ЛЕКЦИЯ 3 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОРГАНИЗМА И СРЕДЫ

ЛЕКЦИЯ № 3 ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ОРГАНИЗМА И СРЕДЫ

Фундаментальные свойства живых систем

n Любой живой организм постоянно взаимодействует с окружающей его средой. Организм – это открытая система, постоянно осуществляющая обмен веществом и энергией со средой. Живые организмы получают из окружающей среды необходимые для жизни питательные вещества, минеральные элементы, кислород и т. д. и отдают в окружающую среду продукты своей жизнедеятельности.

n По современным представлениям, жизнь – это открытая система, развивающаяся на основе матричного автокатализа под влиянием внешнего потока энергии, ограниченная по веществу и использующая циклы реакций.

n Живым организмам присущи признаки, которые отличают их от неживой материи. Однако среди этих признаков нет ни одного, который был бы присущ только живому. Поэтому единственный способ описать жизнь – это рассмотреть универсальные свойства живых организмов.

К универсальным свойствам живых систем относятся: n 1. Обмен веществ и энергии. Все живые организмы способны к обмену веществ и энергии с окружающей средой. Они извлекают, преобразуют и используют вещества и энергию среды обитания и возвращают в биосферу продукты распада и преобразованную энергию в виде тепла. Обмен веществ и энергии обеспечивает постоянство химического состава организма и его деятельность.

n 2. Самовоспроизведение. Размножение поддерживает длительное существование вида. Существуют механизмы передачи информации о признаках, свойствах и функциях организмов из поколения в поколение. В основе воспроизведения лежит способность молекул ДНК – носителей наследственной информации – к самоудвоению перед делением клетки. В результате дочерние клетки получают точную копию материнской ДНК, а в вместе с ней ту же наследственную информацию, которая заложена в последовательности нуклеотидов ДНК, то есть генетический код.

n 3. Развитие. Под развитием понимают необратимый, закономерно направленный процесс тесно взаимосвязанных количественных и качественных изменений особи с момента рождения до ее смерти. количественные изменения - рост, увеличение числа клеток и т. д. , качественные изменения – дифференцировка, созревание, старение и т. д.

Развитие живой материи представлено n индивидуальным развитием, или онтогенезом, n и историческим развитием, или филогенезом. n Филогенез – это необратимое и направленное развитие живой природы, сопровождающееся образованием новых видов. Результатом филогенеза является все многообразие живых организмов на Земле. n

n 4. Раздражимость (возбудимость) - это способность организмов реагировать на определенные воздействия окружающей среды той или иной активной реакцией, помогающей выжить. n Например, расширение кровеносных сосудов кожи при повышении температуры тела, а также движение органелл клетки, отдельных органов и всего тела и т. д.

n 5. Авторегуляция (саморегуляция). В процессе длительной эволюции клетки живых организмов выработали в себе способность сохранять свой состав и свойства на относительно постоянном уровне независимо от меняющихся условий среды. Регуляция химической деятельности клетки достигается с помощью ряда процессов, среди которых особое место занимает изменение структуры самой цитоплазмы, а также структуры и активности ферментов. Регуляция зависит от температуры, степени кислотности, концентрации субстрата, присутствия в растворе некоторых макро- и микроэлементов. Например, повышение концентрации глюкозы в крови приводит к усилению выработки гормона поджелудочной железы – инсулина, уменьшающего ее содержание в крови, а после снижения уровня глюкозы происходит замедление выделения

n n n 6. высокая степень организации 7. упорядоченность строения и поведения 8. хорошая приспособленность к условиям среды обитания 9. дискретность (жизнь на Земле существует в виде отдельных организмов) 10. ритмичность 11. энергозависимость от окружающей среды

Обмен веществ

Обмен веществ n Метаболические процессы, отвечающие за синтез и связанные с потреблением энергии, называют анаболическими, а процессы, сопровождающие распад и освобождение энергии – катаболическими.

Пластический обмен (ассимиляция) n это совокупность реакций синтеза органических молекул, идущих на построение тела клетки. n 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. n n

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

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

ПЛАСТИЧЕСКИЙ ОБМЕН + ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН = МЕТАБОЛИЗМ

Пластический обмен

Биосинтез белков Любая клетка организма способна синтезировать свои специфические белки. Эта способность обусловлена генетически и передается из поколения в поколение. Информация о структуре белков содержится в ДНК. n Участок молекулы ДНК, содержащий информацию о первичной структуре конкретного белка, называется геном n

Синтез белка транскрипция – процесс списывания информации о структуре белка с участка ДНК (гена) на информационную РНК. n перенос информации о первичной структуре белка к месту синтеза обеспечивает РНК. n аминокислоты, необходимые для сборки белковых молекул, доставляются к рибосомам цитоплазмы транспортными РНК. n

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

Процесс фотосинтеза описывается суммарным уравнением: n 6 СО 2 + 6 Н 2 О + солнечная энергия = С 6 Н 12 О 6 + 6 О 2

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

Фотосинтез протекает в две фазы – световую и темновую. n n 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: 2 Н 2 О 4 Н+ + О 2 + 4 е

n Энергия солнечного излучения в световой фазе фотосинтеза используется хлоропластами для синтеза АТФ из АДФ и фосфата, а также для восстановления НАДФ (никотинамидадениннуклеотидфос фат) до НАДФН 2.

n В темновой фазе в присутствии АТФ и НАДФН 2 при участии ферментов из диоксида углерода и водорода образуется глюкоза: n 6 СО 2 6 Н 2 О + 24 Н+ + АТФ = С 6 Н 12 О 6 +

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

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

n 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.

n 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: n энергия солнечного света n химическая n тепловая n электрическая

Организмам энергия необходима для: активного транспортирования веществ n синтеза белков и других биомолекул n мышечных сокращений n клеточного деления n и т. д. n

n 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.

n Но чаще всего она временно запасается в виде особо богатого энергией нуклеотида – аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Клетка использует АТФ для всех дальнейших процессов жизнедеятельности.

n 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.

n При окислении с участием кислорода дыхание называется аэробным, а без его участия – анаэробным.

n 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: n прежде всего углеводы n затем жиры n в последнюю очередь белки

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

Энергетический обмен клетки осуществляется в три этапа:

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

Этап неполного окисления (анаэробное дыхание или брожение) : n 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): n 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.

Экологические категории организмов

По способу получения питательных веществ все организмы делятся на три большие группы: 1. Продуценты – организмы, n способные синтезировать органические вещества из неорганических с использованием внешних источников энергии. Их называют еще автотрофами (самопитающимися), в отличие от самопитающимися гетеротрофов – питаемых другими. Автотрофы другими подразделяются на фототрофов (использующих энергию солнца) и солнца хемотрофов (использующих энергию химических связей). связей

n n Консументы (от лат. konsumo – потребляю) – организмы, не потребляю способные синтезировать органические вещества из неорганических и нуждающиеся в готовой органической пище. К консументам относятся все животные от мельчайших примитивных до самых совершенных, включая человека. Есть консументы и среди растений. Они паразитируют на других растениях.

Среди консументов-животных выделяют следующие группы: 1)консументы первого порядка (растительноядные животные) животные

2) консументы второго, третьего порядка и т. д. (мелкие и крупные хищники)

Консументов делят также на следующие группы: n сапрофаги (питающиеся мертвыми растительными остатками) n n n зоофаги (нуждающиеся в живой пище) пище некрофаги (трупоядные животные) животные детритофаги (питающиеся детритом) детритом Детрит – это мертвые остатки растений и животных, накапливающиеся в почве.

3. Редуценты ( от лат. reducere возвращать) – организмы, использующие в возвращать качестве пищи органическое вещество и подвергающие его минерализации. Данную категорию организмов также называют деструкторами, так как они окончательно деструкторами разрушают органические вещества до относительно простых неорганических соединений. К редуцентам относятся многие виды бактерий и грибов.

Автотрофы и гетеротрофы n Автотрофы n Гетеротрофы (от греч. heteros – другой, (от греч. autos – сам, trophe – питание) (Фототрофы и хемоторофы)– это питание организмы, которые используют простые неорганические соединения для синтеза и накопления сложных органических соединений (самостоятельно питающиеся). В основном это зеленые растения, использующие энергию света в процессе фотосинтеза, а также некоторые бактерии. trophe – питание, т. е. «питаемый другими» ) – это организмы, которые используют для своего питания готовые органические соединения, трансформируют и разлагают их.

К фотосинтезирующим бактериям – фототрофам – относятся: n цианобактерии (сине-зеленые водоросли) n пурпурные и зеленые бактерии n некоторые архебактерии.

Цианобактерии – различные многоклеточные нитчатые и одноклеточные организмы. n У них, как и у растений, фотосинтез осуществляется с помощью хлорофилла и сопровождается выделением свободного кислорода n

Архебактерии осуществляют особую форму фотосинтеза. n У них вместо хлорофилла в фотосинтезе участвует особый пигмент – бактериородопсин, который под бактериородопсин влиянием света претерпевает фотохимические превращения, непосредственно сопряженные с синтезом АТФ. n

Пурпурные и зеленые бактерии содержат различные по составу хлорофиллы (бактериохлорофиллы a, b, c, d, e). n В отличие от растений, водорослей и цианобактерий при фотосинтезе пурпурные и зеленые бактерии не выделяют кислород, а так как для кислород восстановления СО 2 они используют в качестве доноров электронов не водород Н 2 О, а водород Н 2 S. n

При этом пурпурные бактерии окисляют Н 2 S до H 2 SO 4: Энергия света n Н 2 S + 2 Н 2 О + 2 СО 2 H 2 SO 4 2(СН 2 О)n +

Зеленые серобактерии окисляют Н 2 S до S 2: Энергия света 2 Н 2 S + 2 СО 2 2(СН 2 О)n + H 2 О + S 2

n Некоторые пурпурные и зеленые бактерии используют в качестве донора электронов и другие неорганические соединения серы (тиосульфат, сульфит).

n Однако существуют микроорганизмы, которые получают энергию не за счет фотосинтеза, а в результате химического окисления простых неорганических соединений, например, соединений аммиака в нитрит, нитрита в нитрат, сульфида в серу, двухвалентного железа в трехвалентное. Они называются хемоавтотрофами. Такие микроорганизмы могут расти в темноте, но большинству из них нужен кислород.

К хемоавтотрофам относятся нитрифицирующие бактерии, представленные двумя группами: 1. Представители одной группы окисляют NH 3 до азотистой кислоты: 2 NH 3 + 3 О 2 = 2 НNO 2 + 2 H 2 O + 158 ккал 2. Представители другой группы окисляют азотистую кислоту до азотной: 2 HNO 2 + O 2 = 2 HNO 3 + 48 ккал

n Выделяемая при хемосинтезе энергия используется нитрифицирующими бактериями для ассимиляции СО 2 и восстановления его до глюкозы и других углеводов.

Наиболее многочисленную и разнообразную группу хемосинтезирующих бактерий составляют водородные бактерии, бактерии осуществляющие реакцию: n 6 H 2 + 2 O 2 + CO 2 = (CH 2 O)n + 5 H 2 O, n где (CH 2 O)n - условное обозначение синтезируемого углевода. n

n Азотфиксирующие бактерии, бактерии свободно живущие в почве, и так называемые клубеньковые азотфиксирующие бактерии, бактерии восстанавливают азот (N 2) до NH 3 c помощью сложной ферментной системы.

n Такие бактерии называются хемолитотрофами, поскольку они хемолитотрофами используют неорганические доноры электронов, в отличие от хеморганотрофов, которые в хеморганотрофов качестве доноров электронов используют органические соединения. Хемоорганотрофы являются гетеротрофными бактериями и составляют подавляющее большинство царства бактерий.

Таким образом, все автотрофы можно подразделить на две основные группы: n n Фотолитотрофы (источник энергии – солнечный свет, доноры электронов неорганические соединения). Хемолитотрофы (источник энергии – окислительно-восстановительные реакции, доноры электронов – неорганические соединения).

n Организмы, занимающие промежуточное положение между автотрофами и гетеротрофами, называют ауксотрофными (от лат. auxiliaius - вспомогательный). n (некоторые водоросли нуждаются в какомто одном определенном сложном органическом «ростовом веществе» , которое они сами не способны синтезировать, т. е. частично являются гетеротрофными)

Гомеостаз

В биологии и физиологии под гомеостазом понимают динамическое постоянство внутренней среды организма. n В экологии также применяется понятие «гомеостаз» , но не только по отношению к организму, но и по отношению к различным надорганизменным системам. n

n Гомеостаз (от греч. homois – тот же, status - состояние) – это способность биологических систем противостоять изменениям и сохранять относительно динамическое постоянство своей структуры и свойств. Поддержание гомеостаза – непременное условие существования как отдельных клеток и организмов, так и целых биологических сообществ и экосистем.

В гомеостазе (устойчивости) живых систем выделяют: n n выносливость (толерантность, живучесть) – способность переносить изменения среды без нарушения основных свойств системы упругость (резистентность, сопротивляемость) – способность быстро самостоятельно возвращаться в нормальное состояние из неустойчивого, которое возникло в результате внешнего неблагоприятного воздействия на систему.

n n Гомеостаз клетки определяется специфическими физико-химическими условиями, отличными от условий внешней среды. Гомеостаз многоклеточного организма – поддержанием постоянства внутренней среды. Константами гомеостаза для животных и человека являются объем, состав крови и других жидкостей организма. Гомеостаз популяции определяется поддержанием пространственной структуры, плотности и генетического разнообразия. Гомеостаз экосистемы проявляется в наиболее устойчивых формах взаимодействия между видами, что выражается в приспособленности к особенностям среды.

n Резкие изменения характеристик окружающей среды, при которых они выходят за границы допустимого, называют экологическим стрессом.