Пространство, форма и энергия в живой природе


Круговорот вещества и энергии в живой природе



Скачать 320.68 Kb.
страница8/9
Дата11.03.2019
Размер320.68 Kb.
1   2   3   4   5   6   7   8   9
Круговорот вещества и энергии в живой природе.

Древние полагали, что равновесие (гармония) – лишь миг, и, минуя точку равновесия, маятник непременно сдвигается в противоположную сторону. Колебание в круге имеет форму двухполюсного цикла, в котором оба полюса соединены диаметром. Благодаря диаметру, по которому перетекает энергия, полюса взаимодействуют: один полюс отдает (донор), другой принимает (акцептор). Окислительно-восстановительный цикл представляет собой частный случай донорно-акцепторных отношений. В живой природе донор передает акцептору энергию в виде света, электронов и фосфатных групп. В окислительно-восстановительном цикле задействованы тетраэдры метана, аммиака и воды. Окислительно-восстановительные циклы метана и аммиака (круговорот азота) осуществляется с участием каталитических систем одноклеточных (бактерии) и многоклеточных (растения и животные) организмов (рис. 2).



Рис. 2. Круговорот азота в живой природе (Ленинджер А. Биохимия. М., Мир, 1974)


На одном полюсе круговорота азота происходит окисление аммиака (горение) с образованием окислов азота. Энергия горения расходуется на поддержание жизнедеятельности и воспроизводство низкоорганизованных каталитических систем – бактерий. На другом полюсе окислы вновь восстанавливаются до аммиака. Процесс восстановления требует более высокоорганизованных форм жизни – высших растений и животных, так как происходит с большими затратами энергии. Используя энергию солнца, растения синтезируют аминокислоты в гораздо большем количестве, чем бактерии. Поэтому в цикл вовлекается дополнительно атмосферный азот, который «закачивается» в него азотфиксирующими бактериями, способными переводить молекулярный азот равным образом в окисленную и восстановленную форму, тем самым поддерживая круговращение.

Для синтеза белка не требуется больших затрат энергии. Достаточно той, которая образуется при окислении глюкозы до пирувата (пируват – пировиноградная кислота, конечный продукт бескислородного окисления глюкозы в живом организме). Этот процесс окисления глюкозы, происходящий без участия кислорода, получил название «гликолиз», или анаэробное окисление. Гораздо больше энергии требуется для перехода из окисленного состояния в восстановленное, то есть для синтеза углеводородов. Эта энергия получается при сжигании пирувата молекулярным кислородом с образованием углекислого газа и воды, или аэробное окисление. Распад глюкозы в результате окисления и синтез углеводов и углеводородов (жирных кислот), замыкаются в цикл «восстановление-окисление» на уровне клетки (рис. 3).

Для непрерывного вращения этого цикла необходимо, чтобы восстановленный продукт становился восстановленным топливом, а окисленное топливо - окисленным продуктом. В качестве топлива при аэробном окислении живая природа использует глюкозу, жирные кислоты и по необходимости аминокислоты, которые распадаются с образованием единого для всех трех продукта – ацетил-кофермента А (ацетил-КоА). Ацетил-КоА затем окисляется еще в одном цикле – трикарбоновых кислот. Цикл составляют семь кислот: цитрат, изоцитрат, альфа-кетоглутарат, сукцинат, фумарат, малат и оксалоацетат. Основным «действующим лицом» цикла является цитрат (лимонная кислота). Он синтезируется каждый раз из ацетил-КоА и оксалоацетата, то есть цитрат как бы рециркулирует. Остальные шесть кислот – продукты последовательного окисления ацетил-КоА. Четыре кислоты (альфа-кетоглутарат, сукцинат, фумарат и оксалоацетат) являются исходными реагентами для синтеза аминокислот, а две (малат и цитрат) – для синтеза жирных кислот. Цикл трикарбоновых кислот является ротором, в котором окисленное топливо преобразуется в окисленный продукт без участия кислорода. Но в нем высвобождаются электроны, энергия которых улавливается при их движении к кислороду (восстанавливая его с образованием воды), запасается в виде АТФ и затем расходуется на синтез.



Рис. 3. Круговорот энергии, исходных продуктов и продуктов реакции в каталитической системе клетки (Ленинджер А. Биохимия. М, Мир, 1974)


Универсальными субстратами энергии в живой природе являются глюкоза и жирные кислоты. Глюкоза является уникальным топливом, так как её распад осуществляется в два этапа. Энергии, получаемой при анаэробном окислении, достаточно для синтеза биополимеров, а энергия аэробного распада расходуется на синтез жирных кислот. Таким образом, распад глюкозы делает возможным и синтез биополимеров, и синтез жира. Чтобы запасы глюкозы не иссякли, требуется сжечь воду и восстановить углекислый газ. Расход воды и углекислого газа компенсируется их образованием при сжигании кислородом органических соединений. В свою очередь, запасы кислорода восполняются его образованием при горении воды (фотолизе) (рис. 4).

Энергия солнечного света дает толчок к повороту от конечного окисленного состояния пространства живой природы к восстановленному, от сжигания углеводов к их синтезу. Глюкоза синтезируется в растениях, содержащих хлорофилл, который улавливает энергию фотона. Глюкоза обеспечивает рост и воспроизводство растений, а вместе с тем общий прирост массы растительного белка. Когда азота не хватает, неизрасходованная глюкоза «отчуждается» в виде полимера целлюлозы. Когда количества глюкозы и азота сбалансированы, целлюлоза не образуется. Поэтому эволюционный переход от древесных форм к травам означает, что «построение» цикла азота завершено. Поток световой энергии в живую природу стабилизируется, а синтез глюкозы и растительного белка становится стационарным. Три цикла, изображённые на рис. 2– 4, могут быть объединены в один общий цикл, который замыкается благодаря появлению растительноядных животных. Выделяемый животными аммиак – это «сырье» для синтеза растительного белка.

В растениях восстановление углекислого газа и воды до углеводородов практически не происходит: растения синтезируют очень мало жира. Механизмы производства жира отрабатываются у животных. Первыми накапливать жир начинают растительноядные животные. Они разделяются на две большие группы: в одной энергия глюкозы расходуется преимущественно на синтез белка (лошадь, корова), в другой – на синтез жира (свинья). Жир является более энергоёмким продуктом, чем белок, и его образование получает эволюционное преимущество. Жир стабилизирует поток глюкозы в организме животного, что создает условия для развития интеллекта, так как сеть нейронов оптимально функционирует в условиях стационарного уровня глюкозы.



Рис. 4. Окислительно-восстановительный цикл у растений






Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7   8   9


База данных защищена авторским правом ©zodorov.ru 2017
обратиться к администрации

    Главная страница