Самая важная группа автотрофных организмов — зеленые растения. Им достаточно таких питательных веществ, как углекислота из атмосферы, вода и минеральные соли из почвы.

В зеленых растениях протекает чрезвычайно важный процесс — фотосинтез. Во время этого процесса из углекислоты к воды образуются сахара, основные углеводные соединения, из которых затем под действием ферментов создаются все остальные сложные вещества растительного организма. Фотосинтез осуществляется в листьях и других зеленых частях растений.

Неутомимый ученый-экспериментатор и гениальный художник Леонардо да Винчи, живший на рубеже Средневековья и Нового времени, писал: «Лицевая сторона листьев обращена к небу, она улавливает пищу в росе, выпадающей по ночам».

Своей зеленой окраской листья обязаны зеленому пигменту — хлорофиллу, который находится в хлоропластах клеток листа. По химическому составу хлорофилл близок к гемоглобину, красному пигменту крови. Но роль хлорофилла не только в том, что он окрашивает растения в зеленый цвет. Его главное значение в том, что, поглощая энергию солнечного света, он использует ее в химических реакциях, в результате которых образуются сахара. Таким образом, помимо углекислоты и воды, для синтеза сахаров необходимы еще присутствие в зеленых частях растений хлорофилла и действие солнечного света. В темноте фотосинтез осуществляться не может.

На поверхности листьев находятся микроскопические отверстия, называемые устьицами, через которые происходит газообмен. Из атмосферы в листья проникает углекислый газ. Вода, усваиваемая корнями из почвы, поднимается к листьям, и там часть ее используется в реакциях фотосинтеза, а часть испаряется через устьица в атмосферу. Через устьица же выделяется в атмосферу и кислород, представляющий собой «отход» фотосинтеза.

Наиболее простая форма сахара, образующегося при фотосинтезе, — глюкоза. Каждая молекула глюкозы состоит из 24 атомов: 6 атомов углерода (С), 12 атомов водорода (Н) и 6 атомов кислорода (О).

Весь ход процесса фотосинтеза можно представить следующей упрощенной химической формулой:

6С0₂ + 6Н₂0 + Энергия света → С₆Н₁₂0₆ + 60₂, или

Углекислота + Вода + Энергия света → Глюкоза + Кислород.

Таким образом, из 6 молекул углекислого газа и 6 молекул воды образуются 1 молекула глюкозы и 6 молекул кислорода. Из 6 молекул углекислого газа в атмосферу возвращаются 6 молекул кислорода, причем потраченная на это энергия не теряется, а «консервируется» в глюкозе.

Что же происходит далее с глюкозой, образовавшейся в результате фотосинтеза? Уже через сутки она преобразуется в более сложные сахара и наконец в крахмал. Ночью, когда процесс фотосинтеза прекращается, крахмал частично снова превращается в глюкозу, которая переходит из листьев в другие части растения, где используется для образования различных соединений. Одни из них (например, целлюлоза и пектин) формируют опорные части растений, накапливаясь преимущественно в клеточных стенках, другие откладываются «про запас». Таким резервным веществом является, например, крахмал в клубнях картофеля и зернах хлебных злаков, масло в семенах, сахар (сахароза) в сахарной свекле и сахарном тростнике. Глюкоза служит также основным сырьем для образования аминокислот, белков, витаминов и других соединений. Во многих из них мы найдем азот и другие элементы, которые в виде солевых растворов всасываются корнями из почвы и распространяются по всему растению.

Растительноядные животные питаются травой, листьями, молодыми побегами и плодами растений. Хищники поедают растительноядных животных. Человек с давних пор сеял хлебные злаки в долине Нила, выращивал рис в странах Дальнего Востока, кукурузу в Америке. Микроорганизмы питаются плодами растений и их отмершими остатками. Кроме автотрофных микробов, все организмы, населяющие земной шар, потребляют пищу, которую создают из минеральных солей, воды и углекислого газа зеленые растения.

Нам уже известно, что углерод — один из важнейших биогенных элементов. Обычно он связан в соединениях, находящихся во всех клетках организма. Кроме того, мы встречаемся с ним и в атмосфере, где он входит в состав углекислого газа — важного сырья, используемого в процессе фотосинтеза. Связанный углерод содержат и такие горные породы, как известняк или доломит. Всех известных нам в природе углеродных соединений не меньше полумиллиона. Мы находим углерод в сырой нефти, подземных газах, минеральных водах, газообразных веществах, выделяемых вулканами. Но в природе углерод встречается и в чистом виде. Алмаз, самое твердое в природе вещество, — чистый кристаллический углерод. Каменный и древесный уголь, торф — все это формы углерода растительного происхождения.

При горении угля, торфа или древесины выделяется тепловая энергия. Это и есть та энергия, которая была «законсервирована» в соединениях углерода. При сгорании в присутствии кислорода эти соединения снова переходят в простые вещества — углекислый газ и воду, из которых они образовались.

Процесс «сгорания» происходит и в живых организмах. При этом освобождается энергия, используемая обычно в синтезе сложных соединений, например белков. «Сгорание» в клетках живых организмов идет значительно медленнее, чем при настоящем горении, так как, если бы тепловая энергия освободилась сразу в большом количестве, организм погиб бы. «Горение» осуществляется за счет постепенного разложения сложных сахаров на все более простые соединения, вплоть до конечных продуктов — воды и углекислого газа, уходящего в атмосферу. Огромную роль в этом процессе играют ферменты. При постепенном разложении сахаров скрытая в них энергия освобождается понемногу и клетки имеют возможность расходовать ее очень экономно, сообразно с потребностью организма.

Происходящий в живых клетках процесс разложения сложных сахаров на более простые соединения называется диссимиляцией. Если диссимиляция происходит при достаточном доступе кислорода, мы говорим о дыхании.

Другой пример диссимиляции — брожение, при котором клетка лишена достаточного количества кислорода. При спиртовом брожении образуется спирт, при молочнокислом — молочная кислота.

«Приверженцы» фотосинтеза находятся и среди микробов. Кроме зеленых водорослей, ассимилирующих углекислый газ подобно высшим растениям, сюда относятся еще и сине-зеленые водоросли. Это очень непритязательные микроорганизмы, которые не требуют для своего питания никаких органических соединений. Нередко их находят в толще известковых и других горных пород. В 1883 году на острове Кракатау, между Суматрой и Явой, произошло извержение вулкана, уничтожившее 36 000 человек и все живое на острове. Сине-зеленые водоросли были первыми живыми организмами, вновь появившимися здесь после грозной катастрофы.

Большая часть автотрофных микроорганизмов получает энергию, освобождающуюся в процессе химических реакций между некоторыми неорганическими соединениями. Особую группу составляют пурпурные и зеленые серобактерии, имеющие в клетках пигменты, которые напоминают по своим свойствам хлорофилл. В этих бактериях на свету осуществляется фотосинтез. В других серных бактериях, не имеющих красящих веществ, протекает лишь хемосинтез, при котором сероводород постепенно окисляется до серной кислоты.

При окислении сероводорода и превращении его в серную кислоту освобождается энергия, используемая серобактериями для синтеза сахаров. Нередко процесс окисления прекращается в начальных фазах, и тогда в клетках бактерий откладывается сера. В Черном море, содержащем огромное количество сероводорода, на глубине около 2000 м живут серобактерии, которые окисляют сероводород, препятствуя его проникновению в верхние слои, где этот газ сделал бы невозможным существование морских животных.