Bioloogia kursus gümnaasiumiõpilastele

2. Aine- ja energiavahetus ning aineringed

Aine- ja energiavahetus ehk metabolism tähistab organismis aset leidvaid sünteesi- ja lagundamisprotsesse. Metabolism on kõikide elusorganismide rakkudes toimuvate keemiliste reaktsioonide, mille osalusel toimuvad elusrakkudes keemilise energia protsessid, tulemus. Terves organismis on sünteesi- ja lagundamisprotsessid omavahel tasakaalus. Oluline komponent metabolismis on vesi.

Elusorganismides toimib suunatud energivoog, mis tähendab väljastpoolt tulevat päikeseenergiat, mis organismides on tihedalt aineringetega, milles toimub energia muundumine ühest liigist teise ja hajumine soojusena.

Universaalseks energirikkaks ühendiks on ATP (adenosiintrifosfaat), mis võimaldab organismidel liikuda, hingata, paljuneda, kasvada, areneda, reageerida keskkonnale jne. Makroenergiliseks ehk energiarikkaks teeb ATP molekuli iseärasus, mille puhul kolmanda fosfaatrühma liitmisel ADP-le salvestub ATP molekuli suur hulk energiat (30 kJ/mol).

ATP

Aineringe on ökosüsteemis (ja biosfääris) toimuv keemiliste elementide tsükliline liikumine läbi lagundamis- ja sünteesiprotsesside orgaaniliste ühendite koosseisust anorgaaniliste ühendite koosseisu ja tagasi.

Aineringe liikumapanevaks jõuks on kõik organismid, kuivõrd enamik keemilisi reaktsioone ökosüsteemide aineringes toimub ensümaatiliselt, seega elusorganismide toimel. Peamisteks energiaallikateks on seejuures päikesekiirgus ja keemiliste sidemete energia.

Ainevahetuse skeem

Biosfääri tähtsaimad aineringed on bioloogiliste makroelementide ringed vastavalt makroelemendile, mis osaleb ringluses (O, C, H, N, P, S + H₂O):

hapnikuringe,
süsinikuringe,
veeringe,
lämmastikuringe,
fosforiringe,
väävliringe.

NB! Klõpsa tabelis pildile, et näha seda suuremalt!

Hapnikuringe	Hapnikuringe on hapniku liikumine anorgaanilistest ühenditest elusorganismide orgaanilistesse ühenditesse ja tagasi, samuti elusorganismide poolt vahendatud hapniku liikumine anorgaaniliste ühendite vahel. Vaba hapnik Maa atmosfääris on fütoplanktoni ja taimede elutegevuse tulemus: vee fotolüütilisel lagunemisel fotosünteesis eraldub vesinik, mis seondub süsinikuga, ja hapnik, mis jääb vabaks. Aeroobsetes organismides läheb hapnik taas rakuhingamise käigus veemolekuli koostisse. Hapniku ja süsihappegaasi sisalduse muutused atmosfääris on omavahel seotud, sest mõlemad osalevad peaaegu fikseeritud vahekorras nii fotosünteesi kui hingamise protsessides. Kuna aga hapnikku on atmosfääris süsihappegaasiga võrreldes väga palju rohkem, siis on ka inimtegevusest tingitud hapnikusisalduse suhteline muutumine süsihappegaasisisalduse vastava muutumisega võrreldes tühine.
Süsinikuringe	Süsinikuringe on süsiniku liikumine ökosüsteemis erinevate ökosüsteemi komponentide vahel (atmosfäär, produtsendid, konsumendid, lagundajad, varis, huumus). Süsiniku koguhulk suletud ökosüsteemis seejuures ei muutu. Süsinikuringe tähtsad protsessid on fotosüntees ja hingamine. Tasakaalus (suletud) ökosüsteemis on kogu fotosüntees võrdne kogu hingamisega. Süsinikuringe toimub nii aeroobses kui ka anaeroobses keskkonnas. Ökosüsteemi süsinikuringe on avatud ehk mitte tasakaalus, kui süsinikku lisandub aineringesse ringevälistest allikatest (näiteks fossiilkütuste põletamisel), või kui süsinikühendeid väljub aineringest organismidele kättesaamatus vormis (nt orgaaniliste setete või turba moodustumisel). Video https://www.youtube.com/watch?v=_dYkByQ9Kmg
Veeringe	Veeringe on Maa vee järjepidev liikumine maapinnal, selle kohal ja all. Ringlemise käigus võib muutuda vee agregaatolek. Veeringe käivitajaks on Päike, mis soojendab ookeanide vett, kuni see hakkab aurustuma. Tõusvad õhuvoolud kannavad veeauru atmosfääri, kus see kõrguse kasvades hakkab jahtuma kuni kondenseerumiseni, mille tagajärjel moodustuvad pilved. Õhuvoolude mõjul hakkavad pilved Maal liikuma, mis ühinedes üksteisega suurenevad, kuni küllastumisel hakkavad Maa raskusjõu mõjul sademetena maha langema. Osa sademeid langeb lumena ja teatud kohtades (enamasti pooluste alad) võivad akumuleerides moodustuda liustikud ja mandrijää, kus külmunud vesi võib püsida tuhandeid aastaid. Soojematel aladel lumi enamasti kevade saabudes sulab ja hakkab raskusjõu mõjul sulaveena liikuma. Enamik sademeid voolab tagasi ookeanidesse või moodustab maapinnal pindmise äravoolu. Osa äravoolavast veest jõuab jõgedesse, teine osa aga imendub maapinda, kust võib jõuda järvedesse või põhjaveekihti. Maapinnalähedane vesi rikastab sageli pinnaveekogusid või jõuab allikatena maapinnale, kus moodustab jällegi pindmise äravoolu. Kuna suur osa veest aurustub ookeanidelt ja langeb sinna ka tagasi, nimetatakse seda väikeseks veeringeks. Suure veeringe moodustab aga ookeanidelt aurunud veehulk, mis jõuab maismaale. Video https://www.youtube.com/watch?v=jFjI6y46QRk
Lämmastikuringe	Lämmastikuringe on lämmastiku ja tema ühendite tsükliline liikumine eluta ja eluslooduse elementide vahel ökosüsteemis. Põhiline osa (umbes 78%) maakera atmosfäärist koosneb lämmastikust. Atmosfäärne lämmastik on bioloogiliselt piiratud kasutusega, põhjustades lämmastiku vajakajäämist erinevates ökosüsteemides. Lämmastiku kättesaadavus mõjutab ökosüsteemide võtmeprotsesse, hõlmates primaarproduktsiooni ja lagunemist. Inimtegevus, nagu fossiilkütuste põletamine, lämmastikväetiste kasutamine ja lämmastiku eraldumine heitvette, on suurel määral aidanud kaasa lämmastiku dünaamilisele ringlemisele. Bioloogiliselt kasutatavad lämmastiku vormid on lämmastiku anorgaanilised redutseerunud ühendid (ammoniaak NH₃, ammoonium NH₄⁺), anorgaanilised oksüdeerunud ühendid (NO_x, HNO₃, N₂O ja NO₃^–) ning orgaanilised ühendid (uurea, amiinid, proteiinid jt). Õhus on vaba N₂ (lämmastik) kättesaadav vähestele bakteritele (näiteks mügarbakterid), kes on võimelised redutseerima lämmastikku ammooniumiks. Taimed ja suur osa mikroobe toituvad mineraalsetest lämmastikuühenditest (põhiliselt nitraatidest), orgaanilise aine lagunemisel vabanevaid ammoniaaki ja ammooniumiühendeid kasutavad taimed ja mikroorganismid. Seda orgaanilise aine lagundamise protsessi nimetatakse ammonifikatsiooniks. Suur osa orgaanilisi lämmastikuühendeid allub nitrifikatsioonile, oksüdeerudes nitraatideni, mis on kergesti taimede poolt omastatavad. Suure kontsentratsiooni korral nitraadid bioakumuleeruvad ja võivad saada ohtlikuks loomorganismidele. Video https://www.youtube.com/watch?v=DsCMYyQ0NWU
Fosforiringe	Fosfaadid liiguvad läbi taimede ja loomade kiiresti. Seevastu protsess, millega fosfaadid liiguvad mulda või ookeani, on väga aeglane, muutes fosforiringe üheks kõige aeglasemaks biogeokeemiliseks ringeks. Fosforit ei ole üldjuhul võimalik leida gaasilisel kujul. Fosfor võib esineda vaid eritingimustes fosfiinina (PH₃). Tavaliselt käib ringlus läbi vee, mulla ja setete. Fosfor on tavaliselt piirav toitaine, mida võib leida jõgedest, järvedest ja mujalt mageveekeskkonnast. Kivimite ja setete kuludes aja jooksul fosfaadid vabanevad. Atmosfääris esineb fosfor peamiselt väikeste tolmuosakestena. Fosfaadid murenevad mulda kivimitest. Vihmavesi peseb maismaa- süsteemidest fosfaate välja, aga seda kadu tasakaalustavad murenemise tagajärjel tekkivad fosfaadid. Mullas on fosfaat absorbeerunud savi pinnale ja orgaanilise aine osakestele ning on sel viisil seotud. Taimed lahustavad fosfaadi ioniseeritud vorme. Taimesööjad omastavad fosforit taimedest toitudes ja lihasööjad omastavad fosforit, toitudes taimesööjatest. Taimesööjad ja lihasööjad eritavad fosforit jäätmena uriinis ja roojas. Fosfor vabaneb tagasi mulda taimse või loomse päritoluga ainena, mis laguneb, ja ringe kordub uuesti. Video https://www.youtube.com/watch?v=tm2LG5ScT1g
Väävliringe	Väävliringe on biogeokeemiline tsükkel, kus väävel ja tema ühendid ringlevad eluta looduse ja eluslooduse vahel, kusjuures muutub väävli oksüdatsiooniaste. Väävliringe olulisimad etapid on järgmised: orgaanilise väävli muutumine anorgaaniliseks ehk vesiniksulfiidiks (H₂S); sulfiidi, elementaarväävli (S) ja teiste väävliühendite oksüdeerumine sulfaatideni (SO₄^2-); sulfaatide redutseerimine sulfiidideks; mikroobide kaasabil väävliühendite kontsentreerumine ja inkorporeerimine orgaaniliseks väävliks. Inimese mõju väävliringele avaldub peamiselt vääveldioksiidi (SO₂) emissioonil vabrikutest ja sisepõlemismootorist. Vääveldioksiidid võivad sademete koostisosana ka maapinnale jõuda, kus see võib oksüdeeruda sulfaatideks (olles toksiline mõningatele taimedele). Samuti võib vääveldioksiid atmosfääris redutseeruda sulfiidiks või oksüdeeruda sulfaatideks, mis veega (sademetega) reageerides moodustab väävelhappe, mis on üks happesademete peakomponente. Video https://www.youtube.com/watch?v=bjlhuLabIzw NB! Kahjuks ei ole eestikeelseid subtiitreid

Täiendav info

Aine- ja energiavahetus https://www.taskutark.ee/aine-ja-energiavahetus/

Vaata videoid
Aineringed https://www.youtube.com/watch?v=ccWUDlKC3dE
Aine- ja energiavahetus (metabolism) https://www.youtube.com/watch?v=ST1UWnenOo0
ATP https://www.youtube.com/watch?v=YQfWiDlFEcA&t=50s

Videote subtiitrite tõlkimine eesti keelde
1. Vajuta seadete hammasrattale
2. Vali seadetest “Subtiitrid” (subtitles)
3. Vali menüüst “Automaatne tõlkimine”
4. Vali keeleks “Estonian”

Oluline info, mida meelde jätta

Aineringe liikumapanevaks jõuks on kõik organismid, kuivõrd enamik keemilisi reaktsioone ökosüsteemide aineringes toimub ensümaatiliselt, seega elusorganismide toimel.

Peamisteks energiaallikateks on seejuures päikesekiirgus ja keemiliste sidemete energia.

Biosfääri tähtsaimad aineringed on bioloogiliste makroelementide ringed – süsiniku-, lämmastiku-, fosfori-, hapniku- ja väävliringe. Samuti veeringe.

Kõik organismid ökosüsteemis nii sünteesivad keerukamaid orgaanilisi ühendeid, kasutades seejuures anorgaanilisi aineid, kui ka lagundavad orgaanilisi ühendeid lihtsamaiks, sealhulgas anorgaanilisteks aineteks. Seejuures esineb funktsioonide jaotumine organismirühmade vahel, kuivõrd ükski organism ei suuda läbi viia kõiki aineringe reaktsioone. Organismirühmadest on seejuures kõige multifunktsionaalsemad bakterid ning suhteliselt vähemaid aineringe protsesse suudavad läbi viia taimed ja loomad.

Ökosüsteemide aineringes on tähtis koht süsinikuringe initsiaatoriteks autotroofsed organismid (osa baktereid ja enamik taimi), kes suudavad anorgaanilistest süsinikuühenditest valmistada orgaanilisi aineid, mida seejärel heterotroofid keerukamateks või lihtsamateks muundavad.

Surnud heterotroofsed ja autotroofsed organismid muundatakse lagundavate organismide elukäigus tagasi mineraalaineiks, veeks jt aineteks, mida kasutavad nii autotroofid kui ka heterotroofid oma elutegevuses.