تولید و مصرف در اکوسیستم :

یکی از مهمترین ویژگی های موجودات زنده نیاز آنها به انرژی می باشد. بدن موجودات زنده از ذرات ریزی که شدیدا دارای نظم و سازمان یافته است تشکیل شده است ، ایجاد و حفظ این نظم نیازمند مصرف مداوم انرژی می باشد. این قضیه شامل تمامی موجودات زنده حتی نمونه های ساکن و یا خونسرد نیز می گردد. همانطور که می دانید در آغاز پیدایش حیات ، انرژی مورد نیاز جانداران از موادی که در محیط غیر زنده وجود داشته ، فراهم گردیده ولی اکنون انرژی مورد نیاز سیستم های زیستی بع وسیله بخشی از جانداران ( تولید کنندگان ) تامین می شود.

تامین انرژی در سیستم زیستی فعلی ، مبتنی بر تغییر وضع اتم های کربن است ، کربن عنصری که به لحاظ ساختار اتمی میل مساوی به جذب و دفع الکترون دارد. می دانیم عناصری که در مدار بیرونی اتم خود ( لایه ظرفیت ) ، بیش از 4 الکترون داشته باشند به هنگام ترکیب با سایر عناصر ، تمایل بالاتری برای جذب الکترون جهت تکمیل لایه ظرفیت خود نشان می دهند . از طرفی عناصری نیز که کمتر از 4 الکترون در مدار بیرونی خود دارند ، میل بالاتری برای واگذاری الکترون به هنگام ترکیب با سایر عناصر بروز می دهند.

کربن با داشتن 4 الکترون هم می تواند به عنوان گیرنده الکترون ( مثال ترکیب با هیدروژن )و هم دهنده الکترون (مثال ترکیب با اکسیژن ) عمل کند. انباشتن اتم های کربن با الکترون ( ایجاد هیدروکربن ها ) کربن را به انبار انرژی مبدل می سازد و در مقابل ، شکستن این ترکیبات ( رها ساختن الکترون ها از کربن – یا تبدیل وضع کربن از گیرنده الکترون به دهنده الکترون ) باعث آزاد شدن انرژی می گردد.

تعاریف تولید:

- منظور از پدیده تولید انباشتن الکترون در اتم های کربن یا ایجاد حالت گیرنده الکترون در کربن است .

- تولید نوعی تغییر دادن شکل و ایجاد آرایش جدید است ، نه ایجاد انرژی از عدم

- تولید یعنی تبدیل انرژی نورانی به انرژی شیمیایی : انرزِ لازم جهت انباشته شدن ( ایجاد آرایش جدید و اتصالات حاوی انرژی ) توسط خورشید تامین می شود.

تعریف مصرف :

فرایند مصرف یا تجزیه : یعنی شکستن آرایش های حاصل از پدیده تولید و آزاد ساختن انرژی شیمیایی انباشته در آنها

مکانیسم های تولید ( روش های تولید ):

الف ) فتوسنتز  Photosynthesis : عمل تبدیل انرژی نورانی به انرژی شیمیایی

فرمول عمومی فتوسنتز به صورت زیر است :

Co2 +2H2A          "(CH2O) + H2O+ 2A

این فرایند از دو مرحله آکسایش ( اکسیداسیون ) وکاهش ( احیاء ) تشکیل می یابد:

2H2A          "4H+2A

4H+CO2          "(CH2O)+ H2O

فتوسنتز کنندگان را به دو دسته کلی زیر تقسیم می کنیم :

1-     گیاهان سبز و جلبک ها

2-     باکتریهای فتوسنتز کننده

در مورد گیاهان سبز و جلبک ها ، A همان اکسیژن است . این موجودات آب را اکسده کرده و هیدروژن آب را با CO2 ترکیب نموده ، مواد آلی تولید می کنند و O2 آب نیز به صورت گاز به محیط پس می دهند.

در مورد باکتریهای فتوسنتز کننده ، H2A آب نیست ، و از این لحاظ به دو دسته می توان آنها را تقسیم کرد.

1-     دسته ای که منبع هیدروژن ، H2S است : مانند باکتریهای سبز گوگردی و باکتریهای گوگردی ارغوانی

2-     دسته ای که منبع هیدروژن ، ترکیبات آلی مانند اسیدها و کربوهیدرات ها است : مانند باکتریهای قهوه ای غیر گوگردی و غیر گوگردی ارغوانی

البته در این میان سیانو باکتریها استثنا می باشند زیرا بر خلاف دو دسته با لا تولید اکسیژن می نمایند. همانطور که اشاره شد فتوسنتز باکتریایی اکسیژن آزاد نمی کند. این باکتریها عموما در محیط های آبی ( دریاها و آب شیرین ) زندگی می کنند. در شرایط عادی ، نقش آنها در سنتزمواد آلی چندان قابل اهمیت نمی باشد، ولی اهمیت آنها در چرخه عناصر مانند گوگرد بسیار اساسی است.

باکتریهای گوگردی سبز و گوگردی آرغوانی ( گوگرد زا ) غیر هوازی اجباری هستند و محل زندگی آنها لایه های پایینی آب که در آن اکسیژن به صورت محلول در آب وجود ندارد( لایه احیاء کننده ) می باشد. سهم این باکتریها در دریاچه های عادی از سنتز مواد آلی بین 2 تا 5 درصد می باشد ولی در دریاچه های ساکن و غنی از H2S تا 25 در صد مجموع مواد آلی سنتز شده می رسد. ( تاکاهاشی و ایشیمورا )

بر عکس باکتریهای فتوسنتز کننده غیر گوگردی ، غیر هوازی اختیاری هستند . یعنی در محیط های دارای اکسیژن به صورت هوازیو در محیط های فاقد اکسیژن به صورت بی هوازیزندگی می کنند. علاوه بر این نحوه گرفتن انرژی در آنها در ارتباط با وجود نور و عدم وجود نور تغییر می کند. در حضور نور اتوتروف و در غیاب نور هتروتروف هستند. اهمیت اصلی این دسته به خاطر استفاده از مواد آلی به عنوان منبع هیدروژن است. همچنین در حذف آلودگی ها یی که از نوع ترکیبات آلی باشد در دریاچه ها و برکه ها نقش مهمی دارند. البته در استفاده از آنها بایستی جانب احتیاط را رعایت نمود.

ب ) شیمیو سنتز  Chmosynthesis : انرژی خود را از طریق برداشتن الکترون ها از مولکول های غیر آلی ، مانند آمونیاک ، سولفید هیدروژن به دست می آورند. این باکتریها قادر به تثبیت انرژی خورشید و تبدیل آن به انرژی شیمیایی نیستند. برخی از محققین شیمیو سنتز را همردیف فتوسنتز قرار می دهند . اما بسیاری از متخصصان میکروبیولوژی و اکولوژی ، شیمیو سنتز کنندگان را حدواسط تولید کننده و مصرف کننده طبقه بندی می نمایند. زیرا از از د و خصلت اصلی تولید ( سنتز مواد آلی و تثبیت انرژی نورانی ) فقط یکی را دارا می باشند.

باکتر یهای شیمیو سنتز کننده ترکیبات آمونیاکی را به نیتریت و نیترات ، سولفیدها مانند H2S را به سولفورها مانند SO4  و ترکیبات فرو را به فریک تبدیل می کنند.این تغییرات ماهیتا شبیه تبدیل هیدروکربن ها به CO2 یعنی تخلیه الکترون است . بنابراین شیمیوسنتز به پدیده مصرف نزدیک تر است تا تولید، زیرا  انرژی انباشته شده در ترکیبات کانی از طریق انرژی حاصل از فتوسنتز تامین شده است. بنابراین شیمیو سنتز وابسته به فتوسنتز است و در صورت قطع فتوسنتز، شیمیو سنتز نیز به پایان خواهد رسید.( شیمیو سنتز تا زمانی ادامه دارد که ذخیره ترکیبات آمونیاکی ، H2S و غیره که از طریق پدیده های زمین شناختی و غیر قابل تجدید حاصل شده به پایان برسد در حالیکه فتوسنتز فرایندی تکرار پذیر و تجدید شدنی است.

باکتریهای شیمیو سنتز کننده در محیط های تاریک قادر به زیستن و فعالیتند ، اما اغلب به اکسیژن نیاز دارند. نمونه های مانند باکتری بجیاتوآ که در چشمه های گوگردی است و نقش مهمی در چرخه گوگرد دارد و باکتریهای نیتروزوموناس و نیترو باکتر در چرخه نتیتروژن ، همچنین باکتری هیدروژن ( از جنس پسودوموناس ) که توانایی استفاده از H2 برای سنتز مواد آلی با استفاده از CO2 را دارد ( مناسب برای سفینه های فضایی ) از این دسته می باشند.

مکانیسم های تجزیه یا مصرف :

پدیده مصرف یا تنفس بر پایه نوع گیرنده الکترون به سه دسته زیر تقسیم می شود:

1-     تنفس هوازی Aerobic : در تنفس اکسیژن گازی به عنوان گیرنده الکترون عمل می کند ، مانند تنفس گیاهان و جانوران

2-     تنفس بی هوازی  Anaerobic : اکسیژن گازی گیرنده الکترون نیست ، بلکه یک ترکیب کانی و در نهایت عنصری غیر از اکسیژن به عنوان گیرنده الکترون عمل می کند. مانند باکتری دسولفوویبریو است که در اعماق پایین آب ترکیبات آزاد شده SO4 را تجزیه می کند و لایه های H2S تولید می نماید.

3-     تخمیر : مانند پدیده تنفس بی هوازی در محیط فاقد اکسیژن صورت می پذیردبا این تفاوت که در فرایند تخمیر یک ترکیب آلی به عنوان گیرنده الکترون عمل می کند . مانند تخمیر الکلی و لاکتیکی

در اغلب نوشته ها تنفس بی هوازی و تخمیر در یک دست کلی قرار دارند. یکی دیگر از تفاوت های عمده بین تنفس هوازی و تخمیر در میزان انرژی آزاد شده از واحد وزن یا یک مولکول ماده آلی است. بدین معنا که میزان انرژی آزاد شده در تنفس هوازی به مراتب بیشتر است زیرا عمل تجزیه کامل تر انجام گرفته است. ولی در تنفس هوازی عمل شکسته شدن کامل نیست و بخشی ازآرایش و اتصالات دست نخورده باقی می ماند .

تنفس بی هوازی روش اخذ انرژی در لاشه خواران ( ساپروفیت ها ) نظیر باکتریها و قارچ ها و همچنین مخمرها و پروتوزوئرها ست. در برخی بافتهای عالی جانوران مانند ماهیچه ها نیز صورت می پذیرد