Сущность процессов обмена веществ в неживой природе и метаболизма сообщение

Обновлено: 02.07.2024

Отклонение такого основного явления, каким является живое вещество в его воздействии на биосферу, от принципа Карно указывает, что жизнь не укладывается в посылки, в которых энтропия установлена.

1. Обмен веществ в живой и неживой природе

Кажущиеся трудности в понимании ПРОЦЕССА органической жизни проистекают из того, что органическая жизнь есть не ПРЕДМЕТ, не ВЕЩЬ, которую можно подержать в руках, а ПРОЦЕСС ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ.

Известно, что сам по себе обмен веществ имеет место повсеместно как в явлениях ЖИВОЙ, так и в НЕЖИВОЙ ПРИРОДЕ. Он может быть специфическим признаком живой природы, если указана ПРОТИВОПОЛОЖНОСТЬ направления этого процесса в явлениях неживой и живой природы.

Хотя обмен веществ и считается одним из признаков жизни — это правда, но не вся правда. Результат обмена веществ имеет два противоположных результата:

· либо следствием обмена веществ является УВЕЛИЧЕНИЕ СВОБОДНОЙ ЭНЕРГИИ,

· либо следствием обмена веществ является УМЕНЬШЕНИЕ СВОБОДНОЙ ЭНЕРГИИ.

2. Принципиальные различия

3. Вынужденные процессы

Такая противоположность обмена веществ уже давно была намечена в истории химии, когда химические реакции делились на ЭКЗОТЕРМИЧЕСКИЕ и ЭНДОТЕРМИЧЕСКИЕ. Первый тип реакций сопровождался ВЫДЕЛЕНИЕМ ЭНЕРГИИ, а второй тип характеризовался обратным образом — он был связан с ПОГЛОЩЕНИЕМ ЭНЕРГИИ.

В качестве простейших примеров ПРОТИВОПОЛОЖНОГО обмена веществ рассмотрим два примера: 1) ржавление гвоздя, который упал на дорогу; 2) рост растения. Как в первом, так и во втором случае имеет место обмен веществ, но при ржавлении гвоздя процесс экзотермический, где СВОБОДНАЯ (ХИМИЧЕСКИЯ, ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ) энергия УМЕНЬШАЕТСЯ, а при росте растения — наоборот — СВОБОДНАЯЯ (ХИМИЧЕСКАЯ, ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ) энергия УВЕЛИЧИВАЕТСЯ.

4. Доминирующие процессы

Не следует понимать эту противоположность ПРЯМОЛИНЕЙНО: как в живой, так и в неживой природе проходят как эндотермические, так и экзотермические химические реакции — важно здесь то, какой именно тип химических реакций оказывается ДОМИНИРУЮЩИМ.

Если экзотермические и эндотермические реакции идут с одинаковой скоростью, то полная энергия системы не изменяется.

Даже такое простое явление органической жизни, как РОСТ (клетки, растения, животного) требует, чтобы эндотермические реакции в обмене веществ ДОМИНИРОВАЛИ над экзотермическими реакциями.

В этом смысле, только указание на ДОМИНИРОВАНИЕ эндотермических реакций над экзотермическими дает точное ОПРЕДЕЛЕНИЕ всей совокупности явлений органической жизни. Такое ДОМИНИРОВАНИЕ ЯВНО УСКОЛЬЗАЕТ ОТ ВЗГЛЯДА ФИЗИОЛОГА, занятого тем или иным организмом. Но оно совершенно очевидно по отношению к науке, которая занимается БИОСФЕРОЙ, т.е. геологическим процессом на нашей планете, включающим в себя и всю совокупность социально-экономических явлений, являющихся частным случаем ОРГАНИЧЕСКОЙ ЖИЗНИ, возникающим и поддерживаемым всей совокупностью живых организмов.

5. Биосфера как отличительный признак живого

«Не только резко, коренным образом изменилось наше понятие материи. Давно отошла в прошлое материя не только С.Карно (1824), но и материя Клаузиуса (1854). Само представление об энергии под влиянием эмпирических обобщений начинает меняться; ход и последствия этого изменения нами в нужной мере еще не могут быть представлены. Принцип Карно неизбежно получит новое понимание. Проявления жизни являются эмпирическим фактом, с трудом входящим в рамки других природных явлений в аспекте принципа Карно. Уменьшение энергии, ее рассеяние в виде тепла, не имеет места в жизни (такой, как мы ее понимаем) зеленых хлорофилльных растений или автотрофных микробов, взятых в природном аспекте, т.е. неразрывно от биосферы.

Наоборот, в силу факта существования этих организмов количество свободной энергии, способной производить работу, очевидным образом увеличивается к концу их жизни в окружающей природе с ходом геологического времени. Свободный кислород, изготовляемый растениями, каменный уголь, образующийся из их остатков, органические соединения их тел, питающие животных, движения и другие физические и химические проявления, очень различные и многочисленные представляют выявления новой деятельной энергии, не сопровождаемой никоим образом деградацией исходной лучистой энергии солнца. Эта энергия перешла в такую форму, которая создает организм, обладающий потенциальным бессмертием, не уменьшающим, а увеличивающим действенную энергию исходного солнечного луча.

Физиологи, изучающие отдельный взятый — вне среды — организм животных, особенно высших, не считали себя обязанными делать эти выводы . Однако мир животных существует лишь за счет зеленого растительного живого вещества и отдельно существовать не может. И если бы зеленые растения погибли, то он неминуемо должен был бы разделить их судьбу. Это одно нераздельное явление природы.

Мир животных сам по себе не представляет явлений жизни . Животный организм рассеивает внутри своей физиологической машины энергию, накопленную хлорофиллсодержащими организмами. Но вся совокупность животных, особенно ЦИВИЛИЗОВАННОЕ ЧЕЛОВЕЧЕСТВО, по-видимому, соответствует тем же энергетическим проявлениям, которые столь характерны для зеленых растений. В своей совокупности животные и растения, вся живая природа представляют собою явление, ПРОТИВОРЕЧАЩЕЕЕ в своем эффекте в биосфере принципу Карно в его обычной формулировке. Обыкновенно в земной коре в результате жизни и всех ее проявлений ПРОИСХОДИТ УВЕЛИЧЕНИЕ ДЕЙСТВЕННОЙ ЭНЕРГИИ.

Если обратить внимание на всю биогеохимическую работу, производимую живыми организмами, от них неотделимую и ими создаваемую за счет захватываемой ими энергии, мы видим, что создается этим путем сложный, единый комплекс самодовлеющих организмов, активная энергия которых при одной той же исходной, непрерывной, но не увеличивающейся энергии солнца — увеличивается. Она увеличивается в ходе геологического времени. Это увеличение активной энергии сказывается хотя бы в увеличении СОЗНАТЕЛЬНОСТИ и в росте влияния в биосфере и геохимических процессах единого комплекса жизни. Одно создание, медленно шедшее в геологическом времени, такой геологической силы, какой является для нашей психозойской эры ЦИВИЛИЗОВАННОЕ ЧЕЛОВЕЧЕСТВО (с. 222 и сл.), ясно это показывает.

Но то же самое ясно показывает нам процесс эволюции видов, теснейшим образом связанный с ростом действенной геохимической энергии и с полной переработкой биосферы по-новому.

Воздействие жизни на биосферу увеличивается при единообразном притоке действенной (солнечной) энергии. Живое вещество ее накапливает и создает, а не рассеивает.

То же сказывается и в расширении и углублении геохимических функций жизни в ходе геологического времени, во все большем и большем разнообразии морфологических форм ее, очевидно, неизбежно связанным с расширением химического разнообразия.

В явлениях биосферы, в силу существования жизни, энтропия вселенной должна была бы уменьшаться, а не увеличиваться. Это эмпирическое обобщение вызвало новые спекуляции. Немецкий физик Ф.Аэрбах увидел в нем выражение нового принципа, противоречащего энтропии. Он назвал его ЭКТРОПИЕЙ. Он и другие исследователи старались вывести из него космогонические следствия.

6. Альтернатива:

Точка зрения, что все явления органической жизни имеют тенденцию развития, ПРОТИВОПОЛОЖНУЮ направлению возрастания энтропии, подвергалась гонению и остракизму со стороны многих физиков. Но после вручения Нобелевской премии И.Р.Пригожину — все изменилось: теперь все дружно стали ЗА. Только за какое ЗА?

В одной из своих ранних работ Пригожин и Стенгерс писали нечто иное:

7. Постулаты Бауэра и автоколебания

Приведенное выше указание на то, что автоколебательные системы являются НЕРАВНОВЕСНЫМИ, НЕЛИНЕЙНЫМИ и НЕКОНСЕРВАТИВНЫМИ — дает возможность легко понять, почему Э.С.Бауэр так протестовал против применения к живым системам принципа Лешателье, который производен от классической динамики и термодинамики. Он писал:

8. О принципе Лешателье

«Между двумя принципами — принципом Лешателье и установленным нами основным биологическим принципом — имеется, таким образом, внешнее сходство, заключающееся в том, что оба они содержат общее указание, в каком направлении будет происходить реакция, т.е. изменение состояния системы при каком-либо изменении окружающей среды. Кроме того, оба принципа говорят, что изменение состояния системы направлено в некотором смысле против изменения окружающей среды.

Физический смысл в обоих случаях, однако, совершенно различен и не имеет друг к другу никакого отношения. Несмотря на это, иногда считают, что между этими принципами есть что-то общее, и что поведение живых систем при изменении состояния окружающей среды следовало бы выводить непосредственно из принципа Лешателье.

Эта ошибочная аналогия так же, как аналогия динамического равновесия, влечет за собой нежелательные последствия, так как она физически неправильна и приводит к ошибочным, не соответствующим фактам, заключениям. Чтобы это понять, надо иметь в виду следующее. Принцип Лешателье относится к системам, находящимся в РАВНОВЕСИИ, и изменения состояния, т.е. реакция системы, которую требует принцип при изменении окружающей среды, ведет к ожидаемому при данной окружающей среде РАВНОВЕСИЮ, иначе говоря, принцип указывает, при каком именно направлении реакции при данной новой окружающей среде наступит РАВНОВЕСИЕ. Наш принцип относится к системам, не находящимся в равновесии, и изменение состояния, иначе — реакция системы, которую требует наш принцип при изменении окружающей среды, при данной окружающей среде, состоит В РАБОТЕ ПРОТИВ ожидаемого при данной окружающей среде РАВНОВЕСИЯ, следовательно, именно ПРОТИВ ТОГО ИЗМЕНЕНИЯ, которого следовало бы ожидать по принципу Лешателье, если бы система находилась в равновесии.

Мы видим, что фактически Бауэр солидарен с Андроновым и Гореликом (авторами теории автоколебаний и общей теории машин) в указании на особый характер динамических систем, характеризующих как явления самой органической жизни, так и производной от этого процесса — процесса разработки и создания МАШИН. Никто же не выразит сомнения в том, что динамика машин является логическим следствием развития органической жизни!

Можно почти до бесконечности продолжать список авторов, видевших противоположность эволюции органической жизни по отношению к закону роста энтропии. Но вряд ли нужно продолжать это обсуждение.

9. Сохранение биологического вида

Это накопление химической энергии в форме биомассы органических тел — настолько распространенный факт сельскохозяйственного производства, что на нем даже не останавливается внимание. Еще в 1880 г. С.А.Подолинский обратил внимание на этот факт, желая получить физико-математическое описания явлений жизни на нашей планете. Именно он заметил, что мощность, расходуемая крестьянином и его лошадью, на вспашку, посев и уборку урожая, оказывается МЕНЬШЕ, что ЭНЕРГИЯ, НАКОПЛЕННАЯ УРОЖАЕМ. Здесь трудность состоит в том, что обмен веществ выражается в форме ПОТОКА ЭНЕРГИИ или МОЩНОСТИ, а урожай выражается в единицах ЭНЕРГИИ. Именно РАСХОД ЭНЕРГИИ УРОЖАЯ и является той движущей силой, которая дает возможность жить и трудиться крестьянину, его лошади и ЕГО СЕМЬЕ. Последнее означает, что в полученном урожае имеется ИЗБЫТОК ЭНЕРГИИ, превосходящий потребности хозяйства и семьи крестьянина над затратами.

10. Сохранение и усиление мощности

Следует заметить, что принцип сохранения мощности весьма отличен от других законов сохранения. Если мощность, как ПОТОК ЭНЕРГИИ — СОХРАНЯЕТСЯ, то его невозможно ни увеличить, ни уменьшить. Тем не менее мы имеем многочисленные примеры, где имеет место УСИЛЕНИЕ МОЩНОСТИ.

«. инженеры средних веков, знакомые с принципом рычага, зубчатого колеса и блока, должно быть, часто говорили, что поскольку никакая машина, приводимая в действие человеком, не может дать больше работы, чем он в нее вкладывает, то никакая машина не может усиливать мощность человека. Hо теперь мы видим, как один человек заставляет вращаться все колеса на заводе, бросая уголь в топку. Поучительно разобрать, как именно современный кочегар опровергает догмат средневекового инженера, все же оставаясь подчиненным закону сохранения энергии.

Приведенный пример У.Р.Эшби дан как иллюстрация природы усилителя мощности, но сельское хозяйство — знает этот процесс на уровне тривиального факта. Такой специалист по сельскому хозяйству, В.Р.Вильямс писал:

«Земледелие, как промышленность, стоит в резко отличных условиях от других отраслей промышленности, условиях, определяющихся тем, что средствами промышленности являются живые организмы — растения и элементарная производительная сила — энергия солнечного луча. Солнце — ее двигатель, и только солнце может положить предел ее развитию.

11. Направления изменения мощности

И здесь мы встречаемся с новым видом ИЗМЕНЕНИЯ или, как стало модно говорить, с новой ПАРАДИГМОЙ. Если нельзя влиять на ВЕЛИЧИНУ потока энергии, то можно влиять на ЕГО НАПРАВЛЕНИЕ.

12. Переход от классической термодинамики к электродинамике Г.Крона

13. О неримановой динамике

Г.Крон выразил свой результат следующим образом: ВХОДНАЯ МОЩНОСТЬ РАВНА И ПРОТИВОПОЛОЖНА ПО ЗНАКУ ПОЛЕЗНОЙ МОЩНОСТИ НА ВЫХОДЕ ПЛЮС МОШНОСТЬ ПОТЕРЬ.

ЛЮБЫЕ ОТКРЫТЫЕ СИСТЕМЫ ПОДЧИНЯЮТСЯ ЭТОМУ ВСЕОБЩЕМУ ПРАВИЛУ.

14. О материально-энергетическом балансе всего живого

При включении электрической машины в сеть имеет место переходной процесс, в котором обнаруживается непостоянство секториальной скорости — имеет место секториальное ускорение, которое отсутствует в небесной механике. В этом кардинальное отличие динамики Г.Крона от общей теории относительности.

Явления Живой и Неживой природы существуют на Земле совместно, образуя в процессе взаимодействия целостную космопланетарную систему. Естественно зафиксировать те положения, которые могли бы выполнить роль обобщающих постулатов для дальнейшего разворачивания системы природа—общество—человек.

Термин "ПРОТИВОПОЛОЖНОСТЬ" здесь не случаен, так как нам необходимо найти такой признак обмена веществ, который охватывает ВСЕ ЯВЛЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКОЙ ЖИЗНИ НА ПРОТЯЖЕНИИ ВСЕЙ ЕЕ ЭВОЛЮЦИИ И НЕ ОХВАТЫВАЕТ ЭВОЛЮЦИИ НЕЖИВОЙ ПРИРОДЫ.

Хотя обмен веществ и считается одним из признаков жизни - это правда, но не вся правда. Результат обмена веществ имеет два противоположных результата:

§ либо следствием обмена веществ является УВЕЛИЧЕНИЕ СВОБОДНОЙ ЭНЕРГИИ,

§ либо следствием обмена веществ является УМЕНЬШЕНИЕ СВОБОДНОЙ ЭНЕРГИИ.

2. Принципиальные различия

В эволюции неживой природы, предшествовавшей возникновению жизни, доминировали процессы УМЕНЬШЕНИЯ СВОБОДНОЙ ЭНЕРГИИ, что приняло форму ВТОРОГО ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ. В эволюции живой природы доминируют процессы, которые приводят к УВЕЛИЧЕНИЮ СВОБОДНОЙ ЭНЕРГИИ, что справедливо для всех форм жизни, включая явления ОБЩЕСТВЕННОЙ ЖИЗНИ. В обыденной жизни этот принцип приводит к росту энерговооруженности труда, которая и наблюдается как РОСТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ТРУДА (в первом приближении). Само собою разумеется, что это термодинамически ВЫНУЖДЕННЫЙ процесс, который не может протекать самопроизвольно, но поток лучистой энергии Солнца мощностью 10 14 квт и обеспечивает подходящие условия для подобного "принуждения".

Около столетия тому назад французский физиолог Клод Бернар установил, что живой организм и среда образует единую систему, внутри которой происходит непрерывный обмен веществ и энергии.

Сущность обмена веществ в организме

Обмен веществ и энергии – основа процессов жизнедеятельности организма он принадлежит к числу важнейших специфических признаков живой материи.

Обмен веществ – это совокупность изменений, которые претерпевают вещества от момента их поступления в пищеварительный тракт, до образования конечных продуктов распада (кот, способствует росту, выживанию и воспроизведению человека). Питательные вещества являются для человека единственным источником энергии.

Пластическая рольпитательных веществ состоит в том, что из них после сложных химических превращений образуются собственные структурные компоненты клеток и тканей.

Потребность в питательных веществах варьирует в зависимости от генетической конституции, размеров тела, возраста, пола, состояния эндокринной системы, физической активности, репродуктивной функции и др.

Процесс обмена веществ подчиняется всеобщему закону сохранения материи: при всех явлениях природы видоизменяется только форма вещества, количество же его остается постоянным.

В организме человека, в его органах, тканях и клетках идет непрерывный процесс образования сложных веществ из более простых. Одновременно с этим происходит распад, окисление сложных органических веществ до СО₂ и Н₂О. Работа органов сопровождается непрерывным их обновлением: одни клетки погибают, другие их заменяют. У взрослого человека в течение суток гибнет и заменяется 1/20 клеток кожного эпителия. Через каждые 80 дней половина белков в организме обновляются.

Рост и обновление клеток организма возможны только в том случае, если в организме непрерывно поступают О₂ и питательны вещества (строительный материал).

М е т а б о л и з м – совокупность физических, химических и физиологических процессов, обеспечивающих получение и доставку к клеткам, органам и тканям энергии из экзо - и эндогенных источников, обеспечение пластических потребностей с целью обновления структур и выведения из организма продуктов метаболизма.

Условно в процессе обмена веществ можно выделить три этапа:

Первый этап - ферментативное расщепление питательных веществ.

Второй этап –транспорт питательных веществ жидкими средами организма к тканям и клеточный метаболизм, результатом которого является их ферментативное расщепление до конечных продуктов.

Третий этап – выведение конечных продуктов метаболизма из организма в составе мочи, кала, пота, через легкие в виде СО₂ , воды и т.д.

Промежуточный обмен веществ – совокупность химических превращений питательных веществ с момента поступления их в кровь до начала выделения конечных продуктов жизнедеятельности из организма.

Промежуточный обмен состоит из 2 взаимосвязанных процессов: катаболизма (диссимиляция) и анаболизма (ассимиляция).

Катаболизм – это ферментативное расщепление в процессе окислительных реакций крупных органических молекул питательных веществ на

более простые (расщепление сложных органических веществ сопровождается высвобождением энергии) до СО₂ и Н₂О, т.е. эти 2-а процесса взаимосвязаны.

Анаболизм – это ферментативный синтез из простых органических молекул крупномолекулярных клеточных компонентов- полисахаридов, нуклеиновых кислот, белков, липидов- т.е. это совокупность процессов направленных на построение структур организма – через синтез сложных органических веществ - протекает с потреблением энергии. Основным аккумулятором и переносчиком энергии является АТФ. При освобождении фосфатной группы освобождается энергия. В энергообмене клетки до 15% - энергии, заключенной в АТФ, расходуется на поддержание целостности и 50% на ее функциональную готовность. Энергия расходуется для синтеза белков, поддержания трансмембранных градиентов ( Na / K насос. и др.) проведения нервного импульса, секреции мышечных сокращений и др. форм жизнедеятельности. Основным показателем активности анаболических процессов является положительный азотистый баланс.

Т.о., обмен веществ – это совокупность изменений, которые претерпевают вещества от момента их поступления в пищеварительный тракт, до образования конечных продуктов распада.

Химические превращения пищевых веществ начинаются в пищеварительном тракте. Сложные вещества белки, жиры и углеводы под действием ферментов пищеварительного тракта расщепляются до более простых : белки – до аминокислот ;жиры – до триглицеридов и жирных кислот; углеводы – до моносахаридов, затем они всасываются в кровь и лимфу и переносятся в клетки.

Потребность живых организмов обеспечивается не только питательными веществами, но так же организму необходимы витамины, минеральные вещества и вода. Крайние формы нарушения обмена веществ и энергии – кахексия и ожирение.

Ведущими гомеостатическими показателями, которые определяют оптимальный для нормальной жизнедеятельности метаболизм, являются константы крови.

Нервные и гуморальные влияния регулируют концентрацию ферментов и скорость их синтеза – соответственно и скорость обменных процессов (реакций), которые катализируются этими ферментами. Гормоны регулируют мембранный транспорт веществ, изменяя интенсивность метаболических процессов.

II. Обмен белков

Среди органических элементов белки занимают в обмене веществ особое место. Везде где есть, жизнь – находятся белки. Белки – это природные органические соединения. Через белки происходит передача генетической информации. Большое значение в синтезе белков организма принимают белки плазмы крови – альбумины и глобулины.

Функции белков в организме многообразны:

Белки поддерживают онкотическое давление, вязкость, участвуют в поддержании рН крови (буферные свойства), они поддерживают постоянство водно-солевого обмена организма, креаторные связи, и т.д.

1. Пластическое или структурное значение белков – они входят в состав всех клеток и межтканевых структур, цитоплазмы гемоглобина, плазмы крови, а также обеспечивают рост и развитие организма за счет процессов биосинтеза (являются резервом для построения тканевых белков).

2. Каталитическая, или ферментативная, активность белков регулирует скорость биохимических реакций. Белки-ферменты определяют все стороны обмена веществ и образование энергии не только из самих протеинов, но и из углеводов и жиров. Белки входят в состав многих гормонов.

3. Защитная функция заключается в образовании иммунных белков-антител (иммунные реакции). Белки способны связывать токсины и яды; обеспечивают свертывание крови (гемостаз).

4. Транспортная функция – перенос кислорода и двуокиси углерода эритроцитарным белком - гемоглобином; связывание и перенос некоторых ионов (железо, медь, водород) лекарственных веществ, токсинов.

5.Энергетическая функция – белков определяется их способностью освобождать при окислении энергию: 1 г белка аккумулирует 16,7 кДж (4,0 ккал).

По степени важности пластическая роль белков в метаболизме превосходит их собственную энергетическую, а также пластическую роль других питательных веществ. Использовать белки для энергетических нужд слишком не выгодно. Это все равно, что делать ложки и вилки из золота.

Обмен веществ и энергии живых организмов
Метаболизм в переводе с греческого metabole означает "перемена, обмен". Между окружающей средой и живыми организмами постоянно происходит обмен веществ и энергии. В процессе обмена веществ живые организмы, поглощая необходимые питательные вещества, выделяют продукты распада процессов жизнедеятельности. В неживой природе также существует обмен веществ. При этом они просто переносятся с одного места на другое или переходят из одного состояния в другое. Например, смыв почвы, превращение воды в пар или лед и т. д. Обменный процесс у живых организмов качественно отличается от процессов обмена веществ в неживой природе. Живые организмы поглощают из окружающей среды различные вещества, превращая их в необходимые для жизнедеятельности вещества, и из них строят свое тело и сохраняют свою жизнь. Этот процесс называется анаболизмом (пластическим обменом, или ассимиляцией) . В переводе с греческого anabole означает "подъем". Второй этап обмена веществ — катаболизм (энергический объем, или диссимиляция) . С греческого katabole означает "разрушение, распад". В процессе катаболизма сложные органические соединения распадаются на простые, и выделяется энергия, необходимая для жизнедеятельности этого организма. Обмен веществ и энергии обеспечивает постоянство внутренней среды живого организма.

Читайте также: