Разнообразие диет. Откуда черпать жизненную силу?

Когда говорят, что в результате фотосинтеза световая энергия превращается в энергию химических связей органического вещества, то сильно упрощают реальную ситуацию. Таким же упрощением является и обычно приводимое уравнение фотосинтеза:

Глядя на уравнение, можно подумать, что энергия света используется сначала для разложения молекулы диоксида углерода (СO2) на углерод и кислород, а затем уже для присо-единения атома углерода к молекуле воды.

Однако учёные смогли доказать, что на самом деле это не так В ходе эксперимента растениям дали не обычную воду, а «тяжёлую», в которой значительная часть атомов кислорода представлена изотопами 180 (в обычной воде преобладают изотопы 1бО). Затем провели изотопный анализ выделившегося в результате фотосинтеза кислорода и выяснили, что весь он «меченый», т. е. берёт своё начало из воды, а не из углекислого газа. Этот эксперимент окончательно подтвердил, что на первых этапах фотосинтеза происходит разложение молекулы воды на водород и кислород. Атомы водорода идут на построение органического вещества, а кислород выделяется во внешнюю среду как побочный продукт. Нам, существам, не способным жить без свободного кислорода в атмосфере, трудно представить, что многим другим организмам он не нужен, но это именно так.

Подобная схема фотосинтеза свойственна всем зелёным растениям и цианобактериям. Но она вовсе не универсальна. Например, фотосинтезирующие серобактерии в качестве источника водорода используют не воду, а сероводород (H2S), выделяется же не кислород, а сера.

Зелёные растения, цианобактерии и серобактерии — это фототрофы, т. е. источником энергии для их жизнедеятельности служит свет. Но не менее многочисленны на нашей планете и хемотрофы — организмы, использующие не световую энергию, а энергию, заключённую непосредственно в молекулах тех или иных веществ. К хемотрофам относятся все животные, грибы и очень многие бактерии. При этом если животные, грибы и значительная часть бактерий нуждаются в довольно сложных органических соединениях, то некоторые бактерии могут довольствоваться простыми неорганическими веществами. Так, например, железобактерии получают энергию, окисляя железо:

Существуют бактерии, которые получают энергию за счёт окисления соединений азота — аммиака или нитрита. Процесс, называемый нитрификацией, чрезвычайно важен для поддержания круговорота азота на Земле.

Все живые существа можно разделить на две большие группы в зависимости от того, какие соединения служат им источником углерода. Так, зелёные растения, цианобактерии, железобактерии, фотосинтезирующие серные, нитрифицирующие и некоторые другие бактерии сходны между собой тем, что необходимый им углерод они получают из углекислого газа. Животные, грибы и большинство бактерий в качестве источника углерода используют только готовые органические соединения. Организмы первой группы — это автотрофы, т. е. «самопитающиеся», а представители второй — гетератрофы, т. е. «питающиеся другим».

Два возможных источника энергии (световая или химическая) и два источника углерода (СO2 или органическое вещество) дали четыре варианта комбинаций друг с другом, которые появились в ходе эволюции, причём на достаточно ранних её этапах. Что же это за группы?

Во-первых, фотоавтотрофы, использующие в качестве источника энергии свет, а в качестве источника углерода — СO2. Данная очень обширная группа включает все зелёные растения, цианобактерии и часть серобактерий.

Во-вторых, хемоавтотрофы использующие химическую энергию, а в качестве источника углерода — СO2. К ним относятся бактерии, образующие метан, бактерии, преобразующие разные соединения азота, а также серобактерии, получающие энергию за счёт окисления сероводорода других сульфидов. Последняя группа бактерий обеспечивает существование своего рода оазисов жизни на больших глубинах океана, в так называемых гидротермах — местах выхода горячих источников, богатых со-единениями серы.

В-третьих, фотогетеротрофы, использующие энергию света, но нуждающиеся в органическом веществе, из которого они берут углерод. Это небольшая группа бактерий, например таких, как пурпурные несерные.

В-четвёртых, хемогетеротрофы, живущие за счёт использования энергии химических веществ и получающие углерод из органических соединений. Это очень многочисленная группа, объединяющая всех животных, грибы, многих бактерий и даже некоторые высшие растения, перешедшие к паразитическому образу жизни и потому утратившие способность к фотосинтезу (например, растущий в лесах средней полосы петров крест).

Итак, что же отличает живое от неживого с «энергетической» точки зрения? В неживых системах энергия любых видов со временем превращается в рассеянную тепловую. Такое «обесценивание» энергии измеряют величиной, которую называют энтропией. Возрастание энтропии — это уменьшение упорядоченности. Подавляющее большинство процессов в неживой природе приводят к возрастанию энтропии: кристалл, открытый дождям и ветрам, будет со вре¬менем буквально стёрт в порошок, утратив свою высокую упорядоченность; сложное вещество скорее распадётся на несколько простых, чем образует ещё более сложную и упорядоченную структуру.

То же можно наблюдать повседневно в любом доме: так, раскиданные по всей комнате книги никогда сами собой не выстроятся на полке. Живые же организмы могут увеличивать свою упорядоченность, образуя очень сложные струк-туры. Однако, как показал известный бельгийский учёный, нобелевский лауреат И. Пригожин, это возможно лишь за счёт непрерывной работы, в процессе которой происходит обязательное рассеивание энергии. Упорядоченность живого не возникает сама по себе. За неё организму постоянно приходится расплачиваться энергией, а значит — увеличением энтропии в окружающей среде.