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主要内容

原核生物代谢

原核生物如何获得能量和营养。化学营养生物和光养生物。异养生物与自养生物。

要点:

  • 一些 原生生物为 光养型,从太阳获得能量。其他是化学养型,从化合物获取能量。
  • 一些原生生物是 自养型, 修复碳来自 CO2。其他 异养型 ,从其他生物的有机化合物获取碳。
  • 原生生物可以进行 有氧的(需要氧)或 厌氧(不需要氧)代谢法,有些可以在这些模式之间切换。
  • 一些原生生物含有特殊的酶和代谢途径,使它们代谢含氮或含硫的 化合物。
  • 原生生物在通过生态系统循环养分方面发挥关键作用。

介绍

在游戏计划中,你和我们拥有相当有限的方法来养活自己。我们可以决定在蔬菜和冰淇淋之间(希望最终都能够享受健康的量!)。但是,我们不可能进行光合作用。我们也不太可能吃硫化氢,这是早餐的“腐烂蛋”的味道。
原生生物 (细菌和古细菌)与其营养战略相比,其营养战略中的多样性比人类多得多——即它们获得固定碳(燃料分子)和能源的方式。一些物种消费有机材料,如死植物和动物。其他物种则生活在无机物如岩石中。一个细菌,Thioballus concororans,消耗熔化金属的硫酸! 1
在本文中,我们将更仔细地研究大量原生生物获得和代谢食品的方式,以及他们如何影响养分的循环。

营养模式

地球的所有生命形式都需要能源和固定碳(碳纳入有机分子),以建造构成细胞的宏观分子。这适用于人类、植物、真菌,当然也适用于原生生物。生物可以通过如何获得能源和碳来分类。
第一,我们可以按它们获得固定(可用)碳的场所划分生物:
  • 固定碳 (CO2) 或其他无机化合物的生物被称为 自养型
  • 从其他生物(通过饮食生物或其副产品)制造的有机化合物(获得固定碳的生物)称为 异养型
此外,我们可以根据有机体获得能源的场所划分生物:
  • 使用光线(主要是阳光)作为能源的生物被称为 光养型
  • 使用化学品作为能源的生物体被称为 化学养型
我们可以根据其能源和碳来源,将原生生物(和其他生物)分为四类:
营养模式能源来源碳源
光自养型二氧化碳(或相关化合物)
光异养性有机化合物
化学自养型化学化合物二氧化碳(或相关化合物)
化学异养型化学化合物有机化合物
我们通常较为熟悉光自养型生物,如植物,和化学异养型生物,如人和其他动物。原生生物也在这两种分类中,同样也在两种不太熟悉的分类中(光异养型和化学自养型),植物和动物皆不属于此列。2,3

有氧和无氧呼吸

另一个原生生物与我们不同的代谢途径(并且比我们多得多)就是他们对氧的需求。有些需要氧气,有些会被其毒死,有些可以依存在与否判断是否利用。
  • 需要 O2来代谢功能的原生生物被称为 专性需氧菌。人类也是专性需氧菌 (如你不能保持憋气太久)。
  • 无法利用O2并且只进行无氧代谢的原生生物被称为 专性厌氧菌肉毒杆菌,这是在罐头中造成肉毒杆菌中毒(食物中毒形式)的细菌,是一种专性厌氧菌——这就是为什么它在密封的罐头内。4
  • 兼性厌氧菌 在当 O2存在时使用有氧呼吸,但如果没有,则切换到无氧呼吸。造成葡萄球菌和链球菌感染的细菌是兼性厌氧菌。5
Image credit: "Clostridium botulinum," by the U. S. Centers for Disease Control and Prevention (Public Health Image Library), public domain.

硫和氮代谢

一些细菌和古细菌允许它们以真核生物无法使用的方式代谢氮和硫。在某些情况下,它们使用氮或硫含硫分子获取能源,但在其他情况下,它们将能量从一种形式转换到另一种形式。

硫代谢

一些硫代谢原生生物的例子出现在深海生态系统中。例如,某些原生生物可以在热流中氧化硫化氢(H2S),使用这一过程中释放的能源将水中的无机碳从水中转化成糖和其他有机分子,在一个名为化学合成的过程中。6
深海热液流生态系统通常发现硫代谢细菌。热液喷口释放含有丰富矿物质的地热热水。
_Image: "Champagne vent white smokers.jpg," by NOAA (public domain)._
硫代谢型原生生物构成了深海生境中的食物链(没有一点光线可以用于支持光学合成)的基础。硫酸盐代谢器支持整个生物群体,包括虫、螃蟹和虾,距离海洋表面数千米以下。7

氮代谢

氮代谢性原生生物包括氯固定,硝化细菌,和脱氮剂。它们通过将一种化学形式的氮化合物转换为另一种氮化物,在氮循环中发挥关键作用。
豆科的一些植物物种与氮固定细菌具有共生关系,植物把细菌放在根基中的类似球结构内,称为根瘤。
_Image modified from "Nitrogen-fixing nodules in the roots of legumes..JPG," by Terraprima (CC BY-SA 3.0)._
氮固定原生生物 将大气氮 (N2) 转换为氨 (NH3),是植物和其他生物可以纳入的 有机分子。 豆科中的一些植物物种,例如 豌豆,与氮确定细菌形成互利关系(互利)。植物食用包括根瘤的结构,细菌向根提供固定的氮。
土壤中的其他原生生物,称为 硝化细菌,将氨转化为其他类型的化合物(硝酸盐),也可由植物吸收。 去硝化细菌大致做反向,将硝酸盐转化为N2气体。

生物地质化学循环

化学元素的持续回收对于生态系统的运作至关重要。在地球上 生物地理化学循环中,化学元素在不同的形式中转换,重复循环。
由于它们不同的代谢方式,原生生物在许多地球周期中发挥了重要作用。在这里,我们将更密切地研究它们在其中的两个功能:氮和碳循环。

Nitrogen cycle

正如我们在最后一节中所看到的那样,氮固定原生生物将大气氮 (N2)转换为氨(NH3)。 植物和其他生物可以使用氨来建造诸如氨基酸等核心分子。
土壤中的其他原生生物,硝化细菌,将氨转化为其他化合物(硝酸盐),可能被植物吸收。去硝化细菌将硝酸盐转化为N2,将氮原子从土壤送回道大气中。
下文的图像显示了氮循环的简化版本,强调了原生生物的作用。
原生生物在氮循环中发挥重要作用。氮固定细菌(土壤中与植物共生)转化氮气为氨气。硝化锡婚将氨气转化为硫酸盐。氨气,硝酸盐和其他固定的氮可被植物吸收。去硝化细菌将硝酸盐转化为氮气。
_Image modified from "Nitrogen cycle" by Johann Dréo (CC BY-SA 3.0). The modified image is licensed under a CC BY-SA 3.0 license._

碳循环

原生生物在碳循环中也很重要。 光合作用 原生生物,例如蓝细菌,使用光能从大气中移除 CO2,并将其修复为有机分子。它们与光合成植物进行的基本同样过程。
原生生物分解者,相反的,将碳相反方向得移除。它们分解死亡的生物体,通过细胞呼吸将CO2送回到大气中。分解释放大量其他元素和无机分子以重新利用。
下面的图像显示了碳循环的简化版本,强调了原生生物的作用。
原生生物在碳循环中发挥若干作用。分解者原生生物分解死亡的有机体并通过细胞呼吸释放二氧化碳。光合作用原生生物去除大气二氧化碳并将其修复成糖。
_Image modified from "Nitrogen cycle" by Johann Dréo (CC BY-SA 3.0). The modified image is licensed under a CC BY-SA 3.0 license._

看看你的知识掌握得如何!

  1. 关于细菌代谢方法的下列说明中有哪一个是正确的?
    正确
    错误
    一些细菌进行光合作用,生产氧气,就像植物一样。
    细菌总是是自养生物,但它们可以从光源和化学来源获得能源。
    一些化学合成细菌将能源和固定碳引入无法进行光学合成的生态系统(例如深海喷口)。
    一些细菌在宿主生物内部具有共生,并向宿主提供营养物。

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