Распад сложных органических веществ происходит. Глава VI. Обмен веществ и энергии. Питание. Образование и расход энергии

9. Дайте определение понятиям : гетеротрофы, фотолиз,метаболизм

10.

В чем заключается значение фотосинтеза?

I . Выберите один правильный ответ из четырех возможных

1.Синтез сложных веществ из простых происходит в процессе:

а) анаболизма; в) катаболизма;

б) метаболизма г) симбиоза

2.Освобождение энергии происходит в процессе:

а) гидролиза в) метаболизма

б)анаболизма; г) катаболизма;

3. Процесс фотосинтеза проходит

а) в ядре в) в митохондриях
б) в цитоплазме г) в хлоропластах
4. Углеводы образуются в процессе

а) биосинтеза; в) фотосинтеза

б) энергетического обмена; г) брожжения

5. Конечным основным продуктом фотосинтеза является:

а) углеводы в)вода и кислород
б) жиры г) вода и углекислый газ

6. Конечные продукты кислородного расщепления органических веществ – это:

а) АТФ и вода в)вода и кислород
б) жиры г) вода и углекислый газ

7. В ходе биосинтеза образуются

а) белки в) углеводы
б) жиры г) нуклеиновые кислоты

8 . Установите соответствие между биологическим процессом и видом обмена, к которому он относится . Заполните таблицу ответов

Вид обмена веществ Процесс 1.энергетический а) расщепление углеводов до углекислого газа

2.пластический б) синтез сложных веществ из простых

в) синтез белков из аминокислот

г)расщепление сложных веществ до простых

д) синтез углеводов из углекислого газа

9. Дайте определение понятиям : автотрофы, гликолиз, обмен веществ

10. Дайте полный развернутый ответ на вопрос

В чем заключается роль автотрофов в природе?

Обмен веществ и энергии, или метаболизм ,— совокупность химических и физических превращений веществ и энергии, происходящих в живом организме и обеспечивающих его жизнедеятельность. Обмен веществ и энергии составляет единое целое и подчиняется закону сохранения материи и энергии.

Обмен веществ складывается из процессов ассимиляции и диссимиляции. Ассимиляция (анаболизм) — процесс усвоения организмом веществ, при котором расходуется энергия. Диссимиляция (катаболизм) — процесс распада сложных органических соединений, протекающий с высвобождением энергии.

Единственным источником энергии для организма человека является окисление органических веществ, поступающих с пищей. При расщеплении пищевых продуктов до конечных элементов — углекислого газа и воды,— выделяется энергия, часть которой переходит в механическую работу, выполняемую мышцами, другая часть используется для синтеза более сложных соединений или накапливается в специальных макроэргических соединениях.

Макроэргическими соединениями называют вещества, расщепление которых сопровождается выделением большого количества энергии. В организме человека роль макроэргических соединений выполняют аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) и креатинфосфат (КФ).

ОБМЕН БЕЛКОВ .

Белками (протеинами) называют высокомолекулярные соединения, построенные из аминокислот. Функции:

Структурная, или пластическая, функция состоит в том, что белки являются главной составной частью всех клеток и межклеточных структур. Каталитическая, или ферментная, функция белков заключается в их способности ускорять биохимические реакции в организме.

Защитная функция белков проявляется в образовании иммунных тел (антител) при поступлении в организм чужеродного белка (например, бактерий). Кроме того, белки связывают токсины и яды, попадающие в организм, и обеспечивают свертывание крови и остановку кровотечения при ранениях.

Транспортная функция заключается в переносе многих веществ. Важнейшей функцией белков является передача наследственных свойств , в которой ведущую роль играют нуклеопротеиды. Различают два основных типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК).

Регуляторная функция белков направлена на поддержание биологических констант в организме.

Энергетическая роль белков состоит в обеспечении энергией всех жизненных процессов в организме животных и человека. При окислении 1 г белка в среднем освобождается энергия, равная 16,7 кДж (4,0 ккал).

Потребность в белках. В организме постоянно происходит распад и синтез белков. Единственным источником синтеза нового белка являются белки пищи. В пищеварительном тракте белки расщепляются ферментами до аминокислот и в тонком кишечнике происходит их всасывание. Из аминокислот и простейших пептидов клетки синтезируют собственный белок, который характерен только для данного организма. Белки не могут быть заменены другими пищевыми веществами, так как их синтез в организме возможен только из аминокислот. Вместе с тем белок может замещать собой жиры и углеводы, т. е. использоваться для синтеза этих соединений.

Биологическая ценность белков. Некоторые аминокислоты не могут синтезироваться в организме человека и должны обязательно поступать с пищей в готовом виде. Эти аминокислоты принято называть незаменимыми , или жизненно-необходимыми. К ним относятся: валин, метионин, треонин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, триптофан и лизин, а у детей еще аргинин и гистидин. Недостаток незаменимых кислот в пище приводит к нарушениям белкового обмена в организме. Заменимые аминокислоты в основном синтезируются в организме.

Белки, содержащие весь необходимый набор аминокислот, называют биологически полноценными . Наиболее высока биологическая ценность белков молока, яиц, рыбы, мяса. Биологически неполноценными называют белки, в составе которых отсутствует хотя бы одна аминокислота, которая не может быть синтезирована в организме. Неполноценными белками являются белки кукурузы, пшеницы, ячменя.

Азотистый баланс. Азотистым балансом называют разность между количеством азота, содержащегося в пище человека, и его уровнем в выделениях.

Азотистое равновесие — состояние, при котором количество выведенного азота равно количеству поступившего в организм. Азотистое равновесие наблюдается у здорового взрослого человека.

Положительный азотистый баланс — состояние, при котором количество азота в выделениях организма значительно меньше, чем содержание его в пище, то есть наблюдается задержка азота в организме. Положительный азотистый баланс отмечается у детей в связи с усиленным ростом, у женщин во время беременности, при усиленной спортивной тренировке, приводящей к увеличению мышечной ткани, при заживлении массивных ран или выздоровлении после тяжелых заболеваний.

Азотистый дефицит (отрицательный азотистый баланс) отмечается тогда, когда количество выделяющегося азота больше содержания его в пище, поступающей в организм. Отрицательный азотистый баланс наблюдается при белковом голодании, лихорадочных состояниях, нарушениях нейроэндокринной регуляции белкового обмена.

Распад белка и синтез мочевины. Важнейшими азотистыми продуктами распада белков, которые выделяются с мочой и потом, являются мочевина, мочевая кислота и аммиак.

ОБМЕН ЖИРОВ .

Жиры делят на простые липиды (нейтральные жиры, воски), сложные липиды (фосфолипиды, гликолипиды, сульфолипиды) и стероиды (холестерин и др.). Основная масса липидов представлена в организме человека нейтральными жирами. Нейтральные жиры пищи человека являются важным источником энергии. При окислении 1 г жира выделяется 37,7 кДж (9,0 ккал) энергии.

Суточная потребность взрослого человека в нейтральном жире составляет 70—80 г, детей 3—10 лет — 26—30 г.

Нейтральные жиры в энергетическом отношении могут быть заменены углеводами. Однако есть ненасыщенные жирные кислоты — линолевая, линоленовая и арахидоновая, которые должны обязательно содержаться в пищевом рационе человека, их называют не заменимыми жирными кислотами .

Нейтральные жиры, входящие в состав пищи и тканей человека, представлены главным образом триглицеридами, содержащими жирные кислоты — пальмитиновую, стеариновую, олеиновую, линолевую и линоленовую.

В обмене жиров важная роль принадлежит печени. Печень — основной орган, в котором происходит образование кетоновых тел (бета-оксимасляная, ацетоуксусная кислоты, ацетон). Кетоновые тела используются как источник энергии.

Фосфо- и гликолипиды входят в состав всех клеток, но главным образом в состав нервных клеток. Печень является практически единственным органом, поддерживающим уровень фосфолипидов в крови. Холестерин и другие стероиды могут поступать с пищей или синтезироваться в организме. Основным местом синтеза холестерина является печень.

В жировой ткани нейтральный жир депонируется виде триглицеридов.

Образование жиров из углеводов. Избыточное употребление углеводов с пищей приводит к отложению жира в организме. В норме у человека 25—30% углеводов пищи превращается в жиры.

Образование жиров из белков. Белки являются пластическим материалом. Только при чрезвычайных обстоятельствах белки используются для энергетических целей. Превращение белка в жирные кислоты происходит, вероятнее всего, через образование углеводов.

ОБМЕН УГЛЕВОДОВ .

Биологическая роль углеводов для организма человека определяется прежде всего их энергетической функцией. Энергетическая ценность 1 г углеводов составляет 16,7 кДж (4,0 ккал). Углеводы являются непосредственным источником энергии для всех клеток организма, выполняют пластическую и опорную функции.

Суточная потребность взрослого человека в углеводах составляет около 0,5 кг . Основная часть их (около 70%) окисляется в тканях до воды и углекислого газа. Около 25—28% пищевой глюкозы превращается в жир и только 2—5% ее синтезируется в гликоген — резервный углевод организма.

Единственной формой углеводов, которая может всасываться, являются моносахара. Они всасываются главным образом в тонком кишечнике, током крови переносятся в печень и к тканям. В печени из глюкозы синтезируется гликоген. Этот процесс носит название гликогенеза . Гликоген может распадаться до глюкозы. Это явление называют гликогенолизом . В печени возможно новообразование углеводов из продуктов их распада (пировиноградной или молочной кислоты), а также из продуктов распада жиров и белков (кетокислот), что обозначается как гликонеогенез . Гликогенез, гликогенолиз и гликонеогенез — тесно взаимосвязанные и протекающие в печени процессы, обеспечивающие оптимальный уровень сахара крови.

В мышцах, так же как и в печени, синтезируется гликоген. Распад гликогена является одним из источников энергии мышечного сокращения. При распаде мышечного гликогена процесс идет до образования пировиноградной и молочной кислот. Этот процесс называют гликолизом . В фазе отдыха из молочной кислоты в мышечной ткани происходит ре-синтез гликогена.

Головной мозг содержит небольшие запасы углеводов и нуждается в постоянном поступлении глюкозы. Глюкоза в тканях мозга преимущественно окисляется, а небольшая часть ее превращается в молочную кислоту. Энергетические расходы мозга покрываются исключительно за счет углеводов. Снижение поступления в мозг глюкозы сопровождается изменением обменных процессов в нервной ткани и нарушением функций мозга.

Образование углеводов из белков и жиров (гликонеогенез). В результате превращения аминокислот образуется пировиноградная кислота, при окислении жирных кислот — ацетилкоэнзим А, который может превращаться в пировиноградную кислоту — предшественник глюкозы. Это наиболее важный общий путь биосинтеза углеводов.

Между двумя основными источниками энергии — углеводами и жирами — существует тесная физиологическая взаимосвязь. Повышение содержания глюкозы в крови увеличивает биосинтез триглицеридов и уменьшает распад жиров в жировой ткани. В кровь меньше поступает свободных жирных кислот. Если возникает гипогликемия, то процесс синтеза триглицеридов тормозится, ускоряется распад жиров и в кровь в большом количестве поступают свободные жирные кислоты.

ВОДНО-СОЛЕВОЙ ОБМЕН.

Все химические и физико-химические процессы, протекающие в организме, осуществляются в водной среде. Вода выполняет в организме следующие важнейшие функции : 1) служит растворителем продуктов питания и обмена; 2) переносит растворенные в ней вещества; 3) ослабляет трение между соприкасающимися поверхностями в теле человека; 4) участвует в регуляции температуры тела за счет большой теплопроводности, большой теплоты испарения.

Общее содержание воды в организме взрослого человека составляет 50 —60% от его массы, то есть достигает 40—45 л .

Принято делить воду на внутриклеточную, интрацеллюлярную (72%) и внеклеточную, экстрацеллюлярную (28%). Внеклеточная вода размещена внутри сосудистого русла (в составе крови, лимфы, цереброспинальной жидкости) и в межклеточном пространстве.

Вода поступает в организм через пищеварительный тракт в виде жидкости или воды, содержащейся в плотных пищевых продуктах. Некоторая часть воды образуется в самом организме в процессе обмена веществ.

При избытке в организме воды наблюдается общая гипергидратация (водное отравление), при недостатке воды нарушается метаболизм. Потеря 10% воды приводит к состоянию дегидратации (обезвоживание), при потере 20% воды наступает смерть.

Вместе с водой в организм поступают и минеральные вещества (соли). Около 4% сухой массы пищи должны составлять минеральные соединения.

Важной функцией электролитов является участие их в ферментативных реакциях.

Натрий обеспечивает постоянство осмотического давления внеклеточной жидкости, участвует в создании биоэлектрического мембранного потенциала, в регуляции кислотно-основного состояния.

Калий обеспечивает осмотическое давление внутриклеточной жидкости, стимулирует образование ацетилхолина. Недостаток ионов калия тормозит анаболические процессы в организме.

Хлор является также важнейшим анионом внеклеточной жидкости, обеспечивая постоянство осмотического давления.

Кальций и фосфор находятся в основном в костной ткани (свыше 90%). Содержание кальция в плазме и крови является одной из биологических констант, так как даже незначительные сдвиги в уровне этого иона могут приводить к тяжелейшим последствиям для организма. Снижение уровня кальция в крови вызывает непроизвольные сокращения мышц, судороги, и вследствие остановки дыхания наступает смерть. Повышение содержания кальция в крови сопровождается уменьшением возбудимости нервной и мышечной тканей, появлением парезов, параличей, образованием почечных камней. Кальций необходим для построения костей, поэтому он должен поступать в достаточном количестве в организм с пищей.

Фосфор участвует в обмене многих веществ, так как входит в состав макроэргических соединений (например, АТФ). Большое значение имеет отложение фосфора в костях.

Железо входит в состав гемоглобина, миоглобина, ответственных за тканевое дыхание, а также в состав ферментов, участвующих в окислительно-восстановительных реакциях. Недостаточное поступление в организм железа нарушает синтез гемоглобина. Уменьшение синтеза гемоглобина ведет к анемии (малокровию). Суточная потребность в железе взрослого человека составляет 10—30 мкг .

Йод в организме содержится в небольшом количестве. Однако его значение велико. Это связано с тем, что йод входит в состав гормонов щитовидной железы, оказывающих выраженное влияние на все обменные процессы, рост и развитие организма.

Образование и расход энергии.

Энергия, освобождающаяся при распаде органических веществ, накапливается в форме АТФ, количество которой в тканях организма поддерживается на высоком уровне. АТФ содержится в каждой клетке организма. Наибольшее количество ее обнаруживается в скелетных мышцах — 0,2—0,5%. Любая деятельность клетки всегда точно совпадает по времени с распадом АТФ.

Разрушившиеся молекулы АТФ должны восстановиться. Это происходит за счет энергии, которая освобождается при распаде углеводов и других веществ.

О количестве затраченной организмом энергии можно судить по количеству тепла, которое он отдает во внешнюю среду.

Методы измерения затрат энергии (прямая и непрямая калориметрия).

Дыхательный коэффициент.

Прямая калориметрия основана на непосредственном определении тепла, высвобождающегося в процессе жизнедеятельности организма. Человека помещают в специальную калориметрическую камеру, в которой учитывают все количество тепла, отдаваемого телом человека. Тепло, выделяемое организмом, поглощается водой, протекающей по системе труб, проложенных между стенками камеры. Метод очень громоздок, применение его возможно в специальных научных учреждениях. Вследствие этого в практической медицине широко используют метод непрямой калориметрии. Сущность этого метода заключается в том, что сначала определяют объем легочной вентиляции, а затем — количество поглощенного кислорода и выделенного углекислого газа. Отношение объема выделенного углекислого газа к объему поглощенного кислорода носит название дыхательного коэффициента . По величине дыхательного коэффициента можно судить о характере окисляемых веществ в организме.

При окислении углеводов дыхательный коэффициент равен 1 так как для полного окисления 1 молекулы глюкозы до углекислого газа и воды потребуется 6 молекул кислорода, при этом выделяется 6 молекул углекислого газа:

С 6 Н12О 6 +60 2 =6С0 2 +6Н 2 0

Дыхательный коэффициент при окислении белка равен 0,8, при окислении жиров — 0,7.

Определение расхода энергии по газообмену. Количество тепла, высвобождающегося в организме при потреблении 1 л кислорода — калорический эквивалент кислорода — зависит от того, на окислении каких веществ используется кислород. Калорический эквивалент кислорода при окислении углеводов равен 21,13 кДж (5,05 ккал), белков — 20,1 кДж (4,8 ккал), жиров — 19,62 кДж (4,686 ккал).

Расход энергии у человека определяют следующим образом. Человек дышит в течение 5 мин, через мундштук (загубник), взятый в рот. Мундштук, соединенный с мешком из прорезиненной ткани, имеет клапаны. Они устроены так, что человек свободно вдыхает атмосферный воздух, а выдыхает воздух в мешок. С помощью газовых часов измеряют объем выдохнутого воздуха. По показателям газоанализатора определяют процентное содержание кислорода и углекислого газа во вдыхаемом и выдыхаемом человеком воздухе. Затем рассчитывают количество поглощенного кислорода и выделенного углекислого газа, а также дыхательный коэффициент. С помощью соответствующей таблицы по величине дыхательного коэффициента устанавливают калорический эквивалент кислорода и определяют расход энергии.

Основной обмен и его значение.

Основной обмен — минимальное количество энергии, необходимое для поддержания нормальной жизнедеятельности организма в состоянии полного покоя при исключении всех внутренних и внешних влияний, которые могли бы повысить уровень обменных процессов. Основной обмен веществ определяют утром натощак (через 12—14 ч после последнего приема пищи), в положении лежа на спине, при полном расслаблении мышц, в условиях температурного комфорта (18—20° С). Выражается основной обмен количеством энергии, выделенной организмом (кДж/сут).

В состоянии полного физического и психического покоя организм расходует энергию на: 1) постоянно совершающиеся химические процессы; 2) механическую работу, выполняемую отдельными органами (сердце, дыхательные мышцы, кровеносные сосуды, кишечник и др.); 3) постоянную деятельность железисто-секреторного аппарата.

Основной обмен веществ зависит от возраста, роста, массы тела, пола. Самый интенсивный основной обмен веществ в расчете на 1 кг массы тела отмечается у детей. С увеличением массы тела усиливается основной обмен веществ. Средняя величина основного обмена веществ у здорового человека равна приблизительно 4,2 кДж (1 ккал) в 1 ч на 1 кг массы тела .

По расходу энергии в состоянии покоя ткани организма неоднородны. Более активно расходуют энергию внутренние органы, менее активно — мышечная ткань.

Интенсивность основного обмена веществ в жировой ткани в 3 раза ниже, чем в остальной клеточной массе организма. Худые люди производят больше тепла на 1 кг массы тела, чем полные.

У женщин основной обмен веществ ниже, чем у мужчин. Это связано с тем, что у женщин меньше масса и поверхность тела. Согласно правилу Рубнера основной обмен веществ приблизительно пропорционален поверхности тела.

Отмечены сезонные колебания величины основного обмена веществ - повышение его весной и снижение зимой. Мышечная деятельность вызывает повышение обмена веществ пропорционально тяжести выполняемой работы.

К значительным изменениям основного обмена приводят нарушения функций органов и систем организма. При повышенной функции щитовидной железы, малярии, брюшном тифе, туберкулезе, сопровождающихся лихорадкой, основной обмен веществ усиливается.

Расход энергии при физической нагрузке.

При мышечной работе значительно увеличиваются энергетические затраты организма. Это увеличение энергетических затрат составляет рабочую прибавку, которая тем больше, чем интенсивнее работа.

По сравнению со сном при медленной ходьбе расход энергии увеличивается в 3 раза, а при беге на короткие дистанции во время соревнований — более чем в 40 раз.

При кратковременных нагрузках энергия расходуется за счет окисления углеводов. При длительных мышечных нагрузках в организме расщепляются преимущественно жиры (80% всей необходимой энергии). У тренированных спортсменов энергия мышечных сокращений обеспечивается исключительно за счет окисления жиров. У человека, занимающегося физическим трудом, энергетические затраты возрастают пропорционально интенсивности труда.

ПИТАНИЕ.

Восполнение энергетических затрат организма происходит за счет питательных веществ. В пище должны содержаться белки, углеводы, жиры, минеральные соли и витамины в небольших количествах и правильном соотношении. Усвояемость пищевых веществ зависит от индивидуальных особенностей и состояния организма, от количества и качества пищи, соотношения различных составных частей ее, способа приготовления. Растительные продукты усваиваются хуже, чем продукты животного происхождения, потому что в растительных продуктах содержится большее количество клетчатки.

Белковый режим питания способствует осуществлению процессов всасывания и усвояемости пищевых веществ. При преобладании в пище углеводов усвоение белков и жиров снижается. Замена растительных продуктов продуктами животного происхождения усиливает обменные процессы в организме. Если вместо растительных давать белки мясных или молочных продуктов, а вместо ржаного хлеба — пшеничный, то усвояемость продуктов питания значительно повышается.

Таким образом, чтобы обеспечить правильное питание человека, необходимо учитывать степень усвоения продуктов организмом. Кроме того, пища должна обязательно содержать все незаменимые (обязательные) питательные вещества: белки и незаменимые аминокислоты, витамины, высоконепредельные жирные кислоты, минеральные вещества и воду.

Основную массу пищи (75-80%) составляют углеводы и жиры.

Пищевой рацион - количество и состав продуктов питания, необходимых человеку в сутки. Он должен восполнять суточные энергетические затраты организма и включать в достаточном количестве все питательные вещества.

Для составления пищевых рационов необходимо знать содержание белков, жиров и углеводов в продуктах и их энергетическую ценность. Имея эти данные, можно составить научно обоснованных пищевой рацион для людей разного возраста, пола и рода занятий.

Режим питания и его физиологическое значение. Необходимо соблюдать определенный режим питания, правильно его организовать: постоянные часы приема пищи, соответствующие интервалы между ними, распределение суточного рациона в течение дня. Принимать пищу следует всегда в определенное время не реже 3 раз в сутки: завтрак, обед и ужин. Завтрак по энергетической ценности должен составлять около 30% от общего рациона, обед — 40—50%, а ужин — 20—25%. Рекомендуется ужинать за 3 ч до сна.

Правильное питание обеспечивает нормальное физическое развитие и психическую деятельность, повышает работоспособность, реактивность и устойчивость организма к влиянию окружающей среды.

Согласно учению И. П. Павлова об условных рефлексах, организм человека приспосабливается к определенному времени приема пищи: появляется аппетит и начинают выделяться пищеварительные соки. Правильные промежутки между приемами пищи обеспечивают чувство сытости в течение этого времени.

Трехкратный прием пищи в общем физиологичен. Однако предпочтительнее четырехразовое питание, при котором повышается усвоение пищевых веществ, в частности белков, не ощущается чувство голода в промежутках между отдельными приемами пищи и сохраняется хороший аппетит. В этом случае энергетическая ценность завтрака составляет 20%, обед — 35%, полдник—15%, ужин — 25%.

Рациональное питание. Питание считается рациональным, если полностью удовлетворяется потребность в пище в количественном и качественном отношении, возмещаются все энергетические затраты. Оно содействует правильному росту и развитию организма, увеличивает его сопротивляемость вредным воздействиям внешней среды, способствует развитию функциональных возможностей организма и повышает интенсивность труда. Рациональное питание предусматривает разработку пищевых рационов и режимов питания применительно к различным контингентам населения и условиям жизни.

Как уже указывалось, питание здорового человека строится на основании суточных пищевых рационов. Рацион и режим питания больного называются диетой. Каждая диета имеет определенные составные части пищевого рациона и характеризуется следующими признаками: 1) энергетической ценностью; 2) химическим составом; 3) физическими свойствами (объем, температура, консистенция); 4)режимом питания.

Регуляция обмена веществ и энергии.

Условнорефлекторные изменения обмена веществ и энергии наблюдаются у человека в предстартовых и предрабочих состояниях. У спортсменов до начала соревнования, а у рабочего перед работой отмечается повышение обмена веществ, температуры тела, увеличивается потребление кислорода и выделение углекислого газа. Можно вызвать условнорефлекторные изменения обмена веществ, энергетических и тепловых процессов у людей на словесный раздражитель.

Влияние нервной системы на обменные и энергетические процессы в организме осуществляется несколькими путями:

Непосредственное влияние нервной системы (через гипоталамус, эфферентные нервы) на ткани и органы;

Опосредованное влияние нервной системы через гипофиз (соматотропин) ;

Опосредованное влияние нервной системы через тропные гормоны гипофиза и периферические железы внутренней секреции;

Прямое влияниенервной системы (гипоталамус) на активность желез внутренней секреции и через них на обменные процессы в тканях и органах.

Основным отделом центральной нервной системы, который регулирует все виды обменных и энергетических процессов, является гипоталамус. Выраженное влияние на обменные процессы и теплообразование оказывают железы внутренней секреции. Гормоны коры надпочечников и щитовидной железы в больших количествах усиливают катаболизм, т. е. распад белков.

В организме ярко проявляется тесное взаимосвязанное влияние нервной и эндокринной систем на обменные и энергетические процессы. Так, возбуждение симпатической нервной системы не только оказывает прямое стимулирующее влияние на обменные процессы, но при этом увеличивается секреция гормонов щитовидной железы и надпочечников (тироксин и адреналин). За счет этого дополнительно усиливается обмен веществ и энергии. Кроме того, эти гормоны сами повышают тонус симпатического отдела нервной системы. Значительные изменения в метаболизме и теплообмене происходят при дефиците в организме гормонов желез внутренней секреции. Например, недостаток тироксина приводит к снижению основного обмена. Это связано с уменьшением потребления кислорода тканями и ослаблением теплообразования. В результате снижается температура тела.

Гормоны желез внутренней секреции участвуют в регуляции обмена веществ и энергии, изменяя проницаемость клеточных мембран (инсулин), активируя ферментные системы организма (адреналин, глюкагон и др.) и влияя на их биосинтез (глюкокортикоиды) .

Таким образом, регуляция обмена веществ и энергии осуществляется нервной и эндокринной системами, которые обеспечивают приспособление организма к меняющимся условиям его обитания.

Данное издание представляет собой ответы на вопросы экзамена по биологии в 9-м классе средней школы. Эти вопросы предлагаются Министерством образования РФ и опубликованы в «Вестнике образования», официальном издании министерства.

Вопросы в билетах объединены таким образом, что правильный развернутый ответ на оба вопроса любого из билетов позволяет оценить знания биологии в целом, а не какого-то одного из ее разделов. Большое внимание уделено таким общим биологическим проблемам, как эволюционный процесс, размножение животных и растительных организмов, роли разных групп живых организмов в биоценозах, проблема приспособления к условиям обитания и т.д.

В школьных учебниках, безусловно, можно найти ответы на все предлагаемые в билетах вопросы. Одной из стоявших перед авторами задач было облегчение этих поисков, объединение знаний, представленных в разных учебниках. Ответы на вопросы содержат материал, несколько выходящий за рамки школьной учебной программы, что позволит использовать их в средних учебных заведениях с существенно отличающимися друг от друга программами преподавания биологии. Кроме того, это позволит использовать их в дальнейшем для подготовки к выпускным экзаменам в школе и к вступительному экзамену по биологии в вузы.

Билет № 1

1. Обмен веществ и превращение энергии. Значение обмена веществ в жизни человека

Обмен веществ заключается в поступлении в организм из внешней среды различных веществ, усвоении и изменении этих веществ и в выделении образовавшихся продуктов распада. При осуществлении всех этих процессов наблюдается множество химических, механических, термических и электрических явлений, непрерывно происходит превращение энергии: химическая энергия сложных органических соединений при их расщеплении освобождается и превращается в тепловую, механическую, электрическую энергию. В организме освобождается преимущественно тепловая и механическая энергия. Электрической энергии освобождается очень мало, но она имеет важнейшее значение для функционирования нервной и мышечной систем. За счет освобождающейся энергии поддерживается постоянная температура тела у теплокровных животных и совершается внешняя работа. Освобождение энергии необходимо также для поддержания структур клеток и для синтеза сложных органических соединений.

Обмен веществ и превращения энергии неотделимы друг от друга. Процессы обмена веществ и энергии в живом организме протекают согласно единому закону – закону сохранения материи и энергии . В живом организме материя и энергия не создаются и не исчезают, происходит лишь их изменение, поглощение и выделение.

Обмен веществ в организме состоит из процессов ассимиляции (образования сложных веществ из простых) и диссимиляции (распада веществ). В процессе ассимиляции (или пластического обмена) образуются сложные органические вещества, которые входят в состав различных структур организма. В процессе диссимиляции (или энергетического обмена) происходит распад сложных органических веществ, превращение их в более простые. При этом выделяется энергия, необходимая для нормальной жизнедеятельности организма.

Обмен веществ в организме – это единый процесс, связывающий превращения различных веществ: так, например, белки могут превращаться в жиры и углеводы, а жиры – в углеводы.

Белки поступают в организм человека с пищей, в пищеварительном канале под воздействием ферментов расщепляются до аминокислот, которые в тонком кишечнике всасываются в кровь. Затем в клетках из аминокислот синтезируются собственные белки, свойственные данному организму. Однако часть аминокислот подвергается распаду, при этом выделяется энергия (при распаде 1 г белка выделяется 17,6 кДж, или 4,1 кКал, энергии).

Конечные продукты распада белков – это вода, углекислый газ, аммиак, мочевина и некоторые другие. Аммиак (в виде сульфата аммония) и мочевина выводятся из организма через мочевыделительную систему. Если функции почек нарушены, то эти азотсодержащие вещества будут накапливаться в крови и отравлять организм. Белки в организме не откладываются, «белковых депо» в организме нет. У взрослых людей синтез и распад белков уравновешены, а в детском возрасте преобладает синтез.

Функции белков в организме очень разнообразны: пластическая (в составе клеток примерно 50% белков), регуляторная (многие гормоны – белки), ферментативная (ферменты – это биологические катализаторы белковой природы, они значительно увеличивают скорость биохимических реакций), энергетическая (белки представляют собой энергетический резерв в организме, который используется при нехватке углеводов и жиров), транспортная (гемоглобин транспортирует кислород), сократительная (актин и миозин в мышечной ткани). Суточная потребность человека в белках составляет примерно 100–118 г.

Основной источник энергии в организме – это углеводы . При распаде 1 г глюкозы выделяется столько же энергии, сколько при распаде 1 г белков (17,6 кДж, или 4,1 кКал), однако процессы окисления углеводов происходят гораздо легче и быстрее, чем окисление белков. Полисахариды, поступившие в пищеварительный тракт с пищей, расщепляются до мономеров (глюкозы). Глюкоза всасывается в кровь. В крови концентрация глюкозы поддерживается на постоянном уровне 0,08–0,12% благодаря гормонам поджелудочной железы – инсулину и глюкагону. Инсулин превращает избыток глюкозы в гликоген («животный крахмал»), который откладывается в печени и мышцах. Глюкагон, наоборот, переводит гликоген в глюкозу, если ее содержание в крови уменьшается. При недостатке инсулина развивается тяжелая болезнь – диабет. Конечные продукты распада углеводов – вода и углекислый газ. Суточная потребность человека в углеводах составляет примерно 500 г.

Значение жиров для организма заключается в том, что они являются одним из важнейших источников энергии (при распаде 1 г жира выделяется 38,9 кДж, или 9,3 кКал, энергии). Кроме того, жиры выполняют в организме защитную, амортизационную, пластическую функции, являются источником воды. Жиры откладываются про запас (в основном – в подкожной клетчатке). В пищеварительном тракте жиры расщепляются до глицерина и жирных кислот. Всасываются жиры в лимфу. При диссимиляции окисляются до воды и углекислого газа. Суточная потребность человека в жирах составляет примерно 100 г.

Важную роль в организме играет и обмен воды и минеральных солей . Вода – это универсальный растворитель, все реакции в клетках идут в водной среде. За сутки человек теряет примерно 2,5 л воды (с мочой, потом, при дыхании), поэтому и суточная норма потребления воды равна 2,5–3 л. Минеральные соли необходимы для нормального функционирования всех систем организма. Они входят в состав всех тканей, участвуют в процессах пластического обмена, необходимы для синтеза гемоглобина, желудочного сока, для развития костно-мышечной и нервной систем и т.д. Наиболее велика потребность организма в фосфоре, кальции, натрии, хлоре, калии, однако в небольших количествах необходимы и многие другие элементы (медь, магний, железо, цинк, бром и т.д.).

Обмен веществ невозможен без участия витаминов . Это органические вещества, которые требуются организму в очень малых количествах (иногда – сотые доли миллиграмма в сутки). Витамины часто входят в состав ферментов как коферменты, способствуют действию гормонов, повышают сопротивляемость организма к неблагоприятным условиям среды. К наиболее важным витаминам относятся витамины С, А, Д, и группы В. При недостатке того или иного витамина развивается гиповитаминоз, при избытке – гипервитаминоз.

Пластический и энергетический обмены взаимосвязаны. В процессе обмена веществ непрерывно образуется энергия, которая так же непрерывно расходуется на совершение работы, обеспечение нервной деятельности, синтез веществ. Источник энергии для человека – это питательные вещества, поэтому важно, чтобы в пище были все необходимые для нормального обмена веществ органические и неорганические соединения. Образующиеся конечные продукты обмена выводятся из организма через легкие, кишечник, кожу и почки. Главная роль в выведении из организма продуктов распада принадлежит почкам, через которые удаляются мочевина, мочевая кислота, соли аммония, выводится избыток воды, солей.

Нормальный обмен веществ – основа здоровья. Нарушения обмена приводят к тяжелым заболеваниям (диабет, подагра, ожирение или, наоборот, потеря веса и т.д.).

2. Причины эволюции. Усложнение растений в процессе эволюции

В 1859 г. Ч.Дарвин в своем гениальном труде «Происхождение видов путем естественного отбора, или Сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь» писал, что основной движущей силой эволюции является естественный отбор на основе наследственной изменчивости.

К факторам естественного отбора в природе относятся интенсивность размножения (чем она выше, тем больше шансов у вида сохраниться и расширить границы обитания) и борьба за существование . Борьба за существование может быть внутривидовой – это наиболее напряженная форма борьбы, которая, однако, редко характеризуется проявлениями жестокости, – и межвидовой, которая может быть жестокой. Еще одна форма борьбы за существование – это борьба с неблагоприятными условиями среды. Дарвин писал, что естественный отбор – это переживание наиболее приспособленных видов. Через естественный отбор достигается приспособление.

В процессе эволюции растений происходили следующие события. В архейской эре (примерно 3,5 млрд лет назад) появились синезеленые водоросли, которые относят к цианобактериям: это были одноклеточные и многоклеточные прокариотические организмы, способные к фотосинтезу с выделением кислорода. Появление синезеленых водорослей привело к обогащению атмосферы Земли кислородом, необходимым для всех аэробных организмов.

В протерозойской эре (примерно 2,6 млрд лет назад) господствовали зеленые и красные водоросли. Водоросли – это низшие растения, тело которых не расчленено на отделы и не имеет специализированных тканей (такое тело называют талломом). Водоросли продолжали господствовать и в палеозое (возраст палеозоя примерно 570 млн лет), однако в силурийском периоде палеозоя появляются древнейшие высшие растения – риниофиты (или псилофиты). Эти растения уже имели побеги, но у них еще не было листьев и корней. Размножались они спорами и вели наземный или полуводный образ жизни. В девонском периоде палеозоя появляются моховидные и папоротникообразные (плауны, хвощи, папоротники), а господствуют на Земле риниофиты и водоросли. В девоне же появляется и новое царство – высшие споровые растения* – это грибы, моховидные и папоротникообразные. У мхов появляются стебли и листья (выросты стебля), однако корней еще нет; функцию корней выполняют ризоиды – нитевидные выросты на стебле. В цикле развития мхов преобладает гаплоидное поколение (гаметофит) – это листостебельное растение мха. Диплоидное поколение (спорофит) у них не способно к самостоятельному существованию и питается за счет гаметофита. У папоротникообразных появляются корни; в цикле их развития преобладает спорофит (листостебельное растение), а гаметофит представлен заростком – это маленькая сердцевидная пластинка у папоротников или клубенек у плаунов и хвощей. В древности это были огромные древовидные растения. Размножение у высших споровых невозможно без воды, т.к. оплодотворение яйцеклетки у них происходит в капельках воды, в которых подвижные мужские гаметы – сперматозоиды – движутся к яйцеклеткам. Именно поэтому вода для высших споровых – ограничивающий фактор: если не будет капельной воды, размножение этих растений станет невозможным.

В карбоне (каменноугольном периоде) появляются семенные папоротники, от которых в дальнейшем, как полагают ученые, произошли голосеменные растения. Господствуют на планете гигантские древовидные папоротникообразные (именно они и образовали залежи каменного угля), а риниофиты в этом периоде полностью вымирают.

В пермском периоде палеозоя появляются древние голосеменные растения. Господствуют в этом периоде семенные и травянистые папоротники, а древовидные папоротникообразные вымирают. Голосеменные растения относятся к семенным растениям. Размножаются они семенами, которые не защищены стенками плода (цветков и плодов у голосеменных растений нет). Появление этих растений было связано с поднятием суши и колебаниями температуры и влажности. Размножение этих растений уже не зависит от воды.

В мезозое (возраст мезозоя примерно 240 млн лет) различают три периода – триасовый, юрский и меловой. В мезозое появляются современные голосеменные (в триасе) и первые покрытосеменные (в юрском периоде). Господствующие растения – голосеменные. Древние голосеменные растения и папоротники в эту эру вымирают.

Появление покрытосеменных растений было связано с целым рядом ароморфозов. У этих растений появляется цветок – видоизмененный укороченный побег, приспособленный для образования спор и гамет. В цветке осуществляется опыление, оплодотворение, формируются зародыш и плод. Семена покрытосеменных растений защищены околоплодником – это способствует их сохранению и распространению. При половом размножении у этих растений происходит двойное оплодотворение: один спермий оплодотворяет яйцеклетку, а второй спермий – центральную клетку зародышевого мешка, в результате чего образуются зародыш и триплоидный эндосперм – питательная ткань зародыша. Оплодотворение происходит в зародышевом мешке, который развивается в семяпочке, защищенной стенками завязи.

Среди покрытосеменных растений есть и травы, и кустарники, и деревья. Вегетативные органы (корень, стебель, лист) имеют множество видоизменений. Эволюция покрытосеменных растений шла очень быстро. Для них характерна высокая эволюционная пластичность. Большую роль в их эволюции и расселении сыграли насекомые-опылители. Покрытосеменные – единственная группа растений, образующая сложные многоярусные сообщества. Это способствует более интенсивному использованию среды и успешному завоеванию новых территорий.

В кайнозойской эре (ее возраст примерно 67 млн лет) на Земле господствуют современные покрытосеменные и голосеменные растения, а высшие споровые растения подвергаются биологическому регрессу.

Билет № 2

1. Газообмен в легких и тканях

Между организмом и окружающей средой постоянно происходит газообмен: кислород, необходимый для диссимиляции, поступает в организм, а образующийся в результате окисления органических веществ углекислый газ выводится из организма. Поступление кислорода и выведение углекислого газа обеспечивается органами дыхания. Воздухоносные пути – это носовая полость, носоглотка, гортань, трахея, бронхи. Главный орган дыхания – легкие. Именно в альвеолах легких и совершается газообмен между атмосферным воздухом и кровью.

Альвеолы – это легочные пузырьки, стенки которых состоят из одного слоя эпителиальных клеток. Они густо оплетены капиллярами. Концентрация углекислого газа в крови выше, чем в воздухе, а концентрация кислорода – ниже, поэтому углекислый газ переходит из крови в альвеолы, а кислород – из альвеол в кровь. Процесс идет до тех пор, пока не наступит равновесие.

В крови кислород соединяется с гемоглобином эритроцитов – образуется оксигемоглобин. Кровь становится артериальной. Клетки организма непрерывно потребляют кислород. Поэтому кислород из крови переходит в клетки ткани, а оксигемоглобин превращается снова в гемоглобин. В митохондриях с использованием кислорода происходит окисление органических веществ (основной источник энергии в организме – это углеводы), выделяется энергия, которая идет на синтез АТФ – универсального аккумулятора энергии в клетках.

Углекислый газ из клеток поступает в кровь. Таким образом в тканях органов артериальная кровь превращается в венозную. Часть углекислого газа реагирует с гемоглобином с образованием карбгемоглобина, однако большая часть углекислого газа (примерно 2/3) реагирует с водой плазмы. Эта реакция катализируется ферментом карбоангидразой. В зависимости от содержания углекислого газа в крови этот фермент может ускорять или замедлять реакцию. При соединении углекислого газа с водой образуется угольная кислота, которая диссоциирует с образованием катиона Н+ и аниона НСО3–. Этот анион с кровью поступает к легким, где и происходит выделение углекислого газа.

При реакции с угарным газом (СО) гемоглобин образует карбоксигемоглобин, а при взаимодействии с окислом азота или некоторыми лекарственными препаратами – метгемоглобин; эти формы гемоглобина не могут связывать кислород, поэтому может наступить смерть. Содержание гемоглобина в крови у мужчин составляет 130–160 г/л, а у женщин – 120–140 г/л. При снижении содержания гемоглобина наступает анемия – состояние, при котором ткани не получают достаточного количества кислорода.

В норме во вдыхаемом воздухе содержание кислорода, углекислого газа и азота составляет соответственно 20,94%, 0,03% и 79,03%. В выдыхаемом воздухе содержание кислорода уменьшается до 16,3%, а углекислого газа – увеличивается до 4%. Содержание азота изменяется меньше (увеличивается до 79,7%).

Прохождение воздуха через легкие обеспечивается за счет вдоха и выдоха. Вдох – это следствие сокращения наружных межреберных мышц, в результате чего ребра приподнимаются. При вдохе мышечные волокна диафрагмы сокращаются, купол диафрагмы становится более плоским и опускается. Объем грудной полости увеличивается за счет изменения ее размеров, особенно в вертикальном направлении. Легкие следуют за движениями грудной клетки. Объясняется это тем, что легкие отделены от стенок грудной полости плевральной полостью – щелевидным пространством между пристеночной плеврой (она выстилает внутреннюю поверхность грудной клетки) и висцеральной плеврой (она покрывает наружную поверхность легких). Плевральная полость заполнена плевральной жидкостью. При вдохе давление в плевральной полости уменьшается, объем легких увеличивается, давление в них понижается и воздух поступает в легкие. При выдохе дыхательные мышцы расслабляются, объем грудной полости уменьшается, давление в плевральной полости немного увеличивается, растянутая легочная ткань сжимается, давление повышается и воздух выходит из легких. Таким образом, изменение объема легких происходит пассивно, и причиной его являются изменения объема грудной полости и давления в плевральной щели и внутри легких.

Количество воздуха, которое поступает в легкие при спокойном вдохе и выдыхается при спокойном выдохе, называют дыхательным объемом (примерно 500 см3). Объем воздуха, который можно выдохнуть после самого глубокого вдоха, называют жизненной емкостью легких (примерно 3000–4500 см3). Жизненная емкость легких – важный показатель здоровья человека.

2. Одноклеточные растения и животные. Особенности среды обитания, строения и жизнедеятельности. Роль в природе и жизни человека

Одноклеточные организмы – это организмы, тело которых состоит из одной клетки. Они могут быть прокариотами (бактерии и синезеленые водоросли, или цианобактерии), т.е. не иметь оформленного ядра (функцию ядра у них выполняет нуклеоид – молекула ДНК, свернутая в кольцо), но могут быть и эукариотами, т.е. иметь оформленное ядро.

К одноклеточным эукариотическим организмам относятся многие зеленые и некоторые другие водоросли, а также все представители типа Простейшие. Общий план строения и набор органоидов у одноклеточных эукариотов сходны с клетками многоклеточных организмов, но функциональные отличия очень существенные.

Одноклеточные организмы сочетают в себе свойства и клетки, и самостоятельного организма. Многие одноклеточные образуют колонии. От одноклеточных в процессе эволюции произошли многоклеточные организмы.

Наиболее просто устроены одноклеточные синезеленые водоросли. В их клетках нет ядра и пластид, они похожи на бактериальные клетки. На этом основании их относят к цианобактериям. Пигменты (хлорофилл, каротин) растворены у них во внешнем слое цитоплазмы – хроматоплазме. Эти водоросли появились еще в архее и были первыми организмами на Земле, у которых в процессе фотосинтеза образовывался кислород. Синезеленые водоросли могут образовывать и многоклеточную форму – нити.

Среди зеленых водорослей к одноклеточным формам относятся хламидомонада, хлорелла, плеврококк. Одноклеточные водоросли могут образовывать колонии (например, вольвокс).

Диатомовые водоросли – это тоже микроскопические одноклеточные водоросли, которые могут образовывать колонии.

Живут одноклеточные водоросли чаще всего в воде (хламидомонада в пресных водоемах, а хлорелла – и в пресной, и в морской воде), но могут жить и в почве (например, хлорелла, диатомовые водоросли), могут обитать на коре деревьев (плеврококк). Некоторые водоросли живут даже на поверхности льда, снега (некоторые хламидомонады, например, хламидомонада снежная). В Антарктике диатомовые водоросли образуют плотный коричневый налет на нижней стороне льдов.

Одноклеточные простейшие образуют подцарство животных. У большинства в клетке одно ядро, но есть и многоядерные формы. Поверх мембраны у многих простейших есть оболочка или раковина. Передвигаются они с помощью органоидов движения – жгутиков, ресничек, могут образовывать псевдоподии (ложноножки).

Большинство простейших – гетеротрофы. Частицы пищи перевариваются в пищеварительных вакуолях. Осмотическое давление в клетке регулируется с помощью сократительных вакуолей: через них удаляется избыток воды. Такие вакуоли характерны для пресноводных простейших. Вместе с водой из тела простейших выводятся продукты обмена веществ. Однако основная функция выделения осуществляется через всю поверхность клетки.

У простейших есть и бесполое, и половое размножение.

Эти одноклеточные организмы реагируют на воздействия внешней среды: им присущи положительные и отрицательные таксисы (например, у инфузории-туфельки – отрицательный хемотаксис – она движется в сторону от кристаллика соли, помещенного в воду).

Многие простейшие способны к инцистированию. Инцистирование позволяет переживать неблагоприятные условия и способствует расселению простейших.

Значение одноклеточных водорослей в природе прямо связано с их образом жизни. Эти организмы синтезируют органику, выделяют в атмосферу кислород, поглощают углекислый газ, являются звеном в общей цепи питания, участвуют в почвообразовании, очистке водоемов, могут вступать в симбиоз с другими организмами (например, хлорелла – это фикобионт лишайников). Отмершие диатомовые одноклеточные водоросли образовали мощные отложения горной породы – диатомита, а на дне морей – диатомовые илы. Одноклеточные синезеленые и зеленые водоросли могут вызывать «цветение» воды.

Человек широко использует одноклеточные водоросли и продукты их жизнедеятельности. Так, способность одноклеточных зеленых водорослей поглощать органические вещества всей поверхностью клетки используется для очистки водоемов; способность хлореллы синтезировать большое количество белков, жирных масел и витаминов используется в промышленном производстве кормов; способность той же хлореллы выделять при фотосинтезе много кислорода используется для регенерации воздуха в замкнутых помещениях (например, в космических кораблях, подводных лодках). Некоторые синезеленые водоросли используют как удобрения, т.к. они способны фиксировать азот, а такие водоросли, как спирулина, применяют в качестве добавки к пище.

Значение простейших отчасти сходно со значением одноклеточных водорослей. Простейшие также участвуют в почвообразовании, служат для очистки водоемов, т.к. питаются бактериями и гниющими веществами. Многие простейшие – индикаторы чистоты воды. Раковинами простейших (морские саркодовые) образованы залежи известняков; они служат также индикаторами при разведке нефти и других полезных ископаемых. Простейшие, как и одноклеточные водоросли, – важное звено круговорота веществ.

Простейшие и одноклеточные водоросли – важные объекты научных исследований. Их используют при цитологических, генетических, биофизических, физиологических и др. исследованиях.

Продолжение следует

* Здесь автор допустил несколько неточностей.
1. Высшие споровые растения – не царство, а сборная группа растений, не имеющая таксономического ранга (такая же, как например тетраподы (четвероногие), т.е. все позвоночные, имеющие четыре пятипалых конечности.
2. Грибы не относятся с царству растений, их выделяют в отдельное царство.
3. В конце девона появляются все ныне известные отделы растений, кроме покрытосеменных (т.е. Мохообразные, Плауновидные, Хвощеобразные, Папоротникообразные, Голосеменные). Прим. ред.

Значение питательных веществ

Во всех живущих ныне организмах, от самых примитивных до самого сложного - человеческого организма, - обмен веществ и энергии - основа жизни.

В организме человека, в его органах, тканях, клетках идет непрерывный процесс созидания, образования сложных веществ. Одновременно с этим происходит распад, разрушение сложных органических веществ, входящих в состав клеток организма.

Работа органов сопровождается непрерывным их обновлением: одни клетки погибают, другие их заменяют. У взрослого человека в течение суток гибнет и заменяется 1/20 кожного эпителия, половина всех клеток эпителия пищеварительного тракта, около 25 г крови и т. д.

Рост, обновление клеток организма возможны только в том случае, если в организм непрерывно поступают кислород и питательные вещества. Питательные вещества - тот строительный, пластический материал, из которого строится живое.

Для построения новых клеток организма, их непрерывного обновления, для работы таких органов, как сердце, желудочно-кишечный тракт, дыхательный аппарат, почки и т. д., а также для совершения человеком работы нужна энергия. Эту энергию организм получает при распаде веществ клеток в процессе обмена веществ.

Таким образом, питательные вещества, поступающие в организм, служат не только пластическим, строительным материалом, но и источником энергии, так необходимой для жизни.

Под обменом веществ понимают совокупность изменений, которые претерпевают вещества от момента их поступления в пищеварительный тракт до образования конечных продуктов распада, выделяемых из организма.

Ассимиляция и диссимиляция

Обмен веществ представляет собой единство двух процессов: ассимиляции и диссимиляции. В результате процесса ассимиляции сравнительно простые продукты пищеварения, поступая в клетки, подвергаются химическим превращениям с участием ферментов и уподобляются необходимым организму веществам. Диссимиляция - распад сложных органических веществ, входящих в состав клеток организма. Часть продуктов распада вновь используется организмом, часть выводится из организма наружу.

Процесс диссимиляции также идет при участии ферментов. Во время диссимиляции высвобождается энергия. Именно за счет этой энергии строятся новые клетки, обновляются старые, функционирует сердце человека, совершается умственная и физическая работа.

Процессы ассимиляции и диссимиляции неотделимы друг от друга. При усилении процесса ассимиляции, особенно при росте молодого организма, усиливается и процесс диссимиляции.

Превращение веществ

Химические превращения пищевых веществ начинаются в пищеварительном тракте. Здесь сложные белки, жиры и углеводы расщепляются до более простых, способных всосаться через слизистую оболочку кишечника и стать строительным материалом в процессе ассимиляции. В пищеварительном тракте при переваривании высвобождается незначительное количество энергии. Вещества, поступившие в результате всасывания в кровь и лимфу, приносятся в клетки, где и претерпевают основные изменения. Образовавшиеся сложные органические вещества входят в состав клеток и принимают участие в осуществлении их функций. Энергия, освободившаяся при распаде веществ клеток, используется для жизнедеятельности организма. Не использованные организмом продукты обмена различных органов и тканей выделяются из него.

Роль ферментов во внутриклеточном обмене

Основные процессы превращения веществ совершаются внутри клеток нашего тела. Эти процессы лежат в основе внутриклеточного обмена. Решающая роль во внутриклеточном обмене принадлежит многочисленным ферментам клетки. Благодаря их деятельности с веществами клетки происходят сложные превращения, разрываются внутримолекулярные химические связи в них, что приводит к высвобождению энергии. Особое значение здесь приобретают реакции окисления и восстановления. Конечные продукты процессов окисления в клетке - углекислый газ и вода. При участии специальных ферментов осуществляются и другие типы химических реакций в клетке.

Освобождающаяся при этих реакциях энергия используется для построения новых веществ в клетке, для поддержания процессов жизнедеятельности организма. Основным аккумулятором и переносчиком энергии, используемой при многих синтетических процессах, является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). В молекуле АТФ содержатся три остатка фосфорной кислоты. АТФ используется во всех реакциях обмена, требующих затраты энергии. В молекуле АТФ при этом разрывается химическая связь с одним или двумя остатками фосфорной кислоты, освобождая запасенную энергию (отщепление одного остатка фосфорной кислоты приводит к освобождению около 42 000 дж на 1 грамм-молекулу).

Второй ветвью биологического круговорота является деструкционный цикл, состоящий из процессов разрушения органических соединений и перехода химических элементов из сложных органических соединений в простые минеральные, сопровождающихся выделением энергии.

Процессы разложения начинаются в самых живых организмах и идут параллельно фотосинтезу. Это процессы дыхания, в результате которых часть синтезированного органического вещества разлагается на первичные продукты - диоксид углерода и воду. Но в растениях синтез органических веществ намного превышает их разложение, и в целом, растения накапливают эти вещества. Оставшаяся часть синтезированного вещества - первичная продукция - окисляется постепенно, переходя от одного трофического уровня к другому. Животные, для которых растения являются единственным первоисточником химической энергии, разлагают органические вещества очень интенсивно. Конечными продуктами этого окисления служат также углекислый газ и вода.

Но основные процессы разложения связаны с преобразованием отмерших растительных и животных остатков. В их разложении принимают участие специфическая группа организмов - редуценты - грибы, актиномицеты, бактерии. На последнем этапе мертвые органические остатки разлагаются микроорганизмами (в меньшей степени это происходит путем абиотического окисления). Используя химическую энергию, заключенную в органических соединениях, микроорганизмы превращают белки, жиры и углеводы в простые минеральные соединения, которые возвращаются в атмосферу (углекислый газ, вода и аммиак) и в почву (зольные элементы). Хотя при этом разложении происходит образование новых форм живого вещества в виде тел микроорганизмов, общее количество органического вещества уменьшается, так как основная часть его минерализуется.

Совокупность процессов разложения органических веществ, в ходе которых химические элементы высвобождаются из состава сложных, богатых энергией органических соединений и снова образуют более простые и более бедные энергией минеральные соединения носит название минерализацией органических веществ.

Скорость разрушения органических соединений подчиняется законам географической зональности и растет с увеличением притока солнечной энергии. При недостатке тепла и избытке влаги ежегодный растительный опад не успевает разрушаться и в ландшафте происходит накопление избыточной морт-массы, формируется мощная подстилка и торфяные залежи. В аридных условиях с их высоким энергетическим потенциалом скорость деструкции намного превышает продуцирование и накопление мертвого органического вещества не происходит. Продукционные и деструкционные процессы наиболее сбалансированы в условиях оптимума тепла и влаги.

В зависимости от климатических условий скорость разложения органических соединений существенно различна. Неразложившаяся и полуразложенная часть растительных и животных остатков накапливается. Этот процесс М.А.Глазовская назвала детритогенезом. Его количественные характеристики имеют важное геохимическое значение и характеризуются следующими показателями:

О1- ежегодным растительным опад, О2-зеленой частью опада, О3- лесной подстилкой или войлоком, соотношением О3 и О2 (опадо-подстилочный индекс ОПИ), предложенный Л.Е Родиным и Н.И. Базилевич.

ОПИ =О3/О2 *100%

Эти показатели существенно меняются в зависимости от природной зоны. Например, О1 составляет на такырах – 1 ц/га, в арктической тундре 10 ц/га, во влажных тропических лесах 250 ц/га, а О3 – в сухих степях 15 ц/га, во влажных тропических лесах –20ц/га, в кустарничковой тундре – 835 ц/га. Опадо-подстилочный индекс характеризует интенсивность процессов разложения и составляет в кустарничковой тундре 2000 –5000%, сухих степях –100%, влажных тропических лесах – 10%.

При разложении часть органических остатков переходит в почвенный гумус, особенно велика его доля в условиях достатка тепла и небольшого дефицита влаги, т.е. в условиях степей, где запасы гумуса достигают 600-1000т/га. В почвах широколиственных лесов запасы гумуса составляют 300 т/га, таежных лесов - 100 т/га, тундр - 70 т/га. Значения же неразложившихся растительных остатков обратные - в степях 4-10т/га, тайге - 40-50т/га, широколиственных лесах -10-15 т/га. Запасы мертвого органического вещества и запас биомассы в органах растений являются важным резервом питательных веществ, обеспечивающий устойчивость биоты к колебаниям внешней среды в условиях интенсивного абиогенного выноса элементов зольного и азотного питания.

В лесных ландшафтах (в условиях избыточного увлажнения и интенсивного стока и потерь элементов питания) запас зольных элементов в живом веществе и подстилке прочно удерживающей необходимые элементы обеспечивает определенную автономность (высокую степень замкнутости) биологического круговорота. В степях, где растительность не способна аккумулировать запасы живой фитомассы и опад быстро разрушается, резервом минерального питания являются запасы гумуса. Для этих ландшафтов определенную автономность и устойчивость обеспечивают запасы гумуса. Гарантией стабильности для ландшафтов влажных экваториальных лесов, не имеющих ни мощной подстилки, ни запасов гумуса является большая замкнутость биологического круговорота и высокая скорость разложения органических соединений.

Таким образом, процесс минерализации обогащает ландшафт свободной энергией, носителем которой являются природные воды. Они приобретают большую активность и выполняют огромную химическую работу. Наличие свободной энергии делает ландшафт неравновесной системой, но, несмотря на это, она сохраняет длительное время свой облик. Это объясняется не термодинамическим равновесием, а стационарностью процессов, протекающих в ландшафте. Устойчивость ландшафта связана с тем, что расходуемый избыток энергии непрерывно восполняется из среды в количестве, компенсирующем ее снижение в ландшафте. Таким образом, биогенный ландшафт - саморазвивающаяся саморегулирующаяся неравновесная стационарная (устойчивая) система (А.И.Перельман, Н.С.Касимов,1999).

Деструкционный цикл имеет ряд специфических особенностей:

1. Минерализация направлена на уменьшение сложности и разнообразия системы, уменьшение количества сложной биологической информации за счет увеличения неорганической.

2. Разложение органических соединений характеризуется, в отличие от процессов их образования, повторяемостью во времени и пространстве. Например, болотные воды с большим содержанием растворенных органических соединений и интенсивной миграцией железа и марганца характерны для влажных тропических условиях современности и предшествующих эпох (палеозоя и мезозоя). Живое же вещество этих эпох различно. В то же время в одну эпоху в разных природных зонах химизм природных вод, определяемый процессами разложения органических соединений одинаков (слабоминерализованные и богатые растворенным органическим веществом воды гумидных ландшафтов, и слабощелочной кислородный класс вод семиаридных ландшафтов). Таким образом процессы разложения и связанные с ними водная миграция однообразнее процессов образования живого вещества. Как бы ни были разнообразны живые организмы, после смерти их остатки превращаются в одни и те же простые минеральные соединения –диоксид углерода и воду, а также вещества гумусового типа.

Процессы минерализации играют существенную роль в формировании геохимических характеристик ландшафта. В результате минерализации происходит биогенное перераспределение химических элементов, формирование специфических биогенных минералов, изменение химического состава вод ландшафта.

Основная масса живого вещества сосредоточена над почвой или в верхнем гумусовом горизонте, здесь же происходит минерализация отмерших остатков. Поэтому после минерализации в верхней части почвенного профиля накапливаются биофильные элементы, коэффициент биологического поглощения которых больше 1. Поглощение элементов корнями растений происходит из всей почвы. Таким образом, растения играют роль насоса, перераспределяющего химические элементы путем извлечения биофильных элементов из всей почвенной толщи и аккумуляции их в верхнем горизонте. Этот механизм является отрицательной обратной биокосной связью в ландшафте, способствующей стабилизации как почвы, так и всего ландшафта в целом.

Минерализация сопровождается формированием двух групп биогенных минералов. Минералы первой группы входят в состав клеточных выделений, скелета, панциря, раковин и т.д. Эти минералы имеют органоморфную структуру, т.е. сохраняют форму тех клеток, в которых они возникли. Эти минералы носят название «биолитов». После смерти живого организма, биолиты поступают в илы, почвы, где теряют свою органоморфную структуру и приобретают землистый облик. Например, в верхних слоях аллювиальных отложений сохраняются раковины пресноводных моллюсков, в нижних – они превращаются в скопления порошкообразной углекислой извести, частично сохраняющей форму раковин. В тканях многих растений содержатся кристаллики кальцита (древесина, землистые выделения на поверхности листьев, известковистый материал в клеточной ткани), которые при разложении обогащают почвы кальцием. Для растений и диатомовых водорослей степей, горных лугов характерно накопление опаловых (Si2 nH2O) телец –фитолитариев. После разложения растительных остатков опал теряет воду, органоморфную структуру, превращается в халцедон, переосаждается и обогащает почву двуокисью кремния (вторичным кварцем).

Другая группа биогенных минералов возникает вне тел организмов из продуктов их жизнедеятельности. Многочисленные исследования (Полынов Б.Б., М.А.Глазовская) как примитивных почв высокогорий, так и хорошо развитых почвенных профилей доказывают, что тонкодисперсная (глинистая) часть почв в значительной части образовалась за счет разложения остатков организмов, т.е. глинистые минералы почв имеют биогенное происхождение. Вероятно, этим объясняется единство глинистых минералов в почвах, сформированных на различных горных породах.

Таким образом, в процессе разложения и дальнейшей минерализации происходит синтез специфических органических соединений – гумуса, специфических минеральных соединений –глинистых минералов, а также выделение простейших неогранических соединений. Эти процессы приводят к перераспределению химических элементов в литогенной основе ландшафта. Поглощение химических элементов из почв происходит из всего почвенного профиля. Разложение же органических соединений – в основном в верхнем горизонте.Здесь после минерализации аккумулируются те химические элементы, которые

Разложение органического вещества в значительной степени определяет формирование химического состава грунтовых вод. В грунтовые воды поступают диоксид углерода, выделяющийся при дыхании подземных частей растений и подземной фауны, органические кислоты и их соли, а также органоминеральные комплексы и минеральные соединения азота, фосфора и серы, образующиеся из продуктов разложения. Состав катионов в грунтовых водах отражает их биофильность. Например, в большинстве ландшафтов (в их водах) кальций преобладает над магнием, так как коэффициент биологического поглощения кальция больше, чем магния, и в продуктах минерализации его больше, следовательно его больше поступает в грунтовые воды. В целом, в ландшафтах с мощным накоплением органического вещества состав речных вод слабо зависит от вмещающих пород. Происходит как бы усреднение химического состава вод, они становятся более однообразными, например. Во всех ландшафтах влажного климата они пресные гидрокарбонатно-кальциевые. Наоборот, в ландшафтах, бедных жизнью (пустыни, сухие степи) - состав вод зависит от состава вмещающих пород и их растворимости. Здесь могут быть сульфатные, местами и хлоридные воды, а среди катионов возрастает роль магния и натрия.

Таким образом, в разных ландшафтах в формировании химического состава вод принимают участие как биохимические, так и физико-химические процессы, протекающие одновременно. Эти процессы взаимосвязаны и взаимообусловлены. В первом случае, химический элемент, прежде чем попасть в ландшафтные воды проходит через тело организма и поступает в воду из живого или мертвого органического вещества, а во втором случае имеет место растворение минералов, ионный обмен и другие реакции, в которых организмы выступают лишь как фактор, влияющий на растворяющую способность воды. Обе категории процессов развиты во всех ландшафтах. Но в одних ведущее значение имеет первая, в других - вторая.

Показатели интенсивности процессов разложения.

Об интенсивности разложения органических веществ хорошее представление дает отношение подстилки (О3) к зеленой части опада (О2)