Автотрофы
Автотро́фы (автотро́фные органи́змы) (др.-греч. αὐτός — «сам» и τροφή — «пища») — это группа организмов, способных синтезировать органические вещества из неорганических компонентов. Основной источник углерода — углекислый газ (CO₂). Они получают энергию двумя способами. Одни используют фотосинтез, превращая солнечный свет в химическую энергию. Другие применяют хемосинтез, окисляя различные неорганические соединения. К автотрофам относятся растения, фотосинтезирующие бактерии, а также хемосинтезирующие бактерии[1].
Появление автотрофов около двух миллиардов лет назад привело к накоплению кислорода в атмосфере и развитию аэробных форм жизни. Фотосинтезирующие автотрофы фиксируют 1,6-1,8 × 10¹¹ тонн органического вещества в год, являясь первичными продуцентами. Они обеспечивают энергией гетеротрофные организмы. Автотрофы поддерживают биологическое разнообразие и биосферные циклы, формируя первый трофический уровень и обеспечивая существование последующих уровней[1].
История появления понятия
В конце XIX века немецкий физиолог и ботаник Вильгельм Пфеффер внёс значительный вклад в развитие физиологии растений и общей биологии. Одним из важных достижений его научной деятельности стало предложение классифицировать живые организмы по способу питания — то есть по принципу получения вещества и энергии. В своей работе Пфеффер разделил все организмы на две основные группы: автотрофы и гетеротрофы[2]:
- Автотрофы — организмы, способные синтезировать органические вещества из неорганических за счёт внешних источников энергии. К ним относятся, например, растения, использующие солнечный свет в процессе фотосинтеза, а также некоторые бактерии, применяющие хемосинтез.
- Гетеротрофы — организмы, не способные самостоятельно синтезировать органические вещества и вынужденные получать их из внешней среды, потребляя другие организмы или их остатки. К этой группе относятся животные, грибы и большинство бактерий.
Эта классификация, впервые систематизированная Пфеффером в его трудах по физиологии растений, оказалась настолько логичной и универсальной, что сохранилась в биологической науке до наших дней. Современные учебники биологии по-прежнему используют разделение на автотрофы и гетеротрофы как одну из фундаментальных основ экологии и биохимии. Хотя термины «автотроф» и «гетеротроф» могли использоваться и ранее в различных формах, именно Пфеффер придал им строгую научную интерпретацию в контексте метаболизма и энергетики живых систем[3]. Его труды, особенно многотомное сочинение «Allgemeine Physiologie der Pflanzen» («Общая физиология растений», 1897—1904), стали основополагающими для дальнейшего развития физиологической биологии[2].
Особенности автотрофов
Автотрофы представляют собой уникальную группу организмов, обладающих способностью к синтезу органических соединений из неорганических компонентов окружающей среды через процессы фотосинтеза или хемосинтеза. Эта ключевая характеристика автотрофов обеспечивает их энергетическую автономию и независимость от внешних источников питательных веществ, что делает их фундаментальными элементами в экосистемах. В процессе фотосинтеза автотрофы используют энергию солнечного света для преобразования углекислого газа и воды в органические молекулы, такие как глюкоза. Хемосинтезирующие автотрофы, в свою очередь, преобразуют неорганические соединения, используя энергию химических реакций, в органические вещества. В результате этих метаболических процессов синтезируются жизненно важные органические соединения, включая углеводы, белки и липиды, которые служат основой для биосинтеза клеточных структур и метаболических функций[4].
Автотрофы играют центральную роль в функционировании экосистем, являясь продуцентами, которые обеспечивают органическими веществами гетеротрофные организмы, не способные к самостоятельному синтезу пищи. Их вклад в формирование трофических цепей и пищевых сетей поддерживает биологическое разнообразие и устойчивость экосистем. Морфологическое и таксономическое разнообразие автотрофов включает растения, водоросли, некоторые бактерии и простейшие, каждый из которых адаптирован к различным экологическим условиям и источникам энергии, занимая разнообразные экологические ниши[4].
Особое значение имеет способность многих автотрофов, в частности фотосинтезирующих организмов, выделять кислород как побочный продукт жизнедеятельности. Этот процесс играет ключевую роль в поддержании химического состава атмосферы Земли и обеспечении кислородом аэробных организмов. Автотрофы также играют центральную роль в глобальном круговороте веществ, в частности в углеродном цикле, участвуя в связывании углерода, что способствует снижению концентрации парниковых газов и стабилизации климата[4].
Сравнение автотрофов и гетеротрофов[4]:
| Характеристики | Автотрофы | Гетеротрофы |
|---|---|---|
| Источник питательных веществ | Производят собственные питательные вещества с помощью солнечного света или неорганических соединений | Получают питательные вещества, потребляя другие организмы или органические вещества |
| Получение энергии | Получают энергию из солнечного света (фотосинтез) или неорганических химических веществ (хемосинтез) | Получают энергию, потребляя органические вещества |
| Источник углерода | Используют углекислый газ в качестве источника углерода | Получают углерод из органических соединений |
| Примеры | Растения, водоросли, некоторые бактерии | Животные, грибы, большинство бактерий |
| Трофический Уровень | Первый уровень: продуценты. Составляют основу пищевых цепочек и сетей | Консументы и редуценты. Занимают более высокие трофические уровни |
| Производство кислорода | Вырабатывают кислород как побочный продукт фотосинтеза | Обычно кислород потребляется в процессе дыхания (в случае аэробного метаболизма) |
| Роль в экосистеме | В экосистемах организмы создают питательные вещества и запасают энергию в виде органических соединений | Получают энергию и питательные вещества от автотрофов; способствуют переработке питательных веществ |
| Адаптация к среде обитания | Адаптированы к различным условиям окружающей среды, в том числе к освещённости и наличию питательных веществ | Приспособлены к поиску и потреблению других организмов или органических веществ |
Виды автотрофов
Фототрофы
Фототрофы получают энергию за счёт поглощения света в процессе фотосинтеза. В ходе этого процесса световая энергия преобразуется в химическую, которая затем используется для синтеза органических соединений (например, глюкозы) из углекислого газа и воды. У растений и цианобактерий фотосинтез сопровождается выделением кислорода (кислородный фотосинтез), тогда как у некоторых бактерий (например, пурпурных и зелёных серобактерий) он проходит без выделения кислорода (аноксигенный фотосинтез)[5][6].
К фототрофам относятся[5]:
- Высшие растения;
- Водоросли;
- Цианобактерии.
Фототрофы составляют основную массу первичной продукции на Земле и являются основой большинства наземных и водных экосистем[5].
Хемотрофы
Хемотрофы — это автотрофные организмы, которые получают энергию не от света, а за счёт окисления неорганических веществ в процессе хемосинтеза. Эта энергия используется для фиксации углекислого газа и синтеза органических молекул[5][6].
Примеры хемосинтетических процессов[5]:
- Окисление сероводорода (H₂S) до элементарной серы или серной кислоты у серобактерий (например, Beggiatoa);
- Окисление аммиака (NH₃) до азотистой и азотной кислот у нитрифицирующих бактерий (например, Nitrosomonas, Nitrobacter);
- Окисление соединений железа, марганца, водорода и метана у других групп хемосинтетиков.
Хемотрофы обитают в экстремальных условиях: в глубоководных гидротермальных источниках, в почве, в подземных водах, в вулканических зонах. Например, вблизи морских гидротермальных источников, где нет солнечного света, именно хемосинтезирующие бактерии поддерживают целые экосистемы, включая гигантских трубчатых червей и моллюсков[5].
Сравнение фототрофов и хемотрофов[5]:
| Характеристика | Фототрофы | Хемотрофы |
|---|---|---|
| Источник энергии | Свет | Химическая энергия окисления неорганических веществ |
| Процесс | Фотосинтез | Хемосинтез |
| Продукты | Органические вещества + O₂ (у растений) | Органические вещества + окисленные минералы |
| Типичные представители | Растения, цианобактерии | Нитрифицирующие, серные и железобактерии |
| Среда обитания | Освещённые среды (поверхность суши, водоёмы) | Тёмные среды, богатые неорганическими субстратами |
Фототрофы обеспечивают основную часть кислорода в атмосфере и являются основой пищевых цепочек. Хемотрофы, хотя и менее заметны, играют важнейшую роль в биогеохимических циклах (азота, серы, железа, углерода). Они участвуют в почвообразовании, очистке воды, формировании полезных ископаемых (например, серы, железа), а также используются в биотехнологиях — например, при биофильтрации сточных вод[5].
Гипотеза эволюции автотрофного питания
Первые гетеротрофные организмы
Согласно современным научным представлениям, первые живые организмы на Земле были гетеротрофами, то есть они получали питательные вещества из окружающей среды, в частности, из так называемого «первичного бульона», который представлял собой концентрированный раствор органических молекул, образовавшихся в результате химических реакций в ранних земных условиях. Кроме того, первые живые организмы являлись анаэробами, то есть они существовали в бескислородной атмосфере. Это обстоятельство было обусловлено тем, что кислород в атмосфере Земли на ранних этапах её истории отсутствовал, и поэтому организмы не могли использовать его в процессе дыхания[7][8].
Метаболизм этих первичных форм жизни был примитивным и основывался на брожении — анаэробном процессе, при котором органические молекулы расщепляются без участия кислорода, что позволяет получать энергию в виде АТФ. Таким образом, анаэробное брожение стало одной из первых форм метаболической активности, обеспечившей выживание и размножение первых живых существ в условиях ранней Земли[7].
Возникновение хемосинтеза
С истощением абиогенных органических ресурсов возникла острая необходимость в альтернативных энергетических источниках, что привело к эволюционному развитию первичных хемоавтотрофных организмов, таких как археи и эубактерии. Эти микроорганизмы адаптировались к использованию энергии, генерируемой в результате химических реакций окисления неорганических соединений, включая сероводород (H₂S), аммиак (NH₃) и двухвалентное железо (Fe²⁺). В процессе эволюции у них сформировались сложные ферментативные системы, обеспечивающие преобразование химической энергии в ATФ, что стало ключевым фактором в их выживании и дальнейшем развитии[7][9][8].
Появление фотосинтеза
Возникновение фотосинтеза стало наиболее значимым этапом в эволюции жизни на Земле. Этот процесс не только обеспечил энергетическую основу для развития биосферы, но и радикально изменил химический состав атмосферы[7][9].
Сначала появился бескислородный фотосинтез (аноксигенный) у анаэробных фототрофных бактерий, таких как зелёные и пурпурные бактерии. Это стало важным эволюционным событием, позволившим прокариотам использовать солнечную энергию для синтеза органических соединений. Аноксигенный фотосинтез использовал различные доноры электронов, такие как сероводород (H₂S), водород (H₂) или органические соединения, что позволяло бактериям осуществлять фотосинтетические реакции в отсутствие свободного кислорода. Этот тип фотосинтеза способствовал развитию первых фотосинтезирующих сообществ и обогащению биосферы органическими веществами, хотя и не приводил к выделению кислорода[7][9][8].
Около 2,7-3,5 миллиарда лет назад произошёл революционный переход к кислородному фотосинтезу (оксигенному), осуществлённый цианобактериями. Ключевым биохимическим достижением стало появление фотосистемы II и кислородвыделяющего комплекса, что позволило цианобактериям эффективно расщеплять воду на водород и кислород. Оксигенный фотосинтез привёл к масштабному насыщению атмосферы кислородом, известному как «Великая кислородная катастрофа», произошедшая примерно 2,4 миллиарда лет назад. Этот процесс оказал глубокое влияние на геохимию Земли, изменив окислительно-восстановительные условия и создав условия для эволюции аэробных организмов[7][9][8].
Эндосимбиотическое происхождение хлоропластов
Дальнейшая эволюция автотрофии неразрывно связана с явлением эндосимбиоза, которое стало ключевым моментом в развитии клеточных структур и функций. В ходе этого процесса эукариотические клетки осуществили фагоцитоз цианобактерий, что привело к интеграции этих симбионтов в цитоплазму клеток-хозяев. Цианобактерии, обладая способностью к фотосинтезу, адаптировались к новой среде, трансформировавшись в органеллы, известные как хлоропласты. Этот симбиотический союз не только предоставил эукариотам возможность использовать солнечную энергию для синтеза органических соединений, но и стал основой для эволюции фотосинтезирующих протистов, а впоследствии и высших растений. Таким образом, эндосимбиоз цианобактерий с эукариотами можно рассматривать как фундаментальный этап в формировании автотрофных организмов и, как следствие, в развитии биосферы Земли[7][9][8].
Доказательства эволюции автотрофии
Молекулярные доказательства
Анализ гомологии фотосинтетических аппаратов у разнообразных групп бактерий свидетельствует о наличии общих генетических основ, обеспечивающих функционирование фотосинтетических систем. Изучение эволюционных изменений генов, связанных с фотосинтезом, включая гены реакционных центров и ферментов Рубиско, позволяет реконструировать филогенетические связи и проследить адаптацию организмов к изменяющимся условиям среды[7][9][8].
Палеонтологические данные
Ископаемые строматолиты, возраст которых достигает 3.5 миллиардов лет, представляют собой убедительные доказательства существования цианобактериальных сообществ в архее. Изотопный анализ углерода, содержащегося в древних породах, подтверждает участие фотосинтетических процессов в формировании углеродного цикла на ранних этапах развития жизни на Земле[7][9][8].
Геохимические доказательства
Появление кислорода в атмосфере, датируемое 2.45 миллиарда лет назад, подтверждается анализом железных руд и других минеральных отложений, содержащих следы окислительных процессов. Изменение изотопного состава серы и других элементов в осадочных породах также указывает на значительное повышение уровня кислорода, что свидетельствует о радикальных изменениях в биогеохимических циклах планеты[7].
Эволюционное появление автотрофного питания было длительным процессом, который занял сотни миллионов лет. От первых хемоавтотрофных организмов до сложных систем фотосинтеза — каждый этап этой эволюции вносил важный вклад в формирование современной биосферы[7][9][8].
Примечания
- ↑ 1,0 1,1 Булгаков Н. Г. Автотрофные организмы. АНО «Национальный научно-образовательный центр «Большая российская энциклопедия» (30 августа 2022). Дата обращения: 21 августа 2025.
- ↑ 2,0 2,1 Wilhelm Pfeffer. Britannica. Дата обращения: 21 августа 2025.
- ↑ Bünning E., Hermut W. P. Wilhelm Pfeffer, Early Advances in Plant Biology. — Ottawa: Carleton University Press., 1989. — 211 с. — ISBN 0886291038.
- ↑ 4,0 4,1 4,2 4,3 Autotroph. GeeksforGeeks (23 июля 2025). Дата обращения: 21 августа 2025.
- ↑ 5,0 5,1 5,2 5,3 5,4 5,5 5,6 5,7 Мамонтов С. Г. Биология : учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям «География» и «Экология» / под ред. С. Г. Мамонтова. — М.: Академия, 2008. — 567 с. — ISBN 978-5-7695-4589-4.
- ↑ 6,0 6,1 Автотрофы и гетеротрофы: что это за типы питания? Рассказываем о видах и отличиях их представителей. Антонов сад (4 февраля 2023). Дата обращения: 21 августа 2025.
- ↑ 7,00 7,01 7,02 7,03 7,04 7,05 7,06 7,07 7,08 7,09 7,10 Марков А. Рождение сложности. Эволюционная биология сегодня: неожиданные открытия и новые вопросы. — М.: Астрель, 2010. — 527 с. — ISBN 978-5-271-24663-0.
- ↑ 8,0 8,1 8,2 8,3 8,4 8,5 8,6 8,7 Напольская К. Р., Пасечник В. В. Биология: пособие для подготовки к ЕГЭ, ДВИ и олимпиадам любого уровня сложности. — М.: Экспо, 2025. — 592 с. — ISBN 978-5-04-190276-6.
- ↑ 9,0 9,1 9,2 9,3 9,4 9,5 9,6 9,7 Ястребов С. От атомов к древу: Введение в современную науку о жизни. — М.: Альпина нон-фикшн, 2018. — ISBN 978-5-9614-5286-0.
 | Данная статья имеет статус «проверенной». Это говорит о том, что статья была проверена экспертом |