Поміркуйте

Яким чином організм людини обмінюється енергією з навколишнім середовищем?

Згадайте

• Асиміляція і дисиміляція

• Закони термодинаміки

Єдність процесів обміну речовин і енергії

У клітинах одночасно відбуваються процеси енергетичного та пластичного обміну. Вони пов’язані між собою потоками речовин і енергії (мал. 55.1). Головну роль у поєднанні анаболічних і катаболічних процесів відіграє АТФ.

Процеси анаболізму і катаболізму перебувають в організмі або в стані динамічної рівноваги, або з переважанням одного з них. Переважання анаболічних процесів над ката-

болічними призводить до зростання, накопичення маси тканин, а переважання катаболіч-них процесів веде до часткового руйнування тканинних структур, виділення енергії. Стан рівноважного або нерівноважного співвідношення анаболізму й катаболізму залежить від віку (переважання анаболізму в дитячому віці, рівновага у зрілому, переважання катаболізму в старості), стану здоров’я, фізичного або психоемоційного навантаження.

Мал. 55.1. Взаємозв'язок процесів катаболізму й анаболізму ґрунтується на єдності біохімічних перетворень,

що забезпечують енергією всі процеси життєдіяльності

Перетворення енергії в живій клітині

Внутрішні метаболічні процеси супроводжуються перетвореннями одних форм енергії на інші. Так, наприклад, хімічна енергія глюкози перетворюється у ході клітинного окиснення частково на тепло, частково — на енергію макроергічних зв’язків АТФ. За рахунок гідролізу АТФ може відбуватися перенесення речовин з ділянки з меншою концентрацією до ділянки з більшою (осмотична робота), перенесення йонів у місце більш високого електричного потенціалу (електрична

робота), в організмі тварини — скорочення м’язів (механічна робота). При цьому відбувається перетворення частини хімічної енергії АТФ на теплову, осмотичну, електричну та механічну енергію.

З розвитком у XIX-XX ст. термодинаміки — науки про взаємоперетворення теплоти й енергії — стало можливо кількісно розраховувати перетворення енергії в біохімічних реакціях і передбачати їх напрямок.

Термодинаміка обміну речовин

З точки зору термодинаміки, живі організми являють собою відкриті нерівноважні системи, оскільки вони обмінюються з навколишнім середовищем як енергією, так і речовиною, і при цьому перетворюють і те, й інше.

Припинення обміну речовин та потоку енергії для організмів означає втрату структурної організації і смерть.

Експериментальним шляхом було встановлено, що до процесів, які відбуваються в біологічних системах, можна застосовувати перший і другий закони термодинаміки. Сумарна кількість енергії, яку отримує живий організм з їжею за певний проміжок часу, дорівнює кількості енергії, що виділяється у вигляді тепла і міститься в продуктах виділення, та енергетичним витратам на роботу, що здійснюється.

Кількість теплоти, виділеної організмом, можна точно виміряти. Для цього організм поміщають у спеціальну камеру, яка добре ізольована від середовища, тобто не відбувається обміну енергією з навколишнім середовищем (мал. 55.2). Експерименти, виконані цим методом, довели, що кількість енергії, яка надходить в організм, дорівнює енергії, що виділяється під час проведення калориметрії.

Дізнайтеся більше

Термодинаміка — наука, що вивчає загальні закони перетворення різних видів енергії в системі. Розрізняють три типи систем:

Ізольована — не обмінюється з навколишнім середовищем ані речовиною, ані енергією. Замкнена (закрита) — обмінюється з навколишнім середовищем тільки енергією.

Відкрита — обмінюється з навколишнім середовищем речовиною і енергією.

Перший закон термодинаміки є законом збереження енергії. Він визначає, що загальна енергія в ізольованій системі — величина стала і не змінюється із часом, а лише переходить з однієї форми в іншу.

Другий закон термодинаміки визначає, що всі реальні процеси супроводжуються розсіюванням певної частини енергії в теплоту.

Практична робота

Порівняльна характеристика змін у процесі еволюції органів травлення, дихання та виділення як оптимізація їх до процесів метаболізму

1. Розгляньте зображення органів травної, дихальної та видільної систем різних груп тварин (наприклад, риб, амфібій, птахів та ссавців). Установіть зміни, які відбувались із цими органами у процесі еволюції.

2. Сформулюйте висновок.

Ключова ідея

У клітинах одночасно відбуваються процеси енергетичного та пластичного обміну. Вони пов'язані між собою потоками речовин і енергії. Головну роль у поєднанні анаболічних і ката-болічних процесів відіграє АТФ. Живі організми належать до відкритих термодинамічних систем: вони обмінюються речовинами й енергією з навколишнім середовищем.

Запитання та завдання

1. Опишіть, як одні види енергії перетворюються на інші в процесі фотосинтезу. 2. Які види енергії виділяються під час роботи м'язів? 3. Якою системою з точки зору термодинаміки, є космічний корабель з космонавтами?

Основні положення теми «Обмін речовин і перетворення енергії»

Основні неорганічні речовини клітини

Компонент	Функції
	Утворення внутрішнього середовища організму, підтримка форми тіла (тургор), участь у метаболізмі (фотоліз, гідроліз), терморегуляція (потовиділення, гутація), транспорт речовин
	Утворення мембранного потенціалу для синтезу АТФ та передачі сигналів, у тому числі, нервового імпульсу
	Забезпечення буферних властивостей системи тканин
	Забезпечення міцності опорних структур тварин (кістки, мушлі молюсків)
	Утворення активного центру гормонів, ферментів, вітамінів, транспортних білків, пігментів фотосинтезу

Біополімери

Полімери	Мономери	Обов’язкові елементи	Основні функції
Білки	Амінокислоти	C, H, O, N, S	Каталітична, структурна, моторна, транспортна, регуляторна
Полісахариди	Моносахариди	C, H, O	Механічна, резервна, регуляторна
Жири	Гліцерин і жирні кислоти	C, H, O	Резервна, термоізолююча, регуляторна, структурна
Нуклеїнові кислоти	Нуклеотиди	C, H, O, N, P	Інформаційна, регуляторна, каталітична

Мембранний транспорт

Пасивний транспорт:

А. Проста дифузія

1 — дифузія крізь фосфоліпідний бішар

2 — дифузія крізь білок-канал

Б. Полегшена дифузія крізь білок-переносник

3 — симпорт

4 — антипорт Активний транспорт:

5 — крізь білок-насос із підводом енергії

Транспорт речовин у багатоклітинних організмів

Рослини	Тварини
Ксилема (трахеїди, судини) — транспорт води й мінералів від коренів до листків	Гемолімфа — рідина, що транспортує поживні речовини
Флоема (ситоподібні трубки) — транспорт органічних речовин від листків до коренів	Кров — рідка тканина, що містить плазму (рідину) і формені елементи (еритроцити, лейкоцити, тромбоцити)

Типи живлення

За джерелом Карбону	За джерелом енергії	За джерелом Гідрогену
• автотрофне — СО2 • гетеротрофне — органічні речовини	• фототрофне — енергія світла • хемотрофне — енергія хімічного зв’язку	• літотрофне — неорганічні речовини • органотрофне — органічні речовини

Типи гетеротрофного живлення

За джерелом поживних речовин	За механізмом поглинання їжі
• голозойне — поглинання живих істот (хижацтво) та їхніх частин (мерофагія) • сапротрофне — живлення відмерлими рештками живих істот • симбіотрофне — одержання поживних речовин від партнера за взаємовигідним симбіозом • паразитичне — одержання поживних речовин від організму-хазяїна	• фаготрофне — поглинання шляхом заковтування • осмотрофне — поглинання шляхом усмоктування

Гетеротрофний метаболізм: аеробне дихання

Автотрофний метаболізм: фотосинтез

 

 

Це матеріал з підручника Біологія і Екологія 10 клас Задорожний