Підручник з Біології і екології (профільний рівень). 10 клас. Задорожний - Нова програма

§ 55. Обмін речовин і енергії

Поміркуйте

Яким чином організм людини обмінюється енергією з навколишнім середовищем?

Згадайте

Асиміляція і дисиміляція

Закони термодинаміки

Єдність процесів обміну речовин і енергії

У клітинах одночасно відбуваються процеси енергетичного та пластичного обміну. Вони пов’язані між собою потоками речовин і енергії (мал. 55.1). Головну роль у поєднанні анаболічних і катаболічних процесів відіграє АТФ.

Процеси анаболізму і катаболізму перебувають в організмі або в стані динамічної рівноваги, або з переважанням одного з них. Переважання анаболічних процесів над катаболічними призводить до зростання, накопичення маси тканин, а переважання катаболічних процесів веде до часткового руйнування тканинних структур, виділення енергії. Стан рівноважного або нерівноважного співвідношення анаболізму й катаболізму залежить від віку (переважання анаболізму в дитячому віці, рівновага у зрілому, переважання катаболізму в старості), стану здоров’я, фізичного або психоемоційного навантаження.

Перетворення енергії в живій клітині

Внутрішні метаболічні процеси супроводжуються перетвореннями одних форм енергії на інші. Так, наприклад, хімічна енергія глюкози перетворюється у ході клітинного окиснення частково на тепло, частково — на енергію макроергічних зв’язків АТФ. За рахунок гідролізу АТФ може відбуватися перенесення речовин з ділянки з меншою концентрацією до ділянки з більшою (осмотична робота), перенесення йонів у місце більш високого електричного потенціалу (електрична робота), в організмі тварини — скорочення м’язів (механічна робота). При цьому відбувається перетворення частини хімічної енергії АТФ на теплову, осмотичну, електричну та механічну енергію.

З розвитком у XIX—XX ст. термодинаміки — науки про взаємоперетворення теплоти й енергії — стало можливо кількісно розраховувати перетворення енергії в біохімічних реакціях і передбачати їх напрямок.

Мал. 55.1. Взаємозв'язок процесів катаболізму й анаболізму ґрунтується на єдності біохімічних перетворень, що забезпечують енергією всі процеси життєдіяльності

Термодинаміка обміну речовин

З точки зору термодинаміки, живі організми являють собою відкриті нерівноважні системи, оскільки вони обмінюються з навколишнім середовищем як енергією, так і речовиною, і при цьому перетворюють і те, й інше.

Припинення обміну речовин та потоку енергії для організмів означає втрату структурної організації і смерть.

Експериментальним шляхом було встановлено, що до процесів, які відбуваються в біологічних системах, можна застосовувати перший і другий закони термодинаміки. Сумарна кількість енергії, яку отримує живий організм з їжею за певний проміжок часу, дорівнює кількості енергії, що виділяється у вигляді тепла і міститься в продуктах виділення, та енергетичним витратам на роботу, що здійснюється.

Кількість теплоти, виділеної організмом, можна точно виміряти. Для цього організм поміщають у спеціальну камеру, яка добре ізольована від середовища, тобто не відбувається обміну енергією з навколишнім середовищем (мал. 55.2). Експерименти, виконані цим методом, довели, що кількість енергії, яка надходить в організм, дорівнює енергії, що виділяється під час проведення калориметрії.

Мал. 55.2. Камера для прямого вимірювання кількості теплоти, виділеної організмом

Ключова ідея

У клітинах одночасно відбуваються процеси енергетичного та пластичного обміну. Вони пов'язані між собою потоками речовин і енергії. Головну роль у поєднанні анаболічних і катаболічних процесів відіграє АТФ. Живі організми належать до відкритих термодинамічних систем: вони обмінюються речовинами й енергією з навколишнім середовищем.

Дізнайтеся більше

Термодинаміка — наука, що вивчає загальні закони перетворення різних видів енергії в системі. Розрізняють три типи систем:

Ізольована — не обмінюється з навколишнім середовищем ані речовиною, ані енергією.

Замкнена (закрита) — обмінюється з навколишнім середовищем тільки енергією.

Відкрита — обмінюється з навколишнім середовищем речовиною і енергією.

Перший закон термодинаміки є законом збереження енергії. Він визначає, що загальна енергія в ізольованій системі — величина стала і не змінюється із часом, а лише переходить з однієї форми в іншу.

Другий закон термодинаміки визначає, що всі реальні процеси супроводжуються розсіюванням певної частини енергії в теплоту.

Практична робота

Порівняльна характеристика змін у процесі еволюції органів травлення, дихання та виділення як оптимізація їх до процесів метаболізму

1. Розгляньте зображення органів травної, дихальної та видільної систем різних груп тварин (наприклад, риб, амфібій, птахів та ссавців). Установіть зміни, які відбувались із цими органами у процесі еволюції.

2. Сформулюйте висновок.

Запитання та завдання

1. Опишіть, як одні види енергії перетворюються на інші в процесі фотосинтезу. 2. Які види енергії виділяються під час роботи м'язів? 3. Якою системою з точки зору термодинаміки, є космічний корабель з космонавтами?