Лархеру)
Недостаток или недоступная для усвоения организмом
форма в окружающей природной среде какого-либо необходимого
для жизнедеятельности химического элемента ограничивает
рост и размножение живых организмов.
В живых клетках обнаруживают следы практически всех
элементов, присутствующих в ОС. Различия в ходе геологиче-
2.2. Обмен веществ 35
ской истории и почвообразующих процессов в отдельных областях
Земли привели к формированию биогеохимических провинций
— областей на поверхности Земли, резко отличающихся
по содержанию каких-либо химических элементов, например
урановые и ториевые провинции (см. разд. 3.1.1.1). Значительная
недостаточность или избыточность содержания химического
элемента в среде вызывает в пределах данной биогеохимической
провинции соответствующие эндемии — специфические
заболевания растений, животных и человека (см. разд. 8.1.5).
2.2. Обмен веществ
Во всех клетках происходит интенсивное обновление веществ
и структур. Так, некоторые клетки человека живут всего
один-два дня (клетки кишечного эпителия). Поэтому непременным
условием жизни является связь клетки с ОС. Из среды
клетка получает различные вещества, которые затем подвергаются
превращениям, ведущим к высвобождению энергии, необходимой
для клеточной активности. Из поступающих в
клетку веществ синтезируются органические соединения, необходимые
для построения структур клетки. Во внешнюю среду
выводятся не нужные клетке вещества — продукты разложения
органических веществ.
Пластический обмен (или ассимиляция) — совокупность реакций
синтеза органических молекул, идущих на построение тела
клетки. В клетках зеленых растений органические вещества могут
синтезироваться из неорганических с использованием энергии
света или химической энергии. В клетках животных ассимиляция
может идти только за счет использования для синтеза
собственных веществ (готовых органических соединений).
Процессы ассимиляции протекают с поглощением энергии.
Энергетический обмен (или диссимиляция) — совокупность
реакций, в результате которых освобождается необходимая для
клетки энергия.
Совокупность процессов диссимиляции и ассимиляции,
в ходе которых реализуется связь клетки с окружающей средой,
называют обменом веществ или метаболизмом:
ПЛАСТИЧЕСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ
ОБМЕН + ОБМЕН = МЕТАБОЛИЗМ.
Обмен веществ — фундаментальное свойство живых организмов.
36 Глава 2. ОРГАНИЗМ И СРЕДА ОБИТАНИЯ
2.2.1. Пластический обмен
2.2.1.1. Биосинтез белков
Любая клетка организма способна синтезировать свои
специфические белки. Эта способность обусловлена генетически
и передается из поколения в поколение. Информация о структуре
белков содержится в ДНК. Участок молекулы ДНК, содержащий
информацию о первичной структуре конкретного белка,
называется геном.
Синтез белка начинается с транскрипции — процесса списывания
информации о структуре белка с участка ДНК (гена)
на информационную РНК. В ядре клетки находятся ДНК,
а синтез белка обычно протекает в цитоплазме на рибосомах.
Перенос информации о первичной структуре белка к месту
синтеза обеспечивает РНК. Аминокислоты, необходимые для
сборки белковых молекул, доставляются к рибосомам цитоплазмы
транспортными РНК. Биосинтез протекает в присутствии
множества ферментов, катализаторов всех реакций процесса.
Процесс идет с участием АТФ, при распаде которой
освобождается энергия, необходимая для его осуществления.
Мутация (от лат. mutatio — перемена) — качественные, внезапно
появляющиеся изменения генов, передаваемые далее
из поколения в поколение. Эта форма наследственной изменчивости
заключается в изменении строения или количества единиц
наследственности — генов или их носителей — хромосом.
В ряде случаев мутации связаны с изменениями во внешней
среде.
2.2.1.2. Фотосинтез
Фотосинтез — процесс синтеза органических соединений
из неорганических веществ, идущий за счет энергии света
(рис. 2.2).
Все живое современной биосферы зависит от этого процесса.
Фотосинтез делает энергию Солнца и углерод доступными
для живых организмов и обеспечивает обогащение кислородом
атмосферы Земли. Процесс фотосинтеза описывается суммарным
уравнением
6С02 + 6Н20 + солнечная энергия СбН1 206 + 602
Русский ученый К. А. Тимирязев показал, что для осуществления
фотосинтеза необходим хлорофилл — вещество зе-
2.2. Обмен веществ 37
СВЕТОВАЯ ФАЗА
В ГРАНАХ ХЛОРОПЛАСТА
I Расщепление воды под
действием света (фотолиз)
ТЕМНОВАЯ ФАЗА
В СТРОМЕ ХЛОРОПЛАСТА
Синтез углеводов
С02
II Синтез АТФ
CeHi202
| | Молекула — переносчик водорода
Рис. 2.2. Процесс фотосинтеза (по С. Г. Мамонтову)
леного цвета, поглощающее солнечные лучи в красной и сине-
фиолетовой частях спектра. У высших растений хлорофилл
находится во внутренних мембранах хлоропластов — специализированных
органелл растительной клетки, где происходят
реакции фотосинтеза.
Фотосинтез протекает в две фазы — световую и темновую.
Световая фаза идет только на свету, при этом под действием
света молекулы хлорофилла теряют электроны и переходят
в возбужденное состояние. Под влиянием положительно заряженных
молекул хлорофилла по уравнению
происходит фотолиз воды с образованием молекулярного кислорода,
электронов и протонов. Энергия солнечного излучения
в световой фазе фотосинтеза используется хлоропластами для
синтеза АТФ из аденозиндифосфата (АДФ) и фосфата, а также
38 Глава 2. ОРГАНИЗМ И СРЕДА ОБИТАНИЯ
для восстановления НАДФ (никотинамидадениндинуклеотид-
фосфата) до НАДФ • Н2 .
В темновой фазе в присутствии АТФ и НАДФ • Н2 при
участии ферментов из диоксида углерода и водорода образуется
глюкоза:
Углеводы, получавшиеся в процессе фотосинтеза, используются
далее как исходный материал для синтеза других органических
соединений.
2.2.1.3. Хемосинтез
Хемосинтез — синтез органических соединений из неорганических
веществ с использованием химической энергии, выделяющейся
в реакциях окисления неорганических веществ.
Процесс хемосинтеза открыт русским ученым-микробиологом
С. Н. Виноградским в 1887 г. Некоторые группы бактерий —
нитрифицирующие, железобактерии, серобактерии способны
накапливать освобождающуюся в процессах окисления энергию
и затем использовать ее для синтеза органических веществ.
Процесс хемосинтеза протекает без участия хлорофилла, для
его осуществления не обязательно наличие света.
Например, нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак
до азотистой кислоты:
NH^ + кислород —> N 0 2 + Энергия
или по уравнению реакции
2NH3 + 302 -» 2HN02 + 2Н20 + Энергия
Освобождающаяся энергия накапливается в молекулах
АТФ и используется для синтеза органических веществ, протекающего
по типу реакций темновой фазы фотосинтеза. Хемо-
синтезирующие бактерии играют важную роль в круговороте
веществ. Нитрофицирующие бактерии способствуют накоплению
в почве нитратов.
2.2.2. Энергетический обмен
Энергия существует в природе в различных формах. Это
прежде всего энергия солнечного света, а также химическая,
тепловая и электрическая. Организмам энергия необходима
для активного транспортирования веществ, для синтеза белков
и иных биомолекул, для мышечных сокращений при пере-
2.2. Обмен веществ 39
метении в пространстве, для клеточного деления и т. д. Осуществление
этих процессов и восполнение неизбежных потерь
в ОС в соответствии с классическими законами термодинамики
(см. разд. 6.3.5) возможны только при постоянном притоке
энергии в организм из среды обитания.
Первоисточником энергии в природе является Солнце, но
его энергию могут использовать только фотосинтетики, а все
остальные организмы могут получать эту энергию лишь опосредовано,
т. е. в форме энергии химических связей между атомами
органических соединений. При разрыве связей энергия
может высвобождаться, но чаще всего она временно запасается
в виде особо богатого энергией нуклеотида — аденозинтрифос-
форной кислоты (АТФ) — используемого клеткой для всех
дальнейших процессов жизнедеятельности.
Главная роль в энергетическом обмене клеток животных
принадлежит дыхательному обмену или клеточному дыханию.
Клеточное дыхание представляет собой процесс, в котором
высокомолекулярные органические высокоэнергетические
соединения, окисляясь распадаются на низкомолекулярные
или неорганические соединения, бедные энергией. При
окислении с участием кислорода дыхание называют аэробным,
а без его участия — анаэробным.
Процесс потребления кислорода из среды обитания и
возвращения в эту среду диоксида углерода называется газообменом
организма с окружающей средой. Это иной процесс,
отличный от клеточного дыхания; путать их нельзя.