Автотрофы-продуценты сами создают органические вещества в процессе фотосинтеза и хемосинтеза. Основными продуцентами на Земле являются зеленые растения.
Фотосинтез – это процесс, при котором энергия солнечного света превращается в химическую энергию. Фотосинтез протекает в две фазы: световую, идущую только на свету, и темновую, которая идет как в темноте, так и на свету.
Световая фаза фотосинтеза осуществляется в хлоропластах, где на мембранах расположены молекулы хлорофилла. Хлорофилл поглощает энергию солнечного света. Под влиянием этой энергии молекула хлорофилла возбуждается, и один из ее электронов переходит на более
высокий энергетический уровень. Богатый энергией электрон участвует в окислительно-восстановительных реакциях и отдает избыточную энергию, проходя по цепи переносчиков электронов. Эта цепь образована различными белками, встроенными во внутреннюю мембрану
хлоропласта. Отдаваемая электроном энергия используется на синтез молекул аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Таким образом, энергия солнечного света необходима для перемещения электронов по цепи переносчиков электронов. При этом световая энергия преобразуется в химическую, и запасается в молекулах АТФ. Молекулы хлорофилла, потерявшие электроны, присоединяют электроны, образующиеся при расщеплении молекулы воды:
2H2О = 4H+ + O2 + 4ē. Процесс расщепления молекул воды под влиянием солнечной энергии называют фотолизом.
В результате световой фазы фотосинтеза протоны H+ соединяются с никотинамидадениндинуклеотидфосфатом (НАДФ) – переносчиком ионов водорода и электронов, и восстанавливают его, образуя НАДФ・Н, синтезируется АТФ из АДФ и фосфорной кислоты, в окружающую среду выделяется молекулярный кислород. В темновой стадии с участием АТФ и НАДФ・Н происходит восстановление CO2 до глюкозы (C6H12O6). Хотя свет не требуется для осуществления данного процесса, он участвует в его регуляции. В целом, химический баланс фотосинтеза может быть представлен в виде простого уравнения:
6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2
Глюкоза под действием ферментов превращается в полисахариды. Основным структурным компонентом растений является целлюлоза, представляющая собой совокупность длинных неразветвленных цепей. Второй важнейший природный полисахарид – крахмал, имеет разветвленную структуру. Биологическая роль крахмала состоит в том, что он является запасным питательным веществом.
Хемосинтез – тип питания, свойственный некоторым бактериям, способным усваивать CO2 как единственный источник углерода за счёт энергии окисления неорганических соединений. В отличие от фотосинтеза, при хемосинтезе используется не энергия света, а энергия, получаемая при окислительно-восстановительных реакциях, которая должна быть достаточна для синтеза (АТФ) и превышать 10 ккал/моль. Водородные бактерии – наиболее многочисленная и разнообразная группа хемосинтезирующих организмов; осуществляют реакцию
6H2 + 2O2 + CO2 = [СН2О]n + 5H2O.
По сравнению с другими автотрофными микроорганизмами характеризуются высокой скоростью роста и могут давать большую биомассу. Одним из принципиальных отличий клеток растительного происхождения (КРП) от клеток животного происхождения (КЖП) является то, что протоплазма первых состоит главным образом из хлорофилла, а протоплазма вторых – из гемоглобина. Хлорофилл КРП отличается от гемоглобина КЖП только тем, что в состав хлорофилла входит магний, а в состав гемоглобина – двухвалентное железо. Поэтому хлорофилл зеленый, а гемоглобин красный.
