Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Математика, химия, физика arrow Экология

ИЗМЕНЕНИЯ ВЕЩЕСТВА И ЭНЕРГИИ В ОРГАНИЗМАХ

Каждая из крупных экосистем содержит продуценты, которые извлекают атомы углерода и кислорода из молекул поглощаемого ими воздуха или воды (в случае водных растений диоксид углерода и ато-

мы кислорода преимущественно из воды). Можно при этом вполне точно по уже известной реакции подсчитать, сколько атомов углерода, водорода, кислорода требуется для построения одной молекулы глюкозы, сколько молекул диоксида углерода и воды необходимо для этой реакции и сколько молекул кислорода выделится при этом:

6СЮ, + 6Н20 -> С6Н|206 + 602Т

Глюкоза — это органическая молекула с высокой потенциальной энергией, в то время как потенциальная энергия у воды и диоксида углерода практически нулевая. Для того чтобы молекула глюкозы приобрела запас потенциальной энергии, а он не может быть получен из «нулевого» запаса энергии диоксида углерода и воды, то необходим внешний источник энергии, и он нами был уже установлен — это солнечное излучение — свет, т. е. кинетическая энергия. Процесс фотосинтеза включает ее поглощение, превращение и «запасание» в виде потенциальной энергии молекул глюкозы. Этот процесс возможен при наличии зеленого пигмента хлорофилла и других, обладающих аналогичными ему свойствами. С этими пигментами происходят также определенные превращения (рис. 104).

(А) ЛУЧИ СОЛНЦА (100 ед. рассеянная форма энергии)

ДУБОВЫЙ ЛИСТ (система трансформации энергии)

(В) САХАРА (2 ед.

концентрированная

форма

энергии)

(Б) ТЕПЛО (98 ед. очень сильно рассеянная форма энергии)

Рис. 104. Превращение энергии Солнца в энергию пищи (сахара) путем фотосинтеза

(Ю. Одум, 1986):

А * Б + В (первый закон): В - всегда меньше А, так как при трансформации энергии часть

ее рассеивается (второй закон)

Содержание хлорофилла на 1 мг в разных сообществах примерно одинаково, т. е. в целых сообществах содержание зеленого пигмента распределено более равномерно, чем в отдельных растениях или их частях. Соотношение между зелеными и желтыми пигментами можно использовать как показатель отношения гетеротрофного метаболизма к автотрофному. Когда в сообществе фотосинтез превышает дыхание, доминируют зеленые пигменты, а при уменьшении дыхания сообщества увеличивается содержание желтых пигментов.

Все процессы при продуцировании первичного органического вещества находятся в полном соответствии со вторым началом термодинамики, так как лишь до 1—5 % световой энергии превращается в энергию химических связей.

Синтезированная глюкоза выполняет в растениях две основные функции:

  • • «строительный» материал; ее углерод-водородные фрагменты входят в состав всех органических молекул, образующих ткани растения; все другие биогены растение извлекает из почвенного раствора, при их отсутствии растение не развивается;
  • • источник энергии для всех процессов жизнедеятельности растения: энергия нужна для «строительства» тканей, для поглощения питательных элементов. Все эти процессы протекают непрерывно и только за счет энергии, запасенной при фотосинтезе глюкозы, а это значит, что лишь часть вещества тратится собственно на создание тканей растения, другая же вновь разрушается с выделением энергии для осуществления физиологических процессов. Расщепление глюкозы происходит в ходе клеточного дыхания. Кроме того, большинство растений запасает глюкозу как источник энергии, превращая ее в крахмал или масла.

Переходя к консументам, прежде всего следует сказать, что им, как животным, свойственна активная выработка кинетической энергии. Прежде всего это выражается в том, что большинство из них активно двигается, причем даже те животные, что впадают в зимнюю спячку, не прекращают полностью своих двигательных функций. Источником этой энергии является потенциальная энергия органических молекул, потребляемых в составе пищи. Значительная часть потребленной пищи разрушается с высвобождением энергии, необходимой для обеспечения жизненных функций организма и которая в конечном счете теряется при выделении тепла телом организма.

Сам процесс расщепления органических молекул с выделением энергии носит название клеточного дыхания. Этот процесс, по сути, в целом противоположен фотосинтезу, иными словами, приведенное выше уравнение реакции фотосинтеза может быть записано в обратном порядке: из молекул глюкозы в присутствии кислорода образует-

ся диоксид углерода и самое главное выделяется энергия. В данном случае следует подчеркнуть, что этот процесс осуществляется в каждой клетке организма и речь идет именно о клеточном дыхании.

Съеденная пища переваривается, т. е. измельчается и расщепляется в пищеварительной системе на отдельные молекулы. К примеру, глюкоза сама по себе может быть продуктом переваривания крахмала. Полученные при пищеварении мелкие органические молекулы насыщают кровь и переносятся ею по всем клеткам организма. Кровь кроме этого наполняется кислородом в легких или жабрах и таким образом в каждую клетку поступает необходимый «набор» для осуществления клеточного дыхания. Полученная при этом энергия расходуется каждой клеткой во всех органах на осуществление ими своих специфических функций. Диоксид углерода той же кровью удаляется из клеток и через легкие или жабры выбрасывается в окружающую среду.

Клеточное дыхание и горение по своей общей схеме практически одинаковы, но клеточное дыхание отличается от простого горения тем, что высвобождение энергии происходит весьма малыми порциями, отвечающими энергетическим потребностям и возможностям клетки. Поданным Б. Небела (1993), этот процесс высвобождения энергии состоит не менее чем из 20 этапов.

Кроме углеводов в организме консументов происходит расщепление белков и жиров (животного и растительного происхождения) с высвобождением заключенной в них потенциальной энергии. Процесс расщепления молекул этих веществ аналогичен вышеописанному для глюкозы. Животные и растительные жиры особенно богаты потенциальной энергией; из всех органических молекул у них больше всего калорий на единицу веса. Продуктами разложения являются также диоксид углерода и вода. Азот, фосфор и другие элементы из состава белков, нуклеиновых кислот и липидов удаляются организмом с мочой или ее аналогами, так как они не имеют газообразной фазы и не могут выделиться придыхании через легкие или жабры, а удаляются в водном растворе (рис. 105).

Следует остановиться на «строительной» роли пищи. Ранее отмечено, что часть съеденной, переваренной и поступившей в кровь пищи расходуется на рост и обновление тканей тела. В целом для этого необходимы определенные аминокислоты, в частности, для построения белков множество особых органических молекул-витаминов и микроэлементов. В том случае, если пища не в полном объеме содержит эти ингредиенты, то вне зависимости от количества запасенной энергии питание будет неполноценным. Если же в пище излишек энергии, то возможно накопление в организме запасов жиров, а при недостатке калорий в пище организму приходится полу-

Неоргани

ческие

биогены

Мертвые рас тигельные и животные * остатки ,

Первичные

консументы

Детрию-

фапишт

енты

Вторичные

консументы

Детрит-

фат

второго

гторяоса

„'У

Возврат неорганических. биогенов

Консументы

третьего

порядка

Источники неорганических биогенов в окружаю -

ГрГ&.

Ре, СОг,

Нг О

? ? ? "

Рис. 105. Круговорот биогенов в экосистемах и поток энергии через них

(Б. Небел, 1992)

чать энергию за счет расщепления собственных тканей не только жиров, но и белков. При сбалансированной пище от 80 до 90 % ее переваривается, всасывается в кровь и расходуется в энергетических целях.

Часть же пищи, как известно, не переваривается, а просто проходит через пищеварительный тракт и выводится из него в виде фекалий или экскрементов. У травоядных они состоят в основном из целлюлозы, вещества, которое образует стенки растительных клеток. Это так называемые диетологами грубые волокна. Они частично необходимы для функционирования желудка и кишечника, но большинство консументов неспособно извлечь из целлюлозы ни энергии, ни биогенов, так как большинство травоядных целлюлозу переварить даже частично не могут (рис. 106).

мочой

N

•г ПИЩА

Органическое вещество с высокой потенциальной энерги

Доп я, используемая на рост и восстановление тканей тела

Вд^хаеьщй 02

Энергия*

: +

(вошп

ДоДя, "испрльзуе-мана клеточное ^ ; дьцание

са+

1Неусвоенная доля; выделяемая с экскрементами

Рис. 106. Схема потребления пищи в организме человека (Б. Небел, 1992)

Принципиальных различий в питании редуцентов и консументов нет. Основная часть детрита — это мертвый растительный материал, состоящий главным образом из целлюлозы, но различные виды грибов, бактерий и других микроорганизмов-редуцентов обладают уникальной способностью расщеплять целлюлозу до составляющих ее молекул глюкозы. Часть аналогичных микроорганизмов обитает в пищеварительном тракте жвачных животных, что является примером положительного мутуализма. После переваривания детрита он используется как источник биогенов и энергии. Процесс клеточного дыхания и в данном случае практически не отличается от вышеописанных для продуцентов и консументов; происходит выделение диоксида углерода, воды и неорганических соединений азота, фосфора и т. п., а при превращениях энергии происходит выделение тепла и иногда весьма значительное, поэтому, например, в морозные дни от кучи гниющего навоза поднимается пар.

Отдельным видам грибов (дрожжам) и бактериям свойственна специфическая форма клеточного дыхания. Они могут в отсутствие кислорода получать достаточное для жизнедеятельности количество энергии путем частичного расщепления органических молекул. При данном частично осуществляемом процессе в качестве конечного продукта образуются такие вещества, как этиловый спирт (С2Н60|2), газ метан (СН4), уксусная кислота и др. Этот процесс называется брожением.

 
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >
 

Популярные страницы