Гетеротрофные организмы. Окисление органических веществ (дыхание) для энергетического обеспечения жизнедеятельности

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Дальневосточный федеральный университет»

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Концепции современного естествознания»

на тему: Гетеротрофные организмы. Окисление органических веществ (дыхание) для энергетического обеспечения жизнедеятельности

Выполнила:

Студентка 4курса гр

Афремова К.Е.

Владивосток, 2013

Содержание

1. Гетеротрофные организмы

2. Окисление органических веществ для энергетического обеспечения жизнедеятельности

3. Дыхание

Заключение

1. Гетеротрофные организмы

Гетеротрофные организмы, гетеротрофы, организмы, использующие для своего питания готовые органические соединения (в отличие от автотрофных организмов, способных первично синтезировать необходимые им органические вещества из неорганических соединений углерода, азота, серы и др.). К Г. о. относятся все животные и человек, а также некоторые растения (грибы, многие паразиты и сапрофиты покрытосеменных растений) и микроорганизмы. Однако разделение растений и микроорганизмов на гетеротрофные и автотрофные, несмотря на принципиальное различие в типе их обмена веществ, довольно условно. Даже типичные автотрофы -- фотосинтезирующие зелёные растения -- могут усваивать некоторое количество органических веществ из почвы через корни, но их рост и развитие лучше протекают на минеральных источниках азота. Некоторые зелёные растения, обладая способностью кфотосинтезу, являются в то же время насекомоядными (росянка, пузырчатка и др.), т. е. используют в основном органический азот, а их углеродное питание осуществляется фотосинтетически. Некоторые автотрофы нуждаются в присутствии в среде витаминоподобных веществ, необходимых для автотрофного синтеза, и т.д. В 1921 русский учёный А. Ф. Лебедев показал, а в 1933 с помощью изотопного метода американские учёные Г. Вуд и Ч. Веркман подтвердили, что даже ярко выраженные Г. о. (некоторые бактерии, грибы и др.) способны усваивать углерод CO2. Гетеротрофный синтез обеспечивает незначительное накопление органического вещества (до 10% всего углерода организма). Возможность усвоения CO2 клеткой, не содержащей зелёного (или иного) пигмента, имеет принципиальное значение для понимания эволюции хемосинтеза и фотосинтеза, Выявлена способность и животных тканей использовать CO2. В связи с этим возникла тенденция к дифференциации организмов на автотрофы и гетеротрофы не по типу углеродного питания, а по характеру источника жизненно необходимой энергии. В соответствии с этим к Г. о. относят организмы, для которых источником углерода служит окисление сложных органических соединений -- углеводородов жиров, белков: к фотоавтотрофам -- организмы, осуществляющие фотохимические реакции; к хемоавтотрофам -- организмы, для которых источником энергии являются реакции окисления неорганических веществ Строго Г о -- животные и человек, использующие органические соединения для покрытия энергетического расхода построения и возобновления тканей тела и регуляции жизненных функций. Такие Г. о. различают по потребности в тех или иных органических соединениях (что зависит от степени их участия в обмене веществ организмов), а также по возможности синтезирования этих соединении самими организмами. К числу необходимых, но несинтезируемых Г. о. веществ относятся т. н. незаменимые аминокислоты, витамины и близкие к ним соединения Осуществляя разложение и минерализацию сложных органических веществ, Г. о. играют важную роль в круговороте веществ в природе.

2. Окисление органических веществ для энергетического обеспечения жизнедеятельности

Количество энергии, поступающей в организм с пищей, должно обеспечивать подержание равновесного энергетического баланса на фоне неизменной массы тела, физической активности и соответствующих скоростях роста и обновления структур организма. Организм человека получает энергию в виде потенциальной химической энергии питательных веществ. Эта энергия аккумулирована в химических связях молекул жиров, белков и углеводов, которые в процессе катаболизма преобразуются в конечные продукты обмена с более низким содержанием энергии. Высвобождающаяся в процессе биологического окисления энергия используется, прежде всего, для синтеза АТФ, которая как универсальный источник энергии необходима в организме для осуществления механической работы, химического синтеза и обновления биологических структур, транспорта веществ, осмотической и электрической работы. Схема процессов превращения энергии в клетке представлена на рис. 12.1.

Количество синтезированных молей АТФ на моль окисленного субстрата зависит от его вида (белка, жира, углевода) и от величины коэффициента фосфорилирования. Этот коэффициент, обозначаемый как Р/О, равен количеству синтезированных молекул АТФ в расчете на один атом кислорода, потребленный при окислении восстановленных органических соединений в процессе дыхания. При переносе каждой пары электронов по дыхательной цепи от НАД * Н до 02 величина Р/О = 2. Для субстратов, окисляемых НАД * Н2-зависимыми ферментами, Р/О = 1,3. Эти соотношения Р/О отражают энергетические затраты клетки на синтез АТФ в митохондриях и транспорт макроэрга против химического градиента из митохондрий к местам потребления.

Таким образом, одна часть аккумулированной в химических связях молекул жиров, белков и углеводов энергии в процессе биологического окисления используется для синтеза АТФ, другая часть этой энергии превращается в теплоту. Эта теплота, выделяющаяся сразу же в процессе биологического окисления питательных веществ, получила название первичной. Какая часть энергии будет использована на синтез АТФ и будет вновь аккумулирована в ее химических макроэргических связях, зависит от величины Р/О и эффективности сопряжения в митохондриях процессов дыхания и фосфорилирования. Разобщение дыхания и фосфорилирования под действием гормонов щитовидной железы, ненасыщенных жирных кислот, липопротеидов низкой плотности, динитрофенола ведет к уменьшению коэффициента Р/О, превращению в первичную теплоту большей, чем в условиях нормального сопряжения дыхания и фосфорилирования, части энергии химических связей окисляемого вещества. При этом снижается коэффициент полезного действия синтеза АТФ, количество синтезированных молекул АТФ уменьшается.

При полном окислении 1 г смеси углеводов пищи выделяется 4 ккал тепла. В процессе окисления в организме 1 г углеводов синтезируется 0,13 моля АТФ. Если считать, что энергия пирофосфатной связи в АТФ равна 7 ккал/моль, то при окислении 1 г углеводов лишь 0,91 (0,13 х 7) ккал энергии будет запасено в организме в синтезированной АТФ. Остальные 3,09 ккал будут рассеяны в виде тепла (первичная теплота). Отсюда можно рассчитать коэффициент полезного действия синтеза АТФ и аккумулирования в ней энергии химических связей глюкозы:

к.п.д. = (0,91 : 4,0) х 100 = 22,7 %.

Из приведенного расчета видно, что только 22,7 % энергии химических связей глюкозы в процессе ее биологического окисления используется на синтез АТФ и вновь запасается в виде химической макроэргической связи, 77,3 % энергии химических связей глюкозы превращается в первичную теплоту и рассеивается в тканях.

Аккумулированная в АТФ энергия в последующем используется для осуществления в организме химических, транспортных, электрических процессов, производства механической работы и в конечном итоге тоже превращается в теплоту, получившую название вторичной.

В названиях первичная и вторичная теплота отражено представление о двухступенчатости полного превращения всей энергии химических связей питательных веществ в тепло (первая ступень -- образование первичной теплоты в процессе биологического окисления, вторая ступень -- образование вторичной теплоты в процессе затраты энергии макроэргов на производство различных видов работы). Таким образом, если измерить все количество тепла, образовавшегося в организме за час или сутки, то это тепло станет мерой суммарной энергии химических связей питательных веществ, подвергшихся за время измерения биологическому окислению. По количеству образовавшегося в организме тепла можно судить о величине энергетических затрат, произведенных на осуществление процессов жизнедеятельности.

Основным источником энергии для осуществления в организме процессов жизнедеятельности является биологическое окисление питательных веществ. На это окисление расходуется кислород. Следовательно, измерив количество потребленного организмом кислорода за минуту, час, сутки, можно судить о величине энергозатрат организма за время измерения.

Между количеством потребленного за единицу времени организмом кислорода и количеством образовавшегося в нем за это же время тепла существует связь, выражающаяся через калорический эквивалент кислорода (КЭ02). Под КЭ02 понимают количество тепла, образующегося в организме при потреблении им 1 л кислорода.

3. Дыхание

Дыхание. Первоначально люди называли дыханием просто вдыхание и выдыхание воздуха. Долгое время считали даже, что человек никак не изменяет состав воздуха при дыхании, и вообще вдыхает воздух, только чтобы охладить «перегретые» лёгкие. Чтобы опровергнуть эту точку зрения, английский натуралист Роберт Гук провёл любопытный опыт : предлагал членам Королевского общества дышать воздухом из герметичного пакета, снова и снова вдыхая использованный воздух. Несмотря на свою убеждённость в исключительно «охлаждающей» роли дыхания, почтенные академики вскоре прекращали опыт, жалуясь на «недостаток воздуха».

Позднее стало известно, что для дыхания живым организмам необходим содержащийся в воздухе кислород. Для чего нужна непрерывная подача кислорода? Чтобы в организме шли процессы «медленного горения» (или, точнее, окисления) и выделялась энергия, необходимая для жизни.

Дыхание происходит в клетках. Поэтому самый простой тип дыхания -- клеточный. Его мы встречаем у простейших водных организмов, например, у инфузории туфельки и амёбы. Растворённый в воде кислород они впитывают прямо из воды, и туда же выводится углекислый газ. Очень сходно, «напрямую» осуществляется дыхание и у некоторых многоклеточных, например, у кишечнополостных (медуз, гидры, полипов) и плоских червей.

У более сложных форм клетки, находящиеся далеко от воды, начинают «задыхаться». Появляется непрямое дыхание -- дыхание через особые органы. Такие органы должны всегда оставаться влажными, чтобы впитывать кислород: у разных животных это жабры, лёгкие, трахеи.

Водные и наземные животные столкнулись с различными проблемами при дыхании. В воздухе кислорода довольно много -- 21%. Зато необходимо постоянно поддерживать влажной дыхательную поверхность.

В воде дыхательная поверхность пересохнуть не может, зато растворённого кислорода здесь содержится примерно в 40 раз меньше, чем в воздухе. Поэтому, чтобы не погибнуть от удушья, например, живущие на дне морские черви должны непрерывно волнообразно покачиваться. Тогда их тела постоянно омывает свежая вода. У акул жабры извлекают из воды в полтора раза меньше кислорода, чем у костных рыб, и потому они тоже должны, чтобы не задохнуться, постоянно быть в движении.

У сухопутных животных, избравших для себя кожный тип дыхания (например, у безлёгочных саламандр, в значительной степени -- у других земноводных и у дождевых червей), кожа, постоянно выделяет слизь и влагу. «Иногда, когда дождевой червь пытается переползти через каменистый участок или асфальтированную дорожку в сухую солнечную погоду, -- пишут биологи

К. Вилли и В. Детье, -- его органы, выделяющие слизь, оказываются не в состоянии восполнить потерю влаги в результате испарения; кожа становится сухой, червь задыхается и погибает».

Кстати, и человек дышит не только лёгкими, но и кожей, хотя кожное дыхание незначительно (1--2% общего объёма дыхания). У некоторых млекопитающих, например, лошади, кожное дыхание имеет большее значение и его доля может возрастать до 8%. Хотя перейти полностью на кожный тип дыхания, как это могут делать земноводные, звери, конечно, неспособны. У насекомых тело покрыто хитиновым панцирем, и кожное дыхание для них невозможно. Дышат они совершенно особым способом -- трахейным. Трахеи насекомых это сеть тончайших разветвленных трубочек, пронизывающих всё их тело. Почти в каждом сегменте тела у насекомых есть пара дыхалец -- отверстий, ведущих в систему трахей. Крупные насекомые, двигая мускулами брюшка активно вентилируют свои трахеи. Всё-таки трахейный тип дыхания -- не самый совершенный, и чем больше насекомое, тем труднее воздуху поступать в глубину его тела. Это одна из причин, почему размеры насекомых имеют жестко заданный «потолок». Большинство водных животных избрали жаберный тип дыхания. Жабры -- это особые разветвленные выросты тела -- наружные (как, скажем, у аксолотлей) или внутренние (как у костных рыб или многих ракообразных). Чтобы не задохнуться, таким животным приходится постоянно омывать их свежей водой. Рыбы делают это так: набирают воду в рот, а затем, закрыв рот, выталкивают её через жаберные щели. Жабры густо пронизаны кровеносными сосудами: кровь разносит кислород по всему телу.

Между прочим, человек тоже может дышать не только воздухом, но и жидкостью. В опытах млекопитающие без вреда для себя часами дышали жидким перфторуглеродом. Годится для дыхания и вода -- было бы в ней достаточно кислорода . Следует отметить, что жабры рыб оказываются совершенно негодным органом дыхания на суше: они быстро слипаются и их общая площадь уменьшается настолько, что рыбе, несмотря на избыток кислорода в атмосфере, начинает его не хватать.

Наземные позвоночные пользуются лёгочным типом дыхания. Они весьма оригинально решили уже упомянутую проблему поддержания дыхательной поверхности влажной. Просто разместили её внутри своего тела! В ряду от двоякодышащих рыб и земноводных вплоть до млекопитающих внутренняя поверхность лёгких непрерывно растет. Первоначальный простой «мешок» дробится на тысячи обособленных мешочков (альвеол). В результате у человека общая внутренняя поверхность лёгких возрастает до 100 кв. м.

Особого упоминания заслуживает дыхательная система птиц. Не удивительно ли, что, часто взмахивая крыльями в полёте, птица не проявляет никаких признаков «одышки», не задыхается? Оказывается, в её теле помимо лёгких есть ещё особые воздушные мешки. Они не только облегчают общий вес птицы. В момент выдоха воздух из этих мешков поступает в лёгкие. Таким образом птицы дышат и на вдохе, и на выдохе.

гетеротрофный окисление жизнедеятельность дыхание

Заключение

На всех стадиях своего развития человек был тесно связан с окружающей его природой. Но с тех пор как появилось высокоиндустриальное общество, опасное вмешательство человека в природу резко усилилось, расширился объём этого вмешательства, оно стало выражать разнообразные проявления и сейчас грозит стать глобальной опасностью для человечества. Расход невосполнимых видов сырья повышается, все больше пахотных земель выбывает из экономики, так на них строятся города и заводы. Человеку приходится все больше вмешиваться в хозяйство биосферы - той части нашей планеты, в которой существует жизнь. Биосфера Земли в настоящее время подвергается нарастающему антропогенному воздействию. При этом можно выделить несколько наиболее существенных процессов, любой из которых не улучшает экологическую ситуацию на планете. Наиболее масштабным и значительным является химическое загрязнение среды несвойственными ей веществами химической природы. Среди них - аэрозольные и газообразные загрязнители промышленно-бытового происхождения. Прогрессирует и накопление углекислого газа в атмосфере. Дальнейшее развитие этого процесса будет усиливать нежелательную тенденцию в сторону повышения среднегодовой температуры на планете. Все загрязняющие атмосферный воздух вещества в большей или меньшей степени оказывают отрицательное влияние на здоровье человека.

Вызывает тревогу у экологов и продолжающееся загрязнение Мирового океана нефтью и нефтепродуктами, достигшее уже 1/5 его общей поверхности. Нефтяное загрязнение таких размеров может вызвать существенные нарушения газо- и водообмена между гидросферой и атмосферой. Не вызывает сомнений и значение химического загрязнения почвы пестицидами и ее повышенная кислотность, ведущая к распаду экосистемы. В целом все рассмотренные факторы, которым можно приписать загрязняющий эффект, оказывают заметное влияние на процессы, происходящие в биосфере.

Размещено на Allbest.ru