Джерела енергії для організмів. Автотрофні та гетеротрофні організми

Для організмів нашої планети основним джерелом енергії є сонячне світло. Незначною мірою в процесах метаболізму може використовуватися тепло вулканічного походження, енергія з надр земної кори та ін. Енергія потрібна організмам для синтезу власних органічних речовин з неорганічних (автотрофи) або з готових органічних (у гетеротрофів). Одні з них використовують для процесів синтезу енергію світла – це фототрофні організми. Інші організми – хемотрофні – для цього використовують енергію хімічних реакцій. Загалом за характером живлення організми поділяють на такі групи, як автотрофи, гетеротрофи та міксотрофи.

• • Автотрофи (від грец. “авто” – сам та “трофос” – їжа, харчування) – організми, які здатні синтезувати власні органічні речовини з неорганічних за рахунок енергії світла (фотоавтотрофи) або енергії хімічних реакцій (хемоавтотрофи). Автотрофи, основні продуценти органічної речовини в біосфері, забезпечують існування решти організмів
• • Гетеротрофи (від грец. “гетеро” – різний, інший та “трофос” – їжа, харчування) – організми, які синтезують власні органічні речовини, використовуючи готові органічні сполуки, як джерело вуглецю та енергію світла (фотогетеротрофи) або енергію хімічних реакцій (хемогетеротрофи). Гетеротрофи відомі як консументи, або споживачі, у ланцюгах живлення. Гетеротрофами є тварини, гриби, більшість бактерій та архей, а також деякі паразитичні рослини (петрів хрест, заразиха).
• • Міксотрофи (від грец. “міксо” – змішаний та “трофос” – їжа, харчування) – організми, які мають змішаний тип живлення: на світлі – фотосинтезують, а за несприятливих умов переходять на засвоєння органічних сполук. Класичними прикладами міксотрофів є евглена зелена, багато видів діатомових водоростей, бактерії родів Beggiatoa і Thiothrixта ін.

Типи живлення організмів

Типи живлення

Джерело енергії

Джерело Карбону

Приклади організмів

Сіркобактерії, залізобактерії, нітрифікуючі бактерії

Пурпурні несірчані бактерії

У біологічних системах енергія існує в різних формах: хімічній, електричній, механічній, тепловій і світловій, які здатні перетворюватися одна в одну. Універсальним джерелом енергії в клітині є АТФ (аденозинтрифосфорна кислота). У макроергічних зв’язках цієї сполуки акумулюється хімічна енергія, яка звільнилася під час перебігу реакцій енергетичного обміну. А вже згодом енергія АТФ використовується для забезпечення в організмі різних процесів: хімічних (для біохімічних реакцій синтезу), механічних (для руху), електричних (для утворення нервових імпульсів), теплових (для теплорегуляції), світлових (для біолюмінісценції) тощо.

БІОЛОГІЯ+ Біолюмінесценція (від грец. біос – життя та лат. люмен – світло) – видиме світіння живих організмів, пов’язане з процесами їхньої життсдіяльності. Ви чи кас в результаті ферментативного окислення білків-люциферинів за допомогою ферменту люциферази. При цьому хімічна енергія перетворюється в енергію світла. Біолюмінсценція дуже поширена в природі і спостерігається серед бактерій, грибів, водоростей і тварин. Світяться ночесвітки і деякі радіолярії, це явище характерне для глибоководних риб, які приваблюють за допомогою світла здобич та використовують його для спілкування (наприклад, у морських вудильників, бархатночеревої акули та ін.), у глибоководних кальмарів, комах (наприклад, у світляків, які світяться в шлюбний період) та ін.

Тема 1. Обмін речовин та перетворення енергії в організмі людини

Ріст, розмноження, рухливість, збудливість, здатність реагувати на зміни навколишнього середовища — усі ці властивості живого нерозривно пов’язані з певними хімічними перетвореннями, без яких жоден з цих виявів життєдіяльності не зміг би здійснитися.

В. Енгельгардт, видатний біохімік XX ст.

§ 5. Обмін речовин та перетворення енергії в організмі людини — основна властивість живого. Харчування та обмін речовин

Пригадайте з курсу фізики, що таке енергія.

Відомо, що існування будь-якого організму, у тому числі й людини, неможливе без обміну речовинами та енергією з навколишнім середовищем. Організми отримують з нього органічні та неорганічні сполуки, використовують їх для функціонування та виділяють у навколишнє середовище продукти життєдіяльності.

Обмін речовин та перетворення енергії в організмі людини. Характерні для всіх живих організмів потоки речовин та енергії пов’язані передусім з обміном речовин.

Умовою початку обміну речовин є надходження в організм їжі, води й кисню. У травному тракті такі складні органічні компоненти їжі, як білки, жири, вуглеводи, розщеплюються на простіші й переходять у кров та лімфу, відтак із кров’ю потрапляють до клітин. У клітинах відбувається остаточне розщеплення, окиснення органічних сполук до кінцевих продуктів та утворення власних речовин. Реакції синтезу (утворення) речовин відбуваються із затратами енергії. Звідки ж береться ця енергія? Вона вивільняється внаслідок розщеплення речовин, що надходять у клітину, і, окрім синтезу речовин, витрачається на виконання різноманітних функцій організму.

Єдиним джерелом енергії для організму людини є окиснення органічних речовин, які надходять з їжею. Під час розщеплення харчових продуктів до вуглекислого газу й води вивільняється енергія. Життєдіяльність людини забезпечується здатністю організму перетворювати одні види енергії в інші. Так, під час розщеплення органічних речовин енергія хімічних зв’язків перетворюється на електричну енергію (проведення нервових імпульсів), механічну (скорочення м’язів), теплову (вивільняється під час роботи). Невикористана енергія нагромаджується в спеціальних енергетичних сполуках.

ОБМІН РЕЧОВИН — сукупність процесів хімічного перетворення речовин в організмі: від надходження їх з навколишнього середовища й до виведення кінцевих продуктів розпаду назовні.

ПЛАСТИЧНИЙ ОБМІН — сукупність реакцій синтезу властивих організму людини органічних речовин, які супроводжуються поглинанням енергії.

ЕНЕРГЕТИЧНИЙ ОБМІН — сукупність реакцій розщеплення органічних речовин, під час яких вивільняється енергія.

Обмін речовин — життєво важливий процес, що відбувається в кожній клітині організму й виконує функції забезпечення її будівельним матеріалом та енергією. Він складається з двох нерозривних, але протилежних процесів — пластичного та енергетичного обмінів.

Під час пластичного обміну здійснюється засвоєння організмом речовин, що надходять із зовнішнього середовища. З них утворюються властиві для організму білки, жири, вуглеводи. Вони використовуються як будівельний матеріал для утворення клітин.

Вивільнена енергія під час енергетичного обміну забезпечує всі процеси життєдіяльності клітин і організму загалом.

Процеси пластичного й енергетичного обмінів тісно взаємопов’язані (іл. 18). Так, на процеси синтезу органічних речовин використовується енергія, що вивільняється в ході реакцій енергетичного обміну, і навпаки, для здійснення енергетичного обміну необхідні певні речовини, що синтезуються в перебігу реакцій пластичного обміну.

Іл. 18. Взаємозв’язок пластичного та енергетичного обміну

Обмін речовин в організмі людини змінюється залежно від її стану та роботи, яку вона виконує: у стані спокою переважають процеси біосинтезу, а в стані фізичного та розумового навантаження — розщеплення речовин. У дітей обмін речовин інтенсивніший, а в людей літнього віку — повільніший.

Рівень обміну речовин регулюються нервовим та гуморальним механізмами. Із припиненням обміну речовин припиняється життя.

Обмін речовин відрізняє живий організм від неживого, органічний світ від неорганічного.

Значення харчування для обміну речовин. У кожного виду живих організмів виробився свій особливий тип обміну речовин, який визначається характером живлення.

ХАРЧУВАННЯ — це сукупність процесів надходження в організм людини поживних речовин, їх травлення, всмоктування та засвоєння.

Пригадайте, що таке живлення, його особливості в гетеротрофних організмів та ссавців.

Людина й тварини отримують різноманітні речовини (органічні й неорганічні) у процесі харчування. Харчування є найважливішою фізіологічною потребою організму. Воно з моменту народження до кінця життя людини впливає на її організм.

Харчові речовини, надходячи в організм людини з їжею і перетворюючись у результаті складних біохімічних процесів на структурні елементи клітин, забезпечують організм будівельним матеріалом та енергією. Вони сприяють росту та розвитку молодого організму, впливають на стан здоров’я, фізіологічну й розумову працездатність людини, настрій та тривалість життя, захищають від впливу несприятливих екологічних чинників тощо.

Від особливостей харчування значною мірою залежить обмін речовин. Оскільки організм постійно використовує різні речовини й значну кількість енергії, йому потрібна повноцінна їжа, яка насамперед містить збалансовану кількість білків, жирів та вуглеводів, а також мінеральних солей, вітамінів та води. Кількість, якість і режимність харчування мають важливе значення для життєдіяльності організму. Одноманітне за своїм складом та нережимне харчування може призвести до порушення обміну речовин, результатом якого стануть виснаження чи ожиріння організму, тяжкі захворювання тощо.

Обмін речовин та перетворення енергії. Пластичний обмін. Енергетичний обмін. Харчування та обмін речовин

Установлено, що відразу після приймання їжі протягом кількох годин інтенсивність обміну речовин зростає. Так, після споживання білкової їжі інтенсивність енергетичного обміну зростає на 30 % від середнього рівня обміну. За надходження в організм жирів та вуглеводів такий приріст становить лише 15 %.

1. Що таке обмін речовин? 2. Що таке пластичний обмін? 3. Що таке енергетичний обмін? 4. Під час якого процесу в клітині вивільняється енергія? 5. Під час якого процесу в клітині накопичується енергія? 6. Як відбувається перетворення енергії в організмі людини? 7. Що для людини є основним джерелом енергії? 8. Схарактеризуйте обмін речовин і перетворення енергії в організмі людини. 9. Як впливає харчування людини на обмін речовин? 10. У чому полягає взаємозв’язок пластичного та енергетичного обмінів? 11. Чому їжа, дібрана за складом і кількістю, забезпечує нормальний обмін речовин? 12. Прокоментуйте епіграф до теми.

§ 7. Харчові та енергетичні потреби людини

Енергетичні потреби організму. Потреба кожної людини в харчових речовинах та енергії належить до основних фізіологічних потреб. Проте потреба в кількості харчових речовин у кожної людини є різною та залежить від багатьох чинників (іл. 19).

Іл. 19. Чинники, які впливають на фізіологічну потребу здорової людини в харчових речовинах та енергії

Органічні речовини, які надходять в організм людини з їжею, є будівельним матеріалом для клітин і джерелом енергії, що необхідна для забезпечення його життєдіяльності. Вам уже відомо, що при окисненні вуглеводів і білків виділяється по 17,2 кДж/г, а жирів — 39,1 кДж/г енергії. 1 г жирів містить найбільше калорій, а тому може дати більше енергії. Але процес розщеплення проходить повільно, й енергія витрачається в основному не на постачання безперервних процесів життєдіяльності, а зберігається про запас. Під час окиснення білків виділяється стільки ж енергії, як і під час окиснення вуглеводів. Проте білки є швидше пластичним матеріалом, ніж енергетичним. Тому основним джерелом енергії для нашого організму є вуглеводи.

Енергетичні потреби людини зумовлені багатьма чинниками (іл. 19). Вони залежать від віку, статі, фізичної активності людини тощо. У цьому ви можете переконатися, проаналізувавши цифрові дані добових потреб в енергії, подані в таблиці додатку 2.

Важливим чинником, що впливає на фізіологічну потребу в енергії, є рівень енерговитрат. Енергетичні витрати організму впродовж доби мають забезпечити передусім підтримання життєво важливих функцій у стані спокою, а також виконання різноманітних видів діяльності. Мінімальні витрати органічних речовин у стані спокою організму становлять основний обмін. Основний обмін зумовлений тим, що організму постійно доводиться витрачати енергію, необхідну для підтримання сталої температури тіла, забезпечення діяльності серця, легень та інших органів. Наприклад, у 18-річного юнака, маса якого 70 кг, для основного обміну розхід енергії становить 7 333 кДж за добу. Це означає, що за максимального спокою в його організмі має розщепитися стільки білків, жирів і вуглеводів, скільки необхідно для вивільнення 7 333 кДж енергії. Величина основного обміну залежить від віку, статі та маси тіла людини (див. табл. 4).

Добові енерговитрати на основний обмін організму

Для розрахунку добових енерговитрат фізично активної дорослої людини необхідно величину добової енерговитрати основного обміну, відповідну статі, віку й масі тіла, помножити на відповідний коефіцієнт фізичної активності (КФА — наведений у таблиці додатку 2). Наприклад, для 20-річної студентки, маса якої 60 кг (тобто належить до І групи працівників розумової праці з КФА = 1,4), енерговитрати за добу становитимуть: 5 782 кДж • 1,4 = 8 094,8 кДж.

Харчові потреби людини. Харчові потреби людини безпосередньо пов’язані з її енергетичними витратами. Разом з їжею людина повинна отримувати таку кількість енергії, щоб забезпечити підтримання життєдіяльності організму та виконання різноманітних видів діяльності. Це є однією з основних засад раціонального харчування, яке сприяє збереженню здоров’я, опірності шкідливим чинникам навколишнього середовища, високій фізичній та розумовій працездатності.

Насамперед харчування за енергетичною цінністю харчових продуктів добового раціону має відповідати енергетичним витратам організму. Харчування має забезпечувати якісну повноцінність добового раціону, тобто бути збалансованим — містити оптимальну кількість білків, жирів, вуглеводів, вітамінів, мінеральних солей та води (див. табл. додатку 1-3). Пригадайте з курсу «Основи здоров’я», яким має бути співвідношення білків, жирів та вуглеводів у добовому харчовому раціоні.

РАЦІОНАЛЬНЕ ХАРЧУВАННЯ (від лат. ratio [раціо] — розумний) — це фізіологічно повноцінне харчування здорових людей з урахуванням їх віку, статі, характеру праці та інших чинників.

ЗБАЛАНСОВАНЕ ХАРЧУВАННЯ — це харчування, за якого задовольняється добова потреба організму в енергії, а також підтримується оптимальний баланс мінеральних солей, вітамінів та води.

НОРМА ХАРЧУВАННЯ — це кількість їжі, її компонентів, яка зумовлює нормальний стан здоров’я людей різного віку, статі, способу життя та праці, відповідає біологічній природі людини.

ХАРЧОВИЙ РАЦІОН — набір продуктів, необхідний людині на певний період часу (зазвичай це доба або тиждень).

Теоретично для задоволення енергетичних потреб організму білки, жири та вуглеводи можуть взаємно замінюватися. Проте кожна з цих речовин має специфічні властивості та вплив на організм (див. табл. 7—3). Тому заміна в харчовому раціоні одних органічних речовин іншими призводить до порушення функцій організму.

Важливим для організму людини є дотримання режиму харчування. Найраціональнішим є чотириразове харчування: перший варіант передбачає сніданок, другий сніданок, обід і вечерю; другий — сніданок, обід, підвечірок і вечерю. Відповідно до фізіологічних потреб організму, доцільний такий розподіл енергетичної цінності добового раціону: на перший сніданок — 25-30 %; на другий сніданок (чи підвечірок) — 10-15 %; на обід — 40-45 %; на вечерю — 20 %. За чотириразового режиму харчування проміжки між прийманнями їжі не повинні перевищувати 4-5 год.

Підготовка продуктів харчування до споживання та їх кулінарна обробка повинні забезпечувати високі смакові якості, поживність та засвоюваність їжі. Щоб продукти не втрачали харчової цінності, необхідно дотримувати правил їх зберігання (особливо температурного режиму) та приготування з них страв. Найбільше вітамінів містять свіжі продукти, зберігання погіршує їх якість. Унаслідок тривалого варіння очищених овочів до 20-30 % мінеральних солей переходить у відвар. Мінеральні солі втрачаються і в разі неправильного розморожування м’яса та риби. Тому не слід довго вимочувати продукти або виливати овочеві відвари (їх можна використовувати для приготування супів). Мінеральний склад їжі краще зберігається в разі варіння овочів у шкірочці з подальшим очищенням або ж запікання їх у духовці чи приготування на пару.

Їжа має бути нешкідливою щодо токсичності, тобто в продуктах, готових стравах не має бути токсичних речовин у шкідливих для організму концентраціях. Їжа має бути епідемічно безпечною: у ній не повинно бути збудників інфекційних захворювань — бактерій, вірусів, грибків, найпростіших, яєць гельмінтів тощо.

Слід мати на увазі: як надмірне, так і недостатнє харчування негативно впливає на здоров’я людини. Науковці стверджують, що люди, маса тіла яких на 30 % перевищує норму, живуть на 10-15 років менше, ніж люди з нормальною масою. Дослідницький практикум дозволить вам встановити вашу масу та зріст та їх відповідність нормам.

Енергетичні потреби організму людини. Енергетичні витрати. Харчові потреби організму

За нестачі в організмі того чи іншого вітаміну розвивається захворювання гіповітаміноз, за цілковитої відсутності — авітаміноз, а за надлишку — гіпервітаміноз. Гіпо- та авітамінози можуть розвиватися внаслідок порушень обміну речовин, спричинених нестачею або відсутністю вітамінів у харчових продуктах; за наявності захворюваннь травної системи, коли вітаміни не всмок туються; від надмірного вживання антибіотиків чи інших лікарських препаратів, які вбивають бактерії кишечнику, що синтезують деякі вітаміни. З метою запобігання авітамінозу та гіповітамінозу слід уживати натуральні рослинні й тваринні харчові продукти, що містять увесь комплекс вітамінів.

1. Які чинники впливають на фізіологічну потребу людини в харчових речовинах та енергії? 2. Що є основним джерелом енергії для організму людини? 3. Що таке основний обмін речовин? 4. Як розрахувати добові енерговитрати фізично активної дорослої людини? 5. Що таке раціональне харчування? Назвіть основні його принципи. 6. Що означає вислів «збалансованість харчового раціону»? Яке його значення для організму людини? 7. Що потрібно робити, аби продукти не втрачали харчової цінності? 8. Як пов’язані між собою харчові й енергетичні потреби організму? 9. Розв’яжіть задачі. 1. Школяр отримує разом з їжею достатню кількість жирів, надлишок вуглеводів та недостатню кількість білків. Спрогнозуйте можливі зміни в стані здоров’я школяра. 2. Протягом зими людина вживала хліб та консервовані продукти. Спрогнозуйте можливість виникнення в цієї людини захворювань. 3. Учень, склавши добовий раціон харчування, отримав такі результати: на вечерю припадає 50 % добового раціону; кількість вуглеводів щодо інших органічних речовин становить понад 80 %, а білків — менше ніж 10 %. Проаналізуйте отримані учнем результати з точки зору принципів раціонального харчування. 10. Важливими чинниками, що впливають на фізіологічні енергетичні потреби людини, окрім розглянутих, є: кліматогеографічні умови проживання, індивідуальні звички в харчуванні, особливості національної кухні. Користуючись додатковими джерелами інформації, доведіть вплив одного з них (на вибір). 11. Виконайте проект на тему «Збалансоване харчування». 12. На основі спостережень за власним харчуванням визначте, яку частину в ньому займає свіжоприготовлена їжа, а яку — їжа швидкого харчування (фаст-фуд). Чи є загроза вашому здоров’ю? Відповідь обґрунтуйте. 13. Використовуючи текст параграфа, дані таблиці 4 та додатків 1-3, проаналізуйте свій добовий раціон. Зіставте харчову цінність (уміст поживних речовин) продуктів вашого раціону з показами таблиці у додатку 2 «Норми добової потреби людей в білках, жирах, вуглеводах та енергії» для вашого віку. Чи можна вважати ваше харчування раціональним? Чому?

Дослідницький практикум

Тема: Самоспостереження за співвідношенням маси і зросту тіла.

Мета: визначити відношення маси й зросту свого тіла та зробити орієнтовну оцінку його відповідності нормам статево-вікової групи.

Обладнання та матеріали: ростомір, вага (медична).

Хід дослідження

1. Виміряйте масу та зріст свого тіла.

2. Обчисліть індекс маси тіла (ІМТ) за формулою:

Якщо ІМТ становить 18,5-25,0 кг/м 2 — у вас нормальна маса тіла, нижчий від 18,5 — недостатня маса, 25-30 — надлишкова маса, вищий від 30 — ожиріння.

3. Обчисліть зросто-масовий індекс (ЗМІ). Для цього використайте відповідно до свого зросту формулу розрахунку ЗМІ:

ЗМІ, кг = Зріст – 95 (якщо ваш зріст нижчий, ніж 155 см);

ЗМІ, кг = Зріст – 100 (якщо ваш зріст 155-164 см);

ЗМІ, кг = Зріст – 105 (якщо ваш зріст 165-175 см);

ЗМІ, кг = Зріст – 110 (якщо ваш зріст вищий, ніж 175 см).

У результаті ви отримаєте оптимальне значення показника маси свого тіла.

4. Оцініть масу свого тіла за обчисленими показниками ІМТ та ЗМІ.

5. Зробіть висновок щодо відповідності отриманих даних нормам вашої статево-вікової групи.

Узагальнення

Обмін речовин та перетворення енергії — загальна властивість організму людини, що охоплює всі процеси хімічного перетворення: від надходження речовин з навколишнього середовища до виведення кінцевих продуктів розпаду назовні. Обмін речовин здійснюється в усіх структурах організму, але остаточне розщеплення й утворення сполук, властивих для людського організму, відбувається у клітинах.

Для обміну речовин важливим є збалансоване харчування, тобто вживання повноцінної їжі, яка містить насамперед збалансовану кількість білків, жирів і вуглеводів, а також мінеральних солей, вітамінів і води. Потреба організму в цих речовин зумовлена їх функціональним значенням.