Обмін речовин та енергії — основа функціонування біологічних систем.

Лекція № 4.

Розділ: Обмін речовин і перетворення енергії.

Тема: Обмін речовин та енергії — основа функціонування біологічних систем. Особливості обміну речовин та перетворення енергії в автотрофних і гетеротрофних організмів.

Мета вивчення:

• сформувати знання про пластичний та енергетичний обмін у клітині;
• з’ясувати їхній взаємозв’язок та порівняти їх основні шляхи.

Література:

1. Біологія і екологія: підруч. для 10 кл. закладів загальної середньої освіти: рівень стандарту/О. А. Андерсон, М. А. Вихренко, А. О. Чернінський. – К.: Школяр, 2018. – 216 с.: іл.

2. Біологія і екологія (рівень стандарту): підруч. для 10 кл. закл. заг. серед. освіти / В. І. Соболь. – Кам’янець-Подільський: Абетка, 2018. – 272 с.: іл.

3. Задорожний К.М. Біологія і екологія (рівень стандарту): підруч. для 10 кл. закл. загал. серед. освіти / К.М. Задорожний. — Харків: Вид-во «Ранок», 2018. — 208 с.: іл.

План

1. Обмін речовин та перетворення енергії.

2. Взаємозв’язок асиміляції та дисиміляції.

3. Автотрофне та гетеротрофне живлення.

4. Різноманітність гетеротрофних організмів.

Основний зміст

Біологічні системи – це відкриті системи, тобто вони перебувають у стані постійного обміну речовин і енергії з навколишнім середовищем. Для забезпечення власних енергетичних потреб організми використовують енергію, що надходить з навколишнього середовища. Вони акумулюють енергію у формі хімічних зв’язків органічних молекул, отже, перетворення енергії взаємопов’язане з обміном речовин. Для біологічних систем обмін з навколишнім середовищем є умовою збереження й підтримки їхньої структурної організації шляхом самооновлення всіх речовин і компонентів, з яких вони складаються. Є відкриті системи і в неживій природі, але їх існування якісно відрізняється від існування живих систем.

Обмін речовин та перетворення енергії. Біологічні системи потребують надходження речовин з навколишнього середовища та їх перетворення.

Сукупність усіх хімічних перетворень речовин в організмі з моменту надходження їх з навколишнього середовища до моменту виведення продуктів розпаду називають обміном речовин, або метаболізмом.

В організмі одночасно відбувається перебіг процесів двох типів. З навколишнього середовища надходять певні речовини, поглинається енергія,

необхідна для утворення хімічних зв’язків, і відбуваються реакції синтезу складних речовин із простих, що забезпечують поновлення їхнього хімічного

складу – асиміляція (від латинського слова assimulo – роблю подібним).

Асиміляція, або пластичний обмін, – сукупність реакцій синтезу високомолекулярних органічних речовин, що супроводжуються поглинанням енергії. Водночас у біологічній системі відбувається протилежний процес –

розщеплення складних речовин на простіші з вивільненням енергії – дисиміляція (від латинського слова dissimulo – роблю неподібним). Енергія, яка вивільняється, може накопичуватися в синтезованих молекулах АТФ, перетворюватися на теплову енергію тощо.

Дисиміляція, або енергетичний обмін, – сукупність реакцій розщеплення й окиснення органічних речовин, що супроводжуються вивільненням енергії.

Взаємозв’язок асиміляції та дисиміляції. Асиміляція та дисиміляція

є протилежними складовими процесу обміну речовин і перетворення енергії.

Однак вони нерозривно пов’язані між собою, що зумовлено значним запасом

потенційної енергії саме в органічних молекулах. Реакції біосинтезу потребують поглинання енергії, що вивільняється в результаті реакцій енергетичного обміну. Для перебігу реакцій енергетичного обміну необхідний постійний біосинтез органічних речовин, які надалі будуть розщеплюватися. У процесі енергетичного обміну молекули АТФ утворюються, а в процесі пластичного обміну вони витрачаються, розщеплюються з виділенням енергії (рис. 1).

Взаємозв’язок асиміляції і дисиміляції доводять дослідження, які показали, що під час розмноження організму значно переважають реакції розщеплення.

Це зумовлено різким збільшенням витрат енергії на процеси подальшого росту та розвитку. У будь-якому організмі реакції обміну речовин і перетворення енергії тісно взаємозв’язані між собою, що становить основу життєдіяльності та забезпечує цілісність організму.

Рисунок 1. Єдність процесів синтезу та розщеплення речовин.

Для забезпечення власних енергетичних потреб організми використовують енергію, що надходить з навколишнього середовища, акумулюючи її у формі хімічних зв’язків органічних молекул.

Автотрофне та гетеротрофне живлення. Організми, здатні синтезувати органічні речовини з неорганічних, називають автотрофами (від грец. autos – сам і trophe – їжа, живлення). Одні з них використовують для цих процесів енергію світла – зелені рослини й деякі прокаріоти (ціанобактерії, зелені та пурпурові бактерії). Пригадайте, що процес утворення органічних речовин з неорганічних за участю світла називають фотосинтезом, а організми, які в такий спосіб акумулюють енергію, – фототрофами, або фотосинтетиками. Іншим потенційним джерелом є енергія екзотермічних реакцій. Процес утворення органічних сполук з неорганічних за рахунок енергії хімічних реакцій називають хемосинтезом. Організми, здатні засвоювати енергію хімічних реакцій, називають хемотрофами, або хемосинтетиками. Таких організмів багато поміж бактерій та архей: залізо бактерії, сіркобактерії, нітрифікувальні бактерії.

Реакцій, що відбуваються за участі бактерій, у яких виділяється достатня для синтезу органічних сполук кількість енергії. Залізо бактерії окиснюють сполуки Феруму(II) до сполук Феруму(III), сіркобактерії окиснюють Сульфур сірководню до молекулярної сірки. Тіонові бактерії також перетворюють сполуки Сульфуру, окиснюючи молекулярну сірку, сульфіти або сульфіди до сульфатів.

Водневі бактерії окиснюють молекулярний водень до води. Нітрифікувальні бактерії здатні окиснювати амоніак, що утворюється під час гниття органічних речовин, до нітритів та нітратів. Отже, спектр перетворюваних хімічних речовин є досить широким. Проте енергія, що виділяється в описаних реакціях, не використовується безпосередньо для синтезу органічних сполук. На першому етапі вона акумулюється у зв’язках молекул АТФ і лише потім використовується для синтезу органічних речовин з неорганічних. Ця особливість є спільною ознакою хемосинтезу й фотосинтезу.

Організми ж, які використовують енергію готових органічних речовин, називають гетеротрофами (від грец. heteros – інший і trophe – їжа, живлення). До цієї групи належать гриби, більшість тварин і бактерій. Для них джерелом енергії є синтезовані іншими організмами органічні сполуки, які вони отримують з їжею (живі організми, їхні рештки або продукти життєдіяльності).

Є організми, яким властивий змішаний тип живлення – міксотрофи. Міксотрофам притаманне автотрофне живлення (речовинами, що утворюються внаслідок фотосинтезу або хемосинтезу) та гетеротрофне (органічними сполуками, що надходять з навколишнього середовища). До міксотрофів відносять деякі залізобактерії, сіркобактерії, одноклітинні еукаріотичні організми, рослини-напівпаразити, комахоїдні рослини.

Різноманітність гетеротрофних організмів. Гетеротрофні організми різняться за об’єктами живлення, які є джерелом органічних речовин. Об’єктами живлення для одних тварин можуть бути інші тваринні організми, на яких вони полюють. Тип живлення, за якого один організм (хижак) живиться іншим (або іншими) організмом (жертвою), називають хижацтвом. У процесі спільної еволюції хижаки і жертви пристосовуються один до одного: у хижаків з’являються і розвиваються засоби виявлення й атаки, а в жертв — засоби маскування і захисту.

Хижацтво не треба плутати з типом живлення, за якого об’єктом живлення тварини є рослинний організм, – фітофагією. Поміж безхребетних до фітофагів належать губки, більшість червів і комах. Хребетні фітофаги частково використовують тваринну їжу, оскільки їм необхідні певні незамінні амінокислоти тваринного походження, наприклад, північні олені іноді споживають у їжу лемінгів тощо.

За такого типу живлення в рослин виникають певні захисні пристосування. Найефективнішим «винаходом» для захисту є утворення найбільш поширених у світі рослин полімерних сполук – целюлози та лігніну. Обидві речовини дуже стійкі, міцні й для їх побудови не потрібно будь-яких «дефіцитних» хімічних елементів. У деяких безхребетних є ферменти, які розщеплюють ці речовини (наприклад, целюлаза), але в хребетних тварин вони відсутні, і її засвоєння здійснюється переважно за допомогою симбіотичних одноклітинних організмів. Найвідоміші приклади взаємовигідного співіснування тварин і мікроорганізмів – різні жуйні тварини. Організми, які живляться соками або виділеннями інших організмів і виконують при цьому життєво важливі трофічні функції, називають симбіотрофами. Таких організмів багато поміж мікроорганізмів. У природі також натрапляємо на випадки співіснування організмів, за яких один з організмів (паразит) певний час використовує іншого (хазяїна) як джерело живлення та середовище існування. Такий тип живлення називають паразитизмом. Паразити є поміж бактерій, одноклітинних еукаріотів, тварин (плоскі, круглі та кільчасті черви, членистоногі, молюски), грибів (борошнисто-росяні, трутовики, ріжки, сажки) і навіть квіткових рослин.

Відмінність паразитизму від хижацтва та інших форм взаємодії організмів полягає в тому, що фізіологія паразита підпорядкована фізіології хазяїна, його життєвий цикл неможливий без отримання від хазяїна необхідних для нього ресурсів.

Сапрофагія – тип живлення органічними речовинами тіл мертвих організмів або продуктів їхньої життєдіяльності. Такі органічні речовини часто називають детритом, а організми, для яких він є об’єктом живлення, – детритофагами. Відомо багато трупоїдних хребетних тварин – гієни, грифи, стерв’ятники, ворони, деякі риби. У такий же спосіб можуть харчуватися і великі безхребетні. Наприклад, жук-мертвоїд здатен удвох із самкою закопувати трупи мишей на глибину до 20 см і там годувати ними своїх личинок.

Найбільше різноманітних детритофагів мешкає в ґрунті, завдяки чому з органічних речовин, що розкладаються, формується гумус. Значна частина детриту гниє та розкладається в процесі живлення грибів і бактерій. Ці організми об’єднують в особливу групу редуцентів, які завершують розкладання органічних речовин, повертаючи до екосистеми Карбон у вигляді неорганічних сполук, воду і мінеральні солі. Енергія, що надходить до організму з навколишнього середовища, може запасатися в хімічних зв’язках синтезованих сполук або ж витрачатися на різноманітні процеси функціонування.

Питання для самостійної роботи:

1. Дайте означення поняття обмін речовин.

2. Чим відрізняється біологічна система від відкритої неживої системи?

3. Порівняйте асиміляцію та дисиміляцію.

4. Поясніть єдність процесів синтезу та розщеплення речовин в організмі.

5. Дайте означення понять автотрофи, гетеротрофи, фототрофи, хемотрофи.

6. Порівняйте фототрофи і хемотрофи.

7. Наведіть приклади гетеротрофних організмів з різними типами живлення.

8. Схарактеризуйте типи живлення гетеротрофних організмів.