Трансформация энергии на организменном уровне

Bсе экологические системы существуют за счет постоянного потока и трансформации вещества и энергии. Основными элементами экологических систем являются организмы. Поэтому особенности трансформации вещества и энергии в экологических системах в значительной степени определяются закономерностями этих процессов на организменном уровне.

В организме постоянно идут процессы метаболизма, или обмена веществ, которые представляют собой всю совокупность происходящих в них биохимических реакций. Все эти реакции можно подразделить на две группы.

При реакциях распада, или катаболизма сложные вещества распадаются на более простые, при этом выделяется энергия. Их примерами являются процессы дыхания и пищеварения. При этом имеет место увеличение энтропии и снижение свободной энергии системы.

При реакциях синтеза, или анаболизма из простых веществ образуются более сложные, которые используются на построение тканей и органов тела, они идут с поглощением энергии. При этом происходит снижение энтропии и рост свободной энергии системы. Их примерами являются фотосинтез, хемосинтез и синтез белков.

Все реакции анаболизма не являются самопроизвольными. Для их протекания веществам, участвующим в них, необходимо придать дополнительную энергию. Она представляет собой макроэргических связей АТФ. Последняя, в свою очередь, образуется в процессах к дыхания, которое представляет собой окисление органических веществ кислородом до углекислого газа и воды.

Процесс дыхания с использованием глюкозы, можно представить в виде:

С₆Н₁₂0₆ + 6О₂ → 6С0₂ + 6Н₂О + 38 АТФ + Q (тепло)

При этом до 40 – 45% энергии, заключенной в химических связях глюкозы, переходит в энергию макроэргических связей АТФ. Остальные 55 -60% энергии рассеиваются в виде тепла, которое может быть использовано попутно для поддержания температуры тела организма.

Энергия АТФ используется для протекания большинства реакций в клетке, например, для синтеза белков. При этом часть энергии макроэргических связей АТФ переходит в энергию пептидных связей между аминокислотами, а часть – переходит в тепловую энергию. Распад белков на отдельные аминоксилоты в процессе питания сопровождается дальнейшим выделением тепловой энергии. В конечном итоге вся энергия, выделяющаяся при окислении оранических соединений в процессе дыхания переходит в тепловую энергию.

Согласно закону Гесса, тепловой эффект химической реакции равен разности энергетических состояний начальных и конечных продуктов реакции и не зависит от путей перехода между ними. Поскольку начальные и конечные продукты дыхания и сгорания органических веществ одинкаковы, количество энергии выделившееся полном окислении органического вещества в процессе дыхания будет равным количеству энергии, выделившемуся при его сгорании, т.е. энергетическому эквиваленту этого вещества.

Поэтому по количеству потребленного организмов кислорода можно определить величину выделенной при дыхании энергии. Отношение количества энергии, выделенной при дыхании к количеству потребленного кислорода называется оксикалорийный коэффициент (ОК).

При полном окислении 1 г углеводов, белков и жиров на единицу массы потребленного кислорода выделяется близкое количество энергии – соответственно 3,48, 3,69 и 3,29 кал мгО^-1. Учитывая, учитывая, что на дыхание в организме используются все эти группы (хотя и в разных пропорциях), можно принять, среднее значение ОК для организма равным 3,39 кал мгО^-1, или 4,86 кал млО^-1.

Отношение между объемами выделенного организмом в процессе дыхания углекислого газа и поглощенного кислорода называется дыхательным коэффициентом (ДК), т.е.:

ДК = [CO₂]/[O₂]

При окислении в организме углеводой ДК становится равным единице, при окислении белков – изменяется в пределах 0,85 – 0,88, а при окислении жиров -- снижается до 0,71. Если в организме наряду с анаэробным дыханием идут процессы брожения, ДК превышает 1,0, а если в нем происходит превращение жиров в углеводы – снижается до 0,3 – 0,4.

По величинам ДК можно в определенной степени судить, какие органические вещества используются в качестве энергетического субстрата. Например, у голодающих особей вначале используются жиры, затем углеводы – и лишь затем белки, что соответствующим образом отражается на изменении ДК.

Дата добавления: 2014-01-07