Основные процессы жизнедеятельности. §15. Гетеротрофное питание Какие источники энергии используются в процессе тренировки

Источник: Олимпийский центр спортивного питания

Энергия не может возникнуть ниоткуда или исчезнуть в никуда, она может только превращаться из одного вида в другой.

Вся энергия на Земле берется от Солнца. Растения способны превращать солнечную энергию в химическую (фотосинтез).

Люди не могут напрямую использовать энергию Солнца, однако мы можем получать энергию из растений. Мы едим либо сами растения, либо мясо животных, которые ели растения. Человек получает всю энергию из еды и питья.

Пищевые источники энергии

Всю необходимую для жизнедеятельности энергию человек получает вместе с пищей. Единицей измерения энергии является калория. Одна калория - это количество тепла, необходимое для нагрева 1 кг воды на 1°С. Большую часть энергии мы получаем из следующих питательных веществ:

Углеводы - 4ккал (17кДж) на 1г

Белки (протеин) - 4ккал (17кДж) на 1г

Жиры - 9ккал (37кДж) на 1г

Углеводы (сахара и крахмал) являются важнейшим источником энергии, больше всего их содержится в хлебе, рисе и макаронах. Хорошими источниками протеина служат мясо, рыба и яйца. Сливочное и растительное масло, а также маргарин почти полностью состоят из жирных кислот. Волокнистая пища, а также алкоголь также дают организму энергию, но уровень их потребления сильно отличается у разных людей.

Витамины и минералы сами по себе не дают организму энергию, однако, они принимают участие в важнейших процессах энергообмена в организме.

Энергетическая ценность различных пищевых продуктов сильно отличается. Здоровые люди достигают сбалансированности своей диеты потреблением самой разнообразной пищи. Очевидно, что, чем более активный образ жизни ведет человек, тем больше он нуждается в пище, или тем более энергоемкой она должна быть.

Самым важным источником энергии для человека являются углеводы. Сбалансированная диета обеспечивает организм разными видами углеводов, но большая часть энергии должна поступать из крахмала. В последние годы немало внимания уделялось изучению связи между компонентами питания людей и различными болезнями. Исследователи сходятся во мнении, что людям необходимо уменьшать потребление жирной пищи в пользу углеводов.

Каким образом мы получаем энергию из пищи?

После того, как пища проглатывается, она некоторое время находится в желудке. Там под воздействием пищеварительных соков начинается ее переваривание. Этот процесс продолжается в тонком кишечнике, в результате компоненты пищи распадаются на более мелкие единицы, и становится возможной их абсорбция через стенки кишечника в кровь. После этого организм может использовать питательные вещества на производство энергии, которая вырабатывается и хранится в виде аденозин трифосфат (АТФ).

Молекула АТФ из аденозина и трех фосфатных групп, соединенных в ряд. Запасы энергии «сосредоточены» в химических связях между фосфатными группами. Чтобы высвободить эту потенциальную энергию одна фосфатная группа должна отсоединиться, т.е. АТФ распадается до АДФ (аденозин дифосфат) с выделением энергии.

Аденозинтрифосфат (сокр. АТФ, англ. АТР) — нуклеотид, играет исключительно важную роль в обмене энергии и веществ в организмах; в первую очередь соединение известно как универсальный источник энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах. АТФ является основным переносчиком энергии в клетке.

В каждой клетке содержится очень ограниченное количество АТФ, которое обычно расходуется за считанные секунды. Для восстановления АДФ до АТФ требуется энергия, которая и получается в процессе окисления углеводов, протеина и жирных кислот в клетках.

Запасы энергии в организме.

После того, как питательные вещества абсорбируются в организме, некоторая их часть откладывается в запас как резервное топливо в виде гликогена или жира.

Гликоген также относится к классу углеводов. Запасы его в организме ограничены и хранятся в печени и мышечной ткани. Во время физических нагрузок гликоген распадается до глюкозы, и вместе с жиром и глюкозой, циркулирующей в крови, обеспечивает энергией работающие мышцы. Пропорции расходуемых питательных веществ зависят от типа и продолжительности физических упражнений.

Гликоген состоит из молекул глюкозы, соединенных в длинные цепочки. Если запасы гликогена в организме в норме, то избыточные углеводы, поступающие в организм, будут превращаться с жир.

Обычно протеин и аминокислоты не используются в организме как источники энергии. Однако при дефиците питательных веществ на фоне повышенных энергозатрат аминокислоты, содержащиеся в мышечной ткани, могут также расходоваться на энергию. Протеин, поступающий с пищей, может служить источником энергии и превращаться в жир в том случае, если потребности в нем, как в строительном материале, полностью удовлетворены.

Как расходуется энергия во время тренировки?

Начало тренировки

В самом начале тренировки, или когда энергозатраты резко возрастают (спринт), потребность в энергии больше, чем уровень, с которым происходит синтез АТФ с помощью окисления углеводов. Вначале углеводы «сжигаются» анаэробно (без участия кислорода), это процесс сопровождается выделением молочной кислоты (лактата). В результате освобождается некоторое количество АТФ - меньше, чем при аэробной реакции (с участием кислорода), но быстрее.

Другим «быстрым» источником энергии, идущим на синтез АТФ, является креатин фосфат. Небольшие количества этого вещества содержатся в мышечной ткани. При распаде креатин фосфата освобождается энергия, необходимая для восстановления АДФ до АТФ. Этот процесс протекает очень быстро, и запасов креатин фосфата в организме хватает лишь на 10-15 секунд «взрывной» работы, т.е. креатин фосфат является своеобразным буфером, покрывающим краткосрочный дефицит АТФ.

Начальный период тренировки

В это время в организме начинает работать аэробный метаболизм углеводов, прекращается использование креатин фосфата и образование лактата (молочной кислоты). Запасы жирных кислот мобилизуются и становятся доступными как источник энергии для работающих мышц, при этом повышается уровень восстановления АДФ до АТФ за счет окисления жиров.

Основной период тренировки

Между пятой и пятнадцатой минутой после начала тренировки в организме повышенная потребность в АТФ стабилизируется. В течение продолжительной, относительно ровной по интенсивности тренировки синтез АТФ поддерживается за счет окисления углеводов (гликогена и глюкозы) и жирных кислот. Запасы креатин фосфата в это время постепенно восстанавливаются.

Креатин является аминокислотой, которая синтезируется в печени из аргинина и глицина. Именно креатин позволяет спортсменам выдерживать высочайшие нагрузки с большей легкостью. Благодаря его действию в мышцах человека задерживается выделение молочной кислоты, которая и вызывает многочисленные мышечные боли. С другой стороны креатин позволяет производить сильные физические нагрузки благодаря высвобождению большого количества энергии в организме.

При возрастании нагрузки (например, при беге в гору) расход АТФ увеличивается, причем, если это возрастание значительное, организм вновь переходит на анаэробное окисление углеводов с образованием лактата и использование креатин фосфата. Если организм не успевает восстанавливать уровень АТФ, может быстро наступить состояние усталости.

Какие источники энергии используются в процессе тренировки?

Углеводы являются самым важным и самым дефицитным источником энергии для работающих мышц. Они необходимы при любом виде физической активности. В организме человека углеводы хранятся в небольших количествах в виде гликогена в печени и в мышцах. Во время тренировки гликоген расходуется, и вместе с жирными кислотами и глюкозой, циркулирующей в крови, используется как источник мышечной энергии. Соотношение различных используемых источников энергии зависит от типа и продолжительности упражнений.

Несмотря на то, что в жире больше энергии, его утилизация происходит медленнее, и синтез АТФ через окисление жирных кислот поддерживается использованием углеводов и креатин фосфата. Когда запасы углеводов истощаются, организм становится не в состоянии переносить высокие нагрузки. Таким образом, углеводы являются источником энергии, лимитирующим уровень нагрузки во время тренировки.

Факторы, ограничивающие энергозапасы организма во время тренировки

1. Источники энергии, используемые при различных типах физической активности

Слабая интенсивность (бег трусцой)

Требуемый уровень восстановления АТФ из АДФ относительно низок, и достигается окислением жиров, глюкозы и гликогена. Когда запасы гликогена исчерпаны, возрастает роль жиров как источника энергии. Поскольку жирные кислоты окисляются довольно медленно, чтобы восполнять расходуемую энергию, возможность долго продолжать подобную тренировку зависит от количества гликогена в организме.

Средняя интенсивность (быстрый бег)

Когда физическая активность достигает максимального для продолжения процессов аэробного окисления уровня, возникает потребность быстрого восстановления запасов АТФ. Углеводы становятся основным топливом для организма. Однако только окислением углеводов требуемый уровень АТФ поддерживаться не может, поэтому параллельно происходит окисление жиров и образование лактата.

Максимальная интенсивность (спринт)

Синтез АТФ поддерживается, в основном, использованием креатин фосфата и образование лактата, поскольку метаболизм окисления углеводов и жиров не может поддерживаться с такой большой скоростью.

2. Продолжительность тренировки

Тип источника энергии зависит от продолжительности тренировки. Сначала происходит выброс энергии за счет использования креатин фосфата. Затем организм переходит на преимущественное использование гликогена, что обеспечивает энергией приблизительно на 50-60% синтез АТФ. Остальную часть энергии на синтез АТФ организм получает за счет окисления свободных жирных кислот и глюкозы. Когда запасы гликогена истощаются, основным источником энергии становятся жиры, в то же время из углеводов начинает больше использоваться глюкоза.

3. Тип тренировки

В тех видах спорта, где периоды относительно низких нагрузок сменяются резкими повышениями активности (футбол, хоккей, баскетбол), происходит чередование использования креатин фосфата (во время пиков нагрузки) и гликогена как основных источников энергии для синтеза АТФ. В течение «спокойной» фазы в организме восстанавливаются запасы креатин фосфата.

4. Тренированность организма

Чем тренированнее человек, тем выше способность организма к окислительному метаболизму (меньше гликогена превращается в лактозу) и тем экономичнее расходуются запасы энергии. То есть, тренированный человек выполняет какое-либо упражнение с меньшим расходом энергии, чем нетренированный.

5. Диета

Чем выше уровень гликогена в организме перед началом тренировки, тем позднее настанет утомление. Чтобы повысить запасы гликогена, необходимо увеличить потребление пищи, богатой углеводами. Специалисты в области спортивного питания рекомендуют придерживаться таких диет, в которых до 70% энергетической ценности составляли бы углеводы.

Паста (макаронные изделия)

Зерновые злаки

Корнеплоды

Банка бобов 45

Большая порция риса 60

Большая порция картофеля в мундире 45

Два куска белого хлеба 30

Большая порция спагетти 90

Введите в свой план питания больше углеводов, чтобы поддерживать энергетические запасы организма;

За 1-4 часа до тренировки съедайте 75-100 г углеводов;

В течение первого получаса тренировки, когда способность мышц к восстановлению максимальна, съешьте 50-100 углеводов;

После тренировки необходимо продолжать потребление углеводов для скорейшего восстановления запасов гликогена.

Существование любого живого организма связано с непрерывным обменом вещественным, энергетическим и информационным с окружающей средой. Энергия, приходящая в систему расходуется на синтез биоэнергетических соединений на поддержание химических, астматических и электрических потенциалов, а так же их градиентов. В процессе жизнедеятельности происходит непрерывное превращение одних видов энергии в другие. Необходимо использовать термодинамику, как науку изучающую наиболее общие закономерности превращений различных видов энергии.

Термодинамической системой называется часть пространства с материальным содержанием, ограниченная некоторой оболочкой. Состояние системы характеризуется параметрами.

Экстенсивные параметры зависят от общего содержания вещества(масса или объем системы).

Интенсивные параметры не зависят от количества вещества в системе и стремится к выравниванию(температура, давление).

Возможно 3 вида термодинамических систем: изолированные, замкнутые и открытые.

Изолированные не могут обмениваться с окружающей средой ни энергией, ни веществом. Со временем такая система приходит в равновесное состояние, при котором все параметры одного значения. Такому состоянию соответствует наименьшее значение термодинамических потенциалов и максимальное значение энтропии.

Замкнутая система может обмениваться с окружающей средой веществом и информацией.

В открытой системе происходит обмен происходит обмен с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Она может находится в стационарном состоянии. Стационарным называется состояние при котором параметры системы

могут принимать в разных точках системы разные значения, которые не изменяются по времени. Изменение любого параметра, приводят к изменению состояния системы. Переход из одного состояния в другое- процесс. Процесс называется обратимым , если система возвращается в исходное состояние через одни и те же состояния, что и в прямом направлении. Необходимым называется процесс , протекающий только в одном направлении. Характеристикой состояния системы являются термодинамические потенциалы. Внутренняя энергия равна сумме всех видов энергии частиц, их которых состоит система, за исключением кинетической и потенциальной энергии системы, как целого. Внутренняя энергия- функция состояния и определяется параметрами системы.

Рассмотрим взаимодействия системы с окружающей средой. Обмен энергией может происходить за счет количества теплоты и совершенствования системной работы. Количество теплоты - теплообмен.

Процесс изменения энергии зависит от вида процессов, от способа совершения работы или передачи теплоты. Существуют следующие способы совершения работы:

1. Механическая работа при перемещении тел.

2. Механическая работа при расширении газа.

3. Работа по переносу электрического заряда.

4. Работа при химических реакциях.

В обобщенном виде:

Если на систему действует несколько сил, то по 1-му закону термодинамики:

Работа связана с превращением различным видом энергии. Подразделяется несколько видов энергии по способности их превращения в другие виды:

1. А- максимальная эффективная энергия. К ней относятся: гравитационная, световая, ядерная.

2. В- химическая энергия может превращаться в тепловую и электрическую энергию.

3. С- тепловая энергия. Деградация высших форм энергии в низшие, основное эволюционное свойство изолированных систем.

Тепловая энергия - это особый вид энергии низшего качества, который не может переходить без потери в другие виды энергии, т.к. тепловая энергия связана с хаотическим движением молекул. Живые организмы не являются источником новой энергии. Окисление поступающих в живой организм веществ приводит к высвобождению в нем эквивалентного хождения энергии, связанных с химической формой или каким-то другим видом энергии. Важной характеристикой системы является термодинамический потенциал. Существует 4 потенциала:

Функции состояния, изменение которых дает определить выполнение полезной работы и количество теплоты поступления в систему при теплообмене, по знаку и величине потенциала, можно следить по направлению процесса, при достижении равновесия, термодинамический потенциал стремится к наименьшему значению.

1)
2)

3)

Изменение энтальпии учитывает тепловой эффект химической реакции.

4) Термодинамический потенциал Гиббса.

Т.о. изменение потенциалов характеризует работу всех видов сил производной системы и количество теплоты которой обменивается система с окружающей средой. Различают 4 способа теплообмена:

1. Теплопроводность связанная с переносом теплоты через ткани организма, связанные с законом Фурье:

2. Конвекция, количество теплоты, которое переносится потоками разной плотности и разной температуры. .

3. Излучение, возникает на границе системы в виде электромагнитных волн, закон Стефана-Больцмана:

Ti- собственная температура

Tc- температура среды

4. Испарение, связано с превращением вещества из жидкого состояния в газообразное.

С учетом всех видов теплообмена можно записать уравнение теплового баланса:

Процессы теплообмена могут как увеличивать, так и уменьшать теплоту энергии, за исключением энергии испарения, которая всегда уменьшает количество теплоты внутри системы. Поскольку организм является термостатической системой, то для поддержания внутри организма постоянной температуры не зависит от внешних условий, организм имеет многочисленные системы регуляции.

Химическая регуляция происходит за счет изменения окислительных процессов внутри организма. Однако, изменение интенсивности обмена веществ приводит к серьезным нарушениям жизнедеятельности организма.

Физическая терморегуляция позволяет изменять интенсивность теплопроводности, конвекции и испарения. Терморегуляция внутренних органов, в которых в основном происходит выделение теплоты, совершенствуется при помощи тока крови, которая обладает высокой теплопроводностью. Интенсивность процесса теплообмена регулируется за счет усиления или ослабления оттока крови и связано с расширением или сужением кровеносных сосудов и является ответом на изменение внешних условий. Если температура среды выше температуры тела, то дополнительная теплорегуляция достигается за счет усиления испарения с поверхности тела. Кроме естественной терморегуляции большое значение имеет искусственная терморегуляция, связанная с изолированием организма от неблагоприятных условий окружающей среды. Тепловой баланс можно проверить экспериментально, определить энергию выделения организмом и энергию питательных веществ поступающих в организм. Энергия высвобождения из организма эквивалента поступающего внутрь. Т.о. все процессы жизнедеятельности соответствуют 1-му началу термодинамики.

Второе начало термодинамики в применении к биосистемам:

Второе начало термодинамики указывает на качественное различие форм энергии. Тепловая энергия образуется в организме, является определенной формой связанной энергии, т.е. в процессе жизнедеятельности она не может не может быть полностью превращена в другие виды. Для описания связанной энергии используется понятие энтропии.

Энтропия является функцией состояния и определяется с точностью до произвольной постоянной. Для изолированных систем энтропия не убывает, т.е. при протекании внутри системы необратимых процессов, энтропия возрастает, а при обратимом не меняется. Говорят о запасе энергии в системе, наиболее важно знать какую работу она может совершить над внешними телами, либо внутри самой системы. Для этого используется свободная энергия или энергия Гиббса. Для биосистем, процессы протекают при постоянной температуре и мало изменяющейся плотности и объеме. Т.о. для нормальных условий, свободно превращается часть внутренней энергии системы одинаковое в системе как свободной энергии, так и энергии Гиббса. Т.о. для оценки возможностей работы живого организма необходимо учитывать изменения свободной энергии или потенциал Гиббса. Существуют методы расчета изменения потенциала Гиббса для химических реакций.

Однако для биологических систем закон возрастания энтропии не наблюдается, что послужило причиной сомнения возможности применения 2-го закона термодинамики для животных систем. Согласно формулировке этого закона, возрождения энтропии определяет направление большинства естественных процессов в природе. Однако, закон возрождения энтропии справедлив только в изолированной системе и не может быть применен к живому организму на основании того, что это открытая система. Для изолированной системе в состоянии равновесия энтропия максимальна, а все термодинамические потенциалы, в том и собственная энергия и энергия Гиббса оказывается минимальным. В открытой же системе в стационарном состоянии изменение энтропии может быть отрицательно, а значение F или G могут вообще не изменяться.

Для изолированных систем :

Для открытых систем:

2-е начало термодинамики для открытых систем впервые было сформулировано Пригожыным.

Изменение энтропии открытых систем можно представить виде 2-х частей.

Первое слагаемое определяет изменение энтропии за счет внешних процессов. Второе слагаемое определяет изменение энтропии за счет процессов, протекающих внутри системы.

Это связано с необратимостью процессов расщепления питательных веществ, выравниванием градиентов, что всегда сопровождается увеличением энтропии. Аналогично энтропии можно разделить потенциал Гиббса.

Внутренние процессы сопровождаются расходом и убыванием потенциала Гиббса, который за счет обмена с окружающей средой может как увеличиваться, так и уменьшаться. В общем случае знак и величина изменения энтропии в разные промежутки времени изменяются, поэтому удобно рассматривать скорость изменения энтропии в открытой системе.

Для поддержания жизнедеятельности необходимо непрерывное поступление в организм свободной энергии из окружающей среды для компенсации убыли свободной энергии за счет внутренних процессов. Уменьшение энтропии в животной системе в ходе потребления пищевых продуктов и солнечной энергии одновременно приводит к увеличению свободной энергии системы. Т.е. приток отрицательной энергии не связан с упорядочению живых структур. Деградация питательных веществ приводит к выделению свободной энергии необходимой организму. Поток отрицательной энтропии необходим для компенсации нарастания энтропии и убыли свободной энергии, которая происходит внутри клетки в результате самопроизвольных процессов жизнедеятельности. Т.о. открытая система представляет собой процесс круговорота и превращения свободной энергии. Если внутри открытой системы достигнуто равновесие в отношении температуры, то и процессы обмена с окружающей средой протекают равновесно. Устойчивым состоянием открытой системы является стационарное состояние. Термодинамические условия возникновения стационарного состояния является равенство между изменением энтропии внутри организма и потоком энтропии в окружающую среду. Т.е. для открытой системы условием стационарного состояния является:

Постоянство энтропии не означает термодинамическое равновесие с окружающей средой. Равновесие организма с окружающей средой означает биологическую смерть. Для открытой системы постоянство энтропии устанавливает стационарное состояние системы и характеризует не отсутствие обратимых процессов, как в случае равновесия в изолированной среде, а взаимодействие с окружающей средой в наиболее оптимальной форме. Т.о. 2-е начало термодинамики для открытых систем помогает указать на целесообразность стационарного состояния системы. Впервые этот принцип был сформулирован Пригожыным в виде теоремы:

В стационарном состоянии производство энтропии внутри системы имеет постоянную и наименьшую из всех возможных скоростей.

Теорема указывает на то, что стационарное состояние обеспечивает наименьшие потери свободной энергии. В таком состоянии организм функционирует наиболее эффективно.

Все живые организмы, обитающие на Земле, с точки зрения термодинамики представляют собой открытые системы, способные активно организовывать поступление энергии и веществ извне. Энергия необходима для осуществления всех процессов жизнедеятельности, но, в первую очередь, для химического синтеза веществ, используемых для построения и восстановления структур клетки и организма. Откуда же живые организмы берут энергию? Живые существа способны использовать только два вида энергии – световую (энергию солнечного излучения) и химическую (энергию связей химических соединений) – и по этому признаку делятся на две группы: фототрофы ихемотрофы.

Для синтеза компонентов организма необходимо потребление извне химических элементов, используемых в качестве строительных блоков. Главным структурным элементом органических молекул является углерод. В зависомости от источников углерода

Кто как – фототрофы (растения) используют энергию солнечного излучения, гетеротрофы (грибы, животные) – энергию химических связей веществ, поступающих с пищей. Полученная энергия используется дальше для синтеза органических молекул, главным структурным элементом которых является углерод. В зависимости от источников углерода живые организмы делятся на две большие группы: автотрофы и гетеротрофы . Автотрофы специализируются на неорганических источниках углерода (воздух), а гетеротрофы должны кого-нибудь…съесть. Большинство живых организмов относится к фотоавтотрофам или хемогетеротрофам . Однако некоторые живые существа (эвглена зеленая, хламидомонада) в зависимости от условий обитания ведут себя как авто- либо гетеротрофы и составляют особую группу миксотрофных (авто-гетеротрофных) организмов.

Процесс потребления энергии и вещества называется питанием . Известны два типа питания: голозойный – посредством захвата частиц пищи внутрь тела, голофитный – без захвата, посредством всасывания растворенных веществ через поверхностные структуры организма. Пищевые вещества, попавшие в организм тем или иным способом, далее вовлекаются в обмен веществ.

Обмен веществ, или метаболизм представляет собой совокупность взаимосвязанных и сбалансированных процессов, включающих разнообразные химические превращения веществ в организме. Обязательным его условием является связь живых организмов с внешней средой. Из внешней среды живые существа получают элементы питания – воду, кислород и др. Во внешнюю среду они выделяют продукты своей жизнедеятельности. Такой взаимообмен обусловливает жизнь организмов: они растут, развиваются, изменяется их строение и свойства, но при этом не меняется главное качество – они остаются живыми!

Тела неорганической природы так же подвергаются воздействиям внешней среды и теряют при этом свои характерные качества, приобретают новые, испытывают превращения: железо превращается в ржавчину, камень в щебень, песок, пыль; окислы превращаются в кислоты и т.д.

По этому поводу философ Ф. Энгельс писал: «Скала, подвергшаяся выветриванию, уже больше не скала, металл в результате окисления превращается в ржавчину. Но то, что в неживых телах является причиной разрушения, у белка становится основным условием существования ».

Поглощение питательных веществ и выделение продуктов жизнедеятельности;

Синтез, использование и расщепление макромолекул.

Все разнообразные химические процессы, составляющие обмен веществ, делят на две группы – процессы ассимиляции и процессы диссимиляции.

Основу анаболизма (ассимиляции , или пластического обмена) составляют реакции синтеза, протекающие с потреблением энергии, – потребление и превращение поступающих в организм веществ в собственное его тело (компоненты клеток и отложение запасов, благодаря чему происходит накопление энергии). Метаболизм у авто- и гетеротрофных организмов характеризуется особенностями, касающимися способов построения структурных компонентов органических молекул.

Автотрофные организмы способны полностью самостоятельно синтезировать органические вещества из неорганических молекул, потребляемых из внешней среды:

Неорганические вещества (СО 2 , Н 2 О) фотосинтез биологические синтезы

Гетеротрофные организмы строят собственные органические вещества из органических компонентов пищи:

Органические вещества пищи (белки, жиры, углеводы) пищеварение простые органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, моносахара) биологические синтезы макромолекулы тела (белки, жиры, углеводы).

Основу катаболизма (диссимиляции , или энергетического обмена) составляют реакции расщепления, сопровождающиеся высвобождением энергии, - окислительно-восстановительный процесс разрушения органических веществ и превращение их в более простые соединения, благодаря чему высвобождается ранее накопленная в ходе ассимиляции энергия, необходимая для осуществления жизнедеятельности (часть энергии рассевается в виде тепла, а другая ее часть аккумулируется в макроэргических связях АТФ); одновременно освобождаются ресурсы организма (ферменты и др.) для процесса ассимиляции.

Процессы анаболизма и катаболизма неразрывно связаны между собой. Все синтетические процессы нуждаются в энергии, поставляемой в ходе реакций диссимиляции. Сами же реакции расщепления протекают лишь при участии ферментов, синтезируемых в процессе ассимиляции. Однако обе эти стороны обмена веществ и энергии не всегда находятся в равновесии: в растущем организме преобладают процессы ассимиляции, а при интенсивных физических нагрузках и в старости – процессы диссимиляции. Таким образом, обмен веществ можно определить как последовательное потребление, превращение, использование, накопление и потерю веществ и энергии в живых организмах в процессе жизни, обусловливающие самообновление, самовоспроизведение и саморегуляцию, рост и развитие в условиях постоянно меняющейся окружающей среды и позволяющие адаптироваться в ней. Обмен веществ регулируется внутриклеточными, гормональными механизмами, координируемыми нервной системой.

Вспомните из учебника «Человек и его здоровье», где и под воздействием каких ферментов расщепляются углеводы, жиры и белки при пищеварении. Что такое окисление, горение, дыхание?

Каждому организму в процессе жизнедеятельности необходима энергия. Движение, рост, развитие, размножение - все эти процессы связаны с затратой энергии. Автотрофные организмы способны аккумулировать солнечную энергию и благодаря ей синтезировать в своем теле органические вещества. Как же получают энергию гетеротрофные организмы?

Пищеварение и преобразование энергии. Гетеротрофные организмы получают органические вещества с пищей. Первоначальное расщепление веществ происходит в их пищеварительном тракте, а окончательное - на клеточном уровне. Высокомолекулярные органические вещества пищи не могут быть сразу усвоены клетками и тканями. Прежде всего, они должны быть разрушены до низкомолекулярных веществ, более доступных для клеточного усвоения. В результате сложных многоэтапных процессов диссимиляции выделяется энергия, которая частично расходуется в виде тепла, а частично преобразуется и запасается в молекулах АТФ.

Рассмотрим основные этапы протекания этих процессов у животных и человека.

На подготовительном этапе, называемом еще пищеварением, происходит расщепление органических веществ под воздействием ферментов в пищеварительном тракте. Так, белки расщепляются в желудке и в тонком кишечнике под действием ферментов - пепсина, трип сина до аминокислот. Расщепление полисахаридов начинается в ротовой полости в присутствие фермента слюны амилазы, а далее продолжается в двенадцатиперстной кишке. Там же расщепляются и жиры под действием липазы. Образующиеся низкомолекулярные вещества всасываются в кровь и доставляются ко всем органам, тканям и клеткам организма.

Вся выделяющаяся на подготовительном этапе энергия рассеивается в виде тепла.

Подготовительный этап (где Q - тепловая энергия): Белки + Н20 >> аминокислоты + Q

Жиры + Н2О >> глицерин + (высшие жирные кислоты) + Q Углеводы + Н2О >> глюкоза + Q

Расщепление глюкозы. Последующие этапы расщепления низкомолекулярных органических веществ протекают на клеточном уровне. Рассмотрим их на примере глюкозы (рис. 59). Именно это вещество служит основным источником энергии для большинства организмов.

Рис. 59. Общая схема расщепления глюкозы

Глюкоза в клетке может расщепляться двумя путями - анаэробно и аэробно. Процесс бескислородного расщепления протекает в цитоплазме клетки. В зависимости от типа клеток и организмов из глюкозы могут образовываться пировиноградная кислота, молочная кислота, этиловый спирт, уксусная кислота или другие низкомолекулярные органические вещества. Выделяющаяся при этом энергия запасается в двух молекулах АТФ, а частично рассеивается в виде тепла. Некоторые процессы бескислородного расщепления глюкозы называют брожением. Они характерны для анаэробных микроорганизмов, например, для молочнокислых бактерий и дрожжей.

Молочнокислое брожение наблюдается и у аэробных организмов при недостатке кислорода в тканях. Например, нетренированный человек после интенсивной физической нагрузки чувствует боль в мышцах (рис. 60). Образовавшаяся там молочная кислота раздражает нервные окончания. Примерно через двое суток боль стихает, молочная кислота окисляется дальше.

Рис. 60. При интенсивной физической нагрузке и недостатке кислорода в мышцах образуется и накапливается молочная кислота

У аэробных организмов все промежуточные вещества, образующиеся из глюкозы при бескислородном расщеплении, окисляются кислором воздуха до углекислого газа и воды. Этот последний этап диссимиляции называют биологическим окислением или клеточным дыханием. Он протекает в митохондриях. В реакциях кислородного расщепления глюкозы выделяется значительно больше энергии, основная часть которой запасается в 38 молекулах АТФ.

Аэробное расщепление глюкозы энергетически в 19 раз выгоднее, чем анаэробное. В этом процессе образуются только энергетически бедные неорганические вещества, а клетка запасает максимальное количество энергии в виде молекул АТФ.

Процессы клеточного дыхания по конечному результату схожи с процессами горения. Например, если сжечь сахар (рис. 61), то также получается углекислый газ и вода. Но эти процессы существенно различаются по сберегаемости энергии. При горении вся энергия переходит в световую и тепловую, ничего при этом не запасается. При клеточном дыхании запасается энергия в молекулах АТФ, которая впоследствии расходуется во всех процессах жизнедеятельности: синтезе органических веществ, росте, развитие, движение и др.

Рис 61. Горение сахара

Упражнения по пройденному материалу

1. Что общего в реакциях превращения белков, жиров и углеводов в пищеварительном тракте человека? Как называют такие реакции?
2. Как используется организмом энергия, освобождающаяся на подготовительном этапе диссимиляции?
3. В результате каких процессов образуются, в организме углекислый газ и вода? Где в клетке протекают эти реакции?
4. Где и как используется кислород, поступающий в организм при дыхании?
5. АТФ синтезируется о митохондриях и хлоропластах. Объясните, в чем сходство и различие процессов, приводящих к синтезу молекул АТФ.

Основное резервное энергетическое вещество растений - крахмал, занимает в их органах много места. Однако это не является помехой, так как растения активно не передвигаются. Большинство живот ных, напротив, вынуждены быстро перемещаться, что привело к запасанию у них жиров, которые при одинаковом с углеводами объеме, резервируют в два с половиной раза больше энергии.

Растения, как все живые организмы, постоянно дышат (аэробы). Для этого им необходим кислород. Он нужен и одноклеточным, и многоклеточным растениям. Кислород участвует в процессах жизнедеятельности клеток, тканей и органов растения.

Большинство растений получает кислород из воздуха через устьица и чечевички. Водные растения потребляют его из воды всей поверхно­стью тела. Некоторые растения, произрастающие на заболоченных ме­стах, имеют особые дыхательные корни, поглощающие кислород из воздуха.

Дыхание - сложный процесс, протекающий в клетках живого орга­низма, в ходе которого при распаде органических веществ высвобожда­ется энергия, необходимая для процессов жизнедеятельности организ­ма. Основным органическим веществом, участвующим в дыхательном процессе, являются углеводы, главным образом сахара (особенно глюко­за). Интенсивность дыхания у растений зависит от количества углево­дов, накопленных побегами на свету.

Весь процесс дыхания протекает в клетках растительного организма. Он сос­тоит из двух этапов, в ходе которых сложные органические вещества расщеп­ляются на более простые, неорганические - углекислый газ и воду. На пер­вом этапе при участии специальных белков, ускоряющих процесс (ферментов), про­исходит распад молекул глюкозы. В итоге из глюкозы образуются более простые органические соединения и выделяется немного энергии (2 АТФ). Этот этап дыхательного про­цесса происходит в цитоплазме.

На втором этапе простые органические вещества, образовавшиеся на первом этапе, взаимодействуя с кислородом, окисляются - образуют углекислый газ и во­ду. При этом высвобождается много энергии (38 АТФ). Второй этап дыхательного процесса протекает только с участием кислорода в специальных органоидах клетки - мито­хондриях.

Дыхание - это протекающий с участием кислорода процесс распада органических питательных веществ до неорганических (углекисло­го газа и воды), сопровождающийся выделением энергии, которая используется растением для процессов жизнедеятельности.

С 6 Н 12 О 6 + 6 О 2 = 6СО 2 + 6 Н 2 О + Энергия (38 АТФ)

Дыхание - процесс, противоположный фотосинтезу

Фотосинтез

Дыхание

1. Поглощение углекислого газа 2. Выделение кислорода. 3. Образование сложных органи­ческих веществ (преимущес-твен­но сахаров) из простых неорга­нических. 4. Поглощение воды. 5. Поглощение с помощью хлоро­филла солнечной энергии и на­копление ее в органических веществах. б. Происходит только на свету. 7. Протекает в хлоропластах. 8. Происходит только в зеленых ча­стях растения, преимуще-ственно в листе.

1. Поглощение кислорода. 2. Выделение углекислого газа. 3. Расщепление сложных органи­ческих веществ (преимуще-ствен­но сахаров) на простые неорга­нические. 4. Выделение воды. 5. Высвобождение химической энергии при окислении органических веществ 6. Происходит непрерывно на све­ту и в темноте. 7. Протекает в цитоплазме и мито­хондриях. 8. Происходит в клетках всех орга­нов растения (зеленых и незе­леных)

Процесс дыхания связан с непрерывным потреблением кислорода днем и ночью. Особенно интенсивно идет процесс дыхания в молодых тканях и органах растения. Интенсивность дыхания обусловлена потреб­ностями роста и развития растений. Много кислорода требуется в зонах деления и роста клеток. Образование цветков и плодов, а также повреж­дение и особенно отрывание органов сопровождается усилением дыха­ния у растений. По окончании роста, с пожелтением листьев и, особенно в зимнее время интенсивность дыхания заметно снижается, но не пре­кращается.

Ды­хание, как и питание, - необходимое условие обмена веществ, а зна­чит, и жизни организма.

Ø С1. В небольших помещениях с обилием комнатных растений ночью концентрация кислорода уменьшается. Объясните почему. 1) ночью с прекращением фотосинтеза выделение кислорода прекращается; 2) в процессе дыхания растений (они дышат постоянно) уменьшается концентрация О 2 и повышается концентрация СО 2

Ø С1. Известно, что опытным путём на свету трудно обнаружить дыхание растений. Объясните, почему.

1) на свету в растении наряду с дыханием происходит фотосинтез, при котором углекислый газ используется; 2) в результате фотосинтеза кислорода образуется гораздо больше, чем используется при дыхании растений.

Ø С1. Почему растения не могут жить без дыхания? 1) в процессе дыхания растительные клетки поглощают кислород, который расщепляет сложные органические вещества (углеводы, жиры, белки) до менее сложных;2) при этом освобождается энергия, которая запасается в АТФ и используется на процессы жизнедеятельности: питание, рост, развитие, размножение и др.

Ø С4. Газовый состав атмосферы поддерживается на относительно постоянном уровне. Объясните, какую роль играют в этом организмы. 1) фотосинтез, дыхание, брожение регулируют концентрацию О2, СО2; 2) транспирация, потоотделение, дыхание регулируют концентрацию паров воды; 3) жизнедеятельность некоторых бактерий регулирует содержание азота в атмосфере.

Значение воды в жизнедеятельности растений

Вода необходима для жизни любого растения. Она составляет 70-95 % сырой массы тела растения. У растений все процессы жизнеде­ятельности протекают с использованием воды.

Обмен веществ в растительном организме происходит только при достаточном количестве воды. С водой в растение поступают минераль­ные соли из почвы. Она обеспечивает непрерывный ток питательных ве­ществ по проводящей системе. Без воды не могут прорастать семена, не будет в зеленых листьях фотосинтеза. Вода в виде растворов, наполняю­щих клетки и ткани растения, обеспечивает ему упругость, сохранение определенной формы.

• Поглощение воды из внешней среды - обязательное условие сущест­вования растительного организма.

Растение получает воду главным образом из почвы с помощью корневых волосков корня. Наземные части растения, в основном лис­тья, через устьица испаряют значительное количество воды. Эти поте­ри влаги регулярно восполняются, так как корни постоянно поглоща­ют воду.

Бывает, что в жаркие часы дня расход воды испарением превышает ее поступление. Тогда у растения листья увядают, особенно самые ниж­ние. За ночные часы, когда корни продолжают всасывать воду, а испаре­ние у растения снижено, содержание воды в клетках снова восстанавли­вается и клетки и органы растения вновь приобретают упругое состояние. При пересадке рассады удаляют нижние листья для уменьшения испарения воды.

Главным способом поступления воды в живые клетки является ее ос­мотическое поглощение. Осмос - это способность растворителя (воды) поступать в клеточные растворы. При этом поступление воды приводит к увеличению объема жидкости в клетке. Сила осмотического поглоще­ния, с которой вода входит в клетку, называется сосущей силой .

Поглощение воды из почвы и потеря ее при испарении создают постоянный водный об­мен у растения. Водный обмен осуществляется с током воды через все органы растения.

Он складывается из трех этапов:

· поглощения во­ды корнями,

· передвижения ее по сосудам древесины,

· испарения воды листьями.

Обычно при нормальном водном обмене, сколь­ко воды поступает в растение, столько ее и ис­паряется.

Водный ток в растении идет в восходящем направлении: снизу вверх. Он зависит от силы всасывания воды клетками корневых волос­ков внизу и от интенсивности испарения наверху.

Корневое давление является нижним дви­гателем водного тока

сосущая сила листьев - верхним.

Постоянный ток во­ды от корневой системы к надземным частям растения служит сред­ством транспортировки и накопления в органах тела минеральных ве­ществ и различных химических соединений, поступающих из корней. Он объединяет все органы растения в единое целое. Помимо этого, восходящий ток воды в растении необходим для нормального водо­снабжения всех клеток. Особенно он важен для осуществления процес­са фотосинтеза в листьях.

ü С1. Растения в течение жизни поглощают значительное количество воды. На какие два основных процесса

жизнедеятельности расходуется большая часть потребляемой воды? Ответ поясните. 1) испарение, обеспечи-вающее передвижение воды и растворённых в-в и защиту от перегрева; 2) фотосинтез, в процессе которого образуются орг в-ва и выделяется кислород

Достаток или дефицит влаги в клетках влияет на все жизнедеятель­ные процессы растения.

По отношению к воде растения делят на экологические группы

Ø Гидатофиты (от греч. гидатос - «вода», фитон - «растение») - водные тра­вы (элодея, лотос, кувшинки). Гидатофиты полностью погружены в воду. Стеб­ли почти не имеют механических тканей и поддерживаются водой. В тканях растений имеется много крупных межклетников, заполненных воздухом.

Ø Гидрофиты (от греч. гидрос - «водный») - растения, частично погруженные в воду (стрелолист, камыш, рогоз, тростник, аир). Обычно обитают по берегам водоемов на сырых лугах.

Ø Гигрофиты (от греч. гигра - «влага») - растения влажных мест с высокой влажностью воздуха (калужница, осоки). 1) растения влажных местообитаний; 2) крупные голые листья; 3) устьица не закрываются; 4) имеют специальные водные устьица - гидотоды; 5) сосудов мало.

Ø Мезофиты (от греч. мезос - «сред­ний») - растения, живущие в условиях умеренного увлажнения и хорошего ми­нерального питания (нивяник, ландыш, земляника, яблоня, ель, дуб). Растут в лесах, на лугах, в поле. Большин­ство сельскохозяйственных растений - мезофиты. Они лучше развиваются при дополнительном поливе. 1) растения достаточного увлажнения; 2) растут в основном на лугах и в лесах; 3) вегетационный период короткий, не более 6 недель; 4) засушливое время переживают в виде семян или луковиц, клубней, корневищ.

Ø Ксерофиты (от греч. ксерос - «су­хой») - растения сухих местообитаний, где воды в почве мало, а воздух сухой (алоэ, кактусы, саксаул). Среди ксерофитов различают сухие и сочные. Сочные ксерофиты с мясистыми листьями (алоэ, толстянки) или мясистыми стеблями (кактусы - опунция) называют суккулентами . Сухие ксерофиты - склерофиты (от греч. склерос - «жесткий») приспособлены к жесткой экономии воды, к уменьшению испарения (ковыль, саксаул, верблюжья колючка). 1) растения сухих местообитаний; 2) способны переносить недостаток влаги; 3) уменьшена поверхность листьев; 4) опушение листьев очень обильное; 5) обладают глубокими корневыми системами.

Видоизменения листьев возникли в процессе эволюции вследствие влияния окружающей среды, поэтому они иног­да не похожи на обыкновенный лист.

· Колючки у кактусов, барбариса и др. - приспособления к уменьше­нию площади испарения и своего рода защита от поедания животными.

· Усики у гороха, чины прикрепляют лазаю­щий стебель к опоре.

· Сочные чешуи луковиц , листья кочана капусты запаса­ют питательные вещества,

· Кроющие чешуи почек - видоизмененные листья, которые защищают зача­ток побега.

· У насекомоядных растений (росянка, пузырчатка и др.) листья - ловчие аппараты . Насекомоядные растения произрастают на почвах, бедных минеральными веществами, особенно с недоста-точным содержанием азота, фосфора, калия и серы. Из тел насе-комых эти растения получают неорганические в-ва.

Листопад - явление закономерное и физиологически необходимое. Благодаря листопаду растения предохраняют себя от гибели в течение неблагоприятного времени года - зимы - или засушливого периода в жарком климате.

ü Сбрасывая листья, которые имеют огромную испаряю­щую поверхность, растения как бы балансируют возмож­ный приход и необходимый расход воды за указанный пе­риод.

ü Сбрасывая листья, растения освобождаются от накопившихся в них различных продуктов отброса , полу­чающихся при обмене веществ.

ü Листопад предохраняет ветви от обламывания под давлением масс снега.

Но у не­которых цветковых растений листья сохраняются всю зиму. Это вечнозеленые кустарнички брусника, вереск, клюква. Мелкие плотные листья этих растений, слабо ис­паряющие воду, сохраняются под снегом. Зимуют с зеле­ными листьями и многие травы, например земляника, клевер, чистотел.

Называя некоторые растения вечнозелеными, надо по­мнить, что листья этих растений не вечны. Они живут не­сколько лет и постепенно опадают. Но на новых побегах этих растений вырастают новые листья.

Размножение растений. Размножение - процесс, приводящий к увеличению числа особей.

У цветковых растений различают

Ø вегетатив­ное размножение, при котором образование новых особей происходит из клеток вегетативных органов,

Ø семенное размножение, при котором формирование нового организ­ма происходит из зиготы, возникаю-щей при слиянии поло­вых клеток, чему предшествует ряд сложных процессов, осуществляющихся главным образом в цветках.

Размножение растений при помощи вегетативных орга­нов называется вегетативным.

Вегетативное размноже­ние , осуществляемое при вмешательстве человека, называ­ется искусственным. К искусственному вегетативному размножению цветковых прибе-гают в том случае,

§ если рас­тение не дает семян

§ ускорить цветение и плодоно-шение.

В естественных условиях и в культуре растения часто размно-жаются одними и теми же орга-нами. Очень часто происходит размножение при помощи черен-ков. Чере­нок - это отрезок любо-го вегетативного органа растений, способный к восстановлению недостающих органов. Отрез­ки побега с 1-3 листьями, в пазухах которых развиваются пазушные почки, называются стеблевыми черенками . В ес­тественных усло-виях такими черенками легко размножа­ются ивы, тополя, а в культуре - герань, смородина…

Размножение листьями проис-ходит реже, но встречает­ся у таких растений, как луговой сердечник. На влажной почве у основания отломившегося листа развивается прида­точная почка, из которой вырастает новое растение. Лис­тьями размножают узамбарскую фиалку, некоторые виды бегонии и другие растения.

На листьях бриофиллюма образуются почки-детки , которые, опадая на землю, укореняются и дают начало новым рас­тениям.

Многие виды луков, лилий, нарциссов, тюльпанов раз­множаются луковицами. У луковицы от донца берет начало мочковатая корневая система, а из некоторых почек развиваются молодые луковички, называемые детками. Из каждой луковички-детки со временем вырастает новое взрослое растение. Маленькие луковички могут образовы­ваться не только под землей, но и в пазухах листьев некото­рых лилейных. Опадая на землю, такие луковицы-детки также развиваются в новое растение.

Растения легко размножаются особыми ползучими по­бегами - усами (земляника, живучка ползучая).

Размножение делением:

§ кустов (сирень) когда растение достигает значительных размеров, его можно разделить на несколько частей;

§ корневищ (ирисы) каждый отрезок, взятый для размножения, должен иметь или пазушную, или верхушечную почку

§ клубней (картофель, топинамбур), когда их недостаточно для посадки на определенной пло­щади, особенно если это ценный сорт. Деление клубня проводится так, чтобы каждая часть имела глазок и чтобы запас питательных веществ был достаточным для воспроизведения нового растения;

§ корней (малина, хрен) которые в благоприятных условиях дают новые растения;

§ корневых шишек - клубнекорней, которые отличаются от настоящего корня тем, что они не имеют узлов и междоузлий. Почки распо­ложены только на корневой шейке или стеблевом конце, поэтому у георгинов, клубневой бегонии и проводится деление корневой шейки с клубневидными образования­ми корней.

Размножение отводками. При размножении отводка­ми не отделенный от материнского растения побег пригиба­ют к почве, надрезают кору под почкой и присыпают зем­лей. Когда в месте надреза появятся корни и разовьются надземные побеги, молодое растеньице отделяют от материнского и пересаживают. Отводками можно размножать смородину, крыжовник и др. растения.

Прививка. Особым способом вегетативного размноже­ния является прививка. Прививкой называют пересадку части живого растения, снабженной почкой, на другое рас­тение, с которым первое скрещивается. Растение, на кото­рое прививают, называется подвоем ; растение, которое прививают, - привоем.

У привитых растений привой не образует корней и питается за счет подвоя, подвой же получает от привоя органические вещества, синтезированные в его листьях. Прививки чаще всего применяются для размножения пло­довых деревьев, которые с трудом образуют придаточные корни и не могут разводиться другим способом. Прививка также может проводиться пересадкой кусочка стебля с одной поч­кой под кору привоя (окулировка ) и скрещиванием одина­ковых по толщине привоя и подвоя (копулировка ). При прививках надо учитывать возраст и положение черенка на материнском растении, а также особенности привоя. Таким образом, разные способы вегетативного размноже­ния показывают, что у многих растений может восстано­виться целый организм из части.

Взаимосвязь органов. Несмотря на то, что все органы растения имеют присущее только им строение и выполня­ют специфические функции, благодаря проводящей систе­ме они связаны воедино, и растение функционирует как сложный целостный организм. Нарушение целостности любого органа обязательно отражается на строении и раз­витии других органов, причем это влияние может быть как положительным, так и отрицательным. Например, удале­ние верхушки стебля и корня способствует интенсивному развитию надземной и подземной частей растения, а удале­ние листьев задерживает рост и развитие и может даже привести к его гибели. Нарушение строения любого органа влечет за собой и нарушение его функций, что отражается на функционировании всего растения.