddechowego do poszczególnych komórek. Głównym miejscem wymiany są szparki a częściowo również cała powierzchnia rośliny. Luźna struktura liści w których duża część wypełniona jest porowata tkanką miękiszu gąbczastego, również ułatwia dyfuzje gazów między roślina a otoczeniem. W roślinach zielonych w dzień nie dochodzi do akumulacji CO2 w liściu, gdyż jest on natychmiast asymilowany w chloroplastach. Pomimo, że mechanizmy wymiany gazowej u zwierząt i roślin są różnorodne, sama istota procesu oddychania jest u wszystkich istot żywych organizmów bardzo zbliżona. W Oby przypadkach polega ona na utlenianiu związków organicznych, powodującym uwalnianym energii chemicznej zmagazynowanej w tych związkach. Substratami oddechowymi w większości komórek roślinnych są najczęściej cukry i tłuszcze. Tłuszcze grają szczególnie ważną rolę w czasie kiełkowania nasion roślin oleistych. Uwalniana w procesie oddychania roślin energia, to energia zmagazynowana podczas fotosyntezy w związkach organicznych. Można, zatem powiedzieć, że proces oddychania jest odwróceniem przemian zachodzących w procesie fotosyntezy. Główne etapy oddychania w komórkach roślin zlokalizowane są podobnie jak u zwierząt, w mitochondriach. Nie różnią się one zasadniczo od mitichondriów zwierzęcych. Podobny jest ich udział w metabolizmie, podobne enzymy służą jako biokatalizatory. Na ogół bardziej intensywnemu zapotrzebowaniu na energię towarzyszy większa liczba mitochondriów, w których więcej jest wypustek, tzw. Grzebieni, ułatwiających sprawny przebieg reakcji, głównie łańcucha oddechowego. Powstający w mitochondriach dwutlenek węgla nie zawsze wydzielany jest do środowiska. W dzień jest on przechwytywany przez chloroplasty i asymilowany w procesie fotosyntezy. Podobnie tlen wyzwalany jako produkt uboczny w fotosyntezie przekazywany jest bezpośrednio do mitochondriów, gdzie służy jako substrat w procesie oddychania.
U zwierząt proces wymiany gazowej spełnia układ oddechowy wspomagany w różnym stopniu u różnych zwierząt przez układ krążenia. W zależności od środowiska, w jakim żyje zwierzę jego powierzchnie wymiany gazowej są zlokalizowane w różnych miejscach ciała. U zwierząt wodnych narządami wymiany gazowej są skrzela, a w mniejszym stopniu także powłoki ciała. U kręgowców prowadzących wodno-lądowy i lądowy tryb życia funkcję narządów wymiany gazowej spełniają płuca oraz skóra i błona wyściełająca jamę gębową-płazy. Narządami wymiany gazowej bezkręgowców oprócz płuc i skrzeli również tchawki-owady, płucotchawki-pająki czy skrzelotchawki-larwy owadów żyjące w wodzie.
Bez względu na to, w jakim środowisku zwierzęta żyją i jak są zbudowane ich narządy wymiany gazowej, przemieszczanie się gazów przez powierzchnie oddechowe odbywa się zawsze zgodnie z prawami dyfuzji. Ze środowiska zewnętrznego tlen dyfunduje przez nabłonek oddechowy, płyn śródtkankowy, nabłonek naczynia krwionośnego włosowatego do osocza krwi, a następnie do wnętrza erytrocytów, zawierających hemoglobinę, barwnik wiążący tlen. Taki kierunek dyfuzji tlenu jest możliwy dzięki temu, że ciśnienie cząstkowe tlenu w środowisku zewnętrznym jest wyższe niż w krwi dopływającej do powierzchni oddechowej. W kierunku przeciwnym dyfunduje dwutlenek węgla również zgodnie z różnicą ciśnień tego gazu w krwi i środowisku zewnętrznym.