Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

ГЛАВА I. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ОРГАНИЗМОВ



Федеральное агентство по здравоохранению и социальному развитию рф

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Новосибирский государственный

Медицинский университет

Кафедра экологии

 

 

Составители:

Н.Г. Никифорова, А.Р. Антонов,

Л.Н. Кащаева

Учебное пособие по курсу

Физиологической экологии

для студентов, обучающихся по специальностям

«Биоэкология», «Фармация», «Лечебное дело»

ОРГАНИЗМ И СРЕДА

(физиологическая экология)

 

 

Новосибирск - 2006


Учебное пособие предназначено для подготовки к семинарским занятиям по курсу «Организм и среда» студентами экологических и биологических факультетов, обучающихся по специальности «Биоэкология», а также для студентов фармацевтических и лечебных факультетов медицинских вузов.

 

Составители:

Зав. кафедрой экологии

д.б.н., профессор Н.Г. Никифорова

Зав. кафедрой общей патологии

д.м.н., профессор А.Р. Антонов

ассистент кафедры экологии Л.Н. Кащаева

 

 

Рецензенты:

 

Зав. кафедрой анатомии, физиологии и валеологии Новосибирского государственного педагогического университета, заслуженный деятель науки РФ, д.б.н., профессор Р.И. Айзман

 

Зав. кафедрой биологии и экологии Новосибирского государственного университета, д.б.н., профессор М.Г. Сергеев

 


СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ.. 3

ВВЕДЕНИЕ.. 3

ГЛАВА I. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ОРГАНИЗМОВ 3

1.1.Обмен веществ. 3

1.2. Динамика веществ и энергии в биосфере. Источники энергии для организмов 3

ГЛАВА II. ВОЗМОЖНОСТИ АДАПТАЦИИ ОРГАНИЗМОВ.. 3

2.1. Понятие об адаптации. 3

2.2. Формы адаптации. 3

2.3. Адаптация организма человека к различным условиям. 3

Глава III. Механизмы приспособления организмов к условиям среды... 3

3.1. Приспособления к температурным условиям среды.. 3

3.2. Водно-солевой обмен. Приспособления к водному режиму и солености среды 3

3.3. Приспособления к изменению содержания кислорода в среде. 3

Глава IV. СОСТАВ И СТРУКТУРА БИОЦЕНОЗОВ. приспособления к питанию... 3

4.1. Состав биоценозов. 3

4.2. Трофическая структура биоценозов.Приспособления к питанию.. 3

Глава V. свет и биологические ритмы... 3

5.1. Биологическое действие различных участков спектра солнечного излучения 3

5.2. Биологические ритмы.. 3

5.3. Фотопериодическая регуляция сезонных циклов. 3

5.4. Физиологическая регуляция сезонных явлений. 3

Заключение.. 3

литература.. 3


ПРЕДИСЛОВИЕ

 

Данное учебное пособие отражает содержание курса лекций, читаемых автором студентам экологического факультета Новосибирского государственного медицинского университета. В настоящее время экология вышла за рамки определения, данного Э.Геккелем в 1866 году и рассматривается как комплексная наука, насчитывающая множество разделов, одним из которых является направление, изучающее зависимость организмов, в частности, их физиологических процессов, от внешних факторов среды, пути приспособления к среде – физиологическая экология. В настоящее время публикуется множество учебников по экологии, однако крайне редко можно встретить освещение данного направления даже в качестве небольшого раздела. Отсутствие специальных учебников по дисциплине «Организм и среда», определенной государственным образовательным стандартом для специальности «Биоэкология» побудило авторов написать данное учебное пособие.

В предлагаемом пособии в краткой форме даются понятия об обмене веществ, источниках энергии для организмов, понятие об адаптации. Наиболее важным разделом является глава «Механизмы приспособления организмов к условиям среды», где рассматриваются конкретные эволюционно сформированные как физиологические, так и морфологические приспособления растений и животных к температуре, водному режиму, солености среды, гипоксии и т.д.

Предлагаемое пособие соответствует содержанию рабочей программы по курсу «Организм и среда» (физиологическая экология) и государственному образовательному стандарту для специальности 020803 – «Биоэкология».

Пособие предназначено в первую очередь для студентов экологических факультетов, обучающихся по специальности «Биоэкология», фармацевтических факультетов, а также для студентов других факультетов медицинских вузов.


ВВЕДЕНИЕ

Все живое неотделимо от среды. В процессе обмена веществ организм потребляет из окружающей среды необходимые вещества и выделяет в нее продукты обмена, которые могут быть использованы другими организмами. Когда организм умирает, он становится источником питания для некоторых видов других существ.

Изучение фундаментальных процессов обмена веществ – предмет физиологии. Однако все процессы обмена веществ протекают в сложной, динамичной обстановке естественной среды обитания, находятся под постоянным воздействием комплекса ее факторов.

В процессе постоянного взаимодействия с факторами окружающей среды любой организм приспосабливается к ним – адаптируется. Без специальных адаптаций в колеблющихся условиях внешней среды невозможно поддержание устойчивого обмена веществ. Адаптации к средовым факторам могут основываться на структурных особенностях организма (морфологические адаптации) или на специфических формах функционального ответа на внешние воздействия (физиологические адаптации). У высших животных важную роль в адаптации играет высшая нервная деятельность, на базе которой формируются приспособительные формы поведения (этологические адаптации).

В области изучения адаптаций на уровне организма эколог приходит в наиболее тесное взаимодействие с физиологией и применяет многие физиологические методы. Однако эти методы экологи используют для решения своих специфических задач. Эколога в первую очередь интересует не тонкая структура физиологического процесса, а его конечный результат и зависимость процесса от воздействия внешних факторов. В экологии физиологические показатели служат критериями реакции организма на внешние условия, а физиологические процессы рассматриваются, прежде всего, как механизм, обеспечивающий бесперебойное осуществление фундаментальных физиологических функций в сложной и динамичной среде обитания.

Главная цель данного учебного пособия состоит в том, чтобы выявить общие закономерности адаптации живых организмов к динамичным условиям среды и показать экологические особенности приспособлений у различных групп организмов, включая человека.


 

ГЛАВА I. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ОРГАНИЗМОВ

 

Обмен веществ

 

Жизнедеятельность животных, растений и человека невозможна без постоянно протекающего процесса обмена веществ. В организм из внешней среды поступают органические и неорганические вещества, претерпевающие в различных органах и тканях ряд химических превращений. Конечные продукты расщепления белков, жиров и углеводов включаются в тканях организма в сложные циклы окислительно-восстановительных реакций, образующих основу тканевого и клеточного обмена веществ.

Метаболические процессы, отвечающие за синтез и связанные с потреблением энергии, называют анаболическими, а процессы, сопровождающие распад и освобождение энергии – катаболическими. Анаболизм и катаболизм составляют сущность метаболизма в живых клетках и тканях, основу обмена веществ в организме.

Конечные продукты обмена веществ, выделяющиеся во внешнюю среду, подвергаются воздействию микроорганизмов, в результате которого они превращаются в форму, пригодную для питания растительных организмов. Диоксид углерода – один из основных конечных продуктов обмена – выделяется во внешнюю среду, где усваивается растительными организмами. Зеленые растения, используя энергию солнечного света, СО2 атмосферы, синтезируют органические вещества, служащие пищей для животных организмов. Так завершается один и начинается следующий цикл обмена органических веществ в живой природе. Обмен веществ (органических и неорганических) обеспечивает единство, существующее между живыми организмами и окружающей их средой.

Во всех клетках происходит интенсивное обновление веществ и структур. Так, например, некоторые клетки человека живут всего один-два дня (клетки кишечного эпителия). Поэтому непременным условием жизни является связь клетки с окружающей средой. Из среды клетка получает различные вещества, которые затем подвергаются превращениям, ведущим к освобождению энергии, необходимой для клеточной активности. Из поступающих в клетку веществ синтезируются органические соединения, необходимые для построения структур клетки. Во внешнюю среду выводятся продукты разложения органических веществ.

Пластический обмен (ассимиляция) – это совокупность реакций синтеза органических молекул, идущих на построение тела клетки. В клетках зеленых растений органические вещества могут синтезироваться из неорганических с использованием энергии света или химической энергии. В клетках животных ассимиляция может идти только за счет использования для синтеза готовых органических соединений. Процессы ассимиляции протекают с поглощением энергии.

Энергетический обмен (диссимиляция) – это совокупность реакций, в результате которых освобождается необходимая для клетки энергия.

Совокупность процессов диссимиляции и ассимиляции, в ходе которых реализуется связь клетки с окружающей средой, - это обмен веществ или метаболизм.

Обмен веществ – это фундаментальное свойство живых систем.

 

Обмен белков

Основным структурным элементом клеток и тканей организма являются белки. Пожалуй, нет ни одной функции, которая могла бы осуществляться в организме без участия белков. Многие химические реакции ускоряются биологическими катализаторами – ферментами, представляющими собой белковые соединения. Некоторые гормоны, как, например, регулирующий углеводный обмен инсулин, тоже имеют белковую природу. Железосодержащий белок гемоглобин принимает участие в газообмене. Белковую природу имеют особые вещества – антитела, вырабатывающиеся в организме после попадания в него чужеродных веществ (антигенов). Мышцы состоят из белков, основным компонентом опорных тканей (кости, сухожилия, связки) также является белок – коллаген.

Все белковые соединения можно разделить на собственно белки - протеины и протеиды. Протеины состоят из аминокислот, в структуре протеидов содержаться, кроме того, сложные вещества небелковой природы (нуклеиновые кислоты и др.).

Существенное отличие белкового обмена от углеводного или жирового обмена заключается в том, что в животном организме белки, а точнее многие составляющие их аминокислоты не могут синтезироваться из органических веществ и из аммиака. Синтез аминокислот возможен лишь при наличии в организме соответствующей α-кетокислоты, образующейся в качестве промежуточного продукта метаболизма углеводов и жиров. Аминокислоты, которые могут быть синтезированы в животном организме, называются заменимыми.Заменимые аминокислоты синтезируются в значительном количестве независимо от поступления их с белками пищи. Незаменимые аминокислоты не могут синтезироваться в организме и должны поступать с пищей.

Отличительная особенность белкового обмена заключается в том, что в организме нет депо белковых соединений. Весь белок организма входит в структуру клеточных элементов тканей и жидкостей организма. Поэтому при отсутствии регулярного притока белковых веществ наблюдается частичное разрушение различных клеточных структур, т.е. появляются признаки «белкового голодания».

Травоядные животные получают с пищей растительные белки, синтезированные зелеными растениями, хищные животные – белки животного происхождения.

Белковые соединения у животных подвергаются сложному циклу химических превращений, в результате которых образуются конечные продукты азотистого обмена – мочевина, мочевая кислота и другие соединения, выделяющиеся из организма и поступающие в почву. В почве эти вещества под воздействием микроорганизмов превращаются в аммиак, нитраты и нитриты, служащие продуктами азотистого питания растений.

Цикл сложных химических превращений белковых веществ в организме животного начинается с их гидролитического расщепления в желудочно-кишечном тракте под воздействием протеолитических ферментов. Образующиеся вначале достаточно сложные высокомолекулярные белковые соединения в последующих отделах кишечника под воздействием других протеолитических ферментов распадаются на три-, дипептиды и, наконец, на отдельные аминокислоты.

При синтезе белков в клетках и тканях организма могут быть использованы не только отдельные аминокислоты, но и более сложные белковые соединения типа полипептидов.

Обычно белковые соединения окисляются в тканях животного организма не до конца, в результате чего из организма выделяется определенная часть белковых соединений в виде продуктов неполного окисления. При распаде белковой молекулы в организме освобождается некоторое количество вредных ядовитых продуктов, нейтрализация которых происходит в печени.

Обмен жиров

Высокая калорийная ценность жира (более чем в два раза превышающая калорийную ценность белков и углеводов) оправдывает определение его как компактно упакованного концентрата энергии в организме. Особенность жиров связана с наличием в них различных жирных кислот. Они делятся на насыщенные, в молекуле которых все атомы углерода прочно соединены между собой, и ненасыщенные – в их молекуле стоящие рядом атомы углерода имеют нестойкую, легко разрывающуюся двойную связь. Биологическая ценность жиров определяется тем, что некоторые ненасыщенные жирные кислоты (линолевая, линоленовая и др.), необходимые для жизнедеятельности, являются незаменимыми и не могут образовываться в организме человека и животных из других жирных кислот. Значение жиров связано еще и с тем, что некоторые витамины поступают в организм в растворенном в жирах состоянии.

Помимо того, что жиры в организме имеют важное энергетическое значение, они принимают участие в пластическом обмене (из пищевого жира синтезируются жироподобные структуры протоплазмы клеток животного организма). Жиры в организме образуют 3-4% массы клеток и тканей.

Обмен жиров в организме начинается с их гидролитического расщепления под влиянием липолитических ферментов пищеварительном тракте, в результате чего образуются глицерин и жирные кислоты. При избыточном поступлении жирной пищи жир может откладываться в подкожной клетчатке и в складках брюшины, образуя запасы энергетического материала в организме. В виде жировых отложений в организме фиксируются пищевые вещества, не подвергнувшиеся непосредственному энергетическому расходу, в особенности углеводы (часть глюкозы, образовавшейся в результате гидролиза молекулы полисахаридов, превращается в жир). В жир может трансформироваться и часть протеинов при избыточном белковом питании.

В процессе обмена жиров в организме различают три вида превращений молекул жира:

- жир может подвергаться непосредственному окислению, выделяя энергию и в конечном итоге превращаясь в СО2 и Н2О;

- молекулы жира могут принимать участие в пластическом синтезе ряда сложных органических веществ – липоидов, входящих в структуру протоплазмы клеток органов и тканей животных;

- жир может трансформироваться в гликоген, а затем подвергаться окислительным процессам по типу углеводного обмена.

Обмен углеводов

Углеводы – основа продуктов питания растительного происхождения. Углеводы в животном организме выполняют в основном функцию источника энергии и запасного питательного вещества. Часть белков и жиров, используемых в организме как источник энергии, предварительно трансформируются в углеводные соединения. Углеводы могут находиться в виде полисахаридов (целлюлоза, крахмал, гликоген), олигосахаридов – сложных сахаров (мальтоза, лактоза, сахароза) и моносахаридов (глюкоза, фруктоза, галактоза и др.). Общая формула углеводов (СН2О)n. Соединение двух молекул сахаров приводит к образованию дисахарида.

Углеводы уступают жирам по энергетической ценности, однако они более доступны воздействию ферментов, поэтому быстрее подвергаются биологическому окислению, выделяя при этом необходимую организмам энергию. Углеводы, поступающие в организм с пищей, частично могут откладываться в печени и мышцах в виде гликогена, который служит дополнительным источником энергии.

Различные пищевые продукты содержат различное количество углеводов. Больше всего углеводов в хлебе и молочных продуктах, в бобах, картофеле, меньше – в молоке, овощах, совсем нет – в мясе. Обмен углеводов представляет собой последовательность химических превращений, в которой различают два этапа: изменения углеводов в желудочно-кишечном тракте и тканях организма. Под действием ферментов в желудочно-кишечном тракте происходит гидролитическое расщепление крахмала или гликогена пищевых продуктов до глюкозы. Глюкоза – основной продукт расщепления углеводов в кишечнике.

В тканях животного организма лишь незначительная часть углеводов используется клетками путем разложения глюкозы, извлекаемой из крови. Большая часть углеводов усваивается тканями лишь после предварительного превращения глюкозы в полисахарид – гликоген. Гликоген в организме может образовываться не только в процессе тканевого метаболизма, но и в специальных его депо – клетках печени. Синтезированный в печени гликоген по мере надобности разлагается до глюкозы и разносится кровью по всем органам и тканям где он почти весь вновь превращается в гликоген, и только после этого подвергается окислительным процессам. Кроме того, гликоген может синтезироваться в мышцах.

Внутриклеточный обмен углеводов в тканях животного организма заключается в фосфорилировании глюкозы и последующем ее распаде до СО2 и Н2О как в аэробных (с участием кислорода), так и анаэробных (без участия кислорода) условиях. При анаэробном распаде процесс окисления гликогена называется гликогенолизом, глюкозы - гликолизом. У высокоорганизованных животных анаэробные химические процессы сами по себе не являются достаточными для поддержания жизнедеятельности, но служат существенным дополнением к аэробным процессам распада углеводов, в результате которых освобождается большое количество энергии. Так, при интенсивной физической работе большая часть используемой в организме человека энергии вырабатывается в процессе анаэробного распада глюкозы. Однако при этом в мышечной ткани накапливается большое количество молочной кислоты, приводящее к ощущению усталости, появлению одышки.

Фотосинтез

Фотосинтез – это процесс синтеза органических соединений из неорганических веществ, идущий за счет энергии света.

Все живое современной биосферы зависит от этого процесса. Фотосинтез делает энергию солнца и углерод доступными для живых организмов и обеспечивает обогащение кислородом атмосферы Земли. Процесс фотосинтеза описывается суммарным уравнением:

 

6СО2 + 6Н2О + солнечная энергия = С6Н12О6 + 6О2

 

Для осуществления фотосинтеза необходим хлорофилл – вещество зеленого цвета, поглощающее солнечные лучи в красной и сине-фиолетовой частях спектра. У высших растений хлорофилл находится во внутренних мембранах хлоропластов – специализированных органелл растительной клетки, где происходят реакции фотосинтеза.

Фотосинтез протекает в две фазы – световую и темновую. Световая фаза идет только на свету, при этом под действием света молекулы хлорофилла теряют электроны и переходят в возбужденное состояние. Под влиянием положительно заряженных молекул хлорофилла происходит фотолиз воды с образованием молекулярного кислорода, электронов и протонов:

 

2О 4Н+ + О2 + 4е

 

Энергия солнечного излучения в световой фазе фотосинтеза используется хлоропластами для синтеза АТФ из АДФ и фосфата, а также для восстановления НАДФ (никотинамидадениннуклеотидфосфат) до НАДФН2.

В темновой фазе в присутствии АТФ и НАДФН2 при участии ферментов из диоксида углерода и водорода образуется глюкоза:

6СО2 + 24Н+ + АТФ = С6Н12О6 + 6Н2О

Углеводы, получающиеся в процессе фотосинтеза, используются далее как исходный материал для синтеза других органических соединений.

Хемосинтез

Хемосинтез – это синтез органических соединений из неорганических веществ с использованием химической энергии, выделяющейся в реакциях окисления неорганических веществ.

Некоторые группы бактерий – нитрифицирующие, железобактерии, серобактерии способны накапливать освобождающуюся в процессах окисления энергию и затем использовать ее для синтеза органических веществ. Процесс хемосинтеза протекает без участия хлорофилла и для него не обязательно наличие света. Например, нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до азотистой кислоты.

Освобождающаяся энергия накапливается в молекулах АТФ и используется для синтеза органических веществ. Этот синтез протекает по типу темновой фазы фотосинтеза.

 

Энергетический обмен

Энергия существует в природе в различных формах. Это энергия солнечного света, а также химическая, тепловая и электрическая. Организмам энергия необходима для активного транспортирования веществ, для синтеза белков и других биомолекул, для мышечных сокращений, для клеточного деления и т.д.

Первоисточником энергии в природе является солнце, но его энергию могут использовать только фотосинтетики, а все остальные организмы могут получать эту энергию лишь опосредованно, т.е. в форме энергии химических связей между атомами органических соединений. При разрыве связей энергия может высвобождаться. Но чаще всего она временно запасается в виде особо богатого энергией нуклеотида – аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Клетка использует АТФ для всех дальнейших процессов жизнедеятельности.

Главная роль в энергетическом обмене клеток животных и человека принадлежит клеточному дыханию. Клеточное дыхание представляет собой процесс, в котором высокомолекулярные органические высокоэнергетические соединения, окисляясь, распадаются на низкомолекулярные или неорганические соединения, бедные энергией. При окислении с участием кислорода дыхание называется аэробным, а без его участия – анаэробным.

Процесс потребления кислорода из среды обитания и возвращение в эту среду диоксида углерода называется газообменом организма с окружающей средой. Это иной процесс, отличный от клеточного дыхания, путать их нельзя.

Последовательность расходования высокомолекулярных соединений такова: прежде всего углеводы, затем жиры и в последнюю очередь белки.

Выделение энергии происходит при отщеплении от АТФ одной фосфатной группы с образованием аденозиндифосфата (АДТ). При отщеплении от АДФ еще одной фосфатной группы образуется аденозинмонофосфат (АМФ). Существует и обратимая ферментативная реакция.

Энергетический обмен клетки осуществляется в три этапа.

Подготовительный этап: сложные органические соединения распадаются на более простые: белки на аминокислоты, полисахариды на моносахариды и т.д.

Этап неполного окисления (анаэробное дыхание или брожение). Неполному окислению могут подвергаться глюкоза, жирные кислоты, аминокислоты. При этом главным источников энергии в клетке является глюкоза. При бескислородном окислении одной молекулы глюкозы (процесс гликолиза) из двух молекул АДФ образуются две молекулы АТФ. В процессе гликолиза для нужд клетки извлекается не более 10 % энергии.

Этап полного расщепления (аэробное дыхание) протекает с обязательным участием кислорода. При дыхании последовательно проходит ряд ферментативных реакций. В условиях полного окисления, сопряженного с фосфорилированием АДФ до АТФ, недоокисленные продукты гликолиза отдают для нужд клетки оставшуюся в их химических связях энергию, которая аккумулируется в АТФ.

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.