9. Обмен веществ и энергии в живых организмах

Обмен веществ и энергии - закономерный порядок превращения веществ и энергии в живых системах, направленный на их сохранение и самовоспроизведение. Обмен веществ и обмен энергии неразрывно связаны и представляют собой диалектическое единство.

Рассматривая обмен веществ в организмах, Ф. Энгельс подчеркивал диалектический характер этого процесса: «Растение, животное, каждая клетка в каждое мгновение своей жизни тождественны с собой и тем не менее отличаются от, самих себя благодаря усвоению и выделению веществ, благодаря дыханию, образованию и отмиранию клеток, благодаря происходящему процессу циркуляции — словом, благодаря сумме непрерывных молекулярных изменений, которые составляют жизнь и общие итоги которых выступают воочию в виде жизненных фаз...»

Как указывал Ф. Энгельс, важнейшим свойством жизни является постоянный обмен веществ, с прекращением которого прекращается жизнь. Итак, обмен веществ — существенный и непременный признак жизни.

Вся совокупность химических реакций, протекающих в живых организмах, включая усвоение веществ, поступающих извне (ассимиляция) и их расщепление (диссимиляция) вплоть до образования конечных продуктов, подлежащих выделению, составляет сущность и содержание обмена веществ. Отсюда понятно, что изучение обмена веществ — одна из основных задач биохимии.

Обмен веществ складывается из огромного количества химических реакций, каждая из которых может быть воспроизведена в отдельности в лабораторных условиях. Однако специфику обмена веществ определяют не сами по себе эти реакции, а особое сочетание, строгая согласованность и темп протекания реакций. Важнейшая характерная черта биологической формы движения — саморегуляция, которая возникает как результат совокупности химических реакций, из которых каждая в отдельности не обладает в полной мере способностью саморегулироваться, но, вместе взятые, они образуют систему, обнаруживающую свойства механизма с обратной связью.

С последовательно материалистических позиций рассматривал роль обмена веществ в жизни организмов основоположник отечественной физиологии И. М. Сеченов, а К. А. Тимирязев последовательно проводил идею о том, что основное свойство, которое характеризует живые организмы, заключается в постоянном деятельном обмене между веществом, составляющим организм, и веществом окружающей среды, которое организм постоянно воспринимает, ассимилирует, превращает его в себе подобное, вновь изменяет и выделяет в процессе диссимиляции. И. П. Павлов рассматривал обмен веществ как основу проявления жизнедеятельности, как основу физиологических функций организма. Существенный вклад в изучение химических основ жизненных процессов сделал А. И. Опарин.

9.1. Превращение химической энергии в организме

В живых организмах химическая энергия превращается в другие виды энергии и используется для выполнения ряда функций прямо без промежуточной теплопродукции. Поскольку в основе жизнедеятельности не лежит принцип непосредственного использования тепловой энергии, простое окисление органических веществ в организме с выделением энергии исключительно в тепловой форме явилось бы бесполезной потерей энергии.

Первичным источником энергии для всей живой природы является солнечное излучение. Все многообразие организмов, обитающих на Земле, по использованию источников энергии можно разделить на две основные группы: аутотрофные и гетеротрофные организмы. Первые (аутотрофы) — прежде всего зеленые растения, способны непосредственно использовать лучистую энергию Солнца в процессе фотосинтеза, создавая органические соединения (углеводы, аминокислоты, жирные кислоты и др.) из неорганических веществ. Остальные живые организмы (гетеротрофы) ассимилируют уже готовые органические вещества, используя их как источник энергии или пластического материала для построения своего тела. Следует отметить, что большинство микроорганизмов тоже являются гетеротрофами. Однако они не способны поглощать целые пищевые частицы и выделяют в окружающую их среду специальные переваривающие ферменты, которые расщепляют пищевые вещества, превращая их в малые, растворимые молекулы, которые могут проникнуть в клетки.

Как уже отмечалось, углеводы, жиры или белки и продукты их расщепления не могут непосредственно служить «топливом» для клеточных процессов. В результате таких процессов, как тканевое дыхание, брожение и гликолиз, которые занимают центральное место в обмене веществ, происходит постепенное освобождение и аккумуляция энергии, заключенной в молекулах сложных органических соединений.