Un autótrofo es un organismo que puede convertir fuentes abióticas de energía en energía almacenada en compuestos orgánicos , que pueden ser utilizados por otros organismos . Los autótrofos producen compuestos orgánicos complejos (como carbohidratos , grasas y proteínas ) utilizando carbono de sustancias simples como el dióxido de carbono, [1] generalmente utilizando energía de la luz o reacciones químicas inorgánicas . [2] Los autótrofos no necesitan una fuente viva de carbono o energía y son los productores en una cadena alimentaria, como las plantas en la tierra o las algas en el agua. Los autótrofos pueden reducir el dióxido de carbono para producir compuestos orgánicos para la biosíntesis y como combustible químico almacenado. La mayoría de los autótrofos utilizan agua como agente reductor , pero algunos pueden usar otros compuestos de hidrógeno como el sulfuro de hidrógeno .
Los productores primarios pueden convertir la energía de la luz ( fotótrofos y fotoautótrofos ) o la energía de compuestos químicos inorgánicos ( quimiótrofos o quimiolitotrofos ) para construir moléculas orgánicas , que generalmente se acumulan en forma de biomasa y serán utilizadas como fuente de carbono y energía por otros organismos (por ejemplo, heterótrofos y mixótrofos ). Los fotoautótrofos son los principales productores primarios, convirtiendo la energía de la luz en energía química a través de la fotosíntesis , construyendo finalmente moléculas orgánicas a partir del dióxido de carbono , una fuente de carbono inorgánico . [3] Ejemplos de quimiolitotrofos son algunas arqueas y bacterias (organismos unicelulares) que producen biomasa a partir de la oxidación de compuestos químicos inorgánicos, estos organismos se denominan quimioautótrofos , y se encuentran con frecuencia en respiraderos hidrotermales en las profundidades del océano. Los productores primarios están en el nivel trófico más bajo , y son las razones por las que la Tierra sostiene la vida hasta el día de hoy. [4]
La mayoría de los quimioautótrofos son litótrofos , que utilizan donantes de electrones inorgánicos como sulfuro de hidrógeno, gas hidrógeno , azufre elemental , amonio y óxido ferroso como agentes reductores y fuentes de hidrógeno para la biosíntesis y la liberación de energía química. Los autótrofos utilizan una parte del ATP producido durante la fotosíntesis o la oxidación de compuestos químicos para reducir NADP + a NADPH para formar compuestos orgánicos. [5]
El término autótrofo fue acuñado por el botánico alemán Albert Bernhard Frank en 1892. [6] [7] Proviene de la antigua palabra griega τροφή ( trophḗ ), que significa "alimento" o "comida". Los primeros organismos autótrofos probablemente evolucionaron temprano en el Arcaico, pero proliferaron a lo largo del Gran Evento de Oxidación de la Tierra con un aumento en la tasa de fotosíntesis oxigénica por parte de las cianobacterias . [8] Los fotoautótrofos evolucionaron a partir de bacterias heterótrofas mediante el desarrollo de la fotosíntesis . Las primeras bacterias fotosintéticas usaban sulfuro de hidrógeno . Debido a la escasez de sulfuro de hidrógeno, algunas bacterias fotosintéticas evolucionaron para usar agua en la fotosíntesis, lo que dio lugar a las cianobacterias . [9]
Algunos organismos dependen de compuestos orgánicos como fuente de carbono , pero pueden utilizar la luz o compuestos inorgánicos como fuente de energía. Dichos organismos son mixótrofos . Un organismo que obtiene carbono de compuestos orgánicos pero obtiene energía de la luz se denomina fotoheterótrofo , mientras que un organismo que obtiene carbono de compuestos orgánicos y energía de la oxidación de compuestos inorgánicos se denomina quimiolitoheterótrofo .
La evidencia sugiere que algunos hongos también pueden obtener energía de la radiación ionizante : estos hongos radiotróficos fueron encontrados creciendo dentro de un reactor de la planta de energía nuclear de Chernobyl . [10]
Existen muchos tipos diferentes de autótrofos en los ecosistemas de la Tierra. Los líquenes ubicados en climas de tundra son un ejemplo excepcional de un productor primario que, por simbiosis mutualista, combina la fotosíntesis por parte de las algas (o adicionalmente la fijación de nitrógeno por parte de las cianobacterias) con la protección de un hongo descomponedor . Además, los productores primarios similares a las plantas (árboles, algas) utilizan el sol como una forma de energía y la ponen en el aire para otros organismos. [3] Por supuesto, existen productores primarios de H 2 O, incluida una forma de bacteria, y fitoplancton . Como hay muchos ejemplos de productores primarios, dos tipos dominantes son los corales y uno de los muchos tipos de algas pardas, las algas marinas. [3]
La producción primaria bruta se produce mediante la fotosíntesis. Esta es también la principal forma en que los productores primarios toman energía y la producen/liberan en otro lugar. Las plantas, los corales, las bacterias y las algas lo hacen. Durante la fotosíntesis, los productores primarios toman energía del sol y la convierten en energía, azúcar y oxígeno. Los productores primarios también necesitan la energía para convertir esta misma energía en otro lugar, por lo que la obtienen de los nutrientes. Un tipo de nutriente es el nitrógeno. [4] [3]
Sin productores primarios, organismos capaces de producir energía por sí mismos, los sistemas biológicos de la Tierra no podrían sostenerse. [3] Las plantas, junto con otros productores primarios, producen la energía que consumen otros seres vivos y el oxígeno que respiran. [3] Se piensa que los primeros organismos de la Tierra fueron productores primarios ubicados en el fondo del océano. [3]
Los autótrofos son fundamentales para las cadenas alimentarias de todos los ecosistemas del mundo. Toman energía del medio ambiente en forma de luz solar o sustancias químicas inorgánicas y la utilizan para crear moléculas de combustible como los carbohidratos. Este mecanismo se llama producción primaria . Otros organismos, llamados heterótrofos , toman autótrofos como alimento para llevar a cabo funciones necesarias para su vida. Así, los heterótrofos —todos los animales , casi todos los hongos , así como la mayoría de las bacterias y protozoos— dependen de los autótrofos, o productores primarios , para las materias primas y el combustible que necesitan. Los heterótrofos obtienen energía descomponiendo los carbohidratos u oxidando las moléculas orgánicas (carbohidratos, grasas y proteínas) obtenidas en los alimentos. Los organismos carnívoros dependen de los autótrofos de forma indirecta, ya que los nutrientes obtenidos de sus presas heterótrofas provienen de los autótrofos que han consumido.
La mayoría de los ecosistemas se sustentan en la producción primaria autótrofa de plantas y cianobacterias que capturan fotones liberados inicialmente por el sol . Las plantas solo pueden utilizar una fracción (aproximadamente el 1%) de esta energía para la fotosíntesis . [11] El proceso de fotosíntesis divide una molécula de agua (H 2 O), liberando oxígeno (O 2 ) a la atmósfera y reduciendo el dióxido de carbono (CO 2 ) para liberar los átomos de hidrógeno que alimentan el proceso metabólico de producción primaria . Las plantas convierten y almacenan la energía del fotón en los enlaces químicos de azúcares simples durante la fotosíntesis. Estos azúcares vegetales se polimerizan para su almacenamiento como carbohidratos de cadena larga , incluidos otros azúcares, almidón y celulosa; la glucosa también se utiliza para fabricar grasas y proteínas . Cuando los autótrofos son comidos por los heterótrofos , es decir, consumidores como los animales, los carbohidratos , las grasas y las proteínas que contienen se convierten en fuentes de energía para los heterótrofos . [12] Las proteínas se pueden producir utilizando nitratos , sulfatos y fosfatos del suelo. [13] [14]
Las algas acuáticas contribuyen de manera significativa a las redes alimentarias de los ríos y arroyos tropicales. Esto se refleja en la producción primaria neta, un proceso ecológico fundamental que refleja la cantidad de carbono que se sintetiza dentro de un ecosistema. Este carbono, en última instancia, queda disponible para los consumidores. La producción primaria neta muestra que las tasas de producción primaria en los ríos en las regiones tropicales son al menos un orden de magnitud mayores que en sistemas templados similares. [15]
Los investigadores creen que las primeras formas de vida celular no eran heterótrofas, ya que dependerían de autótrofos, ya que los sustratos orgánicos entregados desde el espacio eran demasiado heterogéneos para soportar el crecimiento microbiano o demasiado reducidos para ser fermentados. En cambio, consideran que las primeras células fueron autótrofas. [16] Estos autótrofos podrían haber sido quimiolitoautótrofos termófilos y anaeróbicos que vivían en respiraderos hidrotermales alcalinos de aguas profundas. Se ha demostrado que los minerales catalíticos Fe(Ni)S en estos entornos catalizan biomoléculas como el ARN. [17] Esta visión está respaldada por evidencia filogenética, ya que se infirió que la fisiología y el hábitat del último ancestro común universal (LUCA) también fueron un anaerobio termófilo con una vía de Wood-Ljungdahl, su bioquímica estaba repleta de grupos de FeS y mecanismos de reacción radical. Dependía de Fe, H 2 y CO 2 . [16] [18] La alta concentración de K + presente en el citosol de la mayoría de las formas de vida sugiere que la vida celular temprana tenía antiportadores o posiblemente simportadores de Na + /H + . [19] Los autótrofos posiblemente evolucionaron a heterótrofos cuando estaban a bajas presiones parciales de H2 , donde la primera forma de heterotrofia fueron probablemente las fermentaciones de aminoácidos y purinas de tipo clostridial [20] y la fotosíntesis surgió en presencia de luz geotérmica de longitud de onda larga emitida por respiraderos hidrotermales. Se infiere que los primeros pigmentos fotoquímicamente activos fueron los tetrapirroles de Zn. [21]
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