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Organismes autotrophes et hétérotrophes en condition anaérobie

Organismes autotrophes et hétérotrophes en condition anaérobie



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Les organismes hétérotrophes et autotrophes peuvent-ils survivre dans des conditions anaérobies? Si un organisme autotrophe ne produit pas de dioxyde de carbone mais a besoin d'oxygène, il ne devrait pas être présent dans des conditions anaérobies, au lieu de cela, l'organisme hétérotrophe peut se développer. Est-ce correct?


Autotrophes : Organismes capables de synthétiser du carbone organique à partir de carbone inorganique (fixation du carbone). La fixation de l'azote n'est pas considérée comme une condition essentielle pour être qualifiée d'autotrophe. Vrai les autotrophes peuvent fixer à la fois le carbone et l'azote (Certaines algues. vrai autotrophes n'est pas une terminologie réelle).

Les aérobies sont des organismes qui ont besoin d'oxygène pour leur métabolisme; cela ne dépend pas vraiment du fait que l'organisme soit autotrophe ou hétérotrophe. Les anaérobies n'utilisent pas d'oxygène pour le métabolisme. Certains anaérobies sont aérotolérants, c'est-à-dire qu'ils peuvent tolérer l'oxygène (l'oxygène est très réactif et peut endommager les tissus) tandis que d'autres ne le sont pas.

Vous pouvez consulter cet article pour quelques notions de base sur la respiration aérobie et anaérobie.

Des exemples d'autotrophes anaérobies comprennent Ferrobacillus sulfooxidans et Methanobacterium thermoautotrophicus.

Certains organismes sont dits microaérophiles, c'est-à-dire qu'ils ont besoin d'oxygène mais pas à des concentrations élevées.


Il n'est pas nécessaire que tous les hétérotrophes soient aérobies. Beaucoup sont des anaérobies (levure, etc.) Anaérobies hétérotrophes

Ces anaérobies vivent de glycolyse et de fermentation (pour autant que je sache). Ces deux processus ne nécessitent pas d'oxygène pour la libération d'énergie.

Glycolyse

Fermentation alcoolique

Fermentation à l'acide lactique

La fermentation alcoolique a lieu dans la levure (juste un exemple) et la fermentation lactique dans les cellules musculaires.

Les autotrophes prendront soin d'eux-mêmes car la photosynthèse ne nécessite pas d'oxygène. Si elles sont placées dans de bonnes conditions (la lumière et l'eau sont disponibles), elles prospéreront.

Donc, la réponse à votre question serait que les deux peuvent survivre. Il varie d'une espèce à l'autre. Si vous sélectionnez le bon, les deux survivront ou un seul d'entre eux.


Autotrophe contre hétérotrophe

Autotrophes sont des organismes qui peuvent produire leur propre nourriture à partir des substances disponibles dans leur environnement en utilisant la lumière (photosynthèse) ou l'énergie chimique (chimiosynthèse). Hétérotrophes ne peuvent pas synthétiser leur propre nourriture et dépendent d'autres organismes - végétaux et animaux - pour se nourrir. Techniquement, la définition est que les autotrophes obtiennent du carbone à partir de sources inorganiques comme le dioxyde de carbone (CO2) tandis que les hétérotrophes obtiennent leur carbone réduit d'autres organismes. Les autotrophes sont généralement des plantes qu'on appelle aussi « auto-alimentaires » ou « producteurs primaires ».


Organismes autotrophes

Les organismes autotrophes sont celles capables de développer de la matière organique à partir d'une matière inorganique. Ils sont capables, eux, de synthétiser les substances dont ils ont besoin pour leur bon fonctionnement métabolique à travers des substances qui ne sont pas organiques. Les organismes autotrophes constituent un maillon fondamental de la chaîne alimentaire car leur métabolisme permet leur propre développement et celui des autres êtres vivants : sans eux, la vie n'aurait pas été conçue telle qu'elle est connue dans la réalité.

Il vaut la peine d'essayer de réfléchir à la manière dont se fait réellement l'alimentation des organismes autotrophes. Il y a une subdivision entre ceux qui sont chimioautotrophes et photoautotrophes :

  • Les chimioautotrophes peut se développer dans des milieux strictement minéraux de l'obscurité car le carbone est obtenu à partir de réactions chimiques avec le dioxyde de carbone. Ce mode de vie n'existe que chez les procaryotes.
  • Les photoautotrophes sont beaucoup plus fréquentes et se nourrissent de l'énergie solaire. Le processus est connu sous le nom de photosynthèse, qui est le processus de fabrication de nourriture par des parties de plantes. Les plantes qui ont de la chlorophylle sont reconnues pour avoir une couleur verte dans leurs feuilles, et c'est ce qui capte la lumière du soleil, réussissant à transformer la sève brute en élaborée, précisément ce qui constitue la nourriture de la plante. En revanche, le processus de photosynthèse amène la plante à libérer de l'oxygène. Les cycle de Calvin est celui qui explique de manière fiable ce qui se passe pendant la photosynthèse.

CHAMPIGNONS DU ROYAUME

  • les organismes sont hétérotrophes.
  • Les champignons sont cosmopolites et se trouvent dans l'air, l'eau, le sol et sur les animaux et les plantes.

Structure -

  • les champignons sont filamenteux (sauf la levure qui est unicellulaire)
  • Leurs corps sont constitués de structures filiformes longues et minces appelées hyphes. Le réseau d'hyphes est appelé
  • Certains hyphes sont des tubes continus remplis de cytoplasme multinucléé - on les appelle hyphes cénocytaires. D'autres ont des cloisons ou des parois transversales dans leurs hyphes.
  • Les parois cellulaires des champignons sont composées de chitine et de polysaccharides.

Nutrition –

  • La plupart des champignons sont hétérotrophes et absorbent la matière organique soluble des substrats morts et sont donc appelés saprophytes.
  • Ceux qui dépendent des plantes et des animaux vivants sont appelés parasites.
  • Ils peuvent aussi vivre comme symbiotes – en association avec des algues comme lichens et avec des racines de plantes supérieures comme mycorhize.

La reproduction -

  • végétatif – fragmentation, fission et bourgeonnement.
  • Asexuéla reproduction par des spores appelées conidies ou sporangiospores ou zoospores.
  • sexuella reproduction par les oospores, les ascospores et les basidiospores.

Les différentes spores sont produites dans des structures distinctes appelées fructifications.

Le cycle sexuel comprend les trois étapes suivantes -

  1. Plasmogamie – Fusion de protoplasme entre deux gamètes mobiles ou non mobiles.
  2. Caryogamie – Fusion de deux noyaux.
  3. Méiose – dans le zygote entraînant des spores haploïdes.

Lorsqu'un champignon se reproduit sexuellement, deux hyphes haploïdes de types d'accouplement compatibles se réunissent et fusionnent.

  • Chez certains champignons, la fusion de deux cellules haploïdes donne immédiatement des cellules diploïdes (2n). Cependant, chez d'autres champignons (ascomycètes et basidiomycètes), une dicaryophase intermédiaire (2 noyaux par cellule) se produit. Plus tard, les noyaux parentaux fusionnent et les cellules deviennent diploïdes. Les champignons forment des fructifications dans lesquelles se produit une division de réduction, conduisant à la formation de spores haploïdes.

Spores haploïdes → début de la fusion → dicaryophase → fusion des noyaux → corps diploïde → méiose → spores haploïdes.

La morphologie du mycélium, le mode de formation des spores et les fructifications forment la base de la division du royaume en différentes classes.


Hétérotrophes et respiration aérobie et anaérobie

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Alors aujourd'hui nous allons continuer là où nous nous sommes arrêtés la dernière fois en parlant plus spécifiquement des variations sur le thème de la vie.

Et l'année dernière, j'ai essayé de faire cette conférence en utilisant PowerPoint et c'était un désastre total alors je retourne au tableau. Vous aurez les diapositives PowerPoint. Ils seront sur le Web à télécharger pour résumer en gros ce que je dessine au tableau.

Mais ce sera légèrement différent sur le plateau. Mais j'ai trouvé que pour ce matériel, cela ne fonctionne vraiment pas d'utiliser exclusivement le PowerPoint.

Alors la dernière fois que nous avons parlé de, rappelez-vous, ma vie sur terre s'est abrégée où -- -- nous avons eu la photosynthèse produisant du glucose ou du carbone organique plus de l'oxygène ? Et puis l'inverse était la respiration.

Et puis nous avons eu des éléments qui faisaient du vélo au milieu. Et j'ai dit que c'est très, très abrégé de la façon dont fonctionne toute vie sur terre. Et donc aujourd'hui, ce que je vais faire, c'est vous dire que ce n'est pas bien. C'est grossièrement simplifié.

Et il existe des variations vraiment intéressantes sur le thème de la façon d'extraire de l'énergie et du carbone et de la réduction de la puissance et des électrons du système terrestre pour créer la vie.

Et ce sont surtout les microbes qui ont ces diverses possibilités.

Et, encore une fois, même ce dont je vais vous parler aujourd'hui est simpliste. Si vous consultez un manuel de microbiologie, vous trouverez à peu près toutes les combinaisons possibles de sources d'énergie, de sources de carbone et de sources d'électrons dans certains micro-organismes quelque part pour traverser la vie. Alors je vous donne, encore une fois, la version simplifiée car sinon ça devient beaucoup trop compliqué. Donc, toute vie a besoin de carbone et d'énergie, et de beaucoup d'autres éléments aussi, mais c'est l'axe principal sur lequel nous allons ordonner notre univers aujourd'hui.

Donc, pour le carbone, les choix sont inorganiques ou organiques.

Ce serait donc du CO2 et cela pourrait être du glucose ou des sucres, n'importe quel sucre. Et puis sur l'axe énergétique, ils peuvent utiliser l'énergie solaire, comme dans la photosynthèse, ou ils peuvent utiliser l'énergie chimique.

Et dans les sources d'énergie chimiques, ils peuvent être inorganiques ou organiques comme les sucres, etc. Et souvent ici, vous avez des composés réduits tels que le sulfure d'hydrogène, l'ammoniac, et nous en parlerons.

Ce sont donc les façons dont nous répartissons les possibilités pour que les sources de carbone et d'énergie soient vivantes. Tous les organismes ont également besoin d'avoir une monnaie d'énergie dans la cellule. Et vous en avez déjà beaucoup parlé dans les cours de biochimie, donc je vous donne encore une fois une vision impressionniste de cela. Vous connaissez les détails.

C'est juste pour vous organiser. Et donc toute vie utilise des réactions redox. Et dans vos documents d'aujourd'hui, il y a une introduction aux réactions redox juste au cas où vous voudriez revoir cela.

Et l'une des principales réactions dont nous allons parler aujourd'hui est la conversion du NADP. Si vous y mettez de l'énergie, vous pouvez la réduire en NADPH.

C'est donc une réduction. Et à l'inverse, vous obtenez de l'énergie lorsqu'elle est oxydée. Maintenant, nous allons parler d'oxydation et de réduction aujourd'hui. Et puis ils utilisent tous l'ATP dont vous avez beaucoup parlé ici. Et le couple ici est ADP. Mettez de l'énergie dedans.

Vous fabriquez de l'ATP qui est un intermédiaire à haute énergie. Et en le reconvertissant en ADP, cette énergie peut être libérée. Et cela est utilisé dans la biochimie de la cellule. Toutes les cellules ont donc en commun ces deux processus de conversion d'énergie. OK, alors regardons juste pour résumer ce que nous allons aborder aujourd'hui. Ceci est un résumé des options pour la vie. Voir aussi Freeman, chapitre 25. Il y a une discussion à ce sujet.

Et nous pouvons diviser la vie ici entre ce que nous appelons des autotrophes.

Ce sont des organismes capables de fabriquer leur propre carbone organique.

En d'autres termes, ils peuvent convertir le dioxyde de carbone en carbone organique.

Les hétérotrophes sont des organismes qui ne peuvent utiliser que du carbone organique.

Ils comptent sur les entrailles d'autres organismes pour survivre. Et donc maintenant, nous allons passer systématiquement par ces processus qui relèvent de chacun d'eux. La photosynthèse oxygénique est celle dont nous avons parlé la dernière fois et dans ma version abrégée de la vie sur terre.

Et cela est effectué par des organismes eucaryotes, des plantes, des arbres, etc., ainsi que par des organismes procaryotes.

Ce sont les cyanobactéries, des plantes photosynthétiques microscopiques.

Ils utilisent du CO2 et du soleil. Donc, notre première variante sur ce thème dans laquelle nous allons entrer est un groupe de bactéries qui font de la photosynthèse anoxygénique. Oxygène signifie qu'ils dégagent de l'oxygène.

Ces gars-là utilisent l'énergie solaire mais ils ne dégagent pas d'oxygène.

Et nous verrons comment cela fonctionne. Et puis il y a un groupe d'organismes qui utilisent encore du CO2. Et dans la voie très similaire, le cycle de Calvin est la photosynthèse. Mais ils utilisent de l'énergie chimique afin de fabriquer ces intermédiaires pour fixer le CO2. OK, alors parlons-en d'abord. Et donc nous allons parler des autotrophes.

Et tous partagent cette voie, du CO2 au C6H12. Ce serait du glucose.

Et il faut de l'ATP pour exécuter cette réaction et il faut également du NADPH réduit -- -- pour exécuter cette réaction. Il faut aussi cette enzyme ribisco dont vous avez parlé j'en suis sûr, la ribulose bisphosphate carboxylase.

Et c'est l'enzyme qui prend initialement le CO2 de l'atmosphère et le lie à un carbone organique.

Maintenant, dans une version détaillée de ceci, c'est ce qu'on appelle le cycle de Calvin ou le cycle de Calvin/Benson. Je ne sais pas lequel votre livre l'appelle. Calvin a reçu le prix Nobel, mais Benson était l'étudiant diplômé qui a fait tout le travail, alors vous devriez le reconnaître.

Quoi qu'il en soit, vous avez beaucoup étudié cela. Mais un fait intéressant est que le ribisco est la protéine la plus abondante sur terre.

Cela vous indique à quel point cette réaction est importante pour le maintien de la vie sur terre. Remarquez donc que pour entraîner cette réaction, qui est le cycle de Calvin, il faut de l'énergie et de la puissance réductrice. Alors, où l'obtiennent-ils ?

Eh bien, les autotrophes peuvent obtenir de l'énergie et réduire la puissance de trois manières pour entraîner cette réaction. Et le premier est la photosynthèse oxygénée. Et le second est anoxygénique. Et le troisième est la chimiosynthèse.

OK, les trois premiers là-bas. Alors maintenant, nous allons passer en revue chacun d'entre eux et regarder comment ils fonctionnent en nous souvenant que tous génèrent de l'ATP et du NADPH afin de le piloter. Tous les autotrophes ont donc cela en commun. Eh bien, la photosynthèse oxygénée est celle que vous connaissez déjà bien. Vous l'avez étudié en détail en biochimie. Nous allons donc, encore une fois, vous donner la version abrégée ici juste pour que vous ayez un modèle sur lequel mapper ces autres.

Ce sont ce que l'on appelle les réactions lumineuses de la photosynthèse, le schéma Z prenant l'énergie solaire, divisant l'eau, dégageant de l'oxygène et synthétisant l'ATP et le NADPH. Tout cela est familier, non? Très familier. Je l'écris juste en version dessin animé. OK, c'est donc le NADPH et l'ADP qui vont alimenter ce processus.

OK, alors maintenant, eh bien, au moins je peux le faire sur ce tableau.

Laissez-moi le faire sur ce tableau. Anoxygénique -- -- est presque exactement comme ce processus, mais au lieu de diviser l'eau, ces types oxydent le sulfure d'hydrogène. Voici donc notre ATP et NADPH.

Et ils utilisent la lumière du soleil pour ce faire.

On les appelle donc bactéries photosynthétiques. Et ils étaient là très tôt sur la terre. Bien avant que l'atmosphère terrestre ne soit oxygénée, c'étaient les gars qui étaient capables d'utiliser l'énergie solaire et de produire du carbone organique mais sans dégager d'oxygène.

Puis quelque part le long de la ligne, une cellule a évolué, a eu des mutations et a d'une manière ou d'une autre compris que l'eau, cette source abondante d'eau était un bien meilleur donneur d'électrons que le sulfure d'hydrogène.

Et une fois que la biochimie a compris cela, vous pouvez voir la simple substitution ici, la terre entière a commencé à aller dans une direction différente. C'est donc un exemple intéressant de la façon dont une petite innovation biochimique peut changer radicalement la nature entière de la planète. Maintenant, ces gars-là sont toujours là sur terre. En fait, je vais vous en montrer quelques-uns.

J'expliquerai cela à la fin, mais j'en ai quelques-uns capturés ici.

Tu vois ce petit groupe violet ? Ce sont ces gars-là.

J'ai d'autres petits trucs ici mais je vais les garder.

Eh bien, vous ne pouvez pas vraiment voir la bande violette. Mais vous pouvez venir plus tard et le regarder. Ce sont des bactéries photosynthétiques.

Donc, ils sont toujours sur terre mais ils sont coincés dans des endroits où il n'y a pas d'oxygène. Ils ont donc une niche assez restreinte sur la planète maintenant, mais ils sont toujours extrêmement importants. Qu'est-ce que j'ai fait? Oh, c'est ici.

Donc, l'un des endroits où ils peuvent être trouvés, et si vous êtes intéressé par eux, un excellent endroit pour en trouver est le Mystic Lakes à Arlington qui est un lac stratifié en permanence, donc le fond du lac est toujours anaérobie. Il n'y a jamais d'oxygène là-bas.

Dans un lac typique comme celui-là, vous avez beaucoup de boue au fond et vous avez beaucoup de sulfure d'hydrogène qui sort de la boue à cause des processus bactériens dont nous allons parler. Et vous avez la lumière ici.

Et donc vous avez un gradient ici, c'est l'oxygène et c'est le H2S.

Et ces bactéries photosynthétiques doivent vivre quelque part où il y a suffisamment de lumière pour effectuer la photosynthèse et suffisamment de sulfure d'hydrogène à utiliser dans cette partie de la réaction. Mais ils sont très sensibles à l'oxygène et ne peuvent donc pas se trouver dans la partie oxygénée du lac.

Donc, vous les trouvez dans une couche. C'est ce qu'on appelle la compression. Ils doivent avoir de la lumière donc ils doivent être levés, mais ils ne peuvent pas avoir d'oxygène donc ils doivent être abaissés. Et ils ont besoin de sulfure d'hydrogène, donc ils doivent être en panne. Ils sont donc superposés dans les lacs.

D'ACCORD. Et ces gars, la chimiosynthèse ?

Ils ne dépendent pas de l'énergie solaire. Encore une fois, ils conduisent toujours le cycle de Calvin en réduisant le CO2 de l'air en carbone organique, mais ils n'utilisent pas la lumière du soleil. Alors, que font-ils? Ils tirent leur énergie -- -- des réactions d'oxydoréduction. Et nous allons juste vous montrer un exemple.

Les réactions d'oxydoréduction se couplent à la conversion de l'oxygène en H2O. L'oxygène est donc impliqué dans ces réactions. Et un organisme, par exemple, peut prendre de l'ammoniac et le convertir en nitrite. Un autre type d'organisme peut prendre le nitrite et le convertir en nitrate. Et il existe d'autres organismes qui peuvent prendre le sulfure d'hydrogène et le convertir en sulfate.

Et certains peuvent prendre du sulfure d'hydrogène, oh, non, prendre du fer, du fer ferreux, Fe2+ et le convertir en Fe3+. Alors, dans tous ces cas, qu'arrive-t-il à ces composés ? Sont-ils oxydés ou réduits ?

J'ai entendu un oxydé. Oui, ils sont oxydés.

Ainsi, ces composés réduits, des composés relativement réduits peuvent être utilisés en les oxydant. L'organisme peut libérer l'énergie dont il a besoin. L'ATP est généré ici.

Et le NADPH est généré par l'un de ces couples redox. Ainsi, en utilisant cette énergie, la cellule prend le NADPH et l'ATP réduits et exécute le cycle de Calvin, la chimiosynthèse. D'ACCORD. Maintenant, vous pouvez penser que ce sont des bactéries étranges et étranges qui vivent dans d'étranges poches de la terre où il n'y a pas d'oxygène. Et qui s'en soucie de toute façon? Ils sont dépassés.

Ils ont dominé la terre dans les premiers stades de la terre, mais ils ne sont plus si importants maintenant. Eh bien, ce n'est pas vrai. Ils sont incroyablement importants. Dans certains écosystèmes, ils constituent la base totale de l'ensemble de l'écosystème. Mais aussi à l'échelle mondiale, comme vous l'apprendrez, vous devriez avoir une idée de cela à la fin de cette conférence, mais aussi lorsque nous parlerons des cycles biogéochimiques mondiaux, vous apprendrez que ces microbes sont vraiment des messagers d'électrons dans l'environnement. . Sans eux, l'équilibre redox de la terre ne serait pas maintenu, d'accord ? Vous ne pouvez avoir que des réactions oxydantes ou rien que des réactions de réduction et avoir un système qui se maintient. Ce sont donc ces microbes qui jouent un rôle vraiment important dans le maintien de l'équilibre redox de la terre. D'ACCORD. Maintenant, un système que je vais vous montrer dans ce DVD, qui lui rendra bien mieux justice que mes dessins ici, c'est un volcan sous-marin au cas où vous ne l'auriez pas reconnu. Et c'est 2500 mètres au fond de l'océan, très, très profond. Et il y a une chaleur intense. Je veux dire, pensez à un volcan à la surface de la terre. Une chaleur intense et des composés réduits se trouvent dans le manteau terrestre qui sont prêts à éclater à travers ce volcan sous-marin. Et vous avez du sulfate dans l'eau de mer qui s'infiltre par ici. Et au fur et à mesure qu'il s'infiltre et s'infiltre dans la substance volcanique qui sort d'ici, il est réduit en sulfure d'hydrogène sortant du volcan.

Mais vous avez de l'oxygène dans l'eau en haute mer. Et nous en parlerons lorsque nous parlerons de la circulation océanique. Mais les océans ont une circulation océanique mondiale où l'eau de surface qui est en équilibre avec l'atmosphère coule et se déplace le long du fond de l'océan. Il y a donc de l'oxygène au fond de l'océan, contrairement à de nombreux lacs où vous n'avez pas d'oxygène.

Et nous parlerons de cette différence. Et dans les bouches d'aération chaudes, l'eau qui sort d'ici peut être très, très chaude, mais il y a un gradient juste au moment où elle rencontre l'eau de mer plus froide.

Et donc ce que vous avez ici est un incubateur parfait pour les bactéries chimiosynthétiques -- -- qui utilisent le sulfure d'hydrogène en chimiosynthèse pour fixer le dioxyde de carbone en utilisant l'oxygène ici. Et cela forme la base de tout le réseau trophique dans les profondeurs de l'océan parce qu'il n'y a pas de lumière là-bas.

Il n'y a pas de photosynthèse. Il n'y a que la chimiosynthèse.

Et juste une petite histoire qui remonte à la première fois que je suis arrivé au MIT en tant que professeur assistant en 1976. Vous n'êtes même pas né. Mais quand j'étais jeune, nous allions régulièrement au Muddy Charles Pub après le travail et buvions des bières. Et il y avait un professeur, dans ce département en fait, John Edmond, qui est décédé il y a plusieurs années mais qui était là. C'était un peu comme nos Cheers.

Et je n'oublierai jamais le jour où il est revenu d'une croisière.

Il est venu au pub. Il était chimiste et je suis biologiste.

Et il a dit que vous ne croirez pas ce que nous avons trouvé au fond de l'océan. Il avait coulé à bord d'Alvin, ce véhicule submersible pour deux personnes.

Et il a commencé à parler de ces palourdes géantes et de ces vers géants et de toutes ces choses, et j'ai pensé qu'il avait bu une bière de trop. J'ai eu du mal à y croire. Eh bien, il s'est avéré que c'était la première découverte de ces évents sous-marins et il faisait partie de cette expédition. Et grâce à cette relation collégiale, je me suis retrouvé avec l'une des coquilles de palourdes des palourdes là-bas, qui est l'une des palourdes géantes.

Leur viande est rouge sang car ils contiennent un type spécial d'hémoglobine qu'ils utilisent pour maintenir la tension d'oxygène parfaite pour ces bactéries chimiosynthétiques. Si l'oxygène est trop élevé, ils ne peuvent pas le faire car cela oxydera spontanément le H2S.

La tension d'oxygène est donc très critique.

Et ils ont un type spécial d'hémoglobine qui fait ça.

Ces allégations avaient donc des bactéries chimiosynthétiques symbiotiques.

Eh bien, depuis lors, ces évents ont été découverts partout et des écosystèmes similaires ont été découverts à la surface.

Et il y a toutes sortes d'évents différents.

Vous allez découvrir non seulement les évents hydrothermaux, les évents chauds dans cette vidéo, mais aussi les suintements froids qu'on appelle là où vous avez des bactéries de méthane qui sont vraiment importantes. D'ACCORD.

Ce sont donc les principaux moyens par lesquels les organismes peuvent obtenir de l'énergie pour convertir le CO2 en carbone organique. Ensuite, vous avez tous ces hétérotrophes, ceux qui utilisent le carbone organique, et ils ont différentes façons de le faire. Vous avez appris en biochimie la voie principale, qui est très puissante, et qui utilise la respiration aérobie pour le faire.

Et donc nous allons simplement abréger cela ici.

C'est l'inverse de la photosynthèse. Donc hétérotrophes.

Et laissez-moi aller de l'avant avec les diapositives.

D'accord, vous y êtes. C'est donc une version cartoon de la respiration aérobie. Donc on va juste mettre du glucose, on va descendre au cycle de Krebs. Et nous allons laisser les électrons circuler ici et faire en sorte que l'oxygène soit l'accepteur final d'électrons créant de l'eau. Nous venons donc d'accomplir l'inverse absolu de la photosynthèse et nous avons créé le NADH en faisant cela et nous avons créé l'ATP. Donc, ces gars tirent l'énergie du glucose que tous les autres organismes ont fabriqué.

Et l'oxygène est l'accepteur terminal d'électrons lorsqu'il y a de l'oxygène autour. Mais il y a beaucoup d'environnements, comme nous en avons parlé sur terre, où il n'y a pas d'oxygène.

Et il y a des bactéries qui peuvent profiter de ces environnements.

Et au lieu d'avoir l'oxygène comme accepteur terminal d'électrons, ils peuvent utiliser un certain nombre d'autres éléments, des composés qu'ils peuvent utiliser.

Par exemple, certains utilisent du nitrate et le réduisent en oxyde nitreux. N2. Ammoniac. Toutes les formes d'azote relativement réduites. Et donc cela s'appelle anaérobie.

Et ce processus est appelé gentrification. Et sans ces bactéries, ces bactéries anaérobies qui peuvent réduire les nitrates, l'azote ne reviendrait jamais dans l'atmosphère. Rappelez-vous la dernière fois que nous avons parlé de la fixation de l'azote, comment des types spécifiques de microbes peuvent prendre le N2 de l'atmosphère et l'attirer dans l'écosystème ?

Eh bien, si ces bactéries n'effectuaient pas ce processus, l'azote ne reviendrait jamais dans l'atmosphère.

Ils sont essentiels à la fermeture du cycle de l'azote.

Ensuite, il y en a qui peuvent utiliser du sulfate et le réduire en sulfure d'hydrogène. Comme vous pouvez l'imaginer, ceux-ci sont essentiels à la création du sulfure d'hydrogène utilisé dans ces autres processus.

Il y en a qui utilisent du CO2 et se convertissent en méthane.

Ce sont des bactéries méthanogènes, et elles sont incroyablement importantes dans le cycle global du carbone et dans le cycle du méthane.

Le méthane est un gaz à effet de serre très puissant, et nous en reparlerons plus tard. Et puis il y en a qui peuvent prendre Fe3+ et le réduire en Fe2+. Et pareil pour le manganèse.

Vous devriez donc commencer à ressentir une sorte de symétrie ici, n'est-ce pas, que ces bactéries anaérobies remplissent des fonctions sur la terre. Laissez-moi les écrire.

Ce sont des réducteurs de sulfate, ce sont des méthanogènes, et ce sont des réducteurs de fer et des réducteurs de manganèse.

Donc, tout cela deviendra extrêmement important lorsque nous parlerons des cycles biogéochimiques mondiaux de tous ces éléments.

Ce sont ces microbes qui s'assurent que les cycles peuvent continuer et ne se heurtent pas à une impasse d'oxydation ou de réduction.

D'ACCORD. Avant d'aller au film, je veux juste dire que si vous regardez le tableau 25.2 dans votre manuel, je pense que c'est celui-là.

Je suppose que j'utilise la version la plus récente.

Vous verrez une variation de ce thème dans laquelle il y aura quelques entrées d'organismes qui n'entrent pas dans ces catégories que je viens de vous montrer. Et c'est-à-dire qu'il existe des organismes qui utilisent à la fois l'énergie lumineuse et l'énergie du carbone organique. Pour chaque variation possible, il y a un organisme qui a évolué pour en tirer parti. Je viens de simplifier à l'excès ici, mais vous devriez le savoir. Et l'essentiel est de savoir si c'est thermodynamiquement possible. Et, encore une fois, toute cette conférence aurait pu être faite en mode thermodynamique. Nous aurions pu examiner quels couples redox étaient énergétiquement possibles, puis les attribuer à des microbes particuliers. Mais pour l'instant, je veux juste que vous ayez un aperçu. Mais pour tout ce qui est thermodynamiquement faisable, il y a un microbe qui le fait.

Et, en fait, les microbiologistes passent au peigne fin les tables redox et rassemblent différents couples redox et émettent des hypothèses.

Je devrais pouvoir trouver un organisme qui fait cela dans cet environnement. Et puis ils sortent. Et ils peuvent presque toujours le trouver. Ils sont donc incroyablement polyvalents. Et cela vous donne une très bonne idée du pouvoir de la thermodynamique dans l'évolution de ces processus biochimiques.

Enfin, avant de vous montrer le film, je veux vous montrer de quoi il s'agit. Il y avait un microbiologiste russe au siècle précédent nommé Winogradsky -- -- qui voulait isoler certaines de ces bactéries photosynthétiques. Et connaissant leurs caractéristiques, il sortit et se procura de la boue et de l'eau de l'étang. Et il a mis en place ce que nous en sommes venus à appeler une colonne Winogradsky.

Ceci est une bouteille de jus Winogradsky, mais cela fonctionne de la même manière. Et ce que vous faites, c'est que vous mettez de la boue au fond et que vous mettez de l'eau d'étang ici.

Et l'eau de l'étang a essentiellement un inoculum. Il a des représentants de tous les différents types de bactéries. Ce sont peut-être des spores. S'ils n'aiment pas l'environnement dans lequel ils se trouvent, ils sporulent et ils ne germent tout simplement pas. Mais on peut supposer que dans l'eau de l'étang, vous avez tout ce qui pourrait pousser ici. Et dans la boue, vous ajoutez une source de sulfate. Et donc vous pouvez ajouter du sulfate de calcium et vous pouvez ajouter un peu de matière organique, vous savez, des parties de plantes ou quelque chose juste pour le faire démarrer.

Et finalement, vous avez mis en place un gradient de sulfure d'hydrogène et d'oxygène.

Et au fil du temps, les organismes se développent le long de ce gradient.

Donc vous allez vous retrouver ici avec la respiration anaérobie.

En fait, les organismes génèrent ce gradient. Au début, tout est oxygéné.

Et ce à quoi vous devriez penser dans ce contexte, c'est ce qui se passe.

Comment ces gradients sont-ils générés lorsque vous démarrez avec un système complètement mélangé, tout y est, tout oxygéné ? Finalement, vous aurez la respiration anaérobie -- d'abord, vous aurez juste la respiration anaérobie, n'est-ce pas ?

Tout ce qui peut utiliser du carbone organique et de l'oxygène va devenir fou, et c'est ce qui va réduire l'oxygène.

Ensuite, vous aurez la respiration anaérobie ici.

Vous aurez de la photosynthèse ici, de l'oxygène en évolution. Vous aurez des bactéries chimiosynthétiques ici parce qu'elles ont besoin d'un peu d'oxygène, mais elles ont également besoin d'une partie de ce sulfure d'hydrogène et de bactéries photosynthétiques ici.

Eh bien, ils sont comme ici. Parce qu'ils ont besoin de lumière mais ne peuvent pas avoir d'oxygène. Et vous pouvez donc les configurer. Et cette bande violette ici vous indique que vous avez vos bactéries photosynthétiques.


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Anammox

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

Objectifs d'apprentissage

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

Points clés à retenir

Points clés

  • 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.

Mots clés

  • 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).


Chaînes alimentaires et réseaux trophiques

Terminologie

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 Tableau 1 )

Tableau 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 uneCharacteristics of autotrophsPercent of net P to first-order biophagesLes références
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. Journal de biologie théorique 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.


Respiration cellulaire

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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) et de l'eau (H2O).

Respiration aérobie

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.

Respiration anaérobie

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.

Photosynthèse

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).


Voir la vidéo: Autotroph vs Heterotroph Producer vs Consumer (Août 2022).