Asosiy kontent

Course: Biologiya > Unit 19

Lesson 2: Prokariot metabolizmi va ekologiyasi

Prokariot organizm metobalizmi

Prokariotlar energiya va ozuqa moddalarni qanday oʻzlashtiradi. Xemotroflar va fototroflar. Geterotroflar va avtotroflar.

Asosiy tushunchalar:

Ayrim prokariotlar fototrof boʻlib, quyoshdan energiya oladi. Boshqalari esa xemotrof boʻlib, kimyoviy moddalardan energiya oladi.
Ayrim prokariotlar avtotrof boʻlib, uglerodni ${CO}_{2}$ ‍ dan oladi. Boshqalari esa geterotrof boʻlib, uglerodni boshqa organizmlarning organik moddalaridan oladi.
Prokariotlar aerob (kislorod talab qilinadigan) yoki anaerob (kislorodga asoslanmagan) metabolizm amalga oshiradi, ayrimlari esa sharoitga qarab ham aerob, ham anaerob boʻlishi mumkin.
Baʼzi prokariotlar azot yoki oltingugurt saqlovchi birikmalarning metabolizmiga imkon yaratuvchi maxsus fermentlar yoki yoʻllarga ega.
Prokariotlar ozuqa moddalarining ekosistema boʻylab aylanishida muhim ahamiyatga ega.

Kirish

Umuman olganda, siz va men anchagina cheklangan oʻzimizni boqish yoʻllariga egamiz. Biz faqat sabzavotlardan muzqaymoqqacha boʻlgan narsalar ustida qaror qabul qilishimiz mumkin (va umid qilamanki, ikkalasidan ham yetarli darajada bahramand boʻlamiz). Biz fotosintezni amalga oshirish ehtimolidan ancha yiroqdamiz. Bundan tashqari, biz mazali nonushta uchun vodorod sulfid (chirigan tuxum hidini beradigan modda) isteʼmol qilishga ham qodir emasmiz.

Prokariotlar (bakteriyalar va arxeylar) oziqlanish uslubi boʻyicha insonlardan ancha farq qiladi, yaʼni ular uglerod birikmalari (yonilgʻi molekulalari) va energiya olish yoʻli bilan farqlanadi. Ayrim turlari oʻlik oʻsimliklar va hayvonlardagi organik moddalar bilan oziqlanadi. Boshqalari esa togʻ jinslaridagi anorganik moddalar hisobiga yashaydi. Thiobacillus concretivorans bakteriyasi metallni suyultiruvchi sulfat kislotasi hisobiga yashaydi!

^{1}

Ushbu maqolada biz prokariotlarning ozuqa topishi va metabolizmi hamda ularning oziq moddalar almashinuvi sikliga taʼsir qiladigan koʻplab yoʻllar (metabolik yoʻllar) bilan tanishib chiqamiz.

Oziqlanish usullari

Yer yuzidagi barcha hayot shakllari ularning hujayralarini tashkil qiladigan makromolekulalarni hosil qilish uchun energiya va uglerod birikmalariga (organik molekulalar tarkibiga kiruvchi uglerodga) muhtojdir. Bu insonlar, oʻsimliklar, zamburugʻlar va albatta, prokariotlarga ham tegishlidir. Tirik organizmlar energiya va uglerodni qaysi yoʻl bilan olishiga koʻra farqlanadi.

Birinchi navbatda biz organizmlarni uglerod (foydali) birikmalarini qayerdan olishiga koʻra turli kategoriyalarga ajratamiz:

Uglerodni karbonat angidriddan ( ${CO}_{2}$ ‍) yoki boshqa anorganik birikmalardan oluvchi organizmlar avtotroflar deb ataladi.
Uglerod birikmalarini boshqa organizmlarning organik birikmalaridan (ularni yoki ularning qoldiqlarini yeyish orqali) oladigan organizmlar geterotroflar deb ataladi.

Shuningdek, biz organizmlarni ularning energiyani qaysi manbadan olishiga qarab farqlashimiz mumkin:

Yorugʻlik (asosan quyosh)dan energiya manbai sifatida foydalanuvchi organizmlar fototroflar deb ataladi.
Kimyoviy moddalardan energiya manbai sifatida foydalanuvchi organizmlar xemotroflar deb ataladi.

Biz prokariotlarni (va boshqa organizmlarni) ularning energiya va uglerod manbalariga koʻra toʻrt sinfga ajratishimiz mumkin:

Oziqlanish usuli	Energiya manbai	Uglerod manbai
Fotoavtotrof	Yorugʻlik	Karbonat angidrid (yoki shunga oʻxshash moddalar)
Fotogeterotrof	Yorugʻlik	Organik moddalar
Xemoavtorof	Kimyoviy moddalar	Karbonat angidrid (yoki shunga oʻxshash moddalar)
Xemogeterotrof	Kimyoviy moddalar	Organik moddalar

Biz fotoavtotroflar (oʻsimliklar) va xemogeterotroflar (odamlar va boshqa hayvonlar) bilan yaxshi tanishmiz. Prokariotlarning turlari ushbu ikki kategoriyaga, shu bilan birga, oʻsimliklar va hayvonlar kirmaydigan, ikkita kamroq tanish boʻlgan kategoriyaga (fotogeterotroflar va xemoavtotroflar) ham kiradi.

^{2, 3}

Aerob va anaerob nafas olish

Prokariotlarning insonlardan farq qiladigan yana bir metabolik jihati (ular bizdan koʻra ancha xilma-xildir!) ularning kislorodga boʻlgan ehtiyojidir. Ayrimlari unga muhtoj, ayrimlari undan zaharlanadi, ayrimlari esa kislorod bor yoki yoʻqligiga qarab undan foydalanadi.

Moddalar almashinuvi uchun $O_{2}$ ‍ ga ehtiyoj sezadigan prokariotlar obligat aeroblar deyiladi. Odamlar ham obligat aeroblardir (nafasingizni biroz uzoqroq ushlab tursangiz, bunga guvoh boʻlasiz).
$O_{2}$ ‍ mavjud muhitda yashay olmaydigan va moddalar almashinuvi faqat anaerob tarzda kechadigan prokariotlar obligat anaeroblar deb ataladi. Botulizmni (ovqatdan zaharlanish turi) chaqiradigan C. botulinum bakteriyasi konservalar ichida obligat anaerob holatda oʻsadi – shuning uchun u germetik konservalar ichida yaxshi koʻpayadi. $^{4}$ ‍
Fakultativ anaeroblar $O_{2}$ ‍ boʻlganida aerob metabolizmdan foydalanadi, biroq kislorod yoʻq boʻlsa, anaerob metabolizmga oʻtadi. Stafilokokkli va streptokokkli infeksiyani chaqiradigan bakteriyalar fakultativ anaeroblarga misol boʻla oladi. $^{5}$ ‍

Oltingugurt va azot metabolizmi

Ayrim bakteriya va arxeylar ularga azot va oltingugurtni oʻzlashtirishga imkon beruvchi (eukariotlarda boʻlmagan) metabolik yoʻllarga ega. Ayrim hollarda ular energiya olish maqsadida tarkibida azot yoki oltingugurt saqlovchi moddalardan foydalanadi, ammo boshqa holatlarda esa ular ushbu moddalarni bir shakldan ikkinchisiga aylantirish uchun energiya sarflaydi.

Oltingugurt metabolizmi

Oltingugurt bakteriyalarining ayrim ajoyib turlari dengiz tubidagi ekosistemalarda yashaydi. Masalan, baʼzi prokariot turlari vodorod sulfidini (

H_{2} S

) qaynoq gidrotermal buloqlardan oksidlashi mumkin. Ular ushbu jarayonda ajralgan energiyadan xemosintez deb ataladigan jarayon yordamida suvdagi anorganik uglerodni uglevod yoki boshqa organik moddalarga aylantirish uchun foydalanadi.

^{6}

Oltingugurt metabolizmini amalga oshiruvchi prokariotlar dengiz tubida (u yerda fotosintez kechishi uchun oz boʻlsa ham yorugʻlik nuri tushmaydi) oziq zanjirining asosini tashkil qiladi. Oltingugurt bakteriyalari okean yuzasidan minglab metrlar chuqurlikda yashovchi chuvalchanglar, krablar, krevetkalar kabi organizmlarni oʻz ichiga oluvchi butun biosenozni taʼminlaydi.

^{7}

Azot metabolizmi

Azot metabolizmida ishtirok etuvchi prokariotlar oʻz ichiga azot fiksatsiyalovchi, azotni nitrifikatsiyalovchi va denitrifikatsiyalovchi organizmlarni oladi. Ular azot birikmalarini bir shakldan ikkinchisiga aylantirib, azot davriy aylanishida muhim ahamiyatga ega.

Azotni fiksatsiyalovchi prokariotlar atmosferadagi azotni (

N_{2}

) oʻsimliklar va boshqa organizmlarning organik moddalari tarkibiga kira olishiga imkon beruvchi ammiak molekulasiga (

{NH}_{3}

) aylantiradi. Noʻxat kabi dukkaklilar oilasining ayrim vakillari azot fiksatsiyalovchi bakteriyalar bilan birga (simbioz) hayot kechiradi. Oʻsimliklar oʻzlarining ildiz tugunchalarida bakteriyalarga joy berib, ularni boqadi, bakteriyalar esa ildizni oʻzlashtirilgan azot bilan taʼminlaydi.

Nitrifikatsiyalovchi bakteriyalar tuproqda yashaydigan boshqa prokariotlar boʻlib, ammiakni oʻsimliklar oʻzlashtira oladigan boshqa turdagi moddalar (nitratlar va nitritlar)ga aylantiradi. Denitrifikatsiyalovchi bakteriyalar ozmi-koʻpmi buning teskarisini amalga oshiradi va nitratlarni

N_{2}

gaziga aylantiradi.

Biogeokimyoviy sikllar

Kimyoviy elementlarning davriy aylanishi ekosistemalar mavjudligining asosiy omilidir. Yer yuzasidagi biogeokimyoviy sikllarda kimyoviy elementlar takrorlanuvchi sikllarda turli shakllarga aylanadi.

Turli-tuman metabolizmlar tufayli prokariotlar koʻpgina global sikllarda asosiy vazifalarni bajaradi. Bu yerda biz quyidagi ikkita funksiya bilan yaqindan tanishamiz: azot va uglerod sikllari.

Azot davriy aylanishi

Oʻtgan boʻlimda koʻrganimizdek, azotni oʻzlashtiruvchi prokariotlar atmosferadagi azotni (

N_{2}

) ammiakka (

{NH}_{3}

) aylantiradi. Oʻsimliklar va boshqa organizmlar ushbu ammiakdan aminokislotalar va nukleotid molekulalarini sintez qilishda foydalanadi.

Tuproqdagi boshqa bir prokariotlar, yaʼni nitrifikatsiyalovchi bakteriyalar, ammiakni oʻsimliklar oʻzlashtira oladigan boshqa turdagi moddalarga (nitratlar va nitritlarga) aylantiradi. Nitratlarni

N_{2}

ga aylantiruvchi denitrifikatsiyalovchi bakteriyalar tuproqdagi azot atomlarini atmosferaga qaytaradi.

Quyidagi rasmda azot davriy aylanishi sodda qilib tushuntirilib, prokariotlarning roli taʼkidlab oʻtilgan.

_Rasm manbasi: “Azot davriy aylanishi”, Johann Dreo (CC BY-SA 3.0). CC BY-SA 3.0 ruxsatnomasi asosida qayta ishlangan._

Uglerod davriy aylanishi

Prokariotlar uglerod siklida ham muhim ahamiyatga ega. Sianobakteriyalar kabi fotosintezlovchi prokariotlar atmosferadan

{CO}_{2}

ni oʻzlashtirib, uni organik molekulalar tarkibiga kiritish uchun yorugʻlik energiyasidan foydalanadi. Bu fotosintezlovchi oʻsimliklar bajaradigan jarayon bilan bir xil asoslarga ega.

Redutsent prokariotlar uglerodni qarama-qarshi yoʻnalishda harakatlantiradi. Ular oʻlik organik (oldin tirik boʻlgan oʻsimlik va hayvon) materiallarni parchalaganida

{CO}_{2}

ni atmosferaga (hujayraviy nafas olish orqali) qaytaradi. Parchalash jarayonida qayta foydalanish uchun turli xil boshqa elementlar va anorganik moddalar ham ajraladi.

Quyidagi rasmda azot davriy aylanishi sodda qilib tushuntirilib, prokariotlarning roli taʼkidlab oʻtilgan.

Mavzuga oid manbalar

This article is a modified derivative of "Prokaryotic metabolism," by OpenStax College, Biology (CC BY 4.0). Download the original article for free at http://cnx.org/contents/47cb544e-2d71-4962-8d42-87f00bad4045@10.

Ushbu maqola CC BY-NC-SA 4.0 litsenziyasiga ega.

Mavzuda keltirilgan iqtiboslar

Bryson, B. (2003). A short history of nearly everything. New York, NY: Broadway Books.
Photoheterotroph. (2016, January 17). Retrieved May 17, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Photoheterotroph.
Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Diverse nutritional and metabolic adaptations have evolved in prokaryotes. In Campbell biology (10th ed., p. 575). San Francisco, CA: Pearson.
Clostridium botulinum. (2016, March 4). Retrieved March 21, 2016 Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Clostridium_botulinum.
Facultative anaerobic organism. (2015, December 23). Retrieved May 17, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Facultative_anaerobic_organism.
National Oceanic and Atmospheric Administration. (2013, February 12). Chemosynthesis vs. photosynthesis. In _Ocean explorer. Retrieved from http://oceanexplorer.noaa.gov/edu/learning/5_chemosynthesis/activities/chemovsphoto.html.
Hydrothermal vent. (2016, March 14). Retrieved March 14, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrothermal_vent.

Qoʻshimcha maʼlumotlar

Anaerobic respiration. (2016, February 29). Retrieved March 14, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Anaerobic_respiration.

Botulism. (2016, March 14). Retrieved March 21, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Botulism.

Bryson, B. (2003). A short history of nearly everything. New York, NY: Broadway Books.

Chemosynthesis. (2016, 2 February). Retrieved March 14, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Chemosynthesis.

Clostridium botulinum. (2016, March 4). Retrieved March 21, 2016 Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Clostridium_botulinum.

Denitrifying bacteria. (2016, March 2). Retrieved March 14, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Denitrifying_bacteria .

Facultative anaerobic organism. (2015, December 23). Retrieved May 17, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Facultative_anaerobic_organism.

Hydrothermal vent. (2016, March 14). Retrieved March 14, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrothermal_vent.

Lindemann, W. C. and Glover, C. R. (1990). Nitrogen fixation by legumes. In College of agriculture and home economics. Retrieved from http://www.csun.edu/~hcbio027/biotechnology/lec10/lindemann.html.

National Oceanic and Atmospheric Administration. (2013, February 12). Chemosynthesis vs. photosynthesis. In _Ocean explorer. Retrieved from http://oceanexplorer.noaa.gov/edu/learning/5_chemosynthesis/activities/chemovsphoto.html.

Nitrogen assimilation. (2016, February 8). Retrieved March 14, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Nitrogen_assimilation.

Nitrogen-fixing bacteria. (2016, February 3). In Encyclopedia Britannica. Retrieved from http://www.britannica.com/science/nitrogen-fixing-bacteria.

Photoheterotroph. (2016, January 17). Retrieved May 17, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Photoheterotroph.

Purves, W. K., Sadava, D., Orians, G. H., and Heller, H. C. (2003). Prokaryotes have exploited many metabolic possibilities. In Life: The science of biology (7th ed., pp. 532). Sunderland, MA: Sinauer Associates, Inc.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Diverse nutritional and metabolic adaptations have evolved in prokaryotes. In Campbell biology (10th ed., pp. 575-576). San Francisco, CA: Pearson.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Prokaryotes play crucial roles in the biosphere. In Campbell biology (10th ed., pp. 581-582). San Francisco, CA: Pearson.

Simplified summary of microbial metabolism. (n.d.). In Lectures 1 & 2: The biosphere & carbon and energy metabolism. Retrieved from http://web.mit.edu/7.01x/7.014/documents/Carbon_and_energy_Lecture_Handout_000.pdf.

Sulfolobus. (2016, March 1). Retrieved March 14, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Sulfolobus.

Sulfur metabolism. (2016, February 20). Retrieved March 14, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Sulfur_metabolism.

Wilkins, D. and Gray-Wilson, N. (2016, March 23). Prokaryote nutrition and metabolism - Advanced. In CK-12 biology advanced concepts. Retrieved from http://www.ck12.org/book/CK-12-Biology-Advanced-Concepts/section/11.9/.

Mavzu boʻyicha bilimingizni sinab koʻring!

Quyidagi bakteriyalarning metabolik strategiyalariga oid jumlalardan qaysi birlari toʻgʻri?

	Toʻgʻri	Xato
Ayrim bakteriyalar oʻsimliklarga oʻxshab fotosintez qiladi va havoga kislorod ajratadi.
Bakteriyalar har doim avtotrof hisoblanadi, biroq ular yorugʻlikdan ham, kimyoviy manbalardan ham energiya olishi mumkin.
Fotosintez qilish imkoni yoʻq boʻlgan joylarda (yaʼni dengiz tubidagi buloqlar) yashovchi ayrim xemosintezlovchi bakteriyalar atrof-muhitga energiya va uglerod birikmalarini ajratadi.
Ayrim bakteriyalar xoʻjayin organizmning ichida u bilan simbioz hayot kechiradi va xoʻjayin organizmni oziq moddalar bilan taʼminlaydi.

Ayrim bakteriyalar energiya beruvchi molekulani oʻzi sintezlaydi/uglerod birikmalarini sintezlaydi (avtotroflar), boshqalari esa uglerod birikmalarini atrof-muhitdan oladi (geterotroflar).

Baʼzi avtotroflar oʻzining energiya beruvchi molekulalarini sintezlash uchun yorugʻlik energiyasidan foydalanadi, boshqalari esa energiyani kimyoviy manbalardan oladi.

Energiyani kimyoviy manbalardan oluvchi va uni uglerodni oʻzlashtirish uchun ishlatadigan bakteriyalar xemosintezlovchi organizmlar deb ataladi. Bunday bakteriyalar dengiz tubidagi yorugʻlik yoʻq boʻlgan biosenozlar uchun juda muhim boʻladi. Ular ekosistemalarda oziq zanjirining asosini tashkil qiladi (birlamchi ishlab chiqaruvchi sifatida faoliyat koʻrsatadi).

Baʼzi bakteriyalar boshqa organizmlar bilan simbioz hayot kechiradi, bunda bakteriya shu organizmning ichida yashab, uni oziq moddalari bilan taʼminlaydi.

Bakteriyalarning metabolik strategiyalariga oid quyidagi fikrlar toʻgʻri:

	Toʻgʻri	Xato
Ayrim bakteriyalar oʻsimliklarga oʻxshab fotosintez qiladi va havoga kislorod ajratadi.
Bakteriyalar har doim avtotrof hisoblanadi, biroq ular yorugʻlikdan ham, kimyoviy manbalardan ham energiya olishi mumkin.
Fotosintez qilish imkoni yoʻq boʻlgan joylarda (yaʼni dengiz tubidagi buloqlar) yashovchi ayrim xemosintezlovchi bakteriyalar atrof-muhitga energiya va uglerod birikmalarini ajratadi.
Ayrim bakteriyalar xoʻjayin organizmning ichida u bilan simbioz hayot kechiradi va xoʻjayin organizmni oziq moddalar bilan taʼminlaydi.

Muhokamaga qoʻshilmoqchimisiz?

Kirish

Saralash:

Hozircha izohlar yoʻq.

Ingliz tilini tushunasizmi? Khan Academyʼning inglizcha saytida boʻlayotgan muhokamalarni koʻrish uchun shu yerga bosing.