Organizmy żywe możemy podzielić na dwa typy: samożywne i cudzożywne.

Organizmy samożywne ( autotrofy ) wytwarzają same materię organiczną , która stanowi ich pokarm, natomiast organizmy cudzożywne ( heterotrofy ) korzystają z gotowego pokarmu wytworzonego przez autotrofy.

Organizmy autotroficzne wytwarzają pokarm na drodze fotosyntezy i chemosyntezy.

Fotosynteza.

Fotosynteza jest zjawiskiem polegającym na przetworzeniu energii zawartej w promieniowaniu słonecznym na energię uwięziona w związkach chemicznych. W czasie fotosyntezy w obecności promieniowania słonecznego, z wody powstaje glukoza i tlen . Niezbędne do tych procesów są także barwniki fotosyntetyczne. Fotosynteza odbywa się w liściach roślin, w chloroplastach. Chloroplasty maja złożona budowę, w ich skład wchodzą grana- stosy spłaszczonych pęcherzyków ułożonych jedne na drugim oraz przestrzeń w którym są one zawieszone , czyli stroma. Barwinki fotosyntetyczne zlokalizowane są w błonach tych pęcherzyków, czyli w tylakoidach. Barwnikami tymi są chlorofile.

Komórki liścia zawierające chloroplasty stanowią tzw. miękisz asymilacyjny, czyli taką część liścia w którym zachodzi przede wszystkim fotosynteza. Skórka liści jest przeźroczysta, dzięki czemu promienie słoneczne mogą docierać do wszystkich komórek miękiszu. Ilość miękiszu asymilacyjnego jest uzależniona od warunków w jakich rośliny żyją. Rośliny żyjące w miejscach zacienionych posiadają liście o niezbyt grubej warstwie miękiszu twórczego, natomiast rośliny światłolubne mają liście zawierające dużą jego ilość.

Ogólny wzór fotosyntezy:

H2O + chlorofil + energia słoneczna → C6H12O6 (glukoza)+ ATP (energia)

Fotosynteza dzieli się na dwie fazy : ciemna i jasną.

Faza jasna fotosyntezy.

Etap ten zachodzi w granach chloroplastów i niezbędna jest tutaj obecność promieniowania słonecznego. W fazie tej dochodzi do związania energii świetlnej w wysokoenergetycznych związkach, które stanowią tzw. siłę asymilacyjną wykorzystywaną w kolejnym etapie fotosyntezy. Energia świetlna skumulowana jest w ATP oraz w zredukowanej formie NADP+ czyli NADPH2.

W czasie fazy jasnej dochodzi do ciągu reakcji fotochemicznych, czyli energia pochłonięta przez cząsteczkę chlorofilu jest zamieniana na energie wiązań chemicznych. W granach występuje kilka rodzajów chlorofilów A oraz chlorofil B i karotenoidy. Chlorofile A różnią się miedzy sobą długością światła jakie pochłaniają . Dwa z nich tzn. chlorofil A 700 i A 680 biorą udział w reakcjach fotochemicznych. Tworzą ona tzw. fotosystemy : PS I ( 700 ) oraz PSII ( 680 ), z których wybijane są elektrony . Elektrony te przechodzą przez szereg przenośników , w wyniku czego oddają energię w sobie zakumulowaną.

Powstanie ATP zwiane jest z procesem fosforylacji ADP, do którego wykorzystywana jest energia elektronu.

Fosforylacja może zachodzić w sposób cykliczny, gdzie elektron wraca do cząsteczki chlorofilu z której był pierwotnie wybity lub niecykliczny , gdzie dziura elektronowa w chlorofilu jest uzupełniana elektronem pochodzącym z fotolizy wody.

Faza ciemna fotosyntezy.

W etapie tym energia zgromadzona w ATP i NADPH2 jest wykorzystywana do procesów karboksylacji CO2 w wyniku czego powstaje aldehyd 3-fosfoglicerynowy. Aldehyd ten jest substratem do produkcji glukozy i innych związków organicznych. Wszystkie te procesy zachodzą bez udziału promieniowania słonecznego i tworzą tzw. cykl Calvina.

Pewna ilość cząsteczek aldehydu jest zużywana do odtwarzania akceptora CO2 czyli rubulozobisfosforanu ( RuBP ). Dlatego tez ilość cząsteczek CO2 wchodzących w jeden cykl Calvina nie odpowiada ilości cząsteczek aldehydu ,który będzie wykorzystany do produkcji glukozy.

Ilości wszystkich substratów i produktów przedstawia tzw. bilans fotosyntezy. Z obliczeń wynika , że z 6 cząsteczek CO2 powstaje 12 cząsteczek aldehydu-3 fosfoglicerynowego. Jednak 10 cząsteczek tego aldehydu zostaje wykorzystanych do regeneracji RuBP , w związku z czym 2 pozostałe cząsteczki aldehydu tworzą tylko jedną heksozę ( glukozę ).

Dokładny zapis cyklu Calvina :

RuBP + 6CO2 + 18ATP + 12NADPH + 12H → 6RuBP + heksoza ( glukoza ) + 18ADP + 18Pi + 12NADP+

U większości roślin obserwuje się cykl Calvina C3 , tzn. że głównym produktem karboksylacji CO2 jest trioza, czyli aldehyd 3-fosfoglicerynowy. Niektóre gatunki roślin, głównie z obszarów tropikalnych ale również z rodziny turzycowatych i traw klimatu umiarkowanego charakteryzują się cyklem Calvina C4. Akceptorem dwutlenku węgla tych roślin jest fosfoenolopirogronian ( PEP ) a produktem jego karboksylacji jest związek czterowęglowy -szczawiooctan. Szczawiooctan ulega redukcji do jabłczanu, od którego z kolei odłączane są cząsteczki CO2 łączące się z RuBP. Produktem dekarboksylacji jabłczanu jest kwas pirogronowy używany w dalszych procesach asymilacyjnych.

Rośliny typu C4 charakteryzują się duża odpornością na brak wody. Mogą one przeprowadzać fotosyntezę w warunkach dużego nasłonecznienia i wysokiej temperatury.

Wydajność fotosyntezy tych roślin jest większa niż roślin typu C3.

Za prawidłowy przebieg fotosyntezy odpowiadają zarówno czynniki zewnętrze oraz wewnętrzne.

Do czynników zewnętrznych zaliczamy: promieniowanie słoneczne, temperaturę, dostępność wody, tlenu, dwutlenku węgla, składniki mineralne a także zanieczyszczenie powietrza. Czynniki wewnętrzne to : ilość barwników fotosyntetycznych, budowa aparatów szparkowych, miękiszu asymilacyjnego oraz chloroplastów.

Fotooddychanie.

Są to procesy chemiczne wyniku których przy udziale enzymów cyklu Calvina zostaje zużyty tlen cząsteczkowy oraz związki organiczne ( najczęściej glukoza ) a wydzielany dwutlenek węgla. Fotoddychanie odbywa się w chloroplastach jak również w peroksysomach.

Chemosynteza.

Jest to proces produkcji materii organicznej z wykorzystaniem energii chemicznej. Chemosyntezę przeprowadzają niektóre gatunki bakterii. Substratem tych reakcji mogą być rożnego rodzaju substancje np. amoniak, CO, mocznik, metan oraz niektóre jony takie jak jony wodorowe, żelazowe, siarkowe. Energia niezbędna w tych procesach powstaje w wyniku utleniania tych związków.

Ogólny wzór chemosyntezy :

SUBSTRAT + 1/2 O2 → SUBSTRAT utleniony + ENERGIA

CO2 + H2O + ENERGIA → ZW.ORG. + O2

Bakterie chemosyntetyzujące mają szczególnie ważne znaczenie w rolnictwie.

Należą do nich bakterie wykorzystujące energię z utleniania związków azotu , czyli bakterie nitryfikacyjne oraz bakterie siarkowe, czerpiące energię z przetwarzania związków siarki.

Do bakterii nitryfikacyjnych zalicza się bakterie z grupy Nitrosomonas i Nitrosobacter , które przekształcają amoniak zawarty w glebie w łatwo przyswajalne jony NO3- .

Natomiast bakterie siarkowe utleniają szkodliwy H2S do siarczanów.

Bakterie przeprowadzające procesy chemosyntezy mają duże znaczenie dla środowiska. Gatunki tych bakterii żyjące w wodzie przyczyniają się do jej oczyszczania. Tak samo niektóre gatunki glebowe powodują rozkład toksycznych związków w wodach podziemnych a także w podłożu. Dzięki bakteriom chemosyntetyzującym nieprzyswajalne związki organiczne zawarte w glebie są przekształcane w prostsze, które mogą być pobierane przez rośliny.