1. Вступление

В основе всех проявлений жизнедеятельности лежит обмен веществ и энергии (или метаболизм). Его основными задачами является обеспечение пластических (построение биологических структур) и энергетических (использование энергии, содержащейся в химических связях органических веществ) потребностей животного за счет поступающих из внешней среды молекул.

Все химические реакции в организме и вне его протекают в соответствии с законом сохранения массы (общая масса вступающих в химическую реакцию веществ, равна общей массе ее продуктов) и сопровождаются обменом энергии. Она может иметь разную природу (химическую, световую, кинетическую и др.), а самой неупорядоченной является тепловая. В системе СИ количество энергии измеряют в джоулях (Дж). В то же время, тепловую энергию часто измеряют и в калориях (кал). 1 кал ≈ 4,2 Дж.

Превращения любой энергии происходят в соответствии со следующими законами термодинамики:

энергия не исчезает и не возникает вновь, а перераспределяется внутри системы или переходит из одной формы в другую (первый закон или закон сохранения энергии);

вся имеющаяся энергия, при прекращении поступления её из вне, в конечном итоге, переходит в тепловую, а организация материи становится неупорядоченной (второй закон);

количество выделяемой энергии не зависит от промежуточных превращений, а равно разнице ее содержания в начальных и конечных продуктах реакции (закон Гесса).

Следовательно, жизнь возможна при регулярном получении животными доступной формы высокоорганизованной и выделении в окружающую среду такого же количества менее организованной (преимущественно тепловой) энергии. Даже в покое живые клетки выделяют тепло, а выполнение ими специфических функций (например, мышечное сокращение) увеличивает теплопродукцию. Поэтому общий уровень метаболизма зависит от массы и активности животного. Менее 8% от всей теплопродукции животные расходуют на согревание вдыхаемого воздуха, съедаемого корма и выпитой воды. До 1% теряется с молоком, калом и мочой. Остальное тепло выводится в окружающую среду через кожу. Следовательно, скорость теплоотдачи зависит от площади тела в большей степени, чем от массы животного (правило Рубнера или закон поверхности тела). В то же время, уменьшение соотношения площади и объема тела сокращает потери тепла (закон экономии поверхности). На единицу массы тела мелких животных приходится большая, по сравнению с крупными животными, площадь кожи. Например, у собаки с массой 2,5 кг на 1 кг веса приходится приблизительно в 3 раза больше кожи, чем у собак с массой 50 кг. Такие особенности в наибольшей степени способствуют потере тепла мелкими животными. Поэтому - если два близких вида теплокровных отличаются размерами, то более крупный обитает в холодном, а мелкий – в теплом климате (правило Бергмана). В то же время, конечности, уши и другие выступающие части тела почти не влияют на массу тела, но увеличивают площадь кожи. Поэтому относительные размеры выступающих частей тела теплокровных увеличиваются к югу (правило Аллена).

Почти 95% содержащихся в клетках химических элементов приходится на кислород, углерод, водород и азот. Эти биогенные вещества в течение миллионов лет поглощаются растениями, микроорганизмами и животными из биосферы. Так, автотрофы (большинство растений) превращают поглощаемые из окружающей среды двуокись углерода и воду в органические вещества (накапливаются в растениях) и молекулярный кислород (выделяется в атмосферу). Гетеротрофы (животные) поглощают органические вещества с кормом и разрушают их при участии атмосферного кислорода до двуокиси углерода и воды, которые возвращаются в окружающую среду и вновь поглощаются автотрофами.

Благодаря такому круговороту веществ в биосфере, запасы биогенных веществ на Земле не истощаются. В то же время, первичным источником энергии на Земле является Солнечное излучение. Его энергия накапливается способными к фотосинтезу клетками в химических связях (главным образом, С-С, С-Н и С-N) органических молекул, которые поедаются животными, а получаемая ими энергия, в конечном итоге, рассеивается в сторону более холодных космических объектов.Следовательно,круговорота энергии в биосфере нет, а Земля не «остывает» благодаря Солнечному излучению.