W świecie żywych organizmów najważniejsze, z punktu widzenia utrzymania się przy życiu, jest oddychanie oraz odżywianie się. Wiemy to bardzo dobrze z własnej, ludzkiej perspektywy. Jednak warto się temu przyjrzeć z bliska, na innych przykładach.

Należy zauważyć, że zarówno zwierzęta, jak i rośliny potrzebują podobnych związków do życia, takich jak: proteiny, węglowodany, tłuszcze oraz inne organiczne związki. Dlatego nie jest dziwnym to, że wykazują one podobne sposoby na pobieranie czy wytwarzanie pokarmu. Pożywienie ma na celu dostarczenie wszelkich - prostych czy złożonych związków niezbędnych do budowania wyżej wymienionych cząsteczek. Zwierzęta, w tym i człowiek, a także niektóre rodzaje bakterii i grzybów w pożywieniu dostają wodę oraz takie związki jak: węglowodany, proteiny, tłuszczowce oraz witaminy, które są niezbędne do prawidłowego wzrostu. Te organizmy nazywamy cudzożywnymi (heterotrofami). Oznacza to, że nie są one zdolne do samodzielnej syntezy tych związków, ale muszą je dostarczać z zewnątrz. Natomiast autotrofy (samożywne) są do tego zdolne - syntetyzują one wszelkie związki organiczne z wody, soli mineralnych i CO2. Do autotrofów zaliczamy rośliny zielone oraz niektóre z rodzajów bakterii.

Jednak do wszystkich procesów mających na celu utworzenie związków złożonych, konieczne jest dostarczenie energii. Większość autotrofów czerpie ją ze Słońca, absorbując ją poprzez takie barwniki jak: chlorofil czy karotenoidy. Mniejsza część autotrofów (zazwyczaj bakterie) mają inny sposób na zdobycie energii z zewnątrz. Czynią one to poprzez utlenianie związków nieorganicznych, takich jak: amoniak czy siarkowodór. Energia powstała tą drogą może zostać wykorzystana do asymilowania dwutlenku węgla. Ludzie w większości zdają się nie wiedzieć, że każda, nawet najprostsza roślina, jak np. koniczyna, posiada w swoim wnętrzu specjalne zielone ciałka, które zawierają ogromny arsenał potrzebny do przeprowadzania najbardziej skomplikowanych reakcji. A substratami w tych reakcjach są naprawdę najprostsze związki, a energia jest czerpana za darmo ze Słońca.

Heterotrofy z kolei możemy nazwać bardzo wysublimowanymi klientami. Mogą one pobierać jedynie gotowe produkty autotrofów w postaci białek, cukrów, tłuszczów oraz witamin. Te związki występują w martwej materii organicznej, ale też w żywej.

Podobnie jak auto- i heterotrofy dzieli się w zależności od metod w odżywianiu związkami węgla, tak istnieje również metoda polegająca na zdobywaniu związków azotu z innymi pierwiastkami. Organizmy zwierzęce zjadają w pożywieniu azot, otrzymany jako proteiny z roślin lub innych zwierząt. W wyniku trawienia otrzymują aminokwasy, które służą im do budowania specjalnych białek, potrzebnych konkretnemu osobnikowi.

Rośliny zazwyczaj pobierają azot zawarty w związkach mineralnych. Komórki roślinne przetwarzają te związki na materię organiczną. Innym sposobem jest też czerpanie azotu wprost z atmosfery (gdzie stanowi on ponad ¾ objętości powietrza) - potrafią tak czynić niektóre z rodzajów bakterii. Oczywiście, tak jak i w innych syntezach, również i tu potrzebna jest energia. Redukowanie azotu pochłania duże ilości energii. Dlatego też są bakterie, które pomagają w tym sobie poprzez symbiozę z roślinami motylkowatymi. Rośliny te posiadają specjalne brodawki korzeniowe. Takie współżycie niesie obopólne korzyści, gdyż bakterie nadmiar przetworzonego azotu oddają roślinie. A z kolei rośliny oddają im potrzebne produkty fotosyntetyczne, które są dla bakterii idealnym źródłem.

Bardzo charakterystyczne są rośliny korzystające ze związków zawierających azot, ale zasiedlające ziemie, gdzie nie ma za wiele takich związków. Doprowadziły one do wykształcenia takiego przystosowania, dzięki któremu mogą one łapać oraz trawić niewielkie zwierzęta. Zwierzęta te stają się dla tych roślin źródłem azotu. Do takich roślin należą m.in. owadożerne, wśród których chyba najbardziej znana jest rosiczka.

Organizmy żywe potrzebują nie tylko takich pierwiastków jak: azot, węgiel, tlen czy wodór, ale także inne składniki, zwane: mikro- i makroelementami (nazwy mówią nam o tym, ile potrzeba danego składnika organizmowi). Autotrofy uzyskują te składniki poprzez wiązki przewodzące w korzeniach - prosto z ziemi. Natomiast heterotrofy, w tym człowiek, czerpią je z roślin (w organach których są one magazynowane) oraz innych zwierząt, a także z wody.

FOTOSYNTEZA

Fotosynteza jest procesem polegającym na wyprodukowaniu węglowodanów z takich prostych związków jak: woda czy dwutlenek węgla, z zastosowaniem energii słonecznej. Występuje ona jedynie w roślinach zielonych oraz części bakterii, a konkretnie - w ich ciałkach zieleni (rośliny) oraz ciałach chromoforowych (bakterie). Te małe organelle pracują przy użyciu znajdujących się w nich barwników, takich jak: chlorofil, bakteriofil czy karotenoidy. Barwniki te służą do absorpcji energii słonecznej, a z pomocą innych związków są w stanie przekształcać proste związki organiczne w złożone. Z tego samego typu energii korzysta człowiek przy spalaniu drewna (czy węgla) w piecu.

Całą fotosyntezę można podzielić na dwie niezależne fazy (mogące przebiegać w tym samym czasie). Pierwszą z nich jest faza fotochemiczna (inaczej tzw. jasna) i faza ciemna (która nie zależy od światła).

Faza jasna zachodzi w lamellach, w chloroplastach. Barwniki biorące udział w tej fazie budują zespoły złożone z karotenoidów oraz kilkuset cząstek chlorofili związanych z cząstkami białek. Oczywiście oprócz nich znajdują się także inne związki, które uczestniczą w transportowaniu elektronów, wystrzeliwanych poprzez fotony z chlorofilu.

Produktami fazy jasnej są dwa związki, które biorą później udział w asymilowaniu dwutlenku węgla, a także kolejnych etapach syntezy węglowodanów. Należą tu: trójadenozynofosforan - zwany ATP oraz NADPH2. Związki te są magazynami dla zdobytej energii słonecznej (często nazywa się je siłą asymilacyjną).

Druga faza, zwana ciemna odbywa się w stromie, w chloroplastach. Jest to także miejsce biochemicznych asymilacji dwutlenku węgla.

Fotosynteza zależy od kilku różnych czynników. Należą tu np. czynniki mające wpływ na fazę jasną - czyli światło, struktura chloroplastu, chlorofil, liczba przenośników elektronowych czy enzymów potrzebnych do tej fazy. Drugą grupę czynników stanowią te, przyczyniające się do sprawnego wnikania cząstek dwutlenku węgla do liści oraz ułatwiających ich drogę do chloroplastu. Natomiast trzecią grupę stanowią te, biorące udział w fazie ciemnej - należą do nich: czynniki, które usprawniają przebieg całego cyklu Calvina.

Warunki zewnętrzne panujące na świecie są bardzo różnorodne, stąd też przystosowanie roślin ze względu na budowę czy przebieg reakcji też są różnorakie.

Źródło świetlne potrzebne w fotosyntezie może być różnego pochodzenia. Może to być zarówno Słońce, ale też każde inne światło elektryczne wysyłające fale świetlne o odpowiednim natężeniu, które może absorbować chlorofil. Zauważmy jednak, że rodzaj światła potrzebnego do fotosyntezy (oraz jego natężenie itp.) jest zależny od rodzaju organizmu. Na przykład glony są mało wymagające - mogą się rozwijać przy słabym świetle i niskiej temperaturze. Natomiast bardziej wymagające rośliny, na przykład te uprawne nie mogłyby się w takich warunkach rozwijać. Należy jednak zauważyć, że im wyższe natężeni światła, tym fotosynteza jest intensywniejsza. Przy maksymalnym wysyceniu świetlnym, fotosynteza zachodzi najintensywniej. Trochę mniejszy wpływ na intensywność ma temperatura. W naszym klimacie rośliny osiągają najlepsze wyniki w temperaturze 20,3 stopni Celsjusza.

ZWIERZĘTA

Zwierzęta zaliczamy oczywiście do heterotrofów (organizmów cudzożywnych). Więc nie zachodzi w ich organizmie synteza związków organicznych z nieorganicznych. Natomiast muszą one dostarczać je już zsyntetyzowane w postaci roślin lub innych zwierząt. Związki organiczne, które zostaną pobrane najpierw są rozkładane do takich, które mogą zostać przyswojone. Potem po dostarczeniu ich do wszystkich części ciała, mogą zostać wykorzystane do syntezy związków koniecznych jako budulec lub materiał zapasowy.

Dlatego też zwierzęta muszą pobierać takie pożywienie, które dostarcza im wszelkich składników, których dany organizm nie potrafi sam zsyntetyzować. Organizmy cudzożywne mogą mieć różne zapotrzebowania na dane typy składników odżywczych.

Heterotrofami jest większość zwierząt, saprofity i pasożyty - wśród bakterii i grzybów, a także kilka wyższych roślin prowadzących pasożytniczy tryb życia - np. kanianka, łuskiewnik czy raflezja. Tzw. całkowite heterotrofy muszą dostarczać do organizmu związki węgla oraz azotu. Z kolei drożdże oraz pleśnie prowadzą asymilację nieorganicznego azotu. Natomiast tzw. auksotrofy (będące także heterotrofami) muszą dostarczać tylko jeden lub kilka związków organicznych (gdyż inne umieją asymilować). Pasożyty to organizmy, które muszą żyć z jakimś innym organizmem żywym, saprofity natomiast pobierają martwą materię. Pewnym rodzajem heterotrofizmu jest także symbioza (mikoryza, bakterie w korzeniach oraz porosty).

Pasożytem jest każdy organizm, który przez pewien czas lub nieustannie czerpie z zasobów innego organizmu żywego (zwanego żywicielem). Jego działalność powoduje osłabienie żywiciela lub nawet jego śmierć. Są to na przykład bakterie, rośliny pasożytnicze, wirusy czy też grzyby.

Saprofitami natomiast są organizmy heterotroficzne, które żywią się związkami powstałymi z rozkładania martwych zwierząt lub roślin. Jak się okazuje saprofity są ważne, gdyż dzięki nim pierwiastki odżywcze mogą być ponownie włączane do krążenia materii w naturze. Najwięcej tego typu organizmów jest w grupie grzybów oraz bakterii. Saprofity należące do roślin wyższych nie są zdolne do bezpośredniego korzystania ze związków organicznych. Nie posiadają żadnych barwników służących do asymilacji - dlatego też są żółte. Ponadto ich liście są słabo wykształcone, natomiast korzenie - są dobrze rozwinięte. Korzystanie ze związków organicznych umożliwiają im inne organizmy, takie jak na przykład grzyby żyjące z nimi w mikoryzie. Saprofitami są na przykład korzeniówka pospolita, gnieźnik leśny oraz żłobik koralowaty.

BAKTERIE (Schizomycetes)

Są organizmami jednokomórkowymi nie mającymi jądra, które jednak mogą posiadać wiele różnych kształtów - pałeczki, laseczki, przecinki. Ponadto mają one zdolność łączenia się w większe grupy - np. dwoinki, pakiety czy paciorki. Ich materiał genetyczny zawarty jest w postaci nukleoidu. Bakterie nie posiadają także mitochondriów - zamiast nich mają natomiast mezosomy. Jeśli warunki zewnętrzne nie są sprzyjające, mogą tworzyć przetrwalniki. Bakterie zazwyczaj rozmnażają się poprzez podział - rozmnażanie płciowe występuje rzadko. Wśród bakterii większość należy do heterotrofów, choć niektóre są też samożywne (chemo- lub fotoautotroficzne). Bakterie mogą być tlenowe oraz beztlenowe. Ponadto posiadają szeroką tolerancję jeśli chodzi o warunki środowiskowe (nawet w bardzo krańcowych temperaturach występują - w śniegu czy gorących źródełkach). Są jednymi z najważniejszych estruentów w przyrodzie (poza grzybami). Niestety są wśród nich także pasożyty bytujące zarówno na ludziach, zwierzętach, jak i roślinach - mogą powodować wtedy różne choroby. Bardzo ważnymi dla przyrody są bakterie glebowe, które wytwarzają tzw. próchnicę oraz bakterie korzeniowe. Bakterie można podzielić w zależności od źródła energii, jakiego używają. Są wśród nich więc bakterie siarkowe (utleniające siarkę i jej związki), purpurowe bezsiarkowe (utleniające alkohole oraz wodór), purpurowe siarkowe (utleniające siarkowodór), metanowe (wytwarzające metan), żelazowe oraz wodorowe.

ODDYCHANIE

Oddychaniem nazywa się wszystkie procesy, które uczestniczą w wymianie dwutlenku węgla oraz tlenu pomiędzy środowiskiem zewnętrznym a komórkami. Dzieli się je na kilka etapów:

1. ODDYCHANIE ZEWNĘTRZNE - polegające na wymianie gazów pomiędzy środowiskiem zewnętrznym a narządami oddechowymi (np. płucami)

2. przenoszenie gazów przy udziale krwi

3. bezpośrednia wymiana gazów pomiędzy komórkami a krwią

4. ODDYCHANIE KOMÓRKOWE - polegające na utlenianiu przebiegającym w komórkach

Etapy te mogą się odbywać z lub bez obecności tlenu. Mówimy wtedy odpowiednio o: oddychaniu tlenowym lub beztlenowym.

Bardzo upraszczając oddychanie tlenowe można opisać przy pomocy jednego równania chemicznego:

C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O

Jeśli w środowisku zewnętrznym brakuje tlenu, organizmy tam bytujące zmuszone były do przejścia na oddychanie beztlenowe. Zachodzi ono poprzez tzw. fermentację. Drożdże na przykład przeprowadzają fermentację alkoholową odbywającą się na podstawie równania:

C6H12O6 -> 2C2H5OH + 2CO2

Rośliny, które przy pomocy korzeni, są na stałe przyczepione w ziemi, mają sposoby na to, aby się nie udusić, jeśli w pewnym momencie zabrakłoby im tlenu - na przykład podczas powodzi, zalewającej jakieś tereny porośnięte roślinnością. Jeśli uważnie przyjrzymy się roślinom, możemy z łatwością znaleźć tego liczne przykłady. Są to między innymi: bulwy, kłącza czy nasiona okryte grubą i twardą łupinką. W środku jabłek przy temperaturze otoczenia ponad 30 stopni Celsjusza dochodzi do spadku stężenia tlenu, a wzrostu stężenia dwutlenku węgla. Powoduje to oddychanie podobne do fermentacji drożdży - beztlenowe. Roślina nie może zdobyć wiele energii, ale przynajmniej jest w stanie przetrwać.

U roślin nie występują żadne specjalne organy służące tylko i wyłącznie do wymiany gazowej, ale duża powierzchnia przy małej liczbie liści powoduje, że tlen o wiele łatwiej dyfunduje. Podstawowym miejscem, przez które następuje wymiana gazowa są oczywiście szparki oddechowe. Podczas dnia rośliny zielone od razu asymilują dostarczany dwutlenek węgla w chloroplastach. Substratami są w oddychaniu cukry oraz tłuszczowce. Te drugie są szczególnie istotne podczas kiełkowania nasion, zwłaszcza u roślin oleistych. Energia, którą rośliny uwalniają w czasie oddychania, jest energią wcześniej nagromadzoną w związkach organicznych w czasie fotosyntezy. Oznacza to zatem, że oddychanie jest odwróconym procesem fotosyntezy. Tak samo, jak u zwierząt, również i u roślin najważniejsze etapy oddychania odbywają się w mitochondriach (będących bardzo podobnymi do mitochondriów zwierząt).

Generalnie oddychanie odbywa się na podobnych zasadach u roślin oraz zwierząt, z tym, że przy użyciu różnych sposobów wymiany gazów oraz różnych substratów. Zawsze jednak chodzi u utlenienie związków organicznych, które prowadzi do uwolnienia pokładów energii zawartych w wiązaniach tych związków.

Zwierzęta posiadają tzw. układ krążenia, który pomaga w wymianie gazowej zachodzącej w układzie oddechowym. Zależnie od środowiska życia zwierzęcia, jego powierzchnia wymiany gazów jest umieszczona w innym miejscu organizmu. Na przykład zwierzęta żyjące w wodzie mają skrzela. Natomiast lądowe posiadają płuca oraz skórę (a płazy także - śluzówkę jamy gębowej). Z kolei bezkręgowce mogą posiadać skrzelo- lub płucotchawki lub same tchawki.

Niezależnie od budowy narządów oddechowych oraz środowiska życia zwierzęcia, transport gazów zachodzi zawsze dzięki dyfuzji. Tlen ulega dyfuzji z otoczenia do krwi (a konkretnie do środka krwinek czerwonych), gdzie hemoglobina go wiąże. Dyfuzja zachodzi tu w tym kierunku, gdyż ciśnienie tlenu na zewnątrz ciała jest wysokie, a w krwi - niższe. Natomiast dwutlenek węgla ma wyższe ciśnienie we krwi i dlatego też ulega dyfuzji w kierunku na zewnątrz ciała.

Jak widać organizmy żywe są ze sobą ściśle związane, bez względu na różnorodność gatunkową czy strukturalną. Cały świat opiera się na podobnych zasadach, które tylko zostały odpowiednio przystosowane do potrzeb konkretnego organizmu. Wszystkie organizmy potrzebują siebie na wzajem - zwierzęta roślin, a roślin zwierząt.