Все живые организмы в процессе жизнедеятельности используют энергию: Все живые организмы в процессе жизнедеятельности используют энергию, которая запасается в органических веществах, созданных

Урок 7. экосистемный уровень организации жизни. естественные и искусственные экологические системы — Экология — 10 класс

Экология, 10 класс

Урок 7. «Экосистемный уровень организации жизни. Естественные и искусственные экологические системы»

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

Экосистема — это совокупность совместно обитающих живых организмов и неорганических компонентов, связанных потоком энергии и круговоротом веществ.

Биогеоценоз — экосистема в пределах фитоценоза (единицы растительного покрова). Понятия «экосистема» и «биогеоценоз» очень близкие, но не являются синонимами. Экосистема — понятие более общее. Каждый биогеоценоз — это экосистема. Но не любую экосистему можно назвать биогеоценозом. Экосистемы бывают естественные и искусственные. Крупные наземные экосистемы называют биомами. Они соответствуют основным климатическим зонам Земли: тундра, тайга, широколиственные и смешанные леса, степи, саванны, пустыни, влажные тропические леса, высокогорья. Крупные экосистемы распадаются на экосистемы более низкого ранга.

Для осуществления биологического круговорота в структуре любой экосистемы должны присутствовать четыре необходимых компонента: биогенные элементы в окружающей среде и три разные по функциям группы организмов: продуценты, консументы и редуценты. Продуценты по типу питания относятся к автотрофам. Автотрофы используют для синтеза либо энергию солнечного света (фототрофы) или энергию химических связей неорганических веществ (хемотрофы). Гетеротрофы делятся на две группы: консументы и редуценты. Консументы — гетеротрофные организмы, потребляющие органическое вещество и перерабатывающие его в органические соединения собственных тел. Редуценты — разлагают органические остатки до минеральных веществ.

Устойчивые экосистемы — длительно существуют, например: дубрава, ковыльная степь, ельник – кисличник. Нестабильные экосистемы быстро изменяются.

Последовательная, закономерная смена одних сообществ другими на определённом участке территории, обусловленная внутренними факторами развития экосистем называется сукцессия. В результате сукцессионных изменений экосистема становится устойчивой и существует до тех пор, пока внешние силы не выведут её из равновесия. Завершающий, устойчивый этап сукцессии называется климаксом.

Глоссарий по теме:

Экосистема — совокупность совместно обитающих живых организмов и неорганических компонентов, связанных потоком энергии и круговоротом веществ.

Биогеоценоз — это лежащий в границах определенного фитоценоза и связанный взаимным обменом веществ и энергии единый природный комплекс, образованный участком земной поверхности (суши) с определенными условиями среды обитания (биотопом) и популяциями всех видов организмов, населяющих этот биотоп (биоценозом).

Биом – совокупность различных групп организмов и среды их обитания в определенной ландшафтно-географической зоне.

Продуценты – это организмы, которые создают биологическую продукцию — органические вещества из биогенных элементов.

Гетеротрофы – организмы, использующие в качестве источника питания органические вещества, создаваемые другими организмами.

Консументы — гетеротрофные организмы, потребляющие органическое вещество и перерабатывающие его в органические соединения собственных тел.

Редуценты – гетеротрофные организмы, разлагающие органические остатки до минеральных веществ.

Сукцессия – последовательная, закономерная смена одних сообществ другими на определённом участке территории, обусловленная внутренними факторами развития экосистем.

Основная и дополнительная литература (точные библиографические данные с указанием страниц):

обязательная литература:

1. Экология. 10–11 классы: учеб. пособие для общеобразоват. организаций: базовый уровень / М. В. Аргунова, Д. В. Моргун, Т. А. Плюснина. – 2-е изд. – М.: Просвещение, 2018. – 143 с.

Дополнительные источники:

2. Экология. 10–11 классы: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / Н.М., Чернова, В.М. Галушин, В.М.: Константинов; под род. Н.М. Черновой. – 4-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2016. – 302 с.

3. Ларина О.В. Удивительная экология / О. В. Ларина. – Москва : ЭНАС-КНИГА, 2014. – 256 с. – (О чем умолчали учебники).

4. Экологический словарь в 2-х томах/ Данилов-Данильян В.И. – М.: Энциклопедия, 2018.

Интернет-ресурсы:

5. http://www.nat-geo.ru/fact/38525-chernye-kurilshchiki/

Открытые электронные ресурсы по теме урока (при наличии):

Теоретический материал для самостоятельного изучения:

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля (не менее 2 заданий):

Задание 1.

Текст задания:

Выберите из списка правильный ответ.

_________(автотрофы, гетеротрофы, редуценты, продуценты) используют для синтеза либо энергию солнечного света, либо энергию химических связей неорганических веществ.

Тип вариантов ответов: (Текстовые, Графические, Комбинированные):

Правильный вариант/варианты (или правильные комбинации вариантов): Автотрофы

Неправильный вариант/варианты (или комбинации): гетеротрофы, редуценты, продуценты.

Подсказка: _______

Задание 2.

Текст задания: Разгадайте кроссворд.

По вертикали:

1. Организмы, которые создают органические вещества из биогенных (неорганических) элементов.
2. Организмы, которые энергетически зависят от других живых организмов, так как в состоянии преобразовывать только органические соединения.

По горизонтали:

1. Совокупность совместно обитающих живых организмов и неорганических компонентов, связанных потоком энергии и круговоротом веществ.
2. Экосистема в границах определенного фитоценоза.
3. Организмы, которые используют для синтеза органических соединений энергию солнечного света или энергию химических связей неорганических веществ.
4. Мельчайшие организмы, различимые только под микроскопом.

Тест по теме «Фотосинтез»

Фотосинтез

1.  Нитрифицирующие бактерии относят к

1) хемотрофам     2) фототрофам     3) сапротрофам   4) гетеротрофам

 

2. Энергия солнечного света преобразуется в химическую энергию в клетках

1) фототрофов   2) хемотрофов     3) гетеротрофов    4) сапротрофов

 

3. Хемосинтезирующими бактериями являются

1) железобактерии                  2) бактерии брожения

3) молочнокислые бактерии    4) сине-зеленые (цианобактерии)

 

4. Совокупность реакций синтеза органических веществ из неорганических с использованием энергии света называют

1) хемосинтезом  2) фотосинтезом  3) брожением    4) гликолизом 

 

5. Организмы, которые создают органические вещества из неорганических с использованием энергии, освобождаемой при окислении неорганических веществ, называют

1) гетеротрофами     2) хемотрофами     3) эукариотами     4) прокариотами

 

6. К автотрофным организмам относят

1) плесневые грибы                       2) болезнетворные бактерии

3) хемосинтезирующие бактерии   4) многоклеточных животных

 

7. Какие организмы синтезируют органические вещества из неорганических с использованием энергии света

1) водоросли     2) все простейшие    3) все бактерии       4) вирусы

 

8. Способность к хемоавтотрофному питанию характерна для

1) бактерий      2) животных    3) растений      4) грибов

 

9. Синтез органических веществ из воды и углекислого газа за счет энергии света происходит в организме

1) гетеротрофов     2) хемотрофов      3) фототрофов     4) сапротрофов

 

10. В процессе хемосинтеза, в отличие от фотосинтеза,

1) образуются органические вещества из неорганических

2) используется энергия окисления неорганических веществ

3) органические вещества расщепляются до неорганических

4) источником углерода служит углекислый газ

 

11. К автотрофным организмам относят

1) мукор    2) дрожжи    3) пеницилл     4) хлореллу

 

12. Световая фаза фотосинтеза происходит на мембранах

1) эндоплазматической сети        2) комплекса Гольджи

3) гран хлоропластов                   4) митохондрий

 

13. Процесс фотосинтеза следует рассматривать как одно из важных звеньев круговорота углерода в биосфере, так как в ходе его

1) растения вовлекают углерод из неживой природы в живую

2) растения выделяют в атмосферу кислород

3) организмы выделяют углекислый газ в процессе дыхания

4) промышленные производства пополняют атмосферу углекислым газом

 

14. Все живые организмы в процессе жизнедеятельности используют энергию, которая запасается в органических веществах, созданных из неорганических

1) животными    2) грибами    3) растениями   4) вирусами

 

15. Фотолиз воды происходит в клетке в

1) митохондриях    2) лизосомах    3) хлоропластах     4) эндоплазматической сети

 

16. В процессе фотосинтеза происходит

1) синтез углеводов и выделение кислорода

2) испарение воды и поглощение кислорода

3) газообмен и ассимиляция жиров

4) выделение углекислого газа и ассимиляция белков

 

17. В реакциях темновой фазы фотосинтеза участвуют

1) углекислый газ, АТФ и НАДФН2	2) оксид углерода, атомарный кислород и НАДФ+
3) молекулярный кислород, хлорофилл и ДНК	4) вода, водород и тРНК

 

18.  Сходство хемосинтеза и фотосинтеза состоит в том, что в обоих процессах

 1) органические вещества образуются из неорганических

2) на образование органических веществ используется солнечная энергия

3) на образование органических веществ используется энергия, освобождаемая при окислении неорганических веществ

4) образуются одни и те же продукты обмена

 

19. Сходство хемосинтеза и фотосинтеза состоит в том, что в обоих процессах

1) на образование органических веществ используется солнечная энергия

2) на образование органических веществ используется энергия, освобождаемая при окислении неорганических веществ

3) в качестве источника углерода используется углекислый газ

4) в атмосферу выделяется конечный продукт — кислород

 

20.  Процесс разложения воды в клетках растений под воздействием солнечного света называют

1) реакцией окисления             2) реакцией восстановления

3) фотосинтезом                       4) фотолизом

 

21. Какой газ накапливается в атмосфере благодаря жизнедеятельности растений

1) углекислый газ  2) оксид азота   3) кислород     4) водород

 

22.Под воздействием энергии солнечного света электрон поднимается на более высокий энергетический уровень в молекуле

1) углекислого газа  2) глюкозы  3) хлорофилла    4) азота

 

23. Фотосинтез может происходить в растительных клетках, которые содержат

1) ядро       2) хлоропласты      3) хромосомы     4) цитоплазму

 

24. В процессе фотосинтеза растения

1) обеспечивают себя органическими веществами

2) окисляют сложные органические вещества до простых

3) поглощают минеральные вещества корнями из почвы

4) расходуют энергию органических веществ

 

Тема: « Фотосинтез».

1.  У фотосинтезирующих серобактерий фотосистемы:

1)      только первая      

2)      только вторая

3)      и первая, и вторая

4)      фотосистемы ещё отсутствуют

2.  Впервые появляется фотосистема 2:

1)      у зеленых серобактерий

2)      у пурпурных серобактерий

3)      у цианобактерий(сине-зелёных)

4)      у одноклеточных водорослей

3.  Фотосистемы располагаются

1)      в мембранах тилакоидов

2)      внутри тилакоидов

3)      в строме

4)      в межмембранном пространстве

4.  В световую фазу фотосинтеза протоны накапливаются:

1)      в мембранах тилакоидов

2)      внутри тилакоидов

3)      в строме

4)      в межмембранном пространстве

5.  Реакции темновой фазы фотосинтеза протекают

1)      в мембранах тилакоидов

2)      внутри тилакоидов

3)      в строме

4)      в межмембранном пространстве

6.  В световую фазу фотосинтеза происходит

               1)  образование АТФ

               2)  образование НАДФ*Н₂

               3)  выделение кислорода

               4)  все перечисленные процессы

7.  Процесс, сопровождающийся перемещением возбуждённых электронов и образованием макроэргических связей в молекуле АТФ, происходит при:

               1)  синтезе липидов

               2)  синтезе иРНК

               3)  фотосинтезе

               4)  удвоении ДНК

8.  В темновую фазу происходит:

               1) образование АТФ

               2)  образование НАДФ*Н₂

               3)  выделение кислорода

               4)  образование улеводов

9.  При фотосинтезе происходит выделение кислорода, выделяющегося при разложении молекул:

1)      Н₂О

2)      С₆Н₁₂О₆

3)      СО₂ и Н₂О

4)      СО₂

10.  Поступление в растение воды, необходимой для фотосинтеза, зависит от

1)      корневого давления и испарения воды листьями

2)      скорости оттока питательных веществ из листьев ко всем органам

3)      скорости роста и развития растения

4)      процесса деления и роста клеток корня

 

 

11.  Где сосредоточен пигмент хлорофилл?

1)      оболочка хлоропласта

2)      граны

3)      строма

4)      ядро

12. Расщепляется ли молекула СО₂ при синтезе углеводов?

1)      только в темноте

2)      да

3)      нет

4)      только на свету

13. В процессе фотосинтеза происходит

1)      синтез углеводов и выделение кислорода

2)      испарение воды и поглощение кислорода

3)      газообмен и синтез липидов

4)      выделение углекислого газа и синтез белков

14.  Какие растения создают наибольшую биомассу и выделяют большую часть кислорода

1)      одноклеточные водоросли

2)      многоклеточные водоросли

3)      семенные

4)      споровые

15.  В световой реакции электроны, возбуждённые энергией света, сходят со своих орбит и накапливаются

          1)   по обе стороны мембраны

          2)   в строме

          3)   внутри мембраны тилакоида

          4)   за пределы мембраны тилакоида

16.  Учёный, который показал, как происходит образование углеводов  в  темновую фазу фотосинтеза

1)      М. Шлейден

2)      М.Кальвин

3)      Т. Шванн

4)      С.Н. Виноградский

17.   У хемосинтезирующих организмов хлорофилл

1)      присутствует

2)      отсутствует

3)      накапливается в  течение дня

4)      активизируется на свету

18.  Способны синтезировать органические вещества, используя неорганический источник углерода

1)      хемоавтотрофы и фотоавтотрофы

2)      фотоавтотрофы и хемогетеротрофы

3)      сапротрофы и автотрофы

4)      любые гетеротрофы

19.  Способны синтезировать органические вещества, используя только органический источник углерода

1)      хемоавтотрофы

2)      фотоавтотрофы

3)      сапротрофы

4)      любые гетеротрофы

20.  Образование АТФ происходит

1)      в световую фазу

2)      в темновую фазу

3)      при фотолизе воды

4)      и в световую, и в темновую фазу

21. Часть электронов при участии протонов восстанавливает НАДФ⁺  до НАДФ*Н

1)      в световую фазу

2)      в темновую фазу

3)      при фотолизе воды

4)      и в световую, и в темновую фазу

22. В  процессе хемосинтеза организмы используют энергию

1)        солнечного света

2)        естественной радиации

3)        химических связей неорганических веществ

4)        химических связей молекул полисахаридов

23. Х.Кребс – учёный, который изучил и описал процесс

1)        биосинтеза белка

2)        окисления пировиноградной кислоты

3)        фотолиза воды

4)        образования углеводов в темновую фазу фотосинтеза

24. Макроэнергетические химические связи содержит молекула

1)        полипептида первичной структуры

2)        полисахарида крахмала

3)        дезоксирибонуклеиновой кислоты

4)        аденозинтрифосфорной кислоты    

25. Верны ли следующие суждения о фотосинтезе?

А. В световой фазе происходит преобразование энергии света в энергию химических     связей глюкозы.

Б. Реакции темновой фазы протекают на мембранах тилакоидов, в которые поступают молекулы углекислого газа

1)      верно только А              3) верны оба суждения

2)      верно только Б               4) оба суждения неверны

В заданиях 26-29 выберите три верных  ответа из шести. Запишите в таблицу цифры, соответствующие выбранным ответам

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задания  по теме «Фотосинтез.Хемосинтез». Выберите три верных  ответа из шести.  

1. Каково значение фотосинтеза в природе?

1)      обеспечивает организмы органическими веществами

2)      обогащает почву минеральными веществами

3)      способствует накоплению кислорода в атмосфере

4)      обогащает атмосферу парами воды

5)      обеспечивает все живое на Земле энергией

6)      обогащает атмосферу молекулярным азотом

2.  Для растительной клетки характерно

1)      поглощение твёрдых частиц путём фагоцитоза

2)      наличие хлоропластов

3)      присутствие оформленного ядра

4)      наличие плазматической мембраны

5)      отсутствие клеточной стенки

6)      наличие одной кольцевой хромосомы

3. Какие процессы вызывает энергия солнечного света в листе?

1)      образование молекулярного кислорода в результате разложения воды

2)      окисление пировиноградной кислоты до углекислого газа и воды

3)      синтез молекул АТФ

4)      расщепление биополимеров до мономеров

5)      расщепление глюкозы до пировиноградной кислоты

6)      образование ионов водорода

4. Какие процессы происходят в клетках бактерий хемосинтетиков и фотосинтетиков?

1) синтез органических веществ из неорганических

2) фосфорилирование аденозиндифосфорной кислоты

3) выделение свободного кислорода

4) фотолиз молекул воды

5) образование полимеров из мономеров

6) накопление электронов на мембранах тилакоидов

 

5.  Установите соответствие между строением, функцией органоидов и их видом

СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ                             ОРГАНОИДЫ

А) содержит граны                                           1) митохондрии

Б) содержит кристы                                          2) хлоропласты

В) участвуют в образовании кислорода      

Г) обеспечивают окисление органических веществ

Д) содержат зелёный пигмент

6.  Установите соответствие между характеристикой и фазой фотосинтеза

              ХАРАКТЕРИСТИКА                                 ФАЗА ФОТОСИТЕЗА

             А) фотолиз воды                                           1) световая

             Б) фиксация углекислого газа                     2) темновая

             В) расщепление молекул АТФ

             Г) возбуждение хлорофилла квантами света

             Д) синтез глюкозы

 

7.  Установите соответствие между характеристикой и процессом, к которому её  относят

ХАРАКТЕРИСТИКА                             ПРОЦЕСС ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

А) происходит в хлоропластах                      1) фотосинтез

Б) состоит из световой и темновой фазы      2) дыхание

В) органические вещества окисляются

под действием кислорода

Г) органические вещества образуются

Д) конечный продукт —  Н₂О_{и СО2}

Е) конечный продукт глюкоза

     

Часть 2

 

Для записи ответов  на задания 34-40 используйте бланк ответов№2. Запишите сначала номер задания, затем полный, развернутый ответ к нему

 

          

       

1. В листьях растений интенсивно протекает процесс фотосинтеза. Происходит ли он в зрелых и незрелых плодах ? Ответ поясните.

 

2.  Назовите органоид растительной клетки, изображенный на рисунке, его структуры, обозначенные цифрами 1-7 ; опишите функции структур 3, 5, 6

 

             

 

3.  Найдите ошибки в приведённом тексте. Укажите номера предложений, в которых они сделаны, исправьте их.    

1. Организмы, способные к фотосинтезу, называют фотоавтотрофными. 2. Кислород- основной продукт реакции фотолизы воды. 3. В тилакоидах гран протекают реакции, не связанные со светом — темновые, или реакции фиксации углерода.4.  В темновой фазе процессы синтеза сопровождаются образованием молекул АТФ 5. Глюкоза образуется в клетках растений  в световую фазу, когда накопились молекулы АТФ и НАДФ*Н                                              

 

4.  Почему роль зелёных растений на Земле К.А. Тимирязев назвал космической?

 

5.  Можно ли считать, что фотосинтез включает в себя два процесса —  ассимиляцию и диссимиляцию и почему?

 

6.  Скорость фотосинтеза зависит от факторов, среди которых выделяют свет, концентрацию углекислого газа, воду, температуру. Почему эти факторы являются лимитирующими для реакций фотосинтеза?

 

7.  В природе осуществляется круговорот кислорода. Какую роль играют в этом процессе живые организмы?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

Ответы на вопросы

Часть 1(1-29)

 

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1	3	1	2	3	4	3	4	1	1

 

11	12	13	14	15	16	17	18	19	20
2	3	1	3	4	2	2	1	4	1
21	22	23	24	25	26	27	28	29
2	3	2	4	4	1,3,5	2,3.4	1,3.6	1,2,5

 

1(30-32)

30

 

31

 

32

А	Б	В	Г	Д	Е
1	1	2	1	2	1

 

33

 

Ученые обнаружили не нуждающихся в кислороде живых существ

Биологические существа, которые для поддержания жизни не нуждаются в кислороде, обнаружены итальянскими учёными на дне Средиземного моря. Они относятся к группе морских беспозвоночных, называющихся лорицеферами. Эти живые организмы не используют кислород при дыхании, как все другие живые существа, а получают энергию при помощи водорода.

Все другие имеющиеся на земле живые организмы в процессе газообмена потребляют кислород (животные) или соединение кислорода и углерода — углекислый газ (растения). Британский научный еженедельник New Scientist уже назвал эту находку сенсационной. Она подтверждает выводы современной науки о том, что в далёкой древности Земля была заселена живыми организмами, которые обходились без кислорода.

В результате мутации особой клетки — цианобактерии — в живой природе 2,3 миллиарда лет назад произошла настоящая революция. Этот вид организмов первым начал использовать кислород в процессе газообмена, получая в 10 раз больше энергии по сравнению с организмами, не поглощавшими кислород.

Цианобактерии выиграли «эволюционную войну», так как они были не только более эффективны энергетически, но и потому, что выделяемый ими в атмосферу планеты кислород действовал на другие организмы как яд. В результате последние вымерли. По мнению учёных, этот процесс произошёл около 500 миллионов лет назад.

Таким образом, сейчас учёные обнаружили архаические формы жизни, существовавшие на Земле в далёком прошлом. Примечательно и место находки — это подводное солёное озеро, расположенное в 200 километров к западу от греческого острова Крит на глубине 3,5 километра. Глубина впадины, в которой обитают уникальные существа, которые не дышат кислородом, достигает 100 метров. Концентрация соли в ней такова, что здесь нет места для кислорода, убийственного для лорицифер.

Озеро образовалось около 30 тысяч лет назад из огромных соляных отложений, которые существовали в этом месте за несколько миллионов лет до прихода вод Средиземного моря. В качестве источника энергии живущие в этом районе лорициферы используют сероводород, сообщает ИТАР-ТАСС.

Открытие итальянских учёных может и пролить свет на вопрос о том, есть ли и какая жизнь на других планетах Солнечной системы.

Что такое энтропия и как с ней бороться — T&P

Возьмите собранный кубик Рубика и начните произвольно поворачивать его грани. Через несколько поворотов он будет абсолютно разобран. Теперь продолжайте случайным образом поворачивать грани кубика до тех пор, пока он не соберется обратно.

Довольно быстро вы поймете, что ничего у вас не получится, но не расстраивайтесь: вы не собрали кубик Рубика, зато проиллюстрировали второе начало термодинамики:

Энтропия изолированной системы не может уменьшаться.

Героиня фильма Вуди Аллена Whatever Works дает такое определение энтропии: это из-за чего тяжело засунуть обратно в тюбик зубную пасту. Она еще интересно объясняет принцип неопределенности Гейзенберга, еще один повод посмотреть фильм.

Энтропия — это мера беспорядка, хаоса. Вы пригласили друзей на новогоднюю вечеринку, прибрались, помыли пол, разложили на столе закуску, расставили напитки. Одним словом, все упорядочили и устранили столько хаоса, сколько смогли. Это система с маленькой энтропией.

Вы все, наверное, представляете, что происходит с квартирой, если вечеринка удалась: полный хаос. Зато у вас утром есть в распоряжении система с большой энтропией.

Для того, чтобы привести квартиру в порядок, надо прибраться, то есть потратить на это много энергии. Энтропия системы уменьшилась, но никакого противоречия со вторым началом термодинамики нет — вы же добавили энергию извне, и эта система уже не изолированная.

Неравный бой

Один из вариантов конца света — тепловая смерть Вселенной вследствие второго начала термодинамики. Энтропия вселенной достигнет своего максимума и ничего в ней больше происходить не будет.

В общем случае звучит все довольно уныло: в природе все упорядоченные вещи стремятся к разрушению, к хаосу. Но откуда тогда на Земле жизнь? Все живые организмы невероятно сложные и упорядоченные и каким-то образом всю свою жизнь борются с энтропией (хотя в конце концов она всегда побеждает).

Все очень просто. Живые организмы в процессе жизнедеятельности перераспределяют энтропию вокруг себя, то есть отдают свою энтропию всему, чему только могут. Например, когда мы едим бутерброд, то красивый упорядоченный хлеб с маслом мы превращаем известно во что. Получается, что свою энтропию мы отдали бутерброду, а в общей системе энтропия не уменьшилась.

А если взять Землю в целом, то она вообще не является замкнутой системой: Солнце снабжает нас энергией на борьбу с энтропией.

Какие способы питания характерны для живых организмов — Организм — биологическая система

Все живые организмы питаются. Питание — это процесс получения организмом питательных веществ и энергии из окружающей среды. И то и другое организмы получают из пищи и используют ее как источник энергии и веществ, необходимых для поддержания их высокоупорядоченной структуры, роста и других процессов жизнедеятельности. В пище содержатся органические вещества (прежде всего углеводы, а также липиды и белки), которые и являются источником энергии.

Живые организмы различаются по тому, какую пищу они используют. Многие организмы способны сами синтезировать питательные вещества. Такие организмы называются автотрофами (от rp. autos — сам, trophe — пища, питание). Другие организмы используют в качестве пищи готовые органические вещества (в том числе углерод органического происхождения).

Такие организмы называются гетеротрофами (от гр. heteros — иной, разный). В отличие от гетеротрофов автотрофы сами синтезируют органические вещества из простых неорганических соединений (источником углерода для них является атмосферный диоксид углерода).

Для осуществления процессов синтеза органических веществ необходима энергия. Автотрофные организмы могут синтезировать органические вещества за счет энергии солнечного света. Такие организмы называются фототрофами (от гр. photos — свет). Фототрофами являются практически все растения, зеленые протисты и некоторые бактерии (цианобактерии, зеленые и пурпурные бактерии).

Организмы, которые для осуществления синтеза органических веществ используют энергию окисления некоторых химических веществ, называются хемотрофами. К хемотрофам относятся некоторые бактерии (железобактерии, бесцветные серобактерии, нитрифицирующие бактерии).

Гетеротрофы используют в пищу готовые органические вещества, из которых они извлекают энергию, необходимую для жизнедеятельности, специфические атомы и молекулы, идущие на поддержание и возобновление клеточных структур и новообразование протопласта в процессе их роста. Вместе с пищей гетеротрофы получают также коферменты и витамины, которые не синтезируются в их организме. К гетеротрофам относятся все животные, грибы, большинство протистов, бактерий, небольшая группа растений. Некоторые бактерии, например, несерные пурпурные, содержат бактериохлорофилл и способны к фотосинтезу, при этом для построения собственных органических веществ они используют атомы углерода не из С0₂, а из сложных органических соединений. Такие бактерии называются фотогетеротрофами.

Способы добывания и поглощения пищи у гетеротрофных организмов весьма разнообразны, но путь превращения питательных веществ у большинства из них очень сходен. По существу это превращение состоит из двух процессов: расщепление макромолекул на более простые (мономеры) — переваривание, всасывание простых молекул и их транспорт ко всем клеткам и тканям организма.

Известно несколько типов гетеротрофного питания. Основными из них являются: голозойный, сапротрофный, симбиотический и паразитический.

Голозойный тип питания характерен для большинства многоклеточных животных. При этом типе питания организм захватывает и направляет пищу внутрь тела, где она переваривается, всасывается и усваивается. Этот тип питания свойственен и некоторым протистам (например, амебе), осуществляющим фагоцитоз и пищеварение в фаголизосомах.

Голозойный способ питания состоит из следующих процессов: поглощение пищи, ее переваривание (ферментативное расщепление), всасывание и транспорт простых органических веществ к клеткам и тканям, ассимиляция (использование молекул клеткой для-получения энергии и синтеза собственных органических веществ), экскреция (выделение из организма в окружающую среду непереваренных остатков пищи).

Сапротрофный тип питания характерен для организмов, использующих мертвый или разлагающийся органический материал. Многие сапротрофы выделяют ферменты непосредственно на продукты питания, которые под воздействием этих ферментов подвергаются расщеплению. Растворимые конечные продукты такого внеорганизменного переваривания всасываются и ассимилируются сапротрофом. К сапротрофам относятся грибы и многие бактерии.

Симбиотрофный тип питания характерен для симбиотических организмов. Например, растительноядные жвачные животные дают приют многочисленным протистам, способным переваривать целлюлозу. Последние могут существовать только в анаэробных условиях, подобных тем, которые имеются в пищеварительном тракте животных. Протисты расщепляют содержащуюся в пище хозяина целлюлозу, превращая ее в более простые соединения.

При паразитическом способе питания организмы получают органические вещества от организма-хозяина. Паразитический способ питания характерен для некоторых бактерий (дифтерийная и столбнячная палочки, стафилококк, холерный вибрион и др.), протистов (малярийный плазмодий, дизентерийная амеба, лейшмании, трихомонады, лямблии), животных (сосальщики, ленточные черви, аскариды и др.), растений (повилика европейская, заразиха, Петров крест и др.).

Существует группа организмов, которые нельзя всецело отнести по типу питания ни к автотрофам, ни к гетеротрофам. В зависимости от условий обитания они могут себя вести по-разному. На свету такие организмы ведут себя как типичные автотрофы, но если имеется источник органического углерода, они ведут себя как гетеротрофы. Эту группу составляют автогетеротрофные протесты (в первую очередь эвгленовые).

Таким образом, по типу питания подавляющее большинство растений (за исключением растений-паразитов) являются автотрофами, все животные и грибы являются гетеротрофами, бактерии — гетеротрофы и автотрофы.

РУБЦОВОЕ ПИЩЕВАРЕНИЕ КУРПНОГО РОГАТОГО СКОТА

У жвачных животных из всех сельскохозяйственных животных желудок самый сложный — многокамерный, разделенный на четыре отдела: рубец, сетку, книжку, первые три отдела называются преджелудками, последний- сычуг является истинным желудком.

Рубец -самый большой отдел желудка жвачных, его вместимость у крупного рогатого скота в зависимости от возраста составляет от 100 до 300 литров. Он занимает всю левую половину брюшной полости. Внутренняя ее оболочка желез не имеет, ее поверхность ороговевшая и представлена множеством сосочков, придающих шероховатость.

Сетка— представляет из себя небольшой округлый мешок. Внутренняя поверхность также не имеет желез. Слизистая оболочка представлена выступающими в виде пластинчатых складок высотой до 12 мм, образует ячейки, по внешнему виду напоминающие пчелиные соты. С рубцом, книжкой и пищеводом сетка сообщается пищеводным желобом в виде полузамкнутой трубы. Сетка у жвачных животных работает по принципу сортировального органа, пропуская в книжку только достаточно измельченный и разжиженный корм.

Отсутствие четкой границы между 1-ым отделом (рубец) и 2-ым отделом (сетка), а также свободное смешивание их содержимого позволяет объединить их в один отдел и назвать сетчатым желудком. Сетчатый желудок занимает основную часть брюшной полости и является самым тяжелым внутренним органом. Это мускулистый орган, который вмещает в себя 2/3 всего содержимого желудочно-кишечного тракта коровы.

Около половины времени, необходимого для процесса переваривания, пища находится в сетчатом желудке (20 — 48 часов из общего количества 40 — 72 часа). Рубец разделяется сильными мышечными перегородками на краниальный, дорсальный и вентральный мешки. Эти мышцы сокращаются и расслабляются с периодичностью в 50 — 60 секунд.

Внутренние стенки сетчатого желудка выстланы огромным количеством пальцевидных сосочков, которые значительно увеличивают поверхность всасывания конечного продукта желудочной ферментации (летучие жирные кислоты и аммиак).

Строение сетчатого желудка обеспечивает задерживание волокнистой части пищи на время, необходимое для ее ферментации микроорганизмами. При одновременном сокращении рубца и сетки происходит смещение сетчато-рубцовой складки и продукт пищеварения выталкивается, освобождая сетку. При этом маленькие, т.е. более плотные частицы, проходят через отверстие соединяющее сетку с книжкой, тогда как большие, но менее плотные частицы поступают снова в вентральную часть рубца. Таким образом, движение сетки играет важную роль в просеивании и сортировке частиц пищи перед тем, как они покидают сетчатый желудок.

Проглоченный животными пищевой корм попадет сначала в преддверие рубца, а потом в рубец, из которого, спустя некоторое время, вновь возвращается в ротовую полость для повторного пережевывания и тщательного смачивания слюной. Данный процесс у животных называется жвачкой. Отрыгивание пищевой массы из рубца в ротовую полость осуществляется по типу рвотного акта, при котором последовательно сокращаются сетка и диафрагма, при этом гортань у животного замыкается и открывается кардиальный сфинктер пищевода.

Книжка— лежит в правом подреберье, имеет округлую форму, с одной стороны она является продолжением сетки, с другой переходит в желудок. Книжка представляет собой слой мышечных пластин, перекрывающих друг друга. Слизистая оболочка книжки представлена складками (листочками), на концах которых располагаются короткие грубые сосочки. Пластинчатая структура книжки способствует всасыванию большого количества воды и минеральных веществ. Это предотвращает разбавление кислоты, выделяемой четвертым отделом желудка (сычугом), и обеспечивает повторное поступление минеральных веществ в слюну.

Книжка является дополнительным фильтром и измельчителем грубых кормов. Несмотря на то, что масса книжки довольно большая , она вмещает в себя только 5% от всего перевариваемого продукта. У взрослой коровы размер книжки приближается к размеру крупного арбуза.

Сычуг — является истинным желудком, имеет вытянутую форму в виде изогнутой груши, у основания — утолщенной узкий конец которого переходит в двенадцатиперстную кишку. Слизистая оболочка сычуга имеет железы. Также, как и у животных с моногастритным желудком, сычуг выделяет ферменты и соляную кислоту. Внутренние стенки сычуга выстланны множеством складок, что значительно увеличивает площадь поверхности выделяющей ферменты и соляную кислоту.

Сычуг условно разделяют на две области. Первая из них называется дном и является основным местом, где происходит выделение соляной кислоты и ферментов, активных в кислой среде.

Вторая область называется пилорической. Это место, где собирается перевариваемая масса. По мере накопления, через отверстие, соединяющее сычуг с двенадцатиперстной кишкой (привратник — pyllоrus), пищевая масса проталкивается дальше в двенадцатиперстную кишку в виде отдельных пилюлеобразных комков (болюсов).

Сычуг — является истинным желудком, имеет вытянутую форму в виде изогнутой груши, у основания — утолщенной узкий конец которого переходит в двенадцатиперстную кишку. Слизистая оболочка сычуга имеет железы. Также, как и у животных с моногастритным желудком, сычуг выделяет ферменты и соляную кислоту. Внутренние стенки сычуга выстланны множеством складок, что значительно увеличивает площадь поверхности выделяющей ферменты и соляную кислоту.

Сычуг условно разделяют на две области. Первая из них называется дном и является основным местом, где происходит выделение соляной кислоты и ферментов, активных в кислой среде.

Вторая область называется пилорической. Это место, где собирается перевариваемая масса. По мере накопления, через отверстие, соединяющее сычуг с двенадцатиперстной кишкой (привратник — pyllоrus), пищевая масса проталкивается дальше в двенадцатиперстную кишку в виде отдельных пилюлеобразных комков (болюсов).

Вход пищевода в сетчатый желудок и отверстие, соединяющее сетку с книжкой выход из сетчатого желудка, расположены сравнительно близко друг к другу. Эти отверстия соединены между собой желобом. В период, когда теленок питается молоком, этот желоб свертывается в трубку, по которой молоко поступает сразу же в сычуг, минуя сетчатый желудок, то есть пищеварение происходит по укороченному пути. Когда теленок вырастает из возраста молочного кормления, желоб открывается и перестает функционировать.

Роль процесса жевания

Основными функциями жевания в процессе пищеварения являются:

1. Перемешивание корма со слюной.

2. Дробление пищи на мелкие частицы.

3. Увеличение растворимости веществ, служащих основой питания для бактерий желудка.

4. Формирование пищевых комков, удобных для проглатывания – в форме болюсов.

Роль слюновыделения

Слюновыделение имеет несколько важнейших функций:

1. Оказывает сильное разбавляющее действие на кислоты, которые образуются в рубце в результате ферментации кормов микроорганизмами.

2. Способствует сильному увлажнению пищевых частиц, что значительно облегчает их свободное перемещение в рубец и обратно, для дополнительного дожевывания.

3. Поддерживает здоровую среду в сетчатом желудке (содержит большое количество натрия и других минеральных солей, углекислоты и фосфатов, которые ограничивают падение рН — т.е. увеличение кислотности.

4. С помощью слюны формируются пищевые комки (болюсы).

5. Слюна поставляет питательные вещества для бактерий рубца: азот в виде мочевины, а также минеральные соли, такие как натрий, хлор, фосфор и магнезия.

6. Слюна предохраняет от раздувания (тимпании), так как содержит в своем составе муцин, обладающий антивспенивающими свойствами.

Слюновыделение происходит со скоростью 120 мл/мин во время еды и около 150 мл/мин во время пережевывания жвачки. Когда корова перестает жевать, скорость выделения слюны падает до 60 мл/мин.

Интенсивность слюноотделения зависит от состава потребляемых кормов. Большее ее количество выделяется при потреблении грубых кормов в неизмельченном виде. Слюновыделение резко сокращается при приеме измельченных кормов или концентратов.

При отсутствии слюны кислотность сетчатого желудка увеличивается, что приводит к уменьшению активности микроорганизмов, потере аппетита и развитию ацидоза.

Роль жевания жвачки

При пережевывании жвачки пищевые комки (болюсы) из рубца срыгиваются в рот на дополнительное дожевывание. При жевании болюсы сдавливаются и выделяющаяся при этом жидкость и мелкие пищевые частицы немедленно проглатываются. Большие же пищевые частицы дожевываются в течение 50-60 секунд и после этого также проглатываются. Пережевывание жвачки является жизненно необходимой частью нормального пищеварительного процесса и усвоения волокнистых веществ. Основные функции пережевывания жвачки заключаются в следующем:

При пережевывании жвачки происходит увеличение слюновыделения.

Под воздействием пережевывания происходит уменьшение размеров пищевых частиц и увеличение их плотности (от этих характеристик зависит время нахождения пищевых частиц в рубце).

Пережевывание жвачки помогает отделить пищевые частицы, готовые выйти из рубца, от тех, которым необходимо больше времени для их полной ферментации.

В результате пережевывания жвачки происходит размельчение волокнистых структур, что увеличивает поверхность воздействия на них микроорганизмов, а значит их перевариваемость.

Жвачка является необходимым условием для измельчения и дальнейшего переваривания грубых кормов. Она обычно начинается вскоре после окончания приема корма, когда он в рубце подвергается размягчению и разжижению. Чаще всего руминация наступает при полном покое животных, когда они лягут.

Жвачка у животных обычно начинается через 30−70 минут после еды и протекает в строго определенном для каждого вида животных ритме. В течение суток бывает 6-10 жвачных периодов, каждый из которых продолжается по 30-60 минут.

За 5 минут преджелудки сокращаются 8-14 раз. Продолжительность механической обработки пищевого кома в виде жвачки во рту — около одной минуты. Следующая порция пищевого корма поступает в рот спустя 3−10 секунд.

Жвачный период у животных продолжается в среднем 45−50 минут, затем у животных наступает период покоя, продолжающийся у различных животных разное время, затем снова наступает период жвачки.

Здоровая корова выполняет до 40-45 тысяч жевательных движений в день.

За сутки корова таким образом пережевывает около 60 кг пищевого содержимого рубца.

Существует хороший способ определения, достаточно ли волокнистых веществ содержится в рационе стада: если в любое время дня и ночи 1/3 поголовья скота жует, это значит, что рацион составлен правильно.

Роль рубцовой микрофлоры

Наукой доказано, что за счёт ферментов микрофлоры рубца удовлетворяется до 80% потребности жвачных в энергии, 30 — 50% — в белке, в значительной мере в макро- и микроэлементах и витаминах, переваривается от 50 до 70% сырой клетчатки рациона.

В преджелудках жвачных развиваются в основном анаэробные микроорганизмы: простейшие (инфузории) и бактерии.

Состав микрофлоры рубца жвачных животных варьирует в широких пределах в зависимости от вида корма: инфузории — от 200 тыс. до 2 млн. в 1 мл, бактерии — от 100 млн. до 10 млрд. в 1 мл. Видовой состав микроорганизмов также широк: бактерий – более 200 рас, простейших – более 20 видов.

Рост и размножение одних микроорганизмов сопровождаются автолизом и отмиранием других, поэтому в рубце всегда присутствуют живые, разрушающиеся и мертвые микроорганизмы.

Видовой состав зависит от того, какой корм превалирует в рационе. При смене рациона меняется и популяция микроорганизмов. Поэтому для жвачных важное значение имеет постепенный переход от одного рациона к другому.

Простейшие рубца относятся к подтипу инфузорий, классу ресничных инфузорий, состоящему из десятка родов и множества (около 100) видов. Они попадают в преджелудки, как и многие другие микроорганизмы, с кормом и очень быстро размножаются (до 4-5 поколений в день). В 1 г содержимого рубца находится до 1 млн. инфузорий, размеры их колеблются от 20 до 200 мкм.

Инфузории играют важную биологическую роль в рубцовом пищеварении. Они подвергают корм механической обработке, используют для своего питания трудноперевариваемую клетчатку и благодаря активному движению создают своеобразную микроциркуляцию среды. Внутри инфузорий можно увидеть мельчайшие частицы корма, съеденного животным. Инфузории разрыхляют, измельчают корм, в результате чего увеличивается его поверхность, он становится более доступным для действия бактериальных ферментов. Инфузории, переваривая белки, крахмал, сахара и частично клетчатку, накапливают в своем теле полисахариды. Белок их тела имеет высокую биологическую ценность.

Из бактерий в преджелудках содержатся кокки, стрептококки, молочнокислые, целлюлозолитические и другие, которые попадают в рубец с кормом и водой и благодаря оптимальным условиям активно размножаются. Самые важные микроорганизмы рубца – целлюлозолитические. Эти бактерии расщепляют и переваривают клетчатку, что имеет большое значение для питания жвачных.

Амилолитические бактерии, в основном стрептококки, представлены в рубце многочисленной группой. Они находятся в рубце при даче различных рационов, их количество особенно возрастает при использовании зерновых, крахмалистых и сахаристых кормов.

Молочнокислые бактерии в преджелудках играют важную роль при сбраживании простых углеводов (глюкоза, мальтоза, галактоза, лактоза и сахароза). Молочнокислые бактерии имеют большое значение в молочном кормлении.

Между всеми видами микроорганизмов существует симбиотическая связь: активное размножение одних видов может стимулировать или тормозить размножение других. Так, развитие стрептококков сдерживает рост молочнокислых бактерий, и наоборот, активное размножение молочнокислых бактерий создает неблагоприятную среду для жизнедеятельности стрептококков.

Обнаружена тесная связь между химическим составом и питательностью кормового субстрата, численностью микроорганизмов рубца и продуктивностью животных.

Субстраты с высоким содержанием азота, протеина, жира, БЭВ оказывают больший стимулирующий эффект на рост и размножение микрофлоры рубца по сравнению с субстратами с меньшим содержанием указанных показателей.

Оптимальным для размножения микроорганизмов рубца кормовым субстратам характерен уксуснокислый тип брожения и рН среды ближе к нейтральной — от 6,6 до 6,9.

Менее оптимальным кормовым субстратам свойственен пропионово-масляный тип брожения и более кислый рН среды — от 6,2 до 6,5. При этом большая дополнительная нагрузка по нейтрализации рубцового содержимого ложится на слюнные железы.

Таким образом, существует прямая зависимость между количеством бактерий и инфузорий в рубцовом содержимом и продуктивностью жвачных животных. Чем больше количество микроорганизмов в рубце, тем выше уровень продуктивности животных.

Существует три взаимодействующие среды, в которых микробы размещены в рубце. Первая – это жидкая фаза, где свободно живущие микробные группы в жидкости рубца питаются растворимыми углеводами и протеином. Эта фаза составляет до 25 % микробной массы.

Вторая – это твердая фаза, где микробные группы, связанные или прикрепленные, с частицами корма переваривают нерастворимые полисахариды, такие как крахмал и волокно (клетчатку), а также менее растворимые протеины. Эта фаза может составлять до 70 % микробной массы.

В третей фазе 5 % микробов прикреплены к эпителиальным клеткам рубца или к простейшим. Кормовой рацион, скармливаемый молочной корове, влияет на количество и относительное соотношение различных микробных видов в рубце. Одна из наиболее часто встречающихся проблем в сельхозорганизациях, возникающих в управлении питанием, – это внезапные изменения в кормовых рационах жвачных животных с целью включения большего количества концентрированных кормов.

Роль желудочной ферментации

В рубце находится много различных видов бактерий и простейших. Грибковые также являются частью нормальной популяции микроорганизмов рубца. Тип кормов потребляемых коровой, определяет, какой вид бактерий доминирует в желудке, а те, в свою очередь определяют количество и пропорцию выделяемых летучих жирных кислот, которые используются коровой в качестве источника энергии.

Среда рубца является благоприятной для роста микроорганизмов. РН (кислотность) находится в пределах от 5,5 до 7,0; температура колеблется от 39° до 40°, что является оптимальным условием для многих ферментов. Кислород, который токсичен для многих видов бактерий, в рубце почти отсутствует. Имеется достаточно пищи, которая поступает болee или менее постоянно. Конечные продукты ферментации — летучие жирные кислоты и аммиак — всасываются стенками рубца.

Численность бактерий, находящихся в рубце, в течении дня изменяется прямо пропорционально количеству энергии, доступной для микробов, которая, в свою очередь, прямо пропорциональна количеству энергии, полученной через корма.

Ферментативные процессы в рубце дают корове следующие преимущества:

I. Возможность получения энергии из сложных углеводов, содержащихся в клетчатке и в волокнистых структурах растений.

II. Возможность компенсирования белковой и азотной недостаточности.

III. Микроорганизмы рубца обладают способностью использовать небелковый азот для образования белка собственных клеток, который затем используется животным для образования молочного белка.

IV. Синтез витаминов группы В и витамина К. В большинстве случаев, при нормальном функционировании рубца, организм коровы способен обеспечить собственные потребности в этих витаминах.

V. Нейтрализация некоторых токсических веществ в кормах.

Однако, наряду с положительными, существуют и отрицательные стороны желудочной ферментации. К таким относятся:

Ферментация углеводов сопровождается потерей энергии в виде выделяемых газов (метан, углекислый газ).

Белок высокой питательной ценности частично разрушается с возможной потерей азота в форме аммиака. Дело в том, что бактерии не способны (из-за недостатка энергии) использовать весь образовавшийся при ферментации белков аммиак для построения белка собственных клеток. Лишний аммиак всасывается через стенки рубца в кровь, а затем выделяется с мочой в виде мочевины.

Образование газов в рубцеВ процессе сбраживания корма в рубце, кроме летучих жирных кислот, образуются газы (углекислый газ, метан, водород, азот, сероводород) и очень незначительное количество кислорода.

Количество и состав образующихся в рубце газов непостоянны и зависят как от содержащихся в рационе кормов, возраста животнного, температуры внешней среды, так и от многих других причин.

По некоторым данным у крупных животных за сутки образуется до 1000 л газов при употреблении легкосбраживаемых и сочных кормов, особенно бобовых культур, что может привести к острому вздутию рубца (тимпании).

Образующиеся в рубце газы удаляются из организма, главным образом, при отрыгивании корма во время жвачки. Значительная их часть всасывается в рубце, переносится кровью в легкие, через которые удаляются с выдыхаемым воздухом.

В большей степени удаляется через легкие углекислый газ, и в меньшей метан. Некоторая часть газов используется микроорганизмами для дальнейших биохимических и синтетических процессов.

Механизм расщепления клетчатки

Клетчатка — сложный полисахарид. Она составляет основную массу корма у сельскохозяйственных животных. В растительных кормах ее содержится до 40-50%.

В пищеварительных соках животных нет ферментов, переваривающих клетчатку, однако в преджелудках жвачных расщепляется 60-70 % перевариваемой клетчатки под действием целлюлозолитических бактерий.

Клетчатка имеет большое физиологическое значение для жвачных не только как источник энергии, но и как фактор, обеспечивающий нормальную моторику преджелудков. Ферменты бактерий расщепляют клетчатку (сложный полисахарид) до более простых форм: вначале до дисахарида целлюбиозы, а затем до моносахарида глюкозы. Продукты расщепления клетчатки в рубце подвергаются различным видам брожений.

Механизм расщепления крахмала

В рубце жвачных крахмал легко сбраживается с образованием летучих и нелетучих жирных кислот. Расщепляют крахмал бактерии и инфузории. Последние переваривают крахмал, захватывая его зерна. Бактерии воздействуют на крахмал с поверхности. Бактерии и инфузории, расщепляя крахмал, накапливают внутриклеточный полисахарид гликоген, а также амилопектин, который медленно и длительно сбраживается, что способствует сохранению постоянства биохимических условий в рубце и предупреждает возникновение интенсивного брожения при поступлении свежего корма.

Простые сахара (дисахариды и моносахариды) всегда содержатся в траве и других кормах, а также образуются в рубце как промежуточный продукт ферментации при расщеплении клетчатки и гемицеллюлозы.

При сбраживании сахаров появляются молочная, уксусная, пропионовая и масляная кислоты. Интенсивность бродильных процессов очень велика, за сутки в рубце образуется до 4 л летучих жирных кислот (ЛЖК).

Летучие жирные кислоты, образующиеся в рубце, почти полностью всасываются в преджелудках. В свободном состоянии они усваиваются лучше, чем их соли. Всосавшиеся ЛЖК используются организмом жвачных в качестве главного источника энергии и как исходные компоненты в различных ассимиляторных процессах: они служат одним из источников образования жира.

Механизм расщепления белков

В рубце жвачных под действием протеолитических ферментов микроорганизмов растительные белки корма расщепляются до пептидов, аминокислот, а затем до аммиака. Микроорганизмы рубца могут использовать не только белок, но и не белковые азотистые вещества.

В процессе жизнедеятельности микроорганизмы синтезируют белки своего тела. Из аммиака и продуктов расщепления углеводов корма микроорганизмы синтезируют более полноценный белок, в состав которого входят все заменимые и незаменимые аминокислоты.

Продвигаясь вместе с кормовой массой по пищеварительному тракту микроорганизмы перевариваются и используются организмом животного, доставляя ему более полноценный белок по сравнению с тем, который был получен с кормом. За счет микроорганизмов жвачные получают за сутки около 100 г полноценного белка.

В связи с этим бытует мнение, что жвачные менее чувствительны к недостатку аминокислот в рационе. Действительно, аминокислот, синтезируемых рубцовой микрофлорой, достаточно, чтобы удовлетворить потребность животных со средней и низкой продуктивностью при нормальных условиях кормления.

Но этого количества аминокислот не достаточно, чтобы обеспечить нормальный рост и развитие молодняка или высокую продуктивность коров. При этом степень синтеза различных аминокислот неодинакова.

Механизм расщепления жиров

Также в рубце жвачных происходит превращение липидов корма. В состав липидов входят: моно- и дигалактозилглицериды, фосфолипиды, триглицериды, стеролы, стерольные эфиры, воск и свободные жирные кислоты.

Бактерии рубца играют важную роль в метаболизме жира. Отмечено, что в кишечник поступает липидов больше, чем их содержится в корме. Это объясняется тем, что значительная часть липидов, поступающих в кишечник, приходится на липиды микроорганизмов, роль которых в гидрогенезации ненасыщенных жирных кислот, гидролизе липидов и их синтезе из нелипидных компонентов весьма велика.

Под действием бактериальных липаз жиры растений гидролизуются, при этом освобождаются ненасыщенные жирные кислоты, которые гидрогенизируются. При низкой скорости липолиза снижается интенсивность гидрогенезации.

Бактериальные липазы расщепляют стеролы, метиловые и этиловые эфиры, высокомолекулярных жирных кислот, галактозилглицеролы, лецитин и лизолецитин, а образовавшиеся в процессе гидролиза продукты разрушаются с выделением главным образом пропионовой кислоты.

Механизм синтеза витаминов

В процессе жизнедеятельности микроорганизмы рубца синтезируют и витамины группы В: рибофлавин (В2), тиамин (В1), никотиновую, (В5) фолиевую (В9), пантотеновую кислоты (В3), биотин (Н), пиридоксин (В6), цианокобаламин (В12), а также жирорастворимый витамин К (филлохинон).

Поэтому взрослые жвачные при сбалансированном кормлении не нуждаются в добавлении этих витаминов в рацион, но молодняк, у которого рубец еще не функционирует, должен получать их с кормом.

Установлена следующая закономерность синтеза витаминов. Если увеличивают количество витаминов в корме, то объем синтеза их в рубце уменьшается.

Синтез витаминов зависит также от наличия необходимых предшественников, например кобальта для синтеза цианокобаламина.

Явления, происходящие в рубце

В рубце — грубые корма длиной 1,5-3 см, при этом они задерживаются на плаву в верхней части (особенно трубчатые части), создают сплошное покрывало, именуемое «подстилкой», «матом», «плотом». Сильные мускулистые стенки рубца периодически встряхивают содержимое, тем самым верхняя часть сбивается в более плотную массу «мат», а все остальное перемешивается, что помогает мелким кусочкам «крекера» (частицы грубого корма) распадаться, становиться разбухшими от влаги, ферментироваться и падать в щи с продвижением к сетке. Роль «мата» в жизни коровы

От того сформировала корова свой «мат» или нет, будет зависеть возникновение ацидоза рубца. В основном в хозяйствах роковую роль играют переизмельченные силоса из кукурузы и трав.

Важным свойством «мата» является способность задерживать концентрированные корма на своей поверхности и внутри для более продолжительной подготовки (набухания) под действием рубцовой жидкости и лучшей переваримости их в кишечнике. В случаях, когда вместе с кукурузным силосом проходят транзитом частички раздробленного зерна (обнаруживаются в фекалиях), это говорит о том, что у коровы не сформирован «мат», что у коровы ацидоз, что переваримость грубых кормов снизилась (с 67 до 40 % и менее), и что хозяйство несет невосполнимые экономические потери.

Незаменимым свойством «мата» (длинноволокнистой клетчатки) является и то, что только он единственный влияет на скорость освобождения содержимого желудка или прохождения его по пищеварительному тракту. От этого зависят обороты (пропускная способность) рубца. Все это основано на способности клетчатки, внутри пищеварительного тракта набухать, увеличивать вязкость и, тем самым, ускорять или замедлять прохождение его содержимого (химуса).

На набухание клетчатки оказывает влияние количество слюны, поступающей в рубец, и время нахождения клетчатки в рубце.

В тех сельхозорганизациях, где используются переизмельченные объемистые корма (а они тоже содержат достаточное количество клетчатки), время нахождения их в рубце коровы непродолжительное, кроме того, слюны выделяется в 2 раза меньше из-за ослабления жвачки. Следовательно, клетчатка не набухает, а значит, перестает выполнять роль регулятора скорости перемещения химуса. Как правило, при ацидозах фекалии становятся более жидкими. Сопутствующим фактором в этом случае является дополнительный вынос из организма питательных веществ и микроэлементов в силу быстрого прохождения по пищеварительному тракту переваренных питательных веществ других кормов рациона, что затрудняет их абсорбцию эпителием кишечника.

Однако при больших, превышающих физиологические нормы, дачах длинноволокнистой клетчатки происходит замедление освобождения ЖКТ. Количество оборотов рубца уменьшается, снижается потребление рациона, а следовательно, и продуктивность. Важно обратить Ваше внимание и на тот факт, что «мат» является благоприятной средой обитания бактерий и инфузорий, ферментирующих клетчатку.

Кислотность содержимого рубца

Кислотность рубца является одним из наиболее изменяющихся факторов, который может оказывать воздействие на микробную популяцию и уровни произведенных ЛЖК.

Бактерии, способные переваривать клетчатку, наиболее активны при кислотности в пределах 6,2 — 6,8. Бактерии, переваривающие крахмалы, предпочитают более кислую среду (pH – 5,4 — 6,2).

Количество определенных видов простейших может быть значительно снижено при кислотности 5,5. Чтобы приспособиться ко всем этим требованиям, обычная технология кормления должна поддерживать диапазон кислотности в пределах 6,2 — 6,7.

 

Главный вывод для практиков!

 

Необходимо всегда помнить, что в действительности «кормим» рубцовую микрофлору, поэтому следует выполнять ее требования. Кормовой рацион необходимо менять постепенно, чтобы у микроорганизмов было достаточно времени адаптироваться к другим условиям. Каждое изменение кормового рациона выгодно для одних и невыгодно для других микроорганизмов и всегда временно занижает образование питательных веществ, а тем самым, и молочную продуктивность. В этом месте хочется вспомнить те сельхозорганизации, которые меняют рацион несколько раз в день по так называемой системе: завтрак, обед и ужин, а не кормосмесь. Отсюда и условия для микроорганизмов рубца в течение суток меняются трехкратно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Круговорот азота в природе • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

Азот — одно из самых распространенных веществ в биосфере, узкой оболочке Земли, где поддерживается жизнь. Так, почти 80% воздуха, которым мы дышим, состоит из этого элемента. Основная часть атмосферного азота находится в свободной форме (см. Химические связи), при которой два атома азота соединены вместе, образуя молекулу азота — N₂. Из-за того, что связи между двумя атомами очень прочные, живые организмы не способны напрямую использовать молекулярный азот — его сначала необходимо перевести в «связанное» состояние. В процессе связывания молекулы азота расщепляются, давая возможность отдельным атомам азота участвовать в химических реакциях с другими атомами, например с кислородом, и таким образом мешая им вновь объединиться в молекулу азота. Связь между атомами азота и другими атомами достаточно слабая, что позволяет живым организмам усваивать атомы азота. Поэтому связывание азота — чрезвычайно важная часть жизненных процессов на нашей планете.

Круговорот азота представляет собой ряд замкнутых взаимосвязанных путей, по которым азот циркулирует в земной биосфере. Рассмотрим сначала процесс разложения органических веществ в почве. Различные микроорганизмы извлекают азот из разлагающихся материалов и переводят его в молекулы, необходимые им для обмена веществ. При этом оставшийся азот высвобождается в виде аммиака (NH₃) или ионов аммония (NH₄⁺). Затем другие микроорганизмы связывают этот азот, переводя его обычно в форму нитратов (NO₃^–). Поступая в растения (и в конечном счете попадая в организмы живых существ), этот азот участвует в образовании биологических молекул. После гибели организма азот возвращается в почву, и цикл начинается снова. Во время этого цикла возможны как потери азота — когда он включается в состав отложений или высвобождается в процессе жизнедеятельности некоторых бактерий (так называемых денитрифицирующих бактерий), — так и компенсация этих потерь за счет извержения вулканов и других видов геологической активности.

Представьте себе, что биосфера состоит из двух сообщающихся резервуаров с азотом — огромного (в нем находится азот, содержащийся в атмосфере и океанах) и совсем маленького (в нем находится азот, содержащийся в живых существах). Между этими резервуарами есть узкий проход, в котором азот тем или иным способом связывается. В нормальных условиях азот из окружающей среды попадает через этот проход в биологические системы и возвращается в окружающую среду после гибели биологических систем.

Приведем несколько цифр. В атмосфере азота содержится примерно 4 квадрильона (4·10¹⁵) тонн, а в океанах — около 20 триллионов (20·10¹²) тонн. Незначительная часть этого количества — около 100 миллионов тонн — ежегодно связывается и включается в состав живых организмов. Из этих 100 миллионов тонн связанного азота только 4 миллиона тонн содержится в тканях растений и животных — все остальное накапливается в разлагающих микроорганизмах и в конце концов возвращается в атмосферу.

Главный поставщик связанного азота в природе — бактерии: благодаря им связывается приблизительно от 90 до 140 миллионов тонн азота (точных цифр, к сожалению, нет). Самые известные бактерии, связывающие азот, находятся в клубеньках бобовых растений. На их использовании основан традиционный метод повышения плодородия почвы: на поле сначала выращивают горох или другие бобовые культуры, потом их запахивают в землю, и накопленный в их клубеньках связанный азот переходит в почву. Затем поле засевают другими культурами, которые этот азот уже могут использовать для своего роста.

Некоторое количество азота переводится в связанное состояние во время грозы. Вы удивитесь, но вспышки молний происходят гораздо чаще, чем вы думаете, — порядка ста молний каждую секунду. Пока вы читали этот абзац, во всем мире сверкнуло примерно 500 молний. Электрический разряд нагревает атмосферу вокруг себя, азот соединяется с кислородом (происходит реакция горения) с образованием различных оксидов азота. И хотя это довольно зрелищная форма связывания, она охватывает только 10 миллионов тонн азота в год.

Таким образом, в результате естественных природных процессов связывается от 100 до 150 миллионов тонн азота год. В ходе человеческой деятельности тоже происходит связывание азота и перенос его в биосферу (например, все то же засевание полей бобовыми культурами приводит ежегодно к образованию 40 миллионов тонн связанного азота). Более того, при сгорании ископаемого топлива в электрогенераторах и в двигателях внутреннего сгорания происходит разогрев воздуха, как и в случае с разрядом молнии. Всякий раз, когда вы совершаете поездку на автомобиле, в биосферу поступает дополнительное количество связанного азота. Примерно 20 миллионов тонн азота в год связывается при сжигании природного топлива.

Но больше всего связанного азота человек производит в виде минеральных удобрений. Как это часто бывает с достижениями технического прогресса, технологией связывания азота в промышленных масштабах мы обязаны военным. В Германии перед Первой мировой войной был разработан способ получения аммиака (одна из форм связанного азота) для нужд военной промышленности. Недостаток азота часто сдерживает рост растений, и фермеры для повышения урожайности покупают искусственно связанный азот в виде минеральных удобрений. Сейчас для сельского хозяйства каждый год производится чуть больше 80 миллионов тонн связанного азота (заметим, что он употребляется не только для выращивания пищевых культур — пригородные лужайки и сады удобряют им же).

Суммировав весь вклад человека в круговорот азота, получаем цифру порядка 140 миллионов тонн в год. Примерно столько же азота связывается в природе естественным образом. Таким образом, за сравнительно короткий период времени человек стал оказывать существенное влияние на круговорот азота в природе. Каковы будут последствия? Каждая экосистема способна усвоить определенное количество азота, и в последствия этого в целом благоприятны — растения станут расти быстрее. Однако при насыщении экосистемы азот начнет вымываться в реки. Эвтрофикация (загрязнение водоемов водорослями) озер — пожалуй, самая неприятная экологическая проблема, связанная с азотом. Азот удобряет озерные водоросли, и они разрастаются, вытесняя все другие формы жизни в этом озере, поскольку, когда водоросли погибают, на их разложение расходуется почти весь растворенный в воде кислород.

Тем не менее приходится признать, что видоизменение круговорота азота — еще далеко не худшая проблема из тех, с которыми столкнулось человечество. В связи с этим можно привести слова Питера Витошека, эколога из Стэнфордского университета, изучающего растения: «Мы движемся к зеленому и заросшему сорняками миру, но это не катастрофа. Очень важно уметь отличить катастрофу от деградации».

См. также:

Глава 5: Жилая среда

РАЗНООБРАЗИЕ ЖИЗНИ НАСЛЕДСТВО ЯЧЕЙКИ ВЗАИМОЗАВИСИМОСТЬ ЖИЗНИ ПОТОК ВЕЩЕСТВА И ЭНЕРГЕТИКА ЭВОЛЮЦИЯ ЖИЗНИ Глава 5: ЖИЛАЯ СРЕДА Люди давно интересовались живыми существами — сколько разных виды есть, какие они, где живут, как связаны друг к другу, и как они себя ведут.Ученые пытаются ответить на эти вопросы и многое другое об организмах, населяющих Землю. В частности, они пытаются разработать концепции, принципы и теории. которые позволяют людям лучше понимать среду обитания. Живые организмы состоят из тех же компонентов, что и все другие материи, включают в себя такие же преобразования энергии и перемещаются используя те же основные виды сил.Таким образом, все физические принципы обсуждаемые в главе 4 «Физическая обстановка», применимы и к жизни. что касается звезд, капель дождя и телевизоров. Но живые организмы также обладают характеристиками, которые лучше всего можно понять через применение других принципов. В этой главе предлагаются рекомендации по базовым знаниям о том, как живые существа функционируют и как они взаимодействуют друг с другом и их окружение.Глава посвящена шести основным темам: разнообразие жизни, что отражено в биологических характеристиках организмов Земли; передача наследственных характеристик от поколения к поколению; структура и функционирование клетки, основные строительные блоки всех организмов; взаимозависимость всех организмов и окружающей их среды; поток материи и энергии через грандиозные жизненные циклы; и как биологическая эволюция объясняет сходство и разнообразие жизни. РАЗНООБРАЗИЕ ЖИЗНИ Существуют миллионы различных типов отдельных организмов, которые населяют землю в любое время — некоторые очень похожи друг на друга, некоторые совсем другие. Биологи классифицируют организмы по иерархии групп и подгрупп на основе сходства и различий в их структуре и поведении.Одно из самых общих различий между организмами находится между растениями, которые напрямую получают свою энергию от солнечного света и животных, которые изначально потребляют высококалорийную пищу синтезируется растениями. Но не все организмы однозначно являются одними или Другие. Например, есть одноклеточные организмы без организованной ядра (бактерии), которые классифицируются как отдельная группа. У животных и растений есть большое разнообразие строения тела, с разными общие конструкции и расположение внутренних частей для выполнения основные операции по приготовлению или поиску пищи, получение энергии и материалов из него, синтезируя новые материалы и воспроизводя.Когда ученые классифицируют организмы, они считают более актуальными детали анатомии чем поведение или общий вид. Например, из-за таких особенности как молочные железы и структура мозга, киты и летучие мыши классифицируются как более похожие, чем киты, и рыба или летучие мыши и птицы. В разной степени родства собаки классифицируются с рыбами как имеющие позвоночник, а коровы как имеющие волосы, а кошки — мясоеды. Для организмов, размножающихся половым путем, вид включает все организмы. которые могут спариваться друг с другом, чтобы произвести плодородное потомство. Определение однако вид не является точным; на границах может быть сложно определиться с точной классификацией того или иного организма. Действительно, системы классификации не являются частью природы. Скорее это рамки создан биологами для описания огромного разнообразия организмов, предлагая отношения между живыми существами и создавая рамки исследования вопросов. Разнообразие форм жизни на Земле очевидно не только из изучение анатомических и поведенческих сходств и различий между организмов, но также из изучения сходств и различий среди их молекул. Самые сложные молекулы, построенные в живых организмы представляют собой цепочки из более мелких молекул. Различные виды малых молекулы практически одинаковы во всех формах жизни, но конкретные последовательности компонентов, составляющих очень сложные молекулы, характерны данного вида.Например, молекулы ДНК представляют собой длинные цепи, соединяющие всего четыре вида более мелких молекул, точная последовательность которых кодирует генетическая информация. Близость или отдаленность отношений между организмами можно сделать вывод по степени, в которой их ДНК последовательности аналогичны. Родство организмов, выведенное из сходство в их молекулярной структуре близко соответствует классификации на основе анатомического сходства. Сохранение разнообразия видов важно для человека. существа. Мы зависим от двух пищевых цепей, чтобы получать энергию и материалы. необходимо для жизни. Каждый начинается с микроскопических океанских растений и водорослей. и включает животных, которые питаются ими, и животных, которые питаются этими животные. Другой начинается с наземных растений и включает животных. которые питаются ими и так далее. Сложные взаимозависимости между виды служат для стабилизации этих пищевых сетей.Незначительные сбои в работе конкретное место, как правило, приводит к изменениям, которые в конечном итоге восстанавливают система. Но большие волнения живого населения или их окружающая среда может привести к необратимым изменениям в пищевых сетях. Сохранение разнообразия увеличивает вероятность того, что некоторые сорта будут иметь характеристики, подходящие для выживания в изменившихся условиях. НАСЛЕДСТВО Одно давно известное наблюдение заключается в том, что потомство очень похоже на их родители, но все же показывают некоторые различия: Потомки несколько различаются от родителей и друг от друга.На протяжении многих поколений эти различия могут накапливаться, поэтому организмы могут сильно отличаться внешность и поведение от своих далеких предков. Например, люди разводили своих домашних животных и растения, чтобы выбрать желаемые характеристики; результаты — современные сорта собак, кошек, крупного рогатого скота, мясо птицы, фрукты и зерна, которые заметно отличаются от их предки. Также наблюдались изменения — например, в зернах, — которые достаточно обширны, чтобы производить новые виды.На самом деле некоторые ветки потомков одного и того же родительского вида настолько отличаются от других что они больше не могут спариваться друг с другом. Указания по развитию передаются от родителей к потомкам в тысячах дискретных генов, каждый из которых теперь известен как сегмент молекулы ДНК. Потомство бесполых организмов (клонов) наследуют все гены родителей. При половом размножении растений и животных, специализированная клетка самки сливается со специализированной ячейка от мужчины.Каждая из этих половых клеток содержит непредсказуемый половина генетической информации родителей. Когда конкретная мужская клетка сливается с определенной женской клеткой во время оплодотворения, они образуют клетка с одним полным набором парной генетической информации, комбинация по одной половинке от каждого родителя. Когда оплодотворенная клетка размножается чтобы сформировать зародыш и, в конечном итоге, семя или зрелую особь, комбинированные наборы реплицируются в каждой новой ячейке. Сортировка и комбинация генов в результатах полового размножения в большом количестве комбинаций генов в потомстве от двух родителей. Существуют миллионы различных возможных комбинаций генов в половина распределяется на каждую отдельную половую клетку, а также есть миллионы возможных комбинаций каждой из этих женщин и мужские половые клетки. Однако новые сочетания генов — не единственный источник вариаций. в характеристиках организмов.Хотя генетические инструкции могут передаваться практически без изменений в течение многих тысяч поколений, иногда часть информации в ДНК клетки изменяется. Удаления, вставки или замены сегментов ДНК могут происходить спонтанно из-за случайных ошибок при копировании, или могут быть вызваны химическими веществами или радиация. Если мутировавший ген находится в половой клетке организма, копирует его можно передать потомству, став частью всех их клеток и, возможно, придавая потомству новые или измененные характеристики.Некоторые из этих измененных характеристик могут привести к увеличению способность организмов, у которых он есть, процветать и воспроизводиться, некоторые может снизить эту способность, а некоторые могут не иметь заметного эффекта. ЯЧЕЙКИ Все самовоспроизводящиеся формы жизни состоят из клеток — от одноклеточных. от бактерий до слонов, с их триллионами клеток.Хотя несколько гигантские клетки, такие как куриные яйца, можно увидеть невооруженным глазом, большинство клетки микроскопические. Именно на клеточном уровне многие из основных выполняются функции организмов: синтез белка, экстракция энергии из питательных веществ, репликации и так далее. Все живые клетки имеют похожие типы сложных молекул, которые вовлечены в эти основные виды жизнедеятельности.Эти молекулы взаимодействуют в супе около 2/3 воды, окруженных мембраной, контролирующей что можно войти и уйти. В более сложных клетках некоторые из общих типы молекул организованы в структуры, которые выполняют те же основные функции более эффективно. В частности, ядро ​​включает ДНК и белковый каркас помогает организовать операции. Кроме того к основным клеточным функциям, общим для всех клеток, большинство клеток в многоклеточные организмы выполняют некоторые особые функции, которые выполняют другие нет.Например, клетки железы выделяют гормоны, мышечные клетки сокращаются, а нервные клетки проводят электрические сигналы. Молекулы клеток состоят из атомов небольшого числа элементов, в основном углерод, водород, азот, кислород, фосфор и сера. Углерод атомы из-за их небольшого размера и четырех доступных связывающих электронов, может соединяться с другими атомами углерода в цепях и кольцах с образованием больших и сложные молекулы.Большинство молекулярных взаимодействий в клетках происходят в водном растворе и требуют довольно узкого диапазона температур и кислотность. При низких температурах реакции идут слишком медленно, тогда как высокие температуры или экстремальная кислотность могут необратимо повредить структура белковых молекул. Даже небольшие изменения кислотности могут изменить молекулы и то, как они взаимодействуют. Как одноклеточные, так и многоклеточные у организмов есть молекулы, которые помогают поддерживать кислотность клеток внутри необходимый диапазон. Работа ячейки осуществляется различными типами собираемые им молекулы, в основном белки. Молекулы белка длинные, Обычно складчатые цепи состоят из 20 различных молекул аминокислот. Функция каждого белка зависит от его конкретной аминокислотной последовательности. кислоты и форма, которую принимает цепочка в результате притяжения между частями цепи. Некоторые из собранных молекул помогают в репликации генетической информации, восстановлении клеточных структур, помощи другие молекулы, чтобы попасть в клетку или выйти из нее, и, как правило, в катализе и регулирование молекулярных взаимодействий.В специализированных камерах другие молекулы белка могут переносить кислород, вызывать сокращение, реагировать на внешние раздражители или предоставить материал для волос, ногтей и другого тела конструкции. В других клетках собранные молекулы могут экспортироваться. служить гормонами, антителами или пищеварительными ферментами. Генетическая информация, закодированная в молекулах ДНК, содержит инструкции для сборки белковых молекул.Этот код практически такой же для всех форм жизни. Так, например, если ген из клетки человека помещается в бактерию, химический механизм бактерии будет следовать инструкциям гена и производить тот же белок, который будет производиться в клетках человека. Изменение даже одного атома в молекула ДНК, которая может быть индуцирована химическими веществами или радиацией, поэтому может изменить производимый белок.Такая мутация сегмента ДНК может не иметь большого значения, может фатально нарушить работа ячейки, или может изменить успешную операцию клетки в значительной степени (например, это может способствовать неконтролируемому репликация, как при раке). Все клетки организма являются потомками одного оплодотворенного яйцеклетки и имеют ту же информацию о ДНК. Как последовательные поколения клеток образуются путем деления, небольшие различия в их непосредственном окружении заставляют их развиваться немного по-другому, активируя или деактивируя различные части информации ДНК.Более поздние поколения клеток еще больше различаются и в конечном итоге созревают в клетки как разные как железы, мышцы и нервные клетки. Сложные взаимодействия между бесчисленными видами молекул в клетке может вызвать различные циклы деятельности, такие как рост и разделение. Контроль клеточных процессов происходит также извне: Cell на поведение могут влиять молекулы из других частей организма или от других организмов (например, гормонов и нейромедиаторов) которые прикрепляются или проходят через клеточную мембрану и влияют на скорость реакции между составляющими клетки. ВЗАИМОЗАВИСИМОСТЬ ЖИЗНИ Каждый вид прямо или косвенно связан с множеством других в экосистеме. Растения обеспечивают пищу, укрытие и гнездо сайты для других организмов. Со своей стороны, многие растения зависят от животные для помощи в размножении (например, пчелы опыляют цветы) и для определенных питательных веществ (например, минералов в продуктах жизнедеятельности животных).Все животные являются частью пищевых сетей, включая растения и животных. других видов (а иногда и того же вида). Хищник / жертва отношения обычны, с его орудиями нападения для хищников — зубами, клювы, когти, яд и т. д. — и его средства защиты от добычи — маскировка чтобы спрятаться, скорость, чтобы убежать, щиты или шипы, чтобы отразить, раздражает вещества для отражения. Некоторые виды очень сильно зависят от других. (например, панды или коалы могут есть только определенные виды деревьев).Некоторые виды настолько приспособились друг к другу, что ни один из них не мог выжить без другого (например, осы, гнездящиеся только в инжир и являются единственным насекомым, способным их опылять). Есть и другие отношения между организмами. Паразиты попадают питание от их организмов-хозяев, иногда с плохими последствиями для хозяев. Падальщики и разлагатели питаются только мертвыми животными. и растения.А некоторые организмы имеют взаимовыгодные отношения — ибо Например, пчелы, которые потягивают нектар из цветов и случайно несут пыльца от одного цветка к другому, или бактерии, которые живут в нашем кишечник и, кстати, синтезирует некоторые витамины и защищает слизистая оболочка кишечника от микробов. Но взаимодействие живых организмов не происходит на пассивный экологический этап.Экосистемы формируются неживыми окружающая среда земли и воды — солнечная радиация, осадки, минеральные концентрации, температура и топография. В мире есть большое разнообразие физических условий, что создает большое разнообразие окружающей среды: пресноводные и океанические, леса, пустыни, луга, тундра, гора и многие другие. Во всех этих средах организмы использовать жизненно важные ресурсы земли, каждый ищет свою долю по-своему которые ограничены другими организмами.В каждой части жилого окружающая среда, различные организмы соперничают за пищу, пространство, свет, тепло, вода, воздух и укрытие. Связанные и колеблющиеся взаимодействия формы жизни и окружающая среда составляют единую экосистему; понимание любая его часть требует знания того, как эта часть взаимодействует с остальными. Взаимозависимость организмов в экосистеме часто приводит к приблизительная стабильность на протяжении сотен или тысяч лет.Как один размножается, его сдерживают одна или несколько экологических факторы: истощение кормов или гнездовий, повышенный урон хищникам, или нашествие паразитов. Если стихийное бедствие, такое как наводнение или пожар происходит последовательное восстановление поврежденной экосистемы. этапов, что в конечном итоге приводит к системе, аналогичной исходной один. Как и многие сложные системы, экосистемы склонны демонстрировать циклические колебания. около состояния приблизительного равновесия.Однако в конечном итоге экосистемы неизбежно изменяются при изменении климата или когда он сильно отличается новые виды появляются в результате миграции или эволюции (или вводятся преднамеренно или случайно людьми). ПОТОК ВЕЩЕСТВА И ЭНЕРГЕТИКА Каким бы сложным ни было устройство живых организмов, они разделяют их с все другие природные системы те же физические принципы сохранения и преобразование материи и энергии.За долгие промежутки времени материя и энергия преобразуются среди живых существ, и между их и физическая среда. В этих масштабных циклах общее количество вещества и энергии остается постоянным, даже если их форма и расположение постоянно меняются. Почти вся жизнь на Земле в конечном итоге поддерживается преобразованиями энергии от солнца. Растения улавливают солнечную энергию и используют ее синтезировать сложные, богатые энергией молекулы (в основном сахара) из молекулы углекислого газа и воды.Эти синтезированные молекулы затем служить, прямо или косвенно, источником энергии для сами растения и, в конечном итоге, для всех животных и организмов-разлагателей (например, бактерии и грибки). Это пищевая сеть: организмы которые потребляют растения, получают энергию и материалы от разрушения вниз по молекулам растений, использовать их для синтеза собственных структур, а затем сами потребляются другими организмами.На каждом этапе в пищевой сети часть энергии накапливается во вновь синтезированных структурах а часть рассеивается в окружающую среду в виде тепла, выделяемого энергосберегающие химические процессы в клетках. Подобный энергетический цикл начинается в океанах с захвата солнечной энергии крошечными, растительные организмы. Каждый последующий этап пищевой сети фиксирует только малая часть содержания энергии организмов, которыми он питается на. Элементы, из которых состоят молекулы живых существ, постоянно переработанный. Главные среди этих элементов — углерод, кислород, водород, азот, сера, фосфор, кальций, натрий, калий и железо. Эти и другие элементы, в основном содержащиеся в богатых энергией молекулах, проходят по пищевой сети и в конечном итоге перерабатываются разложителями вернуться к минеральным питательным веществам, используемым растениями.Хотя часто быть локальными излишествами и дефицитами, ситуация по всей земле в том, что организмы умирают и разлагаются примерно с той же скоростью, что и то, в чем синтезируется новая жизнь. То есть общая жизнь биомасса остается примерно постоянной, есть циклический поток материалов от старой к новой жизни, и идет необратимый поток энергии из захваченного солнечного света в рассеянное тепло. По-видимому, важное прерывание обычного потока энергии. произошло миллионы лет назад, когда рост наземных растений и морские организмы превзошли возможности деструкторов по их переработке. Накапливающиеся слои богатого энергией органического материала постепенно разрушались. превратились в уголь и нефть под давлением вышележащей земли. В энергия, хранящаяся в их молекулярной структуре, теперь мы можем высвободить путем сжигания, и наша современная цивилизация зависит от огромного количества энергии от такое ископаемое топливо извлекают из земли.Сжигая ископаемое топливо, мы наконец передаем большую часть накопленной энергии окружающей среде как тепло. Мы также возвращаемся в атмосферу — в относительно очень короткое время — большое количество углекислого газа, которое было удаляется из него медленно, на протяжении миллионов лет. Количество жизни, которое может выдержать любая среда, ограничено ее самые основные ресурсы: приток энергии, полезных ископаемых и воды.Устойчивый продуктивность экосистемы требует достаточного количества энергии для новых продуктов которые синтезируются (например, деревья и посевы), а также для вторичной переработки полностью остатки старого (мертвые листья, человеческие сточные воды и т. д.). Когда человеческие технологии вторгаются, материалы могут накапливаться как отходы это не перерабатывается. Когда притока ресурсов недостаточно, происходит ускоренное вымывание почвы, опустынивание или истощение минеральных запасов. ЭВОЛЮЦИЯ ЖИЗНИ Современные формы жизни на Земле, по-видимому, произошли от обычных предки, восходящие к простейшим одноклеточным организмам, почти четыре миллиарда лет назад. Современные идеи эволюции дают научный объяснение трех основных наборов наблюдаемых фактов о жизни на Земля: огромное количество различных форм жизни, которые мы видим вокруг нас, систематическое сходство в анатомии и молекулярной химии мы увидеть в этом разнообразии и последовательность изменений в окаменелостях найдены в последовательных слоях горных пород, которые были сформированы более чем миллиард лет. С начала летописи окаменелостей появилось много новых форм жизни. появились, и большинство старых форм исчезло. Многие прослеживаемые последовательность изменения анатомических форм, выведенная из эпохи горных пород слоев, убеждают ученых, что накопление отличий от одно поколение за другим привело в конечном итоге к появлению различных видов друг от друга, как бактерии от слонов.Молекулярные доказательства подтверждает анатомические свидетельства окаменелостей и предоставляет дополнительные подробно о последовательности, в которой разветвлялись различные линии спуска друг от друга. Хотя подробности истории жизни на Земле все еще собранных вместе из комбинированных геологических, анатомических и молекулярных свидетельства, основные черты этой истории в целом согласны.В самом начале простые молекулы могли образовывать сложные молекулы. которые в конечном итоге превратились в клетки, способные к самовоспроизведению. Жизнь на Земле существует три миллиарда лет. До этого простой молекулы могли образовывать сложные органические молекулы, которые в конечном итоге сформированы в клетки, способные к самовоспроизведению. В течение первых двух миллиардов лет жизни существовали только микроорганизмы — некоторые из них очевидно очень похожи на бактерии и водоросли, которые существуют сегодня.С участием развитие клеток с ядрами около миллиарда лет назад, там был большой рост скорости эволюции все более сложных, многоклеточные организмы. Скорость эволюции новых видов была неравномерно с тех пор, возможно, отражая разные темпы изменений в физической среде. Центральным понятием теории эволюции является естественный отбор, который вытекает из трех хорошо установленных наблюдений: (1) Существует некоторые вариации наследственных характеристик внутри каждого вида организм, (2) некоторые из этих характеристик будут давать людям преимущество перед другими в дожитии до зрелости и воспроизводства, и (3) у этих особей будет больше потомства, которое сами будут с большей вероятностью, чем другие, выживать и воспроизводиться.Вероятный результат состоит в том, что в течение следующих друг за другом поколений пропорция лиц, унаследовавших дающие преимущества характеристики будет иметь тенденцию к увеличению. Выбираемые характеристики могут включать детали биохимии, такие как как молекулярная структура гормонов или пищеварительных ферментов, и анатомическая особенности, которые в конечном итоге возникают в процессе развития организма, например, размер кости или длина меха.Они также могут включать более тонкие особенности, определяемые анатомией, такие как острота зрения или накачка работоспособность сердца. Биохимическим или анатомическим методом по выбору характеристики также могут влиять на поведение, например, плетение определенных форму паутины, предпочитая определенные характеристики в партнере, или расположен к заботе о потомстве. Новые наследственные характеристики могут быть результатом новых комбинаций родительские гены или их мутации.За исключением мутации ДНК в половых клетках организма, характеристики, возникающие в результате происшествия в течение жизни организма не могут быть биологически перешла к следующему поколению. Так, например, изменения в физическое лицо, вызванное использованием или неиспользованием структуры или функции, или изменениями в окружающей среде не могут быть обнародованы естественным отбором. По самой своей природе естественный отбор может привести к появлению организмов с характеристиками, которые хорошо приспособлены к выживанию, в частности среды.Тем не менее, только случай, особенно в небольших группах населения, может приводят к распространению унаследованных характеристик, которые не имеют присущих выживание или репродуктивное преимущество или недостаток. Более того, когда изменяется окружающая среда (в этом смысле другие организмы также являются частью окружающей среды), преимущество или недостаток характеристик может меняться. Таким образом, естественный отбор не обязательно приводит к долгосрочному прогресс в заданном направлении.Эволюция опирается на то, что уже существует, так что чем больше разнообразия уже существует, тем больше может быть. Продолжение естественного отбора над новыми характеристиками и в меняющихся условиях снова и снова для миллионов лет, произвела ряд разнообразных новых видов. Эволюция это не лестница, в которой все низшие формы заменены высшими формы, и люди, наконец, оказались на вершине как наиболее продвинутые разновидность.Скорее, это похоже на куст: много ветвей появилось давно; некоторые из этих ветвей вымерли; некоторые выжили, по-видимому, незначительные или нулевые изменения с течением времени; а некоторые неоднократно разветвлялись, иногда давая начало более сложным организмам. Современная концепция эволюции обеспечивает объединяющий принцип для понимание истории жизни на земле, взаимоотношений между всеми живые существа и зависимость жизни от физической среды.Хотя до сих пор далеко не ясно, как работает эволюция во всех деталях, концепция настолько хорошо известна, что обеспечивает основу для организация большей части биологических знаний в связную картину.

Познакомьтесь с электрическими формами жизни, которые живут за счет чистой энергии

Кэтрин Брахик

Geobacter — текущий фаворит

Derek Lovley / SPL

ПРИКЛЮЧИТЕ электрод к земле, накачайте по нему электроны, и они появятся: живые клетки, питающиеся электричеством.Мы знаем, что бактерии выживают за счет различных источников энергии, но ни один из них не был настолько странным, как этот. Подумайте о монстре Франкенштейна, ожившем с помощью гальванической энергии, за исключением того, что эти «электрические бактерии» очень реальны и появляются повсюду.

В отличие от любого другого живого существа на Земле, электрические бактерии используют энергию в чистом виде — голое электричество в форме электронов, собранных из камней и металлов. Мы уже знали о двух типах: Shewanella и Geobacter .Теперь биологи показывают, что они могут соблазнить гораздо больше из камней и морской грязи, соблазнив их небольшим количеством электрического сока. Эксперименты по выращиванию бактерий на электродах батарей демонстрируют, что эти новые, ошеломляющие формы жизни, по сути, питаются и выделяют электричество.

Это не должно стать полной неожиданностью, — говорит Кеннет Нилсон из Университета Южной Калифорнии в Лос-Анджелесе. Мы знаем, что жизнь, если ее довести до кипения, представляет собой поток электронов: «Вы едите сахар с избытком электронов, и вы вдыхаете кислород, который охотно их забирает.«Наши клетки расщепляют сахара, и электроны протекают через них в сложном наборе химических реакций, пока они не передаются жаждущему электронов кислороду.

«Жизнь умна. Он выясняет, как высасывать электроны из всего, что мы едим, и держать их под контролем »

В процессе клетки производят АТФ, молекулу, которая действует как накопитель энергии почти для всех живых существ. Перемещение электронов — ключевая часть производства АТФ. «Жизнь очень умная, — говорит Нилсон. «Он выясняет, как высасывать электроны из всего, что мы едим, и держать их под контролем.«У большинства живых существ тело упаковывает электроны в молекулы, которые могут безопасно переносить их через клетки, пока они не попадут в кислород.

«Таким образом мы производим всю нашу энергию, и это одинаково для всех организмов на этой планете», — говорит Нилсон. «Электроны должны течь, чтобы получить энергию. Вот почему, когда кто-то душит другого человека, он умирает в считанные минуты. Вы прекратили подачу кислорода, поэтому электроны больше не могут течь ».

Видео: электрические бактерии соединяются, образуя провода

Открытие электрических бактерий показывает, что некоторые очень простые формы жизни могут избавиться от сладких посредников и управлять энергией в ее самой чистой форме — электронами, собранными с поверхности минералов.«Знаете, это действительно чуждо», — говорит Нилсон. «В некотором смысле инопланетянин».

Команда

Нилсона — одна из немногих, кто сейчас выращивает эти бактерии прямо на электродах, поддерживая их жизнь с помощью электричества и ничего другого — ни сахара, ни каких-либо других питательных веществ. По его словам, очень опасным эквивалентом для людей было бы включение питания, вставив пальцы в электрическую розетку постоянного тока.

Чтобы вырастить эти бактерии, команда собирает осадок с морского дна, приносит его обратно в лабораторию и вставляет в него электроды.

Сначала они измеряют естественное напряжение на отложениях, а затем прикладывают немного другое. Немного более высокое напряжение дает избыток электронов; Немного более низкое напряжение означает, что электрод легко принимает электроны от всего, что желает их передать. Жуки в отложениях могут либо «съедать» электроны от более высокого напряжения, либо «дышать» электронами на электрод с более низким напряжением, генерируя ток. Этот ток улавливается исследователями как сигнал о типе жизни, которую они поймали.

«По сути, идея состоит в том, чтобы взять осадок, вставить электроды внутрь и затем спросить:« Хорошо, кому это нравится? », — говорит Нилсон.

Шокирующее дыхание

На конференции Goldschmidt по наукам о Земле в Сакраменто, Калифорния, в прошлом месяце, Шиуэ-лин Ли из лаборатории Нелсона представил результаты экспериментов по выращиванию электрических дыхательных аппаратов в отложениях, собранных в гавани Санта-Каталина в Калифорнии. Ямини Джангир, также из Университета Южной Калифорнии, представила отдельные эксперименты по выращиванию электрических дыхательных аппаратов, собранных из колодца в Долине Смерти в пустыне Мохаве в Калифорнии.

Дэниел Бонд и его коллеги из Университета Миннесоты в Сент-Поле опубликовали эксперименты, показывающие, что они могут выращивать бактерии, которые собирают электроны с железного электрода ( mBio , doi.org/tqg). Это исследование, как говорит руководитель Джангира Мох Эль-Наггар, может быть наиболее убедительным примером того, как пожиратели электричества выросли на электронах без добавления пищи.

Но Нилсон говорит, что это еще не все. Его аспирант Аннет Роу определила до восьми различных видов бактерий, потребляющих электричество.Эти результаты отправляются для публикации.

Нилсон особенно взволнован тем, что Роу обнаружил так много типов электрических бактерий, которые сильно отличаются друг от друга, и ни один из них не похож на Shewanella или Geobacter . «Это огромно. Это означает, что есть целая часть микробного мира, о которой мы не знаем ».

«Это огромно. Это означает, что существует целая часть микробного мира, о которой мы не знаем »

Именно открытие этой скрытой биосферы — вот почему Джангир и Эль-Наггар хотят выращивать электрические бактерии.«Мы используем электроды, чтобы имитировать их взаимодействие», — говорит Эль-Наггар. «Выращивание« некультивируемых », если хотите». Исследователи планируют установить батарею в золотом руднике в Южной Дакоте, чтобы посмотреть, что они могут там найти.

НАСА также интересуется вещами, которые живут глубоко под землей, потому что такие организмы часто выживают при очень небольшом количестве энергии, и они могут предлагать образы жизни в других частях солнечной системы.

Электрические бактерии могут найти практическое применение здесь, на Земле, например, для создания биомашин, которые выполняют полезные функции, такие как очистка сточных вод или загрязненных грунтовых вод, при этом извлекая собственную энергию из окружающей среды.Нилсон называет их полезными устройствами с автономным питанием или SPUD.

Помимо практичности, еще одна захватывающая перспектива — использование электрических бактерий для исследования фундаментальных вопросов о жизни, таких как минимальный уровень энергии, необходимый для поддержания жизни.

Для этого нам нужен следующий этап экспериментов, — говорит Юрий Горби, микробиолог из Политехнического института Ренсселера в Трое, штат Нью-Йорк: бактерии нужно выращивать не на одном электроде, а на двух. Эти бактерии будут эффективно поглощать электроны с одного электрода, использовать их в качестве источника энергии и сбрасывать их на другой электрод.

Горби считает, что вскоре будут обнаружены бактериальные клетки, которые одновременно питаются и дышат электронами. «Электрическая бактерия, выросшая между двумя электродами, может существовать практически вечно», — говорит Горби. «Если ничто не собирается его съесть или разрушить, тогда, теоретически, мы должны иметь возможность поддерживать этот организм бесконечно».

Также можно изменять напряжение, подаваемое на электроды, оказывая энергетическое давление на клетки до точки, при которой они просто делают абсолютный минимум, чтобы остаться в живых.В этом состоянии клетки могут быть не в состоянии воспроизводиться или расти, но они все равно смогут ремонтировать клеточные механизмы. «Для них работа, которую выполняет энергия, будет заключаться в поддержании жизни — поддержании жизнеспособности», — говорит Горби.

Сколько сока нужно для поддержания жизни живой электрической бактерии? Ответьте на этот вопрос, и вы ответили на один из самых фундаментальных вопросов существования.

Лидер: «Возрождение искры жизни благодаря электрическим бактериям»

Проволока в грязи

Электрические бактерии бывают всех форм и размеров.Несколько лет назад биологи обнаружили, что некоторые из них производят похожие на волосы нити, которые действуют как провода, перемещая электроны туда и обратно между клетками и окружающей их средой. Они назвали их микробными нанопроводами.

Ларс Петер Нильсен и его коллеги из Орхусского университета в Дании обнаружили, что десятки тысяч электрических бактерий могут объединяться в цепочки, которые переносят электроны на несколько сантиметров — огромное расстояние для бактерии длиной всего 3 или 4 микрометра.Это означает, что бактерии, живущие, скажем, в иле морского дна, куда не проникает кислород, могут получить доступ к кислороду, растворенному в морской воде, просто держась за руки со своими друзьями.

«Такие бактерии появляются везде, куда бы мы ни посмотрели», — говорит Нильсен. Один из способов узнать, находитесь ли вы в присутствии этих пожирателей электронов, — это положить комки грязи в неглубокую посуду, полную воды, и осторожно перемешать. Грязь должна рассыпаться. Если это не так, скорее всего, их скрепляют кабели, сделанные из бактерий.

Nielsen может заметить мерцание кабелей, когда он разрывает почву и подносит ее к солнечному свету (см. Видео).

Гибкие биокабели

Это больше, чем просто веселье. Ранние исследования показывают, что такие кабели проводят электричество примерно так же, как провода, соединяющие тостер с электросетью. Это может открыть интересные возможности для исследования гибких, выращенных в лаборатории биокабелей.

Эта статья появилась в печати под заголовком «Пожиратели электроэнергии».

Еще по этим темам:

Каковы свойства жизни?

Возможно, что жизнь на других планетах может сильно отличаться от той, к которой мы привыкли на Земле.Но чтобы искать жизнь во Вселенной или даже в нашей Солнечной системе, исследователи должны иметь набор критериев, по которым можно определить, что такое жизнь. Основываясь на нашем текущем уровне понимания, лучший подход — это поиск характеристик или черт, которые являются общими для многих различных живых организмов.

Биологи определили по крайней мере шесть свойств, которые присущи всем живым организмам на Земле:

Многие виды эволюционировали и приобрели уникальные формы тела и характеристики, чтобы адаптироваться к уникальным ситуациям в их среде обитания.Голова акулы-молота в форме молота дает ей превосходное зрение и сенсорное восприятие. (Изображение предоставлено NOAA)

1. Порядок: молекулы в живых существах организованы в определенные структуры.
2. Размножение: Живые существа обладают способностью воспроизводить себе подобных. Простые формы жизни, такие как бактерии, воспроизводятся путем деления и создания почти точных копий самих себя. Более сложные организмы размножаются половым путем, так что их потомство имеет генетический материал от двух особей.У потомства с чертами обоих родителей больше шансов на выживание, потому что они лучше адаптируются.
3. Рост и развитие: Живые организмы растут и развиваются по образцу, определяемому наследственностью, особенностями, переданными потомству родителями.
4. Использование энергии: Живым существам необходимо улавливать и использовать энергию — процесс, известный как метаболизм. Примером такого процесса является фотосинтез, при котором растения преобразуют солнечный свет в энергию.
5. Ответ на стимулы: Живые организмы реагируют на изменения в окружающей их среде.
6. Эволюционная адаптация: живые существа развиваются таким образом, что будущие поколения адаптируются к уникальным ситуациям в их окружении. Например, акула-молот, считающаяся, пожалуй, наиболее высокоразвитым видом акул, обладает превосходным зрением и сенсорным восприятием из-за своей головы в форме молота. Организмы, которые не могут адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды, приходят в упадок или вымирают.

Важно помнить, что некоторые объекты могут обладать некоторыми из этих свойств, но все же не быть живым организмом.Например, огонь использует энергию, может расти и реагировать на окружающую среду (например, когда он быстро распространяется в ответ на ветер), но огонь — это не живое существо.

Жилая зона

С тех пор, как телескоп был впервые изобретен в 1608 году, технический прогресс позволил нам смотреть на другие планеты в нашей Солнечной системе и даже далеко за пределы других галактик. Одна из основных причин исследования нашей Солнечной системы — ответить на вопрос: «Мы одни?».

При рассмотрении того, какие места в нашей Солнечной системе могли питать жизнь сейчас или в прошлом, ученые должны обратить внимание на условия, которые делают поверхность планеты пригодной для жизни. Большинство ученых сходятся во мнении, что наличие жидкой воды является основным требованием для жизни. Но может ли жидкая вода существовать где-нибудь в солнечной системе?

Расстояние Земли от Солнца позволяет ее поверхности находиться в точном температурном диапазоне, который делает возможным существование жидкой воды. Если бы температура Земли была намного выше, жидкая вода испарилась бы или ушла в космос; если бы было холоднее, жидкая вода замерзла бы.Область Солнечной системы, где температура позволяет жидкой воде существовать на поверхности планеты, называется зоной обитания.

Обитаемая зона (показана синим цветом) нашей солнечной системы — это область вокруг Солнца, в которой температура поверхности планеты потенциально может иметь температуру, поддерживающую жидкую воду. (Изображение предоставлено НАСА)

Обитаемость поверхности определяется несколькими факторами. Во-первых, расстояние планеты от Солнца влияет не только на температуру поверхности, но и на процессы, приводящие к испарению воды.Из-за огромного парникового эффекта, приводящего к чрезвычайно высоким температурам поверхности, Венера не считается пригодной для жилья, потому что она слишком горячая для существования жидкой воды. На другом конце спектра планеты и луны во внешних пределах нашей солнечной системы, такие как Плутон, слишком холодны, чтобы на поверхности была жидкая вода.

Наконец, процессы, которые приводят к потере атмосферы, играют ключевую роль в обитаемости. Большинство исследователей согласны с тем, что на раннем этапе Марс имел гораздо более плотную атмосферу, но за миллиарды лет он постепенно терял свою атмосферу, что было напрямую связано с резким похолоданием планеты.Кроме того, многие ученые считают, что тектоника плит необходима для обитаемости, потому что она управляет углеродным циклом. Этот цикл представляет собой сложную серию процессов, в которых большая часть углерода Земли обменивается между корой, океанами и атмосферой. Земля — ​​единственная известная в настоящее время планета с активной тектоникой плит.

Внутренняя граница нынешней обитаемой зоны нашей Солнечной системы находится где-то между орбитами Земли и Венеры. Оптимистические оценки утверждают, что внешняя граница проходит сразу за Марсом, в то время как более консервативные оценки говорят, что она проходит между Землей и Марсом.Теоретически, если бы Марс был больше и сохранил свою плотную атмосферу, он мог бы иметь обитаемую поверхность сегодня. Следовательно, внешняя граница обитаемой зоны могла лежать за орбитой Марса.

А как насчет планеты или луны, которые находятся за пределами обитаемой зоны? Возможно ли там существование жизни? Важно помнить, что обитаемая зона, по определению, — это регион, где на планете потенциально может быть температура поверхности, поддерживающая жидкую воду, но более точное название этой зоны могло бы быть «зоной жидкой воды», как говорят ученые. теперь считают, что обитаемость может возникнуть за пределами этой зоны при определенных условиях.Например, подземные грунтовые воды, которые все еще могут существовать на Марсе сегодня, могут служить убежищем для жизни, а также подповерхностные океаны, подобные тому, который, как считается, существует на спутнике Юпитера Европе. Недавние изображения, сделанные космическим кораблем НАСА «Кассини», показывают, что может быть резервуарами с жидкой водой, извергающимися в йеллоустонских гейзерах на спутнике Сатурна Энцеладе.

Пищевые цепи и пищевые сети

Выживание каждого вида растений и животных, независимо от их размера или размера, в некоторой степени зависит от другого вида растений или животных.Это могут быть пчелы, собирающие пыльцу с цветов, фотосинтез растений, олени, поедающие листья кустарников, или львы, поедающие оленей.

Пищевая цепочка показывает, как энергия передается от одного живого организма к другому через пищу. Для нас важно понимать, как работает пищевая цепочка, чтобы мы знали, какие важные живые организмы составляют пищевую цепочку и как сбалансирована экология.

Фотосинтез — это только начало пищевой цепочки. Есть много видов животных, которые будут есть продукты процесса фотосинтеза.Примеры: олени, поедающие листья кустарников, кролики, поедающие морковь, или черви, поедающие траву. Когда эти животные едят эти растительные продукты, пищевая энергия и органические соединения передаются от растений к животным.

Этих животных, в свою очередь, поедают другие животные, снова передавая энергию и органические соединения от одного животного к другому. Итак, сколько уровней это продолжается? Чтобы проследить пищевую цепочку на разных уровнях и узнать, как она работает, посетите этот сайт.

Страница также содержит названия и определения терминов, используемых для описания «участников» пищевой цепочки — производителей, потребителей, травоядных животных.Вы также можете обратиться к схематическим изображениям пищевых цепей, пищевых сетей и экологических пирамид.

Пищевая цепочка описывает, как энергия и питательные вещества перемещаются через экосистему. На базовом уровне есть растения, которые производят энергию, затем она переходит к организмам более высокого уровня, таким как травоядные. После этого, когда хищники поедают травоядных, энергия передается от одного к другому. Чтобы понять, как это происходит, перейдите по ссылке.

В пищевой цепи энергия передается от одного живого организма через другой в виде пищи.Есть первичные производители, первичные потребители, вторичные потребители и разлагатели — все они являются частью пищевой цепи. Перейдите по этой ссылке, чтобы получить хорошее представление о том, как работают пищевые цепи. Есть ссылки на типы энергии, а также простые объяснения того, как фотосинтез является отправной точкой пищевой цепи. Этот сайт также сообщает нам, что из-за наших привычек питания мы находимся в двух пищевых цепочках — морской и наземной.

Растения, обладающие фотосинтезом, поставляют нам первый продукт пищевой цепочки.Мало того, они являются источником кислорода, пищи, которую мы едим, нашей одежды и даже нашей мебели, среди прочего. Растения также удаляют парниковые газы из воздуха, обеспечивают среду обитания многим животным.

Поэтому мы должны понимать экологию окружающей среды по отношению к растениям. Каково их количество по отношению к особям (популяции) и по отношению к другим живым существам в окружающей среде. Перейдите на эту страницу, чтобы узнать, где растения расположены по сравнению с другими живыми организмами.

Например, на типичных пастбищах растений больше, чем на всех остальных уровнях пирамиды, вместе взятых. Однако в лесах другие живые организмы борются за пространство с растениями. Но в экосистеме сохраняется баланс.

Могут быть особые отношения, которые развились внутри сообщества, в котором один конкретный вид растет в обязательной ассоциации с одним другим конкретным видом, от которого зависят еще другие. Этот сайт исследует такие отношения.

Функции тела и жизненный процесс

Функции тела

Функции организма — это физиологические или психологические функции систем организма.Функции организма — это, в конечном счете, функции его клеток. Выживание — самое важное дело тела. Выживание зависит от поддержания или восстановления организмом гомеостаза, состояния относительного постоянства его внутренней среды.

Более века назад французский физиолог Клод Бернар (1813–1878) сделал замечательное наблюдение. Он отметил, что клетки тела выживают в здоровом состоянии только тогда, когда температура, давление и химический состав окружающей их среды остаются относительно постоянными.Позже американский физиолог Уолтер Б. Кэннон (1871-1945) предложил название гомеостаз для относительно постоянных состояний, поддерживаемых телом. Гомеостаз — ключевое слово в современной физиологии. Оно происходит от двух греческих слов — «гомео», что означает одно и то же, и «стазис», что означает стоять. Таким образом, «стоять или оставаться таким же» — это буквальное значение гомеостаза. Однако, как подчеркивал Кэннон, гомеостаз не означает чего-то установленного и неподвижного, что остается неизменным все время. По его словам, гомеостаз означает состояние, которое может меняться, но относительно постоянно.«

Гомеостаз зависит от того, что организм непрерывно выполняет многие действия. Его основные действия или функции — это реагирование на изменения в окружающей среде тела, обмен материалами между окружающей средой и клетками, метаболизм продуктов и интеграция всех разнообразных видов деятельности организма.

Способность организма выполнять многие из своих функций постепенно меняется с годами. В целом организм наименее хорошо выполняет свои функции на обоих концах жизни — в младенчестве и в пожилом возрасте.В детстве функции организма постепенно становятся все более эффективными и действенными. В период позднего созревания и старости все наоборот. Они постепенно становятся все менее эффективными и действенными. В молодом возрасте они обычно действуют с максимальной эффективностью.

Жизненный процесс

Все живые организмы обладают определенными характеристиками, которые отличают их от неживых форм. Основные процессы жизни включают организацию, метаболизм, отзывчивость, движения и размножение.У людей, которые представляют собой наиболее сложную форму жизни, есть дополнительные требования, такие как рост, дифференциация, дыхание, пищеварение и выделение. Все эти процессы взаимосвязаны. Ни одна часть тела, от мельчайшей клетки до целостной системы организма, не работает изолированно. Все они работают вместе, в точно настроенном балансе, для благополучия человека и поддержания жизни. Такие заболевания, как рак и смерть, представляют собой нарушение баланса этих процессов.

Ниже приводится краткое описание жизненного процесса:

Организация

На всех уровнях организационной схемы существует разделение труда.Каждый компонент выполняет свою работу в сотрудничестве с другими. Даже отдельная клетка, если она потеряет свою целостность или организацию, умрет.

Метаболизм

Метаболизм — это широкий термин, который включает все химические реакции, происходящие в организме. Одной из фаз метаболизма является катаболизм, при котором сложные вещества расщепляются на более простые строительные блоки и высвобождается энергия.

Отзывчивость

Отзывчивость или раздражительность связаны с обнаружением изменений во внутренней или внешней среде и реагированием на это изменение.Это акт ощущения стимула и реакции на него.

Механизм

В теле существует много типов движений. На клеточном уровне молекулы перемещаются из одного места в другое. Кровь переходит из одной части тела в другую. Диафрагма движется с каждым вдохом. Способность мышечных волокон сокращаться и, таким образом, производить движение, называется сократимостью.

Репродукция

Для большинства людей воспроизводство означает формирование нового человека, рождение ребенка.Таким образом, жизнь передается от одного поколения к другому через воспроизводство организма. В более широком смысле воспроизводство также относится к образованию новых клеток для замены и ремонта старых клеток, а также для роста. Это клеточное размножение. Оба они необходимы для выживания человечества.

Рост

Рост означает увеличение размера либо за счет увеличения количества клеток, либо за счет увеличения размера каждой отдельной клетки.Для того, чтобы происходил рост, анаболические процессы должны происходить быстрее, чем катаболические процессы.

Дифференциация

Дифференциация — это процесс развития, при котором неспециализированные клетки превращаются в специализированные клетки с отличительными структурными и функциональными характеристиками. Через дифференцировку клетки развиваются в ткани и органы.

Дыхание

Дыхание относится ко всем процессам, участвующим в обмене кислорода и углекислого газа между клетками и внешней средой.Он включает в себя вентиляцию, диффузию кислорода и углекислого газа и перенос газов в крови. Клеточное дыхание связано с использованием клетками кислорода и высвобождением углекислого газа в процессе метаболизма.

Пищеварение

Пищеварение — это процесс расщепления сложных съеденных продуктов на простые молекулы, которые могут всасываться в кровь и использоваться организмом.

Экскреция

Экскреция — это процесс, при котором из организма удаляются отходы пищеварения и обмена веществ.Он избавляется от побочных продуктов, которые организм не может использовать, многие из которых токсичны и несовместимы с жизнью.

Десять описанных выше жизненных процессов недостаточно для обеспечения выживания человека. Помимо этих процессов, жизнь зависит от определенных физических факторов окружающей среды. К ним относятся вода, кислород, питательные вещества, тепло и давление.

Энергия жизни

В прошлых двух темах мы узнали, насколько организован, чтобы делать живые существа.Мы видели, как люди открыли:

(1) концепция, что потомки похожи на своих родителей, потому что они наследуют гены , которые определяют их физические характеристики

(2) что каждый человек уникален, потому что он сочетает в себе гены от обоих родителей

(3) идея о том, что мутации могут происходить из-за механизмов наследство не идеальное

(4) идея о том, что физические характеристики вида будут эволюционируют с течением времени, если некоторые вариации повышают шансы человека на выживание и воспроизвести

(5) как молекулярные свойства ДНК объясняют все это свойства биологической наследственности

ДНК действительно можно описать как первопричину биологической организации материи, потому что она:

(1) несет информацию в виде последовательности нуклеотидов

(2) служит шаблоном для управления синтезом идентичных Молекула ДНК, позволяющая живым клеткам самовоспроизводиться.

Это действительно замечательная история. Но даже если ты понять, как биологическая информация передается от родителей к потомство, вы еще не до конца объяснили, как можно организовать материю в виде живых существ. Помните из нашего предыдущего обсуждения термодинамика, что все системы стремятся к увеличению энтропии. В организация материи в живых существах представляет собой противоположный процесс. систематическое уменьшение энтропии.Пока что ни одна система, взятая в целом, не может испытывать общего уменьшения энтропии. Так как возможна жизнь?

Простой ответ на этот вопрос: если учесть вся система, частью которой являются живые существа, не уменьшается энтропия. Организационные процессы, происходящие в живых существах, требуют энергии, и эта энергия возникает в результате химических реакций, высвобождающих энергию. Итак, чтобы полностью понять, как живые существа могут существовать, нужно понять, где энергия исходит от того, что поддерживает их организацию и как живые существа используют эту энергию для производства организации.

Рассмотренная глубоко, эта тема довольно сложна и включает в себя изрядное количество детальной биохимии, но общие принципы участвуют в передаче энергии в живых существах, не так уж сложно понимать. Проще говоря, растения (а также бактерии и водоросли) захватывают световая энергия, исходящая от солнца в процессе, называемом фотосинтезом, и они использовать эту энергию для производства органических молекул, таких как сахар, жиры, белки, и т.п.Растения вырабатывают эти молекулы, чтобы питать свои корни, цветы, и другие части растения, которые не могут осуществлять фотосинтез. Но эти самые органические молекулы также могут использоваться в качестве источников топлива другими организмами. Как в результате появились такие организмы, как животные и грибы, которые не могут фотосинтез, но полностью зависит от получения молекул пищи от других живых существ вещи. Они разрушают эти высокоэнергетические молекулы пищи, высвобождая достаточно энергия, позволяющая им поддерживать свою организацию, перемещаться в поисках пищи, расти, воспроизводить и так далее.

История о том, как ученые первоначально думали о рост растений и использование пищи животными, и как они постепенно появились в нашем нынешнем понимании этих процессов, это увлекательный пример научный метод в работе в области биологии.

В этой главе мы сначала рассмотрим, что люди знал о росте растений и животных до того, как кто-то начал смотреть на вопрос научно.Затем мы расскажем об эволюции научных размышления об употреблении пищи животными и о циркуляции крови питает ткани человека. Эти учетные записи приведут нас к порогу подробные биохимические эксперименты в 20 веках, которые полностью описал клеточный метаболизм. Поскольку полное описание этих процессы включали очень много индивидуальных экспериментов, мы только резюмируем основные направления этих последних событий.

Что было известно о растениях и животных?

Задолго до того, как кто-либо задумывался о растениях и животных с научной точки зрения люди накопили довольно внушительный запас знание того, как работают эти существа. Не только мы сами животных, но люди в течение последних десяти тысяч лет выращивали обоих животных и растения как источники пищи и одежды. За счет тщательного ухода за своими стадами и зерновыми культурами, люди выработали довольно детальное понимание того, что животные и растения должны выжить и что им навредит.Мы увидим что ученые, изучающие жизнь, не обязательно узнали все они могли получить от фермеров, которые заботились о живых существах, но Тем не менее будет полезно рассмотреть основные вещи, о которых люди уже знали жизнь до того, как ученые начали изучать проблему.

К 17, ^-м, векам люди наверняка знали, что растениям нужна вода, так как они засыхают, когда нет дождя. Они должны как минимум до некоторой степени осознали, что большинству или всем растениям нужно солнце, так как они растут лучше в поле, чем под деревом.Также европейцы, описывая Карибские острова в 16, ^-м, веках заметили, как быстро растения расти там, потому что солнце находится выше в небе. Общеизвестный факт, что растения лучше расти летом, чем зимой, можно интерпретировать с точки зрения сокращение дней зимой, иначе люди могли предположить эффект температуры на рост растений.

У людей также были веские основания полагать, что растения производят что-то из почвы, поскольку фермеры давно узнали, что поле может быть истощенным после всего лишь нескольких лет использования его для выращивания сельскохозяйственных культур, и что он восстанавливается, если не используется в течение нескольких лет.Задолго до химических удобрений были введены, фермеры добавляли навоз на свои поля, чтобы стимулировать рост урожая. В старые навозы входили фекалии сельскохозяйственных животных, водоросли, морские ракушки и даже рыба. Ценность этой практики естественным образом побудила людей думают, что растения в каком-то смысле нуждаются в пище, как животные, и что эти вещества дали растениям необходимый питательный материал.

Наконец, фермеры хорошо знали, что растения вырастают из семена, полученные от взрослых растений того же типа.Они зарезервировали часть урожая каждый год, чтобы сеять весной, чтобы получить урожай в следующие годы урожай. Идея семени как содержащего порождающий принцип, из которого жизнь приходит даже имела духовные последствия, например, ее путь в библейские притчи.

Те основные моменты, что потребность растений в воде, солнечном свете, и что-то из почвы, а также генеративный потенциал seedspretty хорошо обобщает то, что люди знали о росте и питании растений.Фермеры накопили обширные практические знания о том, какие растения росли лучше всего. в какое время года, каким растениям нужно больше воды, чем другим, каким более устойчивая к тени, как максимально увеличить семенной продуктивность отдельных растений, и т. д., но, вероятно, ничего другого, касающегося роста и питания растений в Общее.

Что знали люди в 17, ^-м, веках? животные? Как и в случае с растениями, люди наверняка знали, что животным нужна вода, поскольку они испытали ужасы жажды даже на себе.Также как растения, животные действительно вырастают от маленьких детей до взрослых взрослых. Причина младенцев до недавнего времени была загадкой для многих культур, даже связь с половой акт не всегда признавался. У человека и других млекопитающих развитие плода происходит с по тело, поэтому его нельзя наблюдать. Фермеры, конечно, знали, что цыплята вылупляются из яиц, что яйца нужно держать в тепле, и что процесс вынашивания занимает несколько недель.Некоторые люди также знали о более сложных процессы развития, происходящие у таких организмов, как лягушки и насекомые.

Животные отличаются от растений очевидной необходимостью для определенных видов твердых веществ в пищу. Трудно сказать, насколько систематически они были бы в описывающий , который из твердых веществ образовал хорошая еда и которая не сделала. Вряд ли они могли не заметить, что еда неизменно происходит главным образом от живых существ, растений или животных.Конечно, нет из всего живого материала можно сделать хорошую еду люди редко едят дерево или кости, но больше важен тот факт, что неживые вещества, такие как грязь и песок, никогда не являются основа здорового питания. Они знали, что некоторые вещества были вкуснее. для них, и что эти вещества, как правило, являются хорошими источниками питания, поскольку хорошо. Многие зерна, которые были основой рациона большинства людей, сотни много лет назад у них было не много вкуса, если не было специй, но, по крайней мере, они были вкуснее чем дерево или песок.

Было бы также очевидно, что животным нужен воздух, и не только фермерам. Каждый может испытать ужас того, что не может дышать. Наблюдая, что все другие крупные животные дышат, люди могли сделать вывод: что у них должна быть такая же отчаянная потребность дышать, как и у нас. Также дыхание непрерывно на протяжении всей жизни, и до недавнего времени наиболее очевидным признаком смерть наступила при остановке дыхания. Еще один признак смерти (по крайней мере, у млекопитающих) в том, что тело остывает.Это привело к тому, что люди стали ассоциировать тепло, которое люди и многие другие животные при условии, что они живы, испускают свет.

Это краткое резюме должно дать некоторое представление о том, какой материал люди должны были работать, чтобы сформировать свое мнение о росте и питание живых существ. Научные исследования, начатые в 17 гг. век вырос из этого материала. Однако, как мы увидим, рабочий ученые не всегда обращали внимание на факты, которые были бы очевидны любому фермер.Это, конечно, простительно, поскольку у фермеров есть специальные знания. об этом не все знают, и ученые редко бывают одновременно фермерами. Мы можем быть более осведомленными о некоторых вещах, которые игнорировали ученые, но у нас есть полезно знать, как на самом деле работают процессы роста и питания, поэтому Также несправедливо сравнивать их базу знаний с нашей.

Ранние представления о питании животных

В этой области, как и во многих других, Аристотель установил концептуальный стандарт, над которым люди работали веками позже.Идеи Аристотеля о питании животных основывались на греческой идее четыре элемента: земля, воздух, огонь и вода. В системе Аристотеля материал живых существ состояла из комбинации этих четырех элементов. Так же, пища, которую едят животные, состоит из части земли, части воздуха, части огня и часть воды. Он считал, что мы едим, чтобы восполнить потерянный материал. из наших тканей в результате износа. Каждая из наших тканей состоит определенной смеси четырех элементов, например, мышцы содержат больше вода, чем кожа, и кожа содержит больше воды, чем кости.Чтобы заменить потерянное материал из данной ткани, пищевой материал просто необходимо обработать, чтобы что он содержит ту же смесь элементов, что и добавляемая ткань к. Эта реорганизация веществ в пищеварении контролируется питательными веществами. душа.

размышления Аристотеля о питании были пересмотрены и расширен выдающимся римским врачом Галеном, жившим в 2 ^-х гг. век н.э. биологические и медицинские доктрины Галена были построены на Аристотеле. писаний сотен лет назад, но Гален также сделал наблюдения и добавил свои собственные концепции.Гален оставил нам поразительно большое тело сочинений, и он пользовался таким большим уважением среди всех, кто читал его работы для столетия спустя, что он фактически подавил дальнейшую творческую мысль в биология и медицина. Как и в случае с Аристотелем, люди средневековья могли не представляю, что знает лучше, чем Гален, поэтому они были склонны принимать его взгляды некритично.

В системе Галенса пищеварение состоит из серии смесей. в котором основной материал пищи очищен и адаптирован, чтобы сделать его пригодным для потребление органами животных.Пища всасывается в кишечнике в первую очередь состряпано в печени. Очищенный продукт этой смеси поступает в сердце через то, что мы теперь называем воротной веной, большим кровеносным сосудом между печенью и сердцем. Материал далее придумывается в сердце, производящее кровь. Эта кровь течет из сердца к остальным тело (через артерии и вены), где все различные ткани принимают что им нужно от нее, чтобы восполнить утерянный материал.Вдобавок смесь происходит в мозгу, производя более очищенную жидкость в желудочки головного мозга и (как полагал Гален) нервы, сообщающиеся между мозгом и телом.

Прежде чем кровь покинет сердце, также происходит обмен материала с легкими. По словам Галена, большая часть крови течет справа желудочек сердца к левому желудочку через маленькие отверстия во внутренней стенке в сердце. Тем не менее, некоторые отходы якобы текут справа желудочек сердца в легкие, откуда он выбрасывается в воздух, когда мы выдох.Легкие также забирают воздух и сообщают его левому желудочку сердце. Когда кровь подвергается воздействию воздуха в левом желудочке, загадочный выпускается вещество под названием пневма . Эта пневма, согласно Галену, является жизненным духом, делающим жизнь возможной. и производит жизненное тепло, характерное для жизни людей и животных. Из-за образования пневмы в левом желудочке кровь становится красной.

Система

Galens во многом основывалась на его анатомических особенностях. наблюдения, которые он проводил в основном с животными, потому что человеческое вскрытие был запрещен во времена Римской империи.Некоторые из анатомически правильных компонентов Модель Галенса включала связь между печенью и сердцем, поток кровь из правого желудочка в легкие, сообщение из легких в левый желудочек красный цвет крови, покидающей левый желудочек, и наличие жидкости в желудочках головного мозга. В этом отношении Система Галенса (хотя в основном неверная) соответствовала информации. доступный в свое время. Однако в остальном система Галенс категорически противоречит некоторым простым фактам об анатомии человека, о которых Гален не знал потому что римский закон запрещал ему вскрывать человеческие трупы.

Одна существенная ошибка Галена заключалась в том, что он подумал, что кровь течет прямо из правого желудочка сердца в левый желудочек посредством отверстий во внутренней стенке сердца. Нет таких дыр, и фактически вся кровь из правого желудочка перекачивается в легкие, где он выделяет углекислый газ и поглощает кислород, прежде чем вернуться в сердце. В первые годы научной революции (в 16 ^-е века), анатомы эпохи Возрождения начали бороться с несоответствиями между сочинениями Галена и тем, что они находили в своих собственных исследованиях.Например, великий анатом эпохи Возрождения Андреас Везалий откровенно признал, что не смог найти дыр во внутренней стенке сердца, но он рассудил, что кровь все еще может течь из правого желудочка в левый, поскольку Гален свидетельствовал, что именно это и происходит. В 1550-х годах два других анатомы называли Майкла Серветуса и Реальдо Колумба более или менее одновременно издавали книги, в которых отвергали понятие дыр Галена. во внутренней стене сердца.Они правильно утверждали, что все крови в правом желудочке сначала поступают в легкие и затем вернемся к сердцу. С их стороны потребовалось настоящее мужество, чтобы задавать вопросы Галену. заявлений, как потому, что Гален пользовался огромным уважением, так и потому, что его мысли по этим вопросам стали связаны с христианскими представлениями о взаимодействие души и тела.

В 1620-х годах Уильям Харви исполнил серию эксперименты, которые дополнили идеи Сервета и Колумба.Харвей майор вывод, как мы обсуждали в главе 8, заключался в том, что кровь не просто течет из сердца, и тканей как в артериях, так и в венах, но что кровь циркулирует по телу, покидая сердце в артериях и возвращение к сердцу в венах. Harveys аргументы в пользу этой точки зрения представляют собой интересную комбинацию теоретическое и экспериментальное мышление.

Сначала Харви исследовал анатомию сердца и наблюдал работа сердца, как оно билось у еще живого животного.Кстати, экспериментальные операции, которые он проводил на живых животных без анестезии, пример вивисекции. Эта варварская практика была критически важна для ранний прогресс науки физиологии. В конце концов, однако, ученые признали, насколько болезненны такие процедуры для экспериментальных субъект, и они отказались разрешать такие жестокие действия больше. Так получилось, что эта смена взглядов совпала с открытием первого анестетики в середине 19 ^-го в.Было ли это к счастью, ученым по крайней мере не пришлось прекращать все физиологические эксперименты, так как впоследствии они смогли продолжить их работа с использованием должным образом анестезированных субъектов.

Основываясь на своих наблюдениях за сердцами животных, Харви решил что сердце на самом деле построено из мышечной ткани, которая генерирует силу сокращаясь, как это делают скелетные мышцы. Желудочки сокращаются вместе, что не имеет смысла, если кровь должна течь из одного желудочка в другой, как подумал Гален.Харви также отметил, что клапаны в сердце Похоже, они созданы для откачки крови из желудочков. Поэтому он пришел к выводу, что сердце функционирует как насос, выталкивая кровь из желудочек при каждом сокращении.

Харви теперь мог рассчитать количество перекачиваемой жидкости. из сердца с каждым сокращением. Основываясь на его измерениях объема левого желудочка, он подсчитал, что каждое сердцебиение должно перекачивать около двух унции крови.Если кровь просто течет от сердца к тканям, где она всасывается, перекачка сердца даст десять фунтов крови салфетки за одну минуту! Ясно, что это намного больше, чем количество еды. потребляется за тот же период времени. Этот простой расчет убедил Харви что кровь должна циркулировать из сердце к тканям и обратно.

Если кровь циркулирует, то некоторые кровеносные сосуды должны передать кровь прочь от сердце, а другие сообщают это назад до сердце.Чтобы увидеть, в каком направлении течет кровь в венах, Харви использовал жгуты для прерывания кровотока в венах руки. Он нашел эту кровь всегда накапливается на стороне жгута на расстоянии от сердца, как если бы венозная кровь текла на назад к сердцу. Если, с другой стороны, рука, венозная кровь течет из сердца к тканям, оно должно было скапливаться на стороне жгута ближе к сердцу.

Эксперименты Харвея сегодня с нашей точки зрения просты. и убедительный.Тем не менее, как мы указывали в главе 8, было несогласие с выводами Харвея. Подобное противодействие неизбежно в любое время человек оспаривает устоявшиеся взгляды, какими бы убедительными они ни были. Люди просто привыкают к определенному мышлению, а они этого не делают. с готовностью передумают.

Некоторое сопротивление, однако, было результатом Харвейса. неспособность объяснить , как кровь обеспечивает питание для тканей, если оно не съедается тканями, а просто циркулирует от сердца к тканям и обратно.Кроме того, Харви не удалось установить связь между артериальной сетью и венозной сеть кровеносных сосудов. Фактическое соединение происходит в крошечных сосудах, называемых капилляры в тканях, но Харви не мог исследовать ткани микроскопически, иначе он увидел бы капилляры.

Несмотря на сопротивление, Харвей получил новые взгляды опора в течение 17 ^-го века. Его эксперименты были настолько прямолинейный и легко воспроизводимый, и его рассуждения были настолько убедительными, что его взгляды неизбежно возобладают.Волнение, вызванное Харвейсом открытия вдохновили на дальнейшие анатомические и физиологические исследования системы кровообращения, в том числе открытие позже в 17 ^-е век лимфатической системы и капиллярных сетей, по которым течет кровь от артерий к венам.

Питание как замена утраченного материала

Как описано ранее, Аристотель и Гален рассматривали питание как замена материала, потерянного из тканей.Открытия Харви бросили вызов Галеновской модели кровотока, но они не разрешили вопрос, для чего нужна кровь. Спустя годы после открытий Харвея люди продолжал рассматривать пищу в первую очередь как источник нового материала для замены того, что потеряны из тканей в результате износа, а также для смазки мышцы и суставы.

В конце 18-го ^-го и начале 19-го ^-го века, эта точка зрения была связана с возникшей идеей о том, что ткани животных состоят из ячеек.Микроскопические исследования крови выявили наличие глобулы вещества, которое мы теперь называем эритроцитами и лейкоцитами. С несовершенные микроскопические исследования тканей животных также показали, что глобулы также присутствовали там, ученые предположили, что ткани восстанавливается за счет ассимиляции глобул крови в ткани. Рост ткани может аналогичным образом можно объяснить с точки зрения ассимиляции все большего числа глобул в ткани, заставляя их расширяться наружу.Примерно в то же время Джон Хантер предположил, что включение крови в растущие ткани было связано со свертыванием крови, происходящим в ранах.

Гипотеза глобуляристов была в конечном итоге отвергнута на основании по ряду наблюдений, некоторые из которых были опубликованы Йоханнесом Мллером, а некоторые — Теодор Шванн. Во-первых, кровяные тельца не выглядели одинаковыми. размер как глобулы сообщается в тканях. Во-вторых, часть крови, которая было показано, что сгустки представляют собой жидкую фракцию, называемую плазмой, а не клеточные дробная часть.В-третьих, мышечная ткань состоит из длинных фиброзных клеток. а не глобулярные клетки. И, наконец, Шванн описал сотовую связь. мембрана, выстилающая стенки капилляров. Поскольку в этом нет пробелов мембрана, предполагаемые глобулы проходят через нее, чтобы попасть из крови в ткань, и поэтому материал, попадающий в ткани, должен быть в виде отдельных молекулы.

На основании этих открытий гипотеза глобуляристов был более или менее полностью дискредитирован примерно к 1835 году.Тем не менее, люди рассматривал питание в первую очередь с точки зрения ассимиляции молекул в ткани. Более полного понимания питания не было до появления нового наука термодинамики позволила людям объединить идею питания как ассимиляции с идеей питания как горения, которая обсуждается в следующий раздел.

Пищевая ценность в виде горения

Идея о том, что жизнь зависит от внутреннего огня, была вокруг тысячи лет.Тепло, излучаемое людьми, когда они живы, и тот факт, что они остывают, когда умирают, должно быть очевидный и довольно поразительный факт даже для самых ранних людей. Аристотель верил в существование врожденного тепла, которое животные не могли жить без. Гален говорил о жизненном тепле, связанном с пневмой в кровь. И эта идея сохранялась сотни лет, пока Галенс мышление начало дискредитироваться в период раннего Возрождения.

Появление пороха в Европе в средние века. повлиял на раннее Возрождение мышления о жизни как о горении. Как только Декарт объяснил живые существа по аналогии с механическими устройствами своего день, и как сегодня люди пытаются объяснить мозг, используя аналогию компьютер, ученые эпохи Возрождения рассматривали все формы горения в связи с порох.

Основным ингредиентом пороха является нитрат калия, который в эпоху Возрождения назывался селитрой.Другой ключ ингредиент пороха — сера. Идея 17 ^-го века была что все формы горения, включая, например, вулканы, происходили, когда сернистый материал воспламенялся селитрой. Объясняя дыхание, поэтому люди предположили, что должна быть какая-то воздушная селитра. который вдыхается и выделяет тепло в теле, когда он реагирует с сернистый материал в живой ткани. Такого мнения придерживался ряд выдающиеся ученые 17 ^{-х годов} века, в том числе Роберт Бойль, Роберт Гук, Йоханнес Мэйоу и Томас Уиллис.

Эти ранние химические рассуждения были прерваны Возникновение механистической точки зрения Декарта и его последователя. В Ятромеханики объясняли живые существа механическими, а не химическими аналогии. Например, они считали, что животный жар возникает из-за трения в движение частей тела, так же как трение вызывает нагрев в машинах. Мы уже обсудили ограничения в механистических теориях этого время.В конце концов, эти ограничения заставили людей снова обратиться к химические эксперименты для понимания.

Следующий большой шаг вперед в понимании дыхания как своего рода горение было произведено Лавуазье и его сотрудником Пьером Лапласом, в статье, опубликованной в 1780 году. Лавуазье и Лаплас выполнили серию экспериментов по горению и дыханию, с помощью которых они намеревались чтобы показать, что дыхание — это разновидность медленного горения.В своем ключевом эксперименте они производили углекислый газ, сжигая определенное количество цели или позволяя морской свинке дышать в течение определенного периода времени. Они тоже измерили тепло, выделяемое при сжигании угля, по сравнению с дыханием морской свинки. Они обнаружили, что примерно такое же количество тепла было произведено по сравнению с количество производимого углекислого газа, независимо от того, нагревается ли тепло и углерод диоксид был произведен при сгорании или дыхании.

Из этого эксперимента Лавуазье и Лаплас пришли к выводу, что производство тепла и углекислого газа были связаны, и что лежащие в основе Процесс горения был таким же, как и при дыхании.Как они выразились:

Следовательно, дыхание горение, правда, очень медленное, но в остальном совершенно похоже на горение уголь; это происходит внутри легких, не производя заметных свет, потому что освобожденная материя огня немедленно поглощается влажность этих органов.

Этот вывод также предлагает объяснение того, как животные используют пищу, поскольку другие эксперименты уже показали, что пищевые материалы может сжигаться, выделяя тепло.Лавуазье и Лаплас утверждали, что еда необходимо животным так же, как масло необходимо для хранения лампы горение без пищи, внутренний огонь погаснет.

Как мы видим сейчас, Лавуазье и Лаплас придерживались этой точки зрения. наоборот: они думали, что тепло необходимо для жизни, а еда была просто способом поддерживая тепло тела, в то время как мы рассматриваем тепло в первую очередь как побочный продукт метаболизма активность у животных. Но эта перспектива не могла возникнуть, пока люди не начал думать о тепле как об одном из видов энергии.

Эксперимент Лавуазье и Лапласа — интересный пример того, насколько легче оценить прорыв задним числом чем в то время. Мы можем не согласиться с их общей интерпретацией их выводы, но с учетом нашего текущего понимания химии и энергетика горения и дыхания, мы все еще можем восхищаться фундаментальными Принцип выявлен в их экспериментах. Теперь мы понимаем, что тепло высвобождается, когда органические молекулы превращаются в углекислый газ и воду.Мы знаем что количество выделяемого тепла действительно связано с количеством углерода диоксид произведен. Мы знаем, что в конечном итоге химические реакции, участвующие в горение и дыхание — то же самое, только реакции дыхания включают больше промежуточных стадий. Но в то время, когда Лавуазье и Лаплас опубликовали свои результаты, их коллеги не имели этих идей и могли лишь судить об обоснованности своих выводы, основанные на том, что было известно в то время.

Современников Лавуазье не убедила его идея дыхание как разновидность горения, и не без уважительной причины. Методы использованные для измерения количества выделяемого тепла были довольно приблизительными, а некоторые экспериментальные переменные нельзя было должным образом контролировать, как обычно случай с любым новым экспериментом. Кроме того, было произведено примерно на 20% больше тепла, относительно к количеству произведенного углекислого газа, при дыхании, чем при горении.Лавуазье и Лаплас остались довольны что числа были так почти равны. Но более точные измерения тепла постановка Дюлонга и Деспреца, опубликованная независимо в 1822 и 1824 годах, подтвердил, что дыхание животных действительно выделяет больше тепла, чем в сжигание древесного угля относительно количества производимого углекислого газа. Последующие эксперименты также показали, что количество кислорода, потребляемого животные могут быть слишком большими, чтобы учесть количество производимого углекислого газа.Эти и другие наблюдения представляли трудности для Лавуазье. элегантное уравнение дыхания с горением. В конце концов, все заработало , но в то время никто не мог с уверенностью предсказать, какой финал вывод был бы.

Еще одна тема для дискуссий в то время касалась того, где происходит горение. Лавуазье утверждал, что кислород потребляется, а тепло выпущен в легкие. Другие спрашивали, почему, если это так, не легкие? заметно горячее остального тела? Имея это в виду, другие Исследователи продемонстрировали выделение тепла не только легкими, но и другими тканями.Лаззаро Спалланцани также наблюдал образование углекислого газа в различные ткани от многих разных животных, включая червей, кожу земноводных, а различные части рыб изучались изолированно от остальных тело. Александр фон Гумбольдт продемонстрировал отслоение мышечной ткани. выживает дольше, когда ему доступно больше кислорода, что свидетельствует о том, что мышца ткань использует кислород. Помните также, что эксперименты Ingen-Housz показали что растения потребляют кислород и производят углекислый газ в темноте.Все из этого результаты показали, что легкие не нужны для производства углерода. диоксид и выделение тепла при дыхании.

Если дыхание происходит по всему телу, кислород попавший в легкие, должен каким-то образом быть передан остальному телу. В Кровь сразу же стала рассматриваться как вероятный переносчик кислорода. В разница в цвете артериальной и венозной крови была известна по крайней мере со времен Галенса, как мы уже отмечали.Фактически, Лавуазье предположил, что покраснение крови при воздействии кислорода может быть связано с красным цветом оксидов металлов, таких как ртуть и свинец.

Хотя он сам никогда не публиковал эту точку зрения, Джозеф Луи В 1790-х годах Лагранж предположил, что:

В ходе Путешествие крови кислород мало-помалу выходил из состояния растворение, чтобы частично соединиться с углеродом и частично с водород крови, и, таким образом, с образованием угольной кислоты и воды, которые устанавливаются освобождаются от венозной крови, как только она покидает правую часть сердца попасть в легкие.

Густав Магнус позже смог подтвердить, что кровь переносит газы, показывая, что кислород и углекислый газ на самом деле растворяется в обычной крови, и эта артериальная кровь содержит больше кислорода, чем венозная кровь делает. Вслед за Лагранжем он предположил, что горение требует место в крови капилляров, так как она течет по тканям. Этот был в 1830-х гг. Однако в 1850 году Георг Либих продемонстрировал, что мышцы по-прежнему производят углекислый газ при перфузии дистиллированной водой, а чем кровь.Это открытие свидетельствует о том, что дыхание происходит внутри клетки различных тканей, а не капилляры. В роли Морица Траубе высказал эту гипотезу в 1861 г .:

Свободный кислород переходит в растворенном состоянии через стенки капилляров и соединяется с мышечным волокном в рыхлый химическая комбинация, которая способна снова отдавать этот кислород другим вещества, растворенные в мышечной жидкости и обладающие повышенным сродством к кислород; и тогда он может принять новый кислород.

Это близко к правде, хотя Траубе все еще неясно о многих деталях. Последующие эксперименты были необходимы, чтобы показать, что красные кровяные тельца переносят кислород, а не жидкую часть крови (плазма), и установить роль белков гемоглобина как кислорода перевозчики. Кроме того, Траубе не мог адекватно объяснить, как использовался кислород. в тканях. Понимание этого появилось только в 20 ^-м век.

Последним шагом в понимании дыхания было признание того, что все дыхание происходит в клетках. Эта идея была на самом деле выраженный Шванном в конце 1830-х годов в его формулировке теории клетки. Но это не было общепринятым, пока Эдуард Пфлюгер не отстаивал эту позицию. в двух статьях 1870-х гг. На самом деле Пфлюгер не представил никаких принципиально новых экспериментальные данные, но он настаивал на том, что дыхание — это общее свойство всех живых существ, включая насекомых, эмбрионы животных и растения.Экспериментальная основа для идей Пфлюгерса уже была доступна в экспериментов Ingen-Housz по выбросу CO ₂ растениями, почти 100 годами ранее, и в экспериментах 19 ^-го веков Георга Либиха и другие, которые мы только что описали.

Питание животных как высвобождение энергии

В последних двух разделах мы видели развитие два направления мысли о питании животных точка зрения о том, что пища — это материя, чтобы восполнить потерю материала из тканей, и идея о том, что еда является топливом для вид медленного горения, происходящего в тканях.За период у нас В начале ^-х годов 19-го века эти две линии мысли развивались более или менее независимо друг от друга и не эффективно примирились. Лавуазье предположил, что еда необходима для дать топливо, чтобы поддерживать медленное сгорание дыхания, но он не понять, почему это дыхание необходимо. В этом разделе мы обсудим, как применение к кормлению животных новой науки термодинамики в середина и конец 19, ^-е, века, впервые позволили людям понять, почему еда действительно так необходим для жизни животных.

Но сначала, чтобы вы могли оценить, куда собирались вот как мы теперь понимаем питание. Пища нам нужна по двум причинам: как источник энергии и как источник определенных органических молекул. Большинство из пища, которую мы принимаем, используется в качестве энергии, и для этой цели любая органическая молекула почти так же хорошо, как и любой другой. Вот почему людям может сойти с рук создание Один источник пищи — большая часть их рациона, например, картофель или пицца. Но если мы не могут получить определенные молекулы, такие как некоторые аминокислоты, которые мы используем для производства белки, множество различных типов молекул, которые вместе называемые витаминами, определенными минералами и т. д., то наши клетки не будут способны выполнять определенные функции, и мы заболеем.

Молекулы пищи производятся другими живыми существами, что мы едим. Молекулы пищи могут использоваться нами в качестве источников энергии, потому что они состоят из относительно слабых, менее стабильных химических связей. Когда эти слабые связи перестраиваются, чтобы произвести более сильные связи (с помощью химических реакции), затем выделяется энергия. Эту энергию можно использовать для создания силы или он может рассеиваться в виде тепла.Горение — это название процесса, в котором молекулы с относительно слабыми связями реагируют с кислородом с образованием молекул с более сильные связи. Химические вещества с особенно слабыми, нестабильными связями выделяют отличный много тепла при сгорании, поэтому они могут быть сожжены. Поскольку энергия высвобождается при сгорании молекул пищи, мы описываем более слабый химический Связи, из которых состоят такие молекулы, хранят химическую потенциальную энергию. Они также могут называться высокоэнергетическими связями.

Для синтеза высокоэнергетических молекул пищи из более стабильных, молекулы с более низкой энергией, необходим источник энергии. На этой земле источник энергии, которая управляет подавляющим большинством биосинтеза, — это световая энергия исходящий от солнца. Растения, водоросли и бактерии эволюционировали на молекулярном уровне. механизмы для использования энергии фотонов света и использования этой энергии для синтеза органических молекул, таких как сахар, жиры, белки и т. д.

Но ничего из этого нельзя было оценить, пока люди не разработал понятие энергии и научился определять относительную количество потенциальной энергии в разных молекулах.Ученые, чьи работы мы правильно описали до сих пор, что свет необходим для фотосинтез и что атомы углерода, водорода и кислорода в углероде молекулы диоксида и воды используются в качестве сырья для производства органических молекулы. Но эти ученые не понимали, что углекислый газ и вода состоит из особо прочных химических связей и поэтому имеет относительно низкая потенциальная энергия, в то время как органические молекулы состоят из более слабых химические связи и, следовательно, имеют более высокую потенциальную энергию.Не ценить это они не могли понять , почему свет необходим для фотосинтеза.

Как вы, возможно, помните ранее в этом семестре, наука термодинамики возникла, когда люди поняли, что энергия может быть преобразована из одной формы в другую, но никогда не создавались и не уничтожались. Например, потенциальный энергия может накапливаться, когда объекты движутся против гравитационного притяжения, но для этого требуется работа, а работа — это всего лишь приложение энергии в этом корпус, кинетическая энергия.Одно особенно важное преобразование энергии в Ранним развитием термодинамики было преобразование кинетической энергии в тепло. Мы обсуждали, как Томсон и Джоуль пришли к пониманию того, что тепло возникает, когда движение вызывает трение. Постепенно тепло стали понимать как один вид энтропии — случайное движение отдельных молекул, которые производят материал.

Когда мы вводили термодинамику, мы говорили о химическом энергия как потенциальная энергия в более слабых, менее стабильных химических связях, но мы не описал, как люди это оценили.Как и в случае с наукой о термодинамики в целом, наблюдения, которые привели к открытию термодинамика химических веществ сосредоточена на выделении тепла. Многие химические вещества могут сжигаться для выделения тепла, в том числе органических химикатов. Древесина использовалась гоминиды в качестве источника топлива для производства тепла на протяжении более миллиона лет. Каменный уголь, который также состоит из органических молекул, использовался в качестве топлива китайцами. много сотен лет назад и позже сыграли важную роль в промышленном Революция, начавшаяся в конце 18 ^-го в.

Когда люди поняли, что тепло — это всего лишь одна из форм энергии, они также естественно осознали, что любые вещества, которые можно сжечь, выделяя тепло, должны содержать энергию в своем химическом составе. Они также разработали приборы для измерения количества тепла, выделенного конкретным химическим веществом. реакции, чтобы определить, сколько потенциальной энергии содержится в реагенты относительно продуктов. Единица измерения этого химического вещества потенциальная энергия была (и есть) калорией: количество энергии, необходимое для повысить температуру одного грамма воды на один градус по Цельсию.

Чтобы узнать, сколько энергии было выделено в конкретном химической реакции, они просто измерили, насколько температура известного количество воды было увеличено, когда эта реакция могла произойти. С использованием при таком подходе химики могли точно определить, сколько энергии было выделено когда определенные молекулы пищи вступали в реакцию с кислородом с образованием углерода диоксид и вода. В 1870-х годах Джоспех Уиллард Гиббс описал уравнение что позволило химикам более легко определять относительные количества химических потенциальная энергия в реагентах и ​​продуктах любой химической реакции.

Когда-то люди понимали, что молекулы пищи являются источниками энергии, тогда они могли бы взглянуть на фотосинтез и дыхание совершенно по-новому. способ. Поскольку при сгорании молекул пищи образуется углекислый газ и вода высвобождает энергию, тогда для производства молекул пищи и кислорода необходимо энергия. Как только это было осознано, не потребовалось много воображения, чтобы понять почему солнечный свет необходим для фотосинтеза. Как мы увидим в следующем раздел, простое осознание того, что солнечный свет является источником энергии, все еще оставляет без ответа многие вопросы о фотосинтезе, например, вопрос о , как эта энергия используется для синтезировать органические молекулы, но это, безусловно, начало.

Применение термодинамического мышления к дыханию позволили людям лучше понять, для чего используется еда. Лавуазье уже было показано, что при сгорании молекул пищи выделяется тепло, но позже ученые поняли, что выделение тепла не главная причина энергия в молекулах пищи высвобождается. Юлиус Майер и Герман Гельмгольц предположил правильно, что эта энергия частично используется для создания силы в мышцы.Мы не могли бы поднимать тяжелые предметы, если бы у нас не было источника энергия, которая в наших мышцах преобразуется в кинетическую энергию. Макс Рубнер впоследствии выполнили множество экспериментов, чтобы выяснить, насколько калорийная энергия потреблялась животными, какие молекулы были наиболее важными источниками энергии, и сколько энергии было преобразовано в кинетическую энергию в мышцах.

Эти концепции могут показаться очевидными сегодня, но до этого время, люди на самом деле, кажется, не задавались вопросом, откуда берется энергия благодаря этому животные могут генерировать силу, необходимую для движения их тел.Это как если бы они считали само собой разумеющимся, что животные обладают способностью двигаться, как это была какая-то жизненная сила. Идея о том, что животные просто трансформируют химическое вещество потенциальная энергия пищи в кинетическую энергию в мышцах — еще один шаг к чисто механистическому объяснению живых существ. Это позволило ученые рассматривают животных как биологические эквиваленты паровых двигателей. которые использовались для преобразования тепловой энергии в кинетическую энергию во время промышленного Революция.

Постепенно люди осознали, что поколение макроскопических сил, как в мышцах, — это только одно из применений энергия. По мере того как биологи начали больше описывать деятельность живых клеток, они пришли к выводу, что энергия также необходима для уменьшения энтропии на клеточном уровне, чтобы синтезировать органические молекулы, транспортировать молекулы, создать структуру из хаоса. Конечная судьба большей части высвободившейся энергии от молекул пищи действительно тепло (как думал Лавуазье), но это промежуточное использование этой энергии, делающее жизнь возможной.

Что является источником энергии для большинства живых существ?

Солнечный свет жизненно важен для процесса фотосинтеза, выполняемого растениями, который поставляет кислород и глюкозу, необходимые для выживания всех живых существ на Земле.

Живые существа — это организмы, проявляющие качества жизни. Эти особенности включают способность расти, воспроизводить, двигаться, метаболизировать, дышать, реагировать на раздражители и адаптироваться к окружающей среде.Чтобы организм был признан живым, он должен поглощать энергию и использовать ее для поддержания жизни. Таким образом, энергия имеет решающее значение для выживания живых организмов. Бактерии, животные, люди, растения и грибы — вот некоторые примеры живых существ.

Первичный источник энергии

Солнце является источником энергии в данной экосистеме.Солнечная энергия улавливается растениями для поддержания процесса фотосинтеза. Фотосинтез — это процесс превращения углекислого газа и воды в глюкозу и кислород. Количество энергии, используемой для запуска этого процесса, хранится в молекулах глюкозы.

Клеточное дыхание

Организмы, в свою очередь, питаются растениями и расщепляют глюкозу, чтобы высвободить накопленную энергию.Высвободившаяся энергия используется клетками для производства химического аденозинтрифосфата (АТФ) в процессе клеточного дыхания. Поскольку во время процесса выделяется энергия, это экзотермический тип реакции. Клетки расщепляют глюкозу до ее исходных элементов — углекислого газа и воды. Таким образом, клеточное дыхание противоположно фотосинтезу. АТФ — это энергетическая валюта для клеток, что означает, что он подпитывает клетки, чтобы они выполняли свою работу. Выделяемый углекислый газ проходит через кровоток людей и животных и выдыхается через легкие или жабры.Растения выводят углекислый газ через устьица (поры). В экосистеме обычно есть первичный, вторичный и третичный потребитель, где каждая группа питается предыдущим. Таким образом, энергия передается между организмами в пищевой цепи. Когда живое существо умирает, его энергия используется деструкторами. Однако большая часть энергии теряется, и по мере продвижения по пищевой цепочке лишь небольшой процент достигает потребителей третичного уровня.

Автотрофы и гетеротрофы

Живые формы распознаются как автотрофы или гетеротрофы в зависимости от того, как они получают энергию.Автотрофы, также называемые самокормящимися, обладают способностью создавать свою «пищу», используя энергию солнца или тепловую энергию, получаемую от земли. В экосистеме автотрофы являются производителями энергии и поэтому имеют решающее значение в любой пищевой цепи. Члены Королевства Plantae — лучшие образцы автотрофов. Было обнаружено, что некоторые виды бактерий производят пищу из неорганических соединений, таких как сера. Гетеротрофы не способны производить пищу и полагаются на автотрофов.Питаясь углеводами, производимыми автотрофами, гетеротрофы получают энергию для поддержания жизни. В эту группу входят животные, люди и грибы. Другая группа, называемая миксотрофами, может выполнять автотрофную деятельность, а также полагаться на другие организмы для получения энергии.

Важность энергии для живых существ

Живые существа состоят из миллионов клеток, которые выполняют в организме различные функции, такие как восстановление, рост и движение.Все химические процессы, происходящие в клетках, сводятся к метаболизму. Если метаболизм прекращается, живое существо впоследствии умирает. Таким образом, энергия имеет решающее значение для поддержания жизни всех форм жизни.

Бенджамин Элиша Саве 25 апреля 2017 в окружающей среде

1. Дом
2. Среда
3. Что является источником энергии для большинства живых существ?

.