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Organismos autótrofos y heterótrofos en condición anaeróbica


¿Pueden los organismos heterótrofos y autótrofos sobrevivir en condiciones anaeróbicas? Si un organismo autótrofo no produce dióxido de carbono pero requiere oxígeno, no debería estar presente en condiciones anaeróbicas, sino que el organismo heterótrofo puede desarrollarse. ¿Es esto correcto?


Autótrofos: organismos que pueden sintetizar carbono orgánico a partir del carbono inorgánico (fijación de carbono). La fijación de nitrógeno no se considera una condición esencial para calificar como autótrofos. Cierto Los autótrofos pueden fijar tanto el carbono como el nitrógeno (algunas algas. cierto autótrofos no es una terminología real).

Los aerobios son organismos que requieren oxígeno para su metabolismo; no depende realmente de si el organismo es autótrofo o heterótrofo. Los anaerobios no utilizan oxígeno para el metabolismo. Algunos anaerobios son aerotolerantes, es decir, pueden tolerar el oxígeno (el oxígeno es muy reactivo y puede dañar los tejidos) mientras que otros no.

Puedes echar un vistazo a esta publicación para conocer algunos conceptos básicos sobre la respiración aeróbica y anaeróbica.

Ejemplos de autótrofos anaeróbicos incluyen Ferrobacillus sulfooxidans y Methanobacterium thermoautotrophicus.

Algunos organismos se denominan microaerófilos, es decir, necesitan oxígeno pero no en altas concentraciones.


No es necesario que todos los heterótrofos sean aeróbicos. Muchos son anaerobios (levadura, etc.) Heterótrofos anaeróbicos

Estos anaerobios viven de la glucólisis y la fermentación (que yo sepa). Estos dos procesos no requieren oxígeno para liberar energía.

Glucólisis

Fermentación de alcohol

Fermentación de ácido láctico

La fermentación del alcohol tiene lugar en la levadura (solo un ejemplo) y la fermentación del ácido láctico en las células musculares.

Los autótrofos se cuidarán solos ya que la fotosíntesis no requiere oxígeno. Si se colocan en las condiciones adecuadas (hay luz y agua disponibles), prosperarán.

Entonces, la respuesta a su pregunta sería que ambos pueden sobrevivir. Varía de una especie a otra. Si selecciona el correcto, ambos sobrevivirían o solo uno de ellos.


Autótrofo frente a heterótrofo

Autótrofos son organismos que pueden producir su propio alimento a partir de las sustancias disponibles en su entorno utilizando luz (fotosíntesis) o energía química (quimiosíntesis). Heterótrofos no pueden sintetizar sus propios alimentos y dependen de otros organismos, tanto plantas como animales, para su nutrición. Técnicamente, la definición es que los autótrofos obtienen carbono de fuentes inorgánicas como el dióxido de carbono (CO2), mientras que los heterótrofos obtienen su carbono reducido de otros organismos. Los autótrofos suelen ser plantas a las que también se les llama "auto alimentadores" o "productores primarios".


Organismos autótrofos

los organismos autótrofos son aquellos capaces de desarrollar materia orgánica a partir de un material inorgánico. Son capaces, ellos, de sintetizar las sustancias que necesitan para su correcto funcionamiento metabólico a través de sustancias que no son orgánicas. Los organismos autótrofos constituyen un eslabón fundamental en la cadena alimentaria porque su metabolismo permite su propio desarrollo y el de otros seres vivos: si no fuera por ellos, la vida no se habría concebido como se la conoce en la realidad.

Vale la pena intentar pensar cómo es que realmente ocurre la alimentación de los organismos autótrofos. Hay una subdivisión entre quimioautótrofos y fotoautótrofos:

  • los quimioautótrofos puede crecer en medios de oscuridad estrictamente minerales porque el carbono se obtiene a partir de reacciones químicas con el dióxido de carbono. Esta forma de vida solo existe en procariotas.
  • los fotoautótrofos son mucho más frecuentes y obtienen alimento de la energía solar. El proceso se conoce como fotosíntesis, que es el proceso de elaboración de alimentos mediante partes de plantas. Las plantas que tienen clorofila son reconocidas por tener un color verde en sus hojas, y eso es lo que capta la luz del sol, logrando transformar la savia cruda en elaborada, precisamente lo que constituye el alimento de la planta. Por el contrario, el proceso de fotosíntesis hace que la planta libere oxígeno. los ciclo de Calvin es uno que explica de manera confiable lo que sucede durante la fotosíntesis.

Hongos del Reino

  • los organismos son heterótrofos.
  • Los hongos son cosmopolitas y se encuentran en el aire, el agua, el suelo y en animales y plantas.

Estructura -

  • los hongos son filamentosos (excepto la levadura que es unicelular)
  • Sus cuerpos constan de estructuras largas y delgadas en forma de hilo llamadas hifas. La red de hifas se conoce como
  • Algunas hifas son tubos continuos llenos de citoplasma multinucleado, que se denominan hifas cenocíticas. Otros tienen tabiques o paredes transversales en sus hifas.
  • Las paredes celulares de los hongos están compuestas por quitina y polisacáridos.

Nutrición –

  • La mayoría de los hongos son heterótrofos y absorben materia orgánica soluble de sustratos muertos y, por lo tanto, se denominan saprófitos.
  • Aquellos que dependen de plantas y animales vivos se llaman parásitos.
  • También pueden vivir como simbiontes - en asociación con algas como líquenes y con raíces de plantas superiores como micorriza.

Reproducción -

  • vegetativo - fragmentación, fisión y gemación.
  • Asexualreproducción por esporas llamadas conidias o esporangiosporas o zoosporas.
  • sexualreproducción por oosporas, ascosporas y basidiosporas.

Las diversas esporas se producen en estructuras distintas llamadas cuerpos fructíferos.

El ciclo sexual incluye los siguientes tres pasos:

  1. Plasmogamia - Fusión de protoplasma entre dos gametos móviles o inmóviles.
  2. Cariogamia - Fusión de dos núcleos.
  3. Mitosis - en cigoto dando lugar a esporas haploides.

Cuando un hongo se reproduce sexualmente, dos hifas haploides de tipos de apareamiento compatibles se unen y se fusionan.

  • En algunos hongos, la fusión de dos células haploides da como resultado inmediatamente células diploides (2n). Sin embargo, en otros hongos (ascomicetos y basidiomicetos), se produce una dicariofase intermedia (2 núcleos por célula). Más tarde, los núcleos parentales se fusionan y las células se vuelven diploides. Los hongos forman cuerpos fructíferos en los que se produce la división de reducción, lo que conduce a la formación de esporas haploides.

Esporas haploides → comienzo de la fusión → dicariofase → fusión de núcleos → cuerpo diploide → meiosis → esporas haploides.

La morfología del micelio, modo de formación de esporas y cuerpos fructíferos. forman la base para la división del reino en varias clases.


Heterótrofos y respiración aeróbica y anaeróbica

Descarga el video de iTunes U o del Archivo de Internet.

Así que hoy vamos a continuar donde lo dejamos la última vez hablando más específicamente sobre variaciones sobre el tema de la vida.

Y el año pasado intenté hacer esta conferencia usando PowerPoint y fue un desastre total, así que volveré a la pizarra. Tendrás las diapositivas de PowerPoint. Estarán en la Web para descargar y resumir básicamente lo que estoy dibujando en la pizarra.

Pero será ligeramente diferente en el tablero. Pero descubrí que para este material realmente no funciona usar exclusivamente PowerPoint.

Así que la última vez que hablamos, recuerden, mi vida en la tierra resumió dónde - - ¿tuvimos fotosíntesis que producían glucosa o carbono orgánico más oxígeno? Y luego lo contrario de esto fue la respiración.

Y luego tuvimos elementos en bicicleta en el medio. Y dije que esto es muy, muy abreviado de cómo funciona toda la vida en la tierra. Así que hoy lo que voy a hacer es decirte que eso no está bien. Eso es tremendamente simplificado.

Y hay algunas variaciones realmente interesantes sobre el tema de cómo extraer energía y carbono y cómo reducir la energía y los electrones del sistema terrestre para crear vida.

Y son principalmente los microbios los que tienen estas diversas posibilidades.

Y, de nuevo, incluso de lo que les voy a hablar hoy está muy simplificado. Si consulta un libro de texto de microbiología, encontrará casi todas las combinaciones posibles de fuentes de energía, fuentes de carbono y fuentes de electrones en algunos microorganismos en algún lugar para sobrevivir. Así que les doy, de nuevo, la versión simplificada porque de lo contrario se vuelve demasiado complicado. Entonces, toda la vida necesita carbono y energía, y muchos otros elementos también, pero estos son el eje principal sobre el que vamos a ordenar nuestro universo hoy.

Entonces, para el carbono, las opciones son inorgánicas u orgánicas.

Entonces esto sería CO2 y esto podría ser glucosa o azúcares, cualquier azúcar. Y luego, en el eje de la energía, pueden usar energía solar, como en la fotosíntesis, o pueden usar energía química.

Y dentro de las fuentes de energía química pueden ser inorgánicas u orgánicas como azúcares, etc. Y a menudo aquí tienes compuestos reducidos como sulfuro de hidrógeno, amoniaco, y hablaremos de estos.

Así que estas son las formas en que dividimos las posibilidades de que las fuentes de energía y carbono estén vivas. Todos los organismos también necesitan tener una moneda de energía en la célula. Y ya has hablado mucho de esto en las conferencias de bioquímica, así que, de nuevo, solo te estoy dando la visión impresionista de esto. Conoces los detalles.

Esto es solo para organizarlo. Y entonces toda la vida usa reacciones redox. Y en sus folletos de hoy hay un manual sobre reacciones redox en caso de que quiera revisarlo.

Y una de las reacciones clave de las que hablaremos hoy es la conversión de NADP. Si pones energía, puedes reducirla a NADPH.

Entonces eso es una reducción. Y al revés, obtienes energía cuando se oxida. Ahora, vamos a hablar hoy sobre oxidación y reducción. Y luego todos usan ATP, del que has hablado mucho aquí. Y la pareja aquí es ADP. Pon energía.

Produce ATP, que es un intermedio de alta energía. Y al convertirlo de nuevo en ADP, esa energía se puede liberar. Y esto se usa en la bioquímica de la célula. Entonces, todas las células tienen estos dos procesos de conversión de energía en común. Bien, veamos simplemente resumir lo que vamos a repasar hoy. Este es un resumen de opciones de por vida. Véase también Freeman, Capítulo 25. Hay algo de discusión sobre esto.

Y podemos dividir la vida aquí entre lo que llamamos autótrofos.

Estos son organismos que pueden producir su propio carbono orgánico.

En otras palabras, pueden convertir el dióxido de carbono en carbono orgánico.

Los heterótrofos son organismos que solo pueden utilizar carbono orgánico.

Dependen de las entrañas de otros organismos para sobrevivir. Y ahora vamos a pasar sistemáticamente por estos procesos que caen bajo cada uno de ellos. La fotosíntesis oxigénica es de la que estuvimos hablando la última vez y en mi versión abreviada de la vida en la tierra.

Y esto lo llevan a cabo organismos eucariotas, plantas, árboles, etc., y también organismos procariotas.

Esas son las cianobacterias, plantas fotosintéticas microscópicas.

Utilizan CO2 y luz solar. Entonces, nuestra primera variante sobre este tema que abordaremos es un grupo de bacterias que realizan la fotosíntesis anoxigénica. Oxígeno significa que desarrollan oxígeno.

Estos tipos usan energía solar pero no generan oxígeno.

Y veremos cómo funciona. Y luego hay un grupo de organismos que todavía usan CO2. Y en una vía muy similar, el ciclo de Calvin es la fotosíntesis. Pero utilizan energía química para producir estos intermediarios para fijar el CO2. Bien, hablemos de esos primero. Y entonces vamos a hablar de los autótrofos.

Y todos comparten esta vía, de CO2 a C6H12. Esta sería glucosa.

Y se necesita ATP para ejecutar esta reacción y también se necesita NADPH reducido - - para ejecutar esta reacción. También se necesita esta enzima ribisco de la que has hablado, estoy seguro, ribulosa bisfosfato carboxilasa.

Y esta es la enzima que inicialmente toma el CO2 de la atmósfera y lo une a un carbono orgánico.

Ahora, en una versión detallada de esto es lo que se llama el ciclo de Calvin o el ciclo de Calvin / Benson. No sé cuál lo llama tu libro. Calvin obtuvo el Premio Nobel, pero Benson fue el estudiante de posgrado que hizo todo el trabajo, así que debes reconocerlo.

De todos modos, estudiaste mucho esto. Pero un dato interesante es que la ribisco es la proteína más abundante en la tierra.

Eso te dice lo importante que es esta reacción para mantener la vida en la tierra. Así que observe que para impulsar esta reacción, que es el ciclo de Calvin, se requiere energía y poder reductor. Entonces, ¿de dónde lo consiguen?

Bueno, hay tres formas en que los autótrofos pueden obtener energía y reducir el poder para impulsar esta reacción. Y el primero es la fotosíntesis oxigenada. Y el segundo es anoxigénico. Y el tercero es la quimiosíntesis.

Bien, esos tres primeros allí. Así que ahora repasaremos cada uno de estos y veremos cómo funcionan recordando que todos ellos están generando ATP y NADPH para poder impulsar eso. Entonces, todos los autótrofos tienen eso en común. Bueno, la fotosíntesis oxigénica es la que ya conoces bien. Lo ha estudiado con gran detalle en bioquímica. Entonces, nuevamente, le daremos la versión abreviada aquí solo para que tenga una plantilla para mapear estos otros.

Se trata de lo que se conoce como reacciones lumínicas de la fotosíntesis, el esquema Z que toma energía solar, divide el agua, genera oxígeno y sintetiza ATP y NADPH. Todo esto es familiar, ¿verdad? Muy familiar. Solo lo estoy escribiendo en una versión de dibujos animados. Bien, este es el NADPH y el ADP que alimenta ese proceso.

Bien, ahora, bueno, al menos puedo hacerlo en ese tablero.

Déjame hacerlo en este tablero. Anoxigenico - - es casi exactamente como este proceso, pero en lugar de dividir el agua, estos tipos oxidan el sulfuro de hidrógeno. Así que aquí está nuestro ATP y NADPH.

Y usan la luz del sol para hacer esto.

Entonces, estas se llaman bacterias fotosintéticas. Y existieron muy temprano en la tierra. Mucho antes de que la atmósfera de la tierra se oxigenara, estos eran los tipos que podían usar la energía solar y producir carbono orgánico, pero sin generar oxígeno.

Luego, en algún lugar a lo largo de la línea, alguna célula evolucionó, tuvo algunas mutaciones y de alguna manera descubrió que el agua, esta abundante fuente de agua, era un donante de electrones mucho mejor que el sulfuro de hidrógeno.

Y una vez que la bioquímica descubrió esto, puede ver la simple sustitución aquí, toda la tierra comenzó a ir en una dirección diferente. Así que este es un ejemplo interesante de cómo una pequeña innovación bioquímica puede cambiar drásticamente toda la naturaleza del planeta. Ahora, estos tipos todavía están por la tierra. De hecho, les voy a mostrar algunos.

Explicaré esto al final, pero tengo algunos capturados aquí.

¿Ves esa pequeña banda morada? Esos son esos tipos.

Tengo otros pequeños trucos aquí, pero los guardaré.

Bueno, realmente no puedes ver la banda púrpura. Pero puedes subir más tarde y mirarlo. Esas son bacterias fotosintéticas.

Así que todavía están en la tierra, pero están atrapados en lugares donde no hay oxígeno. Así que ahora tienen un nicho bastante restringido en el planeta, pero siguen siendo extremadamente importantes. Que hice Oh aqui está.

Entonces, uno de los lugares donde se pueden encontrar, y si está interesado en ellos, es un gran lugar para buscar en Mystic Lakes en Arlington, que es un lago estratificado permanentemente, por lo que el fondo del lago siempre es anaeróbico. Allí nunca hay oxígeno.

En un lago típico como ese hay mucho lodo en el fondo y sale mucho sulfuro de hidrógeno del lodo de los procesos bacterianos de los que hablaremos. Y tienes luz aquí.

Y aquí tienes un gradiente de oxígeno y este es H2S.

Y estas bacterias fotosintéticas tienen que vivir en algún lugar donde haya suficiente luz para realizar la fotosíntesis y suficiente sulfuro de hidrógeno para usar en esta parte de la reacción. Pero son muy sensibles al oxígeno, por lo que no pueden estar en la parte oxigenada del lago.

Entonces los encuentras en una capa. Se llama apretón. Tienen que tener luz, por lo que tienen que estar arriba, pero no pueden tener oxígeno, por lo que tienen que estar abajo. Y necesitan sulfuro de hidrógeno, por lo que tienen que bajar. Entonces están en capas en lagos.

está bien. Entonces, ¿qué pasa con estos chicos, la quimiosíntesis?

No dependen de la energía solar. Nuevamente, todavía están impulsando el ciclo de Calvin reduciendo el CO2 del aire en carbono orgánico, pero no están usando la luz solar. Entonces, ¿qué hacen? Obtienen su energía - - de reacciones redox. Y te mostraremos un ejemplo.

Las reacciones redox se acoplan a la conversión de oxígeno en H2O. Entonces el oxígeno está involucrado en estas reacciones. Y un organismo, por ejemplo, puede tomar amoníaco y convertirlo en nitrito. Otro tipo de organismo puede tomar nitrito y convertirlo en nitrato. Y hay otros organismos que pueden tomar sulfuro de hidrógeno y convertirlo en sulfato.

Y algunos pueden tomar sulfuro de hidrógeno, oh, no, tomar hierro, hierro ferroso, Fe2 + y convertirlo en Fe3 +. Entonces, en todos estos casos, ¿qué les sucede a estos compuestos? ¿Se están oxidando o reduciendo?

Escuché un oxidado. Sí, se están oxidando.

Por tanto, estos compuestos reducidos, compuestos relativamente reducidos, se pueden utilizar oxidándolos. El organismo puede liberar la energía necesaria. El ATP se genera aquí.

Y NADPH es generado por cualquiera de estas parejas redox. Entonces, usando esta energía, la célula toma el NADPH reducido y el ATP y ejecuta el Ciclo de Calvin, la quimiosíntesis. está bien. Ahora, puede pensar que se trata de bacterias extrañas, raras que viven en lugares extraños de la tierra donde no hay oxígeno. ¿Y a quién le importa de todos modos? Están desactualizados.

Dominaron la tierra en las primeras etapas de la tierra, pero ahora no son tan importantes. Bueno, eso no es cierto. Son increíblemente importantes. En algunos ecosistemas, son la base total de todo el ecosistema. Pero también a escala global, como aprenderá, debe tener una idea de esto al final de esta conferencia, pero también cuando hablemos de ciclos biogeoquímicos globales, aprenderá que estos microbios son realmente mensajeros de electrones en el medio ambiente. . Sin ellos, el equilibrio redox de la tierra no se mantendría, ¿de acuerdo? No puede tener nada más que reacciones oxidantes o nada más que reacciones de reducción y hacer que un sistema se sostenga por sí mismo. Entonces, son estos microbios los que juegan un papel realmente importante en el mantenimiento del equilibrio redox de la tierra. está bien. Ahora, un sistema que les voy a mostrar en ese DVD, que le hará mucha más justicia que mis dibujos aquí, es un volcán de aguas profundas en caso de que no lo reconozcan. Y esto es 2500 metros en el fondo del océano, muy, muy profundo. Y hay un calor intenso. Me refiero a pensar en un volcán en la superficie de la tierra. Se encuentra calor intenso y compuestos reducidos en el manto de la tierra que están listos para entrar en erupción a través de este volcán de aguas profundas. Y tienes sulfato en el agua de mar que se filtra por aquí. Y a medida que se filtra y se absorbe en la materia volcánica que sale de aquí, se reduce a sulfuro de hidrógeno que sale del volcán.

Pero tienes oxígeno en el agua de las profundidades marinas. Y hablaremos de esto cuando hablemos de la circulación oceánica. Pero los océanos tienen una circulación oceánica global donde el agua de la superficie que está en equilibrio con la atmósfera en realidad se hunde y viaja a lo largo del fondo del océano. Entonces, hay oxígeno en el fondo del océano, a diferencia de muchos lagos donde no hay oxígeno.

Y hablaremos de esa diferencia. Y en los respiraderos calientes, el agua que sale de aquí puede estar muy, muy caliente, pero hay una pendiente justo cuando sale y se encuentra con el agua de mar más fría.

Entonces, lo que tiene aquí es una incubadora perfecta para bacterias quimiosintéticas, que usan el sulfuro de hidrógeno en la quimiosíntesis para fijar el dióxido de carbono usando el oxígeno aquí. Y eso forma la base de toda la red alimentaria en las profundidades del océano porque no hay luz allí.

No hay fotosíntesis. Solo hay quimiosíntesis.

Y solo una pequeña historia que se remonta a cuando llegué por primera vez al MIT como profesor asistente en 1976. Ni siquiera naciste. Pero cuando era joven solíamos ir al pub Muddy Charles periódicamente después del trabajo y tomar unas cervezas. Y había un profesor, en este departamento en realidad, John Edmond, que falleció hace varios años pero que solía estar allí. Fue algo así como nuestros Cheers.

Y nunca olvidaré el día en que regresó de un crucero.

Vino al pub. Él era químico y yo biólogo.

Y dijo que no creerás lo que encontramos en el fondo del océano. Había bajado en Alvin, este vehículo sumergible para dos personas.

Y empezó a hablar sobre estas almejas gigantes y estos gusanos tubulares gigantes y todas estas cosas, y pensé que se había tomado demasiadas cervezas. Me resultó difícil de creer. Bueno, resultó que ese fue el primer descubrimiento de estos respiraderos de aguas profundas y él estaba en esa expedición. Y a través de esa relación colegial terminé con una de las conchas de las almejas de allí, que es una de las almejas gigantes.

Su carne es de color rojo sangre porque tienen un tipo especial de hemoglobina que utilizan para mantener la tensión de oxígeno perfecta para estas bacterias quimiosintéticas. Si el oxígeno es demasiado alto, no pueden hacer esto porque oxidará espontáneamente el H2S.

Entonces, la tensión del oxígeno es muy crítica.

Y tienen un tipo especial de hemoglobina que hace eso.

Entonces, estas afirmaciones tenían bacterias quimiosintéticas simbióticas.

Bueno, desde entonces estos respiraderos se han descubierto en todas partes y se han descubierto ecosistemas similares en la superficie.

Y hay todo tipo de ventilaciones diferentes.

En este video, aprenderá no solo sobre los respiraderos hidrotermales, los respiraderos calientes, sino también sobre las filtraciones frías que se llaman cuando hay bacterias de metano que son realmente importantes. está bien.

Entonces, estas son las principales formas en que los organismos pueden obtener energía para convertir CO2 en carbono orgánico. Luego tienes todos estos heterótrofos, los que usan el carbono orgánico, y tienen varias formas de hacerlo. Ha aprendido en bioquímica la forma principal, que es muy poderosa, y es usar la respiración aeróbica para hacer eso.

Y entonces vamos a abreviar eso aquí.

Ese es nuestro reverso de la fotosíntesis. Entonces heterótrofos.

Y déjame adelantarme con las diapositivas.

OK, ahí lo tienes. Así que esta es una versión de dibujos animados de la respiración aeróbica. Así que solo pondremos glucosa, bajaremos al ciclo de Krebs. Y vamos a dejar que los electrones fluyan aquí y que el oxígeno sea el aceptor de electrones final que crea agua. Así que realmente hemos logrado el reverso absoluto de la fotosíntesis y hemos creado NADH al hacer esto y hemos creado ATP. Entonces, estos tipos obtienen la energía de la glucosa que producen todos los demás organismos.

Y el oxígeno es el aceptor de electrones terminal cuando hay oxígeno alrededor. Pero hay muchos entornos, como hemos hablado en la tierra, donde no hay oxígeno.

Y hay bacterias que pueden aprovechar esos entornos.

Y en lugar de que el oxígeno sea el aceptor de electrones terminal, hay una serie de otros elementos que pueden usar, compuestos que pueden usar.

Por ejemplo, hay algunos que usan nitrato y lo reducen a óxido nitroso. N2. Amoníaco. Todas las formas relativamente reducidas de nitrógeno. Y por eso esto se llama anaeróbico.

Y este proceso se llama gentrificación. Y si no fuera por estas bacterias, estas bacterias anaeróbicas que pueden reducir el nitrato, el nitrógeno nunca volvería a la atmósfera. ¿Recuerda la última vez que hablamos sobre la fijación de nitrógeno, cómo tipos específicos de microbios pueden tomar N2 de la atmósfera y atraerlo al ecosistema?

Bueno, si no tuviera estas bacterias haciendo este proceso, el nitrógeno nunca volvería a la atmósfera.

Son fundamentales para cerrar el ciclo del nitrógeno.

Luego hay algunos que pueden usar sulfato y reducirlo a sulfuro de hidrógeno. Como puede imaginar, estos son fundamentales para crear el sulfuro de hidrógeno que se utiliza en estos otros procesos.

Hay algunos que usan CO2 y se convierten en metano.

Estas son bacterias metanogénicas y son increíblemente importantes en el ciclo global del carbono y en el ciclo del metano.

El metano es un gas de efecto invernadero realmente poderoso, y hablaremos de eso más adelante. Y luego hay algunos que pueden tomar Fe3 + y reducirlo a Fe2 +. Y lo mismo ocurre con el manganeso.

Entonces, debería comenzar a sentir una especie de simetría aquí, cierto, que estas bacterias anaeróbicas están cumpliendo funciones en la tierra. Déjame escribir esto.

Estos son reductores de sulfato, estos son metanógenos y estos son reductores de hierro y reductores de manganeso.

Entonces, todos estos se volverán extremadamente importantes cuando hablemos de los ciclos biogeoquímicos globales de todos estos elementos.

Son estos microbios los que se aseguran de que los ciclos puedan continuar y no se encuentren en un callejón sin salida de oxidación o reducción.

está bien. Antes de ir a la película, solo quiero decir que si miran la Tabla 25.2 en su libro de texto, creo que es esa.

Supongo que estoy usando la versión más reciente.

Verá una variación de este tema en el que habrá algunas entradas de organismos que no entran en estas categorías que les acabo de mostrar. Y es decir que hay organismos que utilizan energía lumínica y energía de carbono orgánico al mismo tiempo. Por cada variación que es posible, hay un organismo que ha evolucionado para aprovecharla. Lo he simplificado demasiado aquí, pero debes saberlo. Y la conclusión es si es termodinámicamente posible. Y, nuevamente, toda esta conferencia podría haberse hecho en un modo termodinámico. Podríamos haber visto qué parejas redox eran energéticamente posibles y luego asignarlas a microbios particulares. Pero por ahora solo quiero que obtengas una descripción general. Pero para cualquier cosa que sea termodinámicamente factible, existe un microbio que lo está haciendo.

Y, de hecho, los microbiólogos revisan tablas redox y juntan diferentes parejas redox e hipotetizan.

Debería poder encontrar un organismo que haga esto en ese entorno. Y luego salen. Y casi siempre pueden encontrarlo. Son increíblemente versátiles. Y le da una sensación realmente buena del poder de la termodinámica para impulsar la evolución de estos procesos bioquímicos.

Finalmente, antes de mostrarte la película, quiero mostrarte de qué se trata todo esto. Hubo un microbiólogo ruso en el siglo anterior llamado Winogradsky, que quería aislar algunas de estas bacterias fotosintéticas. Y sabiendo cuáles eran sus características, salió a buscar barro y agua del estanque. Y creó lo que hemos venido a llamar una columna de Winogradsky.

Esta es una botella de jugo de Winogradsky, pero funciona igual. Y lo que haces es poner barro en el fondo y poner agua del estanque aquí.

Y el agua del estanque tiene básicamente un inóculo. Tiene representantes de todos los diferentes tipos de bacterias. Pueden ser esporas. Si no les gusta el entorno en el que se encuentran, esporulan y luego simplemente no germinan. Pero presumiblemente en el agua del estanque tienes todo lo que podría crecer aquí. Y en el barro le agregas una fuente de sulfato. Y entonces podría agregar sulfato de calcio y podría agregar un poco de materia orgánica, ya sabes, partes de plantas o algo simplemente para reactivarlo.

Y finalmente estableciste un gradiente aquí de sulfuro de hidrógeno y oxígeno.

Y con el tiempo los organismos crecen a lo largo de ese gradiente.

Entonces terminarás aquí abajo con la respiración anaeróbica.

De hecho, los organismos generan este gradiente. Cuando empiezas, todo se oxigena.

Y en lo que debería pensar en este contexto es en lo que sucede.

¿Cómo se generan estos gradientes cuando comienzas con un sistema completamente mixto, todo allí, todo oxigenado? Eventualmente tendrás anaeróbico - Primero tendrás respiración anaeróbica, ¿verdad?

Cualquier cosa que pueda usar carbono orgánico y oxígeno se volverá loca, y eso es lo que va a reducir el oxígeno.

Entonces tendrás respiración anaeróbica aquí.

Tendrás fotosíntesis aquí arriba, evolucionando oxígeno. Aquí tendrá bacterias quimiosintéticas porque necesitan un poco de oxígeno, pero también necesitan algo de este sulfuro de hidrógeno y bacterias fotosintéticas aquí.

Bueno, son como aquí abajo. Porque necesitan luz pero no pueden tener oxígeno. Y así puedes configurarlos. Y esta banda púrpura aquí te dice que tienes tus bacterias fotosintéticas.


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Anammox

Anammox, an abbreviation for ANaerobic AMMonium OXidation, is a globally significant microbial process of the nitrogen cycle.

Objetivos de aprendizaje

Describe the overall process of ANaerobic AMMonium OXidation (Anammox) and its purpose

Conclusiones clave

Puntos clave

  • The bacteria mediating this process were identified in 1999, and at the time were a great surprise for the scientific community.
  • This form of metabolism occurs in members of the Planctomycetes (e.g. Candidatus Brocadia anammoxidans) and involves the coupling of ammonia oxidation to nitrite reduction.
  • To deal with the high toxicity of hydrazine, anammox bacteria contain a hydrazine-containing intracellular organelle called the anammoxasome, surrounded by highly compact ladderane lipid membrane. These lipids are unique in nature, as is the use of hydrazine as a metabolic intermediate.

Términos clave

  • Anammox: An abbreviation for ANaerobic AMMonium OXidation, a globally significant microbial process of the nitrogen cycle.
  • anaerobes: Organisms that do not require oxygen for growth.
  • ladderane: Any of a class of polycyclic hydrocarbons, consisting of repeating cyclobutane moieties, that resemble ladders

Anammox, an abbreviation for ANaerobic AMMonium OXidation, is a globally significant microbial process of the nitrogen cycle. The bacteria mediating this process were identified in 1999, and at the time were a great surprise to the scientific community. Anammox takes place in many natural environments, contributing up to 50% of the dinitrogen gas produced in the oceans. In this biological process, nitrite and ammonium are converted directly into dinitrogen gas. The overall catabolic reaction is:

Enrichment Culture of Anammox Bacterium (Radboud University, Nijmegen): Enrichment culture of the anammox bacterium, Kuenenia stuttgartiensis.

This form of metabolism involves the coupling of ammonia oxidation to nitrite reduction. Since oxygen is not required for the process, these organisms are strict anaerobes. Amazingly, hydrazine (N2H4 — rocket fuel) is produced as an intermediate during anammox metabolism. To deal with the high toxicity of hydrazine, anammox bacteria have a hydrazine-containing intracellular organelle called the anammoxasome (a compartment inside the cytoplasm which is the locus of anammox catabolism), which is surrounded by an unusual and highly compact ladderane lipid membrane. Further, the membranes of these bacteria mainly consist of ladderane lipids so far unique in biology. Of special interest is the conversion to hydrazine (normally used as a high-energy rocket fuel, and poisonous to most living organisms) as an intermediate. A final striking feature of the organism is the extremely slow growth rate. The doubling time is nearly two weeks. The anammox process was originally found to occur only from 20°C to 43°C but more recently, anammox has been observed at temperatures from 36°C to 52°C in hot springs and 60°C to 85°C at hydrothermal vents located along the Mid-Atlantic Ridge.

Anammox organisms are autotrophs although the mechanism for carbon dioxide fixation is still unclear. Because of this property, these organisms could be used industrially to remove nitrogen in wastewater treatment processes. The bacteria that perform the anammox process belong to the bacterial phylum Planctomycetes (e.g. Candidatus Brocadia anammoxidans), of which Planctomyces and Pirellula are the best known genera. Currently five genera of anammox bacteria have been (provisionally) defined: Brocadia, Kuenenia, Anammoxoglobus, Jettenia (all fresh water species), and Scalindua (marine species).


Food Chains and Food Webs

Terminología

Autotrophs are organisms that produce biomass de novo, and heterotrophs are organisms that consume biomass, alive or dead. Autotrophs are primary producers, which fix carbon into carbohydrate with energy from largely inorganic sources. The two kinds of autotrophs are chemoautotrophs and photoautotrophs. The former are bacteria and Archaea that use compounds such as methane or reduced sulfur, nitrogen, or metals as an energy source. Many chemoautotrophs live in extreme environments such as hot springs and hydrothermal vents of the deep sea, but others such as nitrifying bacteria are common in soils, lakes, and the sea. Evolutionary research suggests that some bacterial chemoautotrophs are the closest living descendants of the original cellular organisms. It is not yet known if the original cellular organisms were chemoautotrophic – and derived energy from prebiotic reduced substances – or were photoautotrophic. However, since the proliferation of photosynthetic cyanobacteria in the sea some 3.5 billion years ago, most primary productivity has been the result of oxygenic, photosynthetic, primary producers. These include some bacteria, Archaea, and the more recently evolved algae, lichens, nonvascular plants, and higher plants. The energy source of oxygenic photosynthesizers is sunlight. The two kinds of heterotrophs are biophages (or biotrophs) and saprophages (or saprotrophs). Living organisms are the source of food of the former, and dead organisms are the food of the latter. Biophages include herbivores (animals, fungi, and bacteria that subsist upon live plants), and carnivores (predators, parasites, and diseases of heterotrophs). Detritivore usually applies to organisms consuming dead plant material. Detritivores and saprovores are also called decomposers. Detritivory is important to food webs and food chains because the majority of biomass produced on Earth is not consumed until it is dead. In food chains that do not include primary producers, the basal, source heterotrophs are the producers (see tabla 1 )

Tabla 1 . An early representation of the differences between aquatic and terrestrial herbivores in consumption rates of primary productivity by herbivores

Type of systemNumber of trophic levels aCharacteristics of autotrophsPercent of net P to first-order biophagesReferencias
Mature deciduous forest3Trees, large amount of nonphotosynthetic structure, long generation time, low biotic potential1.5–2.5 Bray (1964)
1–7-year-old South Carolina fields3Herbaceous annual plants, medium biotic potential12 Wiegert and Evans (1967) (data from Odum et al., 1962 )
30-year-old Michigan field3Perennial forbs and grasses, medium biotic potential1.1 Wiegert and Evans (1967)
African grasslands3Perennial grasses, small amount of nonphotosynthetic structure rapid growth rate when environmental conditions are favorable28–60 Wiegert and Evans (1967) (data from Lamprey, 1964 Petrides and Swank, 1965 )
Managed rangeland B3 BPerennial grasses, small amount of nonphotosynthetic structure rapid growth rate when environmental conditions are favorable30–45 Wiegert and Evans (1967) (data from Lewis et al., 1956 )
Ocean waters4Phytoplankton, small, numerous, high biotic potential, short generation time60–99 Riley (1956) Macfadyen (1964)

Reproduced from Wiegert RG and Owen DF (1971) Trophic structure, available resources and population density in terrestrial versus aquatic ecosystems. Revista de biología teórica 30(1): 69–81.

a Aboveground (terrestrial) or open water (aquatic) – does not normally include food chains containing first-order saprophages. b Grass, cattle, man.


Respiración celular

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Everything that is alive requires an energy source to fuel its activities. Ultimately, that source of energy is the sun. How then did the organisms on Earth harness this energy? It all starts with the photosynthesizers. These organisms are able to take carbon dioxide and water and then use energy captured from the sun as photons to force these molecules together, producing glucose and oxygen. The glucose is the key to the next critical step, one that nearly all organisms use in one form or another - cellular respiration. Cellular respiration is carried out by enzymes, either in the cell membrane in prokaryotes or in the mitochondria in eukaryotes.

The chemical reaction begins by breaking down the glucose using oxygen to create carbon dioxide and water again, but in the process, the energy that originally went into making the glucose molecule goes to two new places. One is into synthesizing ATP, or adenosine triphosphate molecules, an energy source that cells can readily use. The rest is lost as heat. So far, we have been talking about a kind of cellular respiration that uses oxygen, and this is referred to as aerobic respiration, but some organisms and cells are capable of doing respiration in the absence of oxygen. This is called anaerobic respiration. And instead of producing CO2 and water, this process makes ethanol as a byproduct. Fermentation is an example of this type of respiration. This is how yeast are able to produce alcohol in sealed containers. We can use a tool called a respirometer to measure aerobic respiration. Quite simply, this device measures the amount of oxygen used by an organism, germinating plant seeds in this case. Germinating seeds are respiring, which means we can expect them to be using up oxygen and releasing carbon dioxide. They don't have their green parts yet, so they aren't photosynthesizing.

Measuring respiration in a respirometer uses a clever method based on the ideal gas law, P times V equals n times R times T. P is the pressure of the system. V is the volume of the gas. n is the number of moles of gas present. R is the ideal gas constant…and T is the absolute temperature. Simply summarized, this means that you can figure out how many molecules of gas are present in a sample by measuring its volume, assuming you know the pressure and temperature, because R is a constant.

Respirometers contain potassium hydroxide, which traps carbon dioxide in solid form as potassium carbonate. So, due to cellular respiration, the oxygen in the sealed tube gets used up by the seeds, and they release carbon dioxide, which in turn gets trapped as potassium carbonate. Thus, as cellular respiration progresses, the total volume of gas inside the system decreases. We can quantify this by attaching the respirometer to a device called a manometer. Here, as the oxygen molecules are consumed, the pressure drops inside the respirometer chamber, and a colored liquid inside a tiny capillary tube is pulled in the direction of the decreased pressure. We can then estimate the quantity of gas remaining in the respirometer tube by reading off the value on the manometer level. This versatile system can be set up with many different variables, like different temperatures for example, and can be used to test the rate of respiration in many different types of living organisms.

In this lab, you will use a respirometer and manometer to measure the respiration rate of germinating seeds.

Autotrophs and Heterotrophs

Living organisms require a continuous input of energy to maintain cellular and organismal functions such as growth, repair, movement, defense, and reproduction. Cells can only use chemical energy to fuel their functions, therefore they need to harvest energy from chemical bonds of biomolecules, such as sugars and lipids. Autotrophic organisms, namely plants, algae, and photosynthetic and chemosynthetic bacteria, convert inorganic materials into such biomolecules by harnessing energy from the environment, such as from sunlight during photosynthesis. Heterotrophic organisms are unable to synthesize high-energy biomolecules from inorganic materials, so they obtain energy by consuming carbon compounds produced by other organisms, primarily from autotrophs. When energy is needed, chemical bonds of carbon compounds are broken to harvest the energy stored in these bonds. The processes to harvest energy from biomolecules are called cellular respiration.

Cellular respiration occurs in both autotrophic and heterotrophic organisms, where energy becomes available to the organism most commonly through the conversion of adenosine diphosphate (ADP) to adenosine triphosphate (ATP). There are two main types of cellular respiration—aerobic respiration and anaerobic respiration. Aerobic respiration is a specific type of cellular respiration, in which oxygen (O2) is required to create ATP. In this case, glucose (C6H12O6) can be oxidized completely in a series of enzymatic reactions to produce carbon dioxide (CO2) y agua (H2O).

Respiración aeróbica

Aerobic respiration occurs in three stages. A process called glycolysis splits glucose into two three-carbon molecules called pyruvate. This process releases energy, some of which is transferred to ATP. Next, pyruvate molecules enter the mitochondria to take part in a series of reactions called the Krebs cycle, also known as the citric acid cycle. This completes the breakdown of glucose, harvesting some of the energy into ATP and transferring electrons onto carrier molecules. In the last stage, known as oxidative phosphorylation, electrons pass through an electron transport system in the mitochondrial inner membrane, which maintains a gradient of hydrogen ions. Cells harness the energy of this proton gradient to generate the majority of the ATP during aerobic respiration.

Anaerobic Respiration

Aerobic respiration requires oxygen, however, there are many organisms that live in places where oxygen is not readily available or where other chemicals overwhelm the environment. Extremophiles are bacteria that can live in places such as deep ocean hydrothermal vents or underwater caves. Rather than using oxygen to undergo cellular respiration, these organisms use inorganic acceptors such as nitrate or sulfur, which are more easily obtainable in these harsh environments. This process is called anaerobic respiration.

When oxygen is not present and cellular respiration cannot take place, a special anaerobic respiration called fermentation occurs. Fermentation starts with glycolysis to capture some of the energy stored in glucose into ATP. However, since oxidative phosphorylation does not occur, fermentation produces fewer ATP molecules than aerobic respiration. In humans, fermentation occurs in red blood cells that lack mitochondria, as well in muscles during strenuous activity generating lactic acid as a byproduct, therefore it is named lactic acid fermentation. Some bacteria carry out lactic acid fermentation and are used to make products such as yogurt. In yeast, a process known as alcoholic fermentation generates ethanol and carbon dioxide as byproducts, and has been used by humans to ferment beverages or leaven dough.

Fotosíntesis

Cellular respiration together with photosynthesis is a feature of the transfer of energy and matter, and highlights the interaction of organisms with their environment and other organisms in the community. Cellular respiration takes place inside individual cells, however, at the scale of ecosystems, the exchange of oxygen and carbon dioxide through photosynthesis and cellular respiration affects atmospheric oxygen and carbon dioxide levels.

Interestingly, the processes of cellular respiration and photosynthesis are directly opposite of one another, where the products of one reaction are the reactants of the other. Photosynthesis produces the glucose that is used in cellular respiration to make ATP. This glucose is then converted back into CO2 during respiration, which is a reactant used in photosynthesis. More specifically, photosynthesis constructs one glucose molecule from six CO2 and six H2O molecules by capturing energy from sunlight and releases six O2 molecules as a byproduct. Cellular respiration uses six O2 molecules to convert one glucose molecule into six CO2 and six H2O molecules while harnessing energy as ATP and heat.

Measuring Respiration

Scientists can measure the rate of cellular respiration using a respirometer by assessing the rate of exchange of oxygen. Understanding the Ideal Gas Law is of fundamental importance for knowing how the respirometer functions. The Ideal Gas Law states that the number of gas molecules in a container can be determined from the pressure, volume, and temperature. More specifically, the product of the volume and pressure of a gas equals the product of the number of gas molecules, the ideal gas constant and the temperature of the gas. Respirometers contain potassium hydroxide which traps carbon dioxide that is produced by respiration in solid form as potassium carbonate. When cells consume oxygen, the gas volume in the respirometer system decreases with no carbon dioxide to increase it back up, allowing scientists to calculate the amount of oxygen used using the ideal gas equation.

Cellular respiration is an important process that creates usable energy for organisms, therefore, studying the contexts in which it is improved or impeded is not only interesting, but also necessary. Especially, mitochondria are essential for cellular respiration and any conditions that affect mitochondrial health have immense consequences for the health of the organism. For instance, mitochondrial myopathies are a group of neuromuscular diseases which are caused by mitochondrial damage, affecting predominantly nerve and muscle cells, which require high levels of energy to function 1 . Moreover, many poisons work by inhibiting cellular respiration. For example, cyanide inhibits the production of ATP through oxidative phosphorylation, thus understanding the mechanisms cyanide or other metabolic poisons enables treatment of individuals who have been exposed to them 2 . Similarly, some medications such as certain antibiotics, chemotherapeutics, statins, and anesthetics can also interfere with mitochondrial function and may not be suitable to treat patients that have mitochondrial disorders 3 .

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Difference between Heterotrophs and Autotrophs

There are a number of differences between heterotrophs and autotrophs, these include:

Autotrophs (for the most part) use inorganic material to produce organic compounds while heterotrophs cannot - Whereas they use such material as carbon-dioxide and water to produce such organic compounds as glucose, heterotrophs are simply consumers that require organic material (organic compounds) as their source of energy.

Autotrophs (phototrophs) have chloroplast or chlorophyll or the equivalent of chlorophyll pigments while heterotrophs do not - They need these pigments for the purposes of absorbing light energy for photosynthesis.

Because heterotrophs cannot carry out this process, they do not have nor require these pigments. Autotrophs that do not use light energy do not have these pigments, but can use inorganic material to make their own food as a source of energy

Carbon dioxide – a majority of autotrophs need carbon-dioxide to synthesis their own food as a source of energy. That is, carbon-dioxide is for the most part the source of carbon that is required to produce carbon based molecules (organic molecules like glucose).

Carbon dioxide does not serve the same purpose in heterotrophs like human beings, cows or pigs etc (in such heterotrophs, carbon-dioxide helps with such functions as vasodilation etc).


Ver el vídeo: Organismo Autótrofos y Heterótrofos (Diciembre 2021).