自养生物
| 自养生物 | |
|---|---|
| 基本營養類型、生物体类、生态学概念 | |
| 上级分类 | 生物  |
| 之后是 | 異營生物 |
| 拥有特性 | 光合作用效率 |
| 使用 | autotrophy、光合作用 |
| 相對概念 | 異營生物 |
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自养生物（英語：autotroph，在台湾称为自营生物）也称为生产者（producer），指食物链底端可以利用阳光（光合作用）或无机物氧化配以地热能（化能合成）将空气和周边环境中的二氧化碳、水以及无机盐等制造成有机物来提供代谢底物并储存化学能的生物，主要包括绿色植物、海藻、少数微生物（浮游植物）和部分细菌域生物（如蓝绿菌）。自养生物的初级生产所提供的有机物可以被其它异养生物（消费者）所消化使用，为食物网的各种物种的生存、繁衍和演化提供初始的营养和能量，成为驱动整个生态系统运作的燃料，其生物质也可以通过厌氧降解形成生物燃料和化石能源。
自养生物能够将非生物来源的能量转化为储存于有机化合物中的化学能，这些有机物可供异养生物使用。自养生物利用来自简单物质（如二氧化碳）的碳，通过光能或无机化学反应来合成复杂的有机化合物（如碳水化合物、脂肪和蛋白质）。[1][2]自养生物是初级生产者，处于食物链最低的营养级。[3]
自养生物利用光合作用或化学氧化过程中产生的三磷酸腺苷的一部分来将NADP+还原为NADPH，用以合成有机化合物。[4]大多数化能自养生物属于石养生物，使用无机电子供体（如硫化氢、氢气、单质硫、铵和氧化亚铁）作为还原剂。
词源与历史
[编辑]"自养生物"（autotroph）一词由德国植物学家阿尔伯特·伯恩哈德·弗兰克于1892年创造。[5]该词源自古希腊语trophē（τροφή），意为"营养"或"食物"。
最早的自养生物可能出现在太古代早期，但在大氧化事件期间，随着蓝菌的产氧光合作用速率增加，自养生物大量繁衍并遍布全球。[6]光合自养生物由异养细菌通过发展光合作用而演化而来。最早的光合细菌使用硫化氢。由于硫化氢稀缺，一些光合细菌演化为使用水进行光合作用，从而产生了蓝菌。[7]
变体
[编辑]部分生物依赖有机化合物作为碳源，但可以使用光或无机化合物作为能量来源，这类生物称为混养生物。从有机化合物获取碳但从光获取能量的称为光养异养生物；从有机化合物获取碳并从无机化合物氧化获取能量的称为化学石养异养生物。
有证据表明某些真菌可以从电离辐射中获取能量：在切尔诺贝利核电站的反应堆内部发现的辐射养真菌就是一例。[8]
实例
[编辑]地球生态系统中存在多种自养生物。地衣是冻原气候中初级生产者的典型例子，它通过藻类的光合作用（或蓝菌的固氮作用）与真菌的保护形成互利共生关系。其他主要的初级生产者包括珊瑚（通过胞内藻类）和大型海藻（如巨藻）。[9]
生态作用
[编辑]自养生物是全球所有生态系统食物链的基础。它们从环境中获取光能或无机化学能，并将其转化为燃料分子（如碳水化合物），这一过程称为初级生产。异养生物通过取食自养生物来获取生命所需的物质和能量。因此，所有动物、几乎所有真菌及大多数细菌和原生动物都依赖于自养生物提供的原料和燃料。[9]
大多数生态系统由植物和蓝菌的光合自养初级生产所支撑。植物只能利用约1%的太阳光能进行光合作用。[10]光合作用将水分子分解，向大气释放氧气，并将二氧化碳还原为氢原子，为初级生产提供燃料。植物将光子的能量转化为单糖的化学键，这些糖类被聚合为淀粉和纤维素等长链碳水化合物，或用于合成脂肪和蛋白质。当自养生物被异养生物（消费者）取食时，其含有的碳水化合物、脂肪和蛋白质成为异养生物的能量来源。[11]
在热带河流和溪流中，水生藻类是食物网的重要贡献者。热带地区的溪流内初级生产速率至少比类似温带系统高一个数量级。[12]
起源与演化
[编辑]研究者认为最早的细胞生命形式是自养生物而非异养生物。[13]这些自养生物可能是生活在深海碱性热液喷口的嗜热、厌氧化学石养自养生物。最近共同祖先同样被推断为嗜热厌氧生物，具有伍德-隆达尔途径，依赖Fe、H2和CO2。[13][14]
自养生物可能在低H2分压条件下演化为异养生物，最早的异养形式可能是氨基酸和梭菌型嘌呤发酵。光合作用被认为是在热液喷口发出的微弱近红外光存在下产生的，最早的光化学活性色素可能是锌-四吡咯。[15]
参见
[编辑]参考资料
[编辑]- ^ Morris, J. et al. (2019). Biology: How Life Works, 3rd edition, W. H. Freeman. ISBN 978-1319017637
- ^ Chang, Kenneth. Visions of Life on Mars in Earth's Depths. The New York Times. 12 September 2016.
- ^ Post, David M. Using Stable Isotopes to Estimate Trophic Position: Models, Methods, and Assumptions. Ecology. 2002, 83 (3): 703–718. doi:10.1890/0012-9658(2002)083[0703:USITET]2.0.CO;2.
- ^ Bruslind, Linda. Chemolithotrophy & Nitrogen Metabolism. General Microbiology. 2019-08-01.
- ^ Frank, Albert Bernard. Lehrbuch der Botanik. Leipzig: W. Engelmann. 1892–93 （德语）.
- ^ Crockford, Peter W.; Bar On, Yinon M.; Ward, Luce M.; Milo, Ron; Halevy, Itay. The geologic history of primary productivity. Current Biology. November 2023, 33 (21): 4741–4750.e5. Bibcode:2023CBio...33E4741C. PMID 37827153. doi:10.1016/j.cub.2023.09.040.
- ^ Townsend, Rich. The Evolution of Autotrophs. University of Wisconsin-Madison Department of Astronomy. 13 October 2019.
- ^ Melville, Kate. Chernobyl fungus feeds on radiation. 23 May 2007.
- ^ 9.0 9.1 What Are Primary Producers?. Sciencing. [2018-02-08].
- ^ Schurr, Sam H. Energy, Economic Growth, and the Environment. 2011. ISBN 978-1-61726-020-9.
- ^ Beckett, Brian S. Illustrated Human and Social Biology. Oxford University Press. 1981: 38. ISBN 978-0-19-914065-7.
- ^ Davies, Peter M.; Bunn, Stuart E.; Hamilton, Stephen K. Primary Production in Tropical Streams and Rivers. Tropical Stream Ecology. 2008: 23–42. ISBN 978-0-12-088449-0. doi:10.1016/B978-012088449-0.50004-2.
- ^ 13.0 13.1 Weiss, Madeline C.; Preiner, Martina; Xavier, Joana C.; Zimorski, Verena; Martin, William F. The last universal common ancestor between ancient Earth chemistry and the onset of genetics. PLOS Genetics. 2018-08-16, 14 (8). PMC 6095482
. PMID 30114187. doi:10.1371/journal.pgen.1007518.
- ^ Stetter, Karl O. Hyperthermophiles in the history of life. Philosophical Transactions of the Royal Society B. 2006-10-29, 361 (1474): 1837–1843. PMC 1664684 . PMID 17008222. doi:10.1098/rstb.2006.1907.
- ^ Martin, William F.; Bryant, Donald A.; Beatty, J. Thomas. A physiological perspective on the origin and evolution of photosynthesis. FEMS Microbiology Reviews. 2017-11-21, 42 (2): 205–231. PMC 5972617 . PMID 29177446. doi:10.1093/femsre/fux056.
