Мутации могут быть связаны с изменениями во внешней среде! Фотосинтез.

Фотосинтез – процесс синтеза органических соединений из неорганических веществ, идущий за счет энергии солнечного излучения.

Фотосинтез делает энергию Солнца и углерод доступными для живых организмов и обеспечивает обогащение кислородом атмосферы Земли.

Процесс фотосинтеза описывается суммарным уравнением

6 СО₂ + 6 Н₂О + h(солнечная энергия)  C₆Н₁₂О₆ + 6 О₂

глюкоза

Русский ученый К.А. Тимирязев показал, что для осуществления фотосинтеза необходим хлорофилл – вещество зеленого цвета, поглощающее солнечные лучи в красной и сине-фиолетовой частях спектра.

Фотосинтез протекает в две фазы – 1. световую и 2.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 по уравнению:

2 Н₂О + h(солнечная энергия)  4Н⁺ + О₂ + 4е

происходит фотолиз воды с образованием молекулярного кислорода, электронов и протонов.

Энергия солнечного излучения в световой фазе фотосинтеза используется хлоропластами для синтеза АТФ (аденозин-три-фосфорная кислота) из АДФ (аденозин-ди-фосфота) и фосфата, а также для восстановления НАДФ (никотинамид-аденин-динуклеотид фосфата) до НАДФ Н₂.

В темновой фазе в присутствии АТФ и НАДФ Н₂ при участии ферментов из диоксида углерода СО₂ и водорода Н₂ образуется глюкоза:

6 СО₂ + 24Н⁺ АТФ  С₆Н₁₂О₆ + 6 Н₂О

глюкоза

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

Хемосинтез

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

Процесс хемосинтеза открыт русским ученым-микробиологом С.Н. Виноградским в 1887 г. 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 его осуществления не обязательно наличие света. Например, нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до азотистой кислоты:

NH₄⁺  кислород NO₂^ + Энергия

Суммарное уравнение реакции:

2NH₃ + 3О₂  2НNO₂ + 2H₂O + Энергия

Освобождающаяся энергия накапливается в молекулах АТФ и используется для синтеза органических веществ, протекающего по типу реакций темновой фазы фотосинтеза.

Хемосинтезирующие бактерии играют важную роль в круговороте веществ.

Нитрофицирующие бактерии способствуют накоплению в почве нитратов.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН

В природе существуют следующие формы энергии –

1 - солнечного света, 2 - химическая, 3 – тепловая, 4 – электрическая.

Первоисточником энергии в природе является Солнце. Но его энергию могут использовать только организмы фотосинтетики, остальные организмы могут получать эту энергию лишь 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 – аденозин-три-фосфорной кислоты (АТФ), по другому, аденозин-три-фосфат - используемого клеткой для всех процессов жизнедеятельности. АТФ – единый и универсальный источник энергообеспечения клетки.

Главная роль в энергетическом обмене клеток животных принадлежит клеточному дыханию. Клеточное дыхание – это процесс, в котором высокомолекулярные органические высокоэнергетические соединения, окисляясь распадаются на низкомолекулярные или неорганические соединения, бедные энергией.

Аэробным называется дыхание при окислении с участием кислорода.

Анаэробным называется дыхание без участия кислорода.

Газообменом организма с окружающей средой называется процесс потребления кислорода из среды обитания и возвращения в эту среду углекислого газа СО₂ (это иной процесс, отличный от клеточного дыхания)

Энергетический обмен клетки осуществляется в три этапа.

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

2. Этап неполного окисления – анаэробное дыхание или брожение без участия О₂.

Неполному окислению могут подвергаться глюкоза, жирные кислоты, аминокислоты.

При этом главным источником энергии в клетке является глюкоза.

(процесс гликолиза – при бескислородном окислении одной молекулы глюкозы из двух молекул АДФ образуются две молекулы АТФ).

3. Этап полного расщепления - аэробное дыхание с участием О₂.

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. Запас АТФ в клетке небольшой. Например, в мышце запаса АТФ хватает на 20-30 сокращений. Для восполнения израсходованной АТФ клетки используют энергию, освобождаемую в результате расщепления питательных веществ.

Обмен белков

Белки – это сложные полипептиды, мономерами которых являются 20 аминокислот. Аминокислоты, входящие в состав белков, подразделяют на заменимые и незаменимые. Первые синтезируются в организме, вторые поступают только извне. Белки, содержащие все необходимые аминокислоты в необходимых количествах, называются полноценными. Это в основном белки животного происхождения. Белки растительного происхождения, как правило, неполноценные, так как в них зачастую отсутствуют незаменимые аминокислоты. Функции белков крайне разнообразны: ферментативная, защитная, транспортная, двигательная, пластическая (строительная) и энергетическая. При сгорании 1 г белка в организме освобождается 4,1 ккал энергии. В сутки человек должен потреблять 85 – 90 г белка. При избытке поступающих белков они превращаются в жиры и углеводы.

Обмен жиров

Жиры (липиды) – это эфиры высших жирных кислот и глицерина. Их функция энергетическая и пластическая (входят в состав клеточных мембран). При сгорании в организме 1 г жира высвобождается 9,3 ккал энергии. В сутки потребность в жирах составляет 80 – 100 г.

Обмен углеводов

Углеводы условно можно разделить на моносахара (глюкоза), дисахара (сахароза) и полисахара (крахмал). Они выполняют энергетическую и пластическую функции; входят в состав нуклеиновых кислот ДНК и РНК, а также АТФ. Потребность в углеводах составляет 350 – 450 г в сутки. Углеводы могут запасаться в организме человека в виде животного крахмала (гликогена) в печени. При избытке их в пище углеводы могут превращаться в жиры, а при недостатке - образуются из белков и жиров. Регуляция белкового, жирового и углеводного обменов происходит под действием гормонов щитовидной железы, гипофиза, надпочечников, поджелудочной железы.

Таким образом, соотношение в пищевом рационе основных питательных веществ составляет 1:1:4 (белков, жиров, углеводов). При составлении пищевых рационов требуется учитывать энергозатраты человека при выполнении им работы. Следует отметить, что при правильно подобранном рационе и нормальном обмене веществ источником энергии являются углеводы и жиры, и только в крайних случаях энергия черпается за счет разложения белков. Этот путь без своевременной коррекции ведет к истощению и гибели организма.

В состав пищи входит также вода, минеральные (неорганические) вещества и витамины, без которых невозможна жизнь (табл. 3.1). Все витамины можно подразделить на жиро- и водорастворимые. К водорастворимым относятся витамины группы В и витамин С. Они содержатся в продуктах растительного происхождения. Источником жирорастворимых витаминов (А, D, Е, К) является пища животного происхождения. Некоторые витамины синтезируются микрофлорой кишечника (К, В₆). При полном отсутствии витаминов в пище возникают авитаминозы, которые сопровождаются различными заболеваниями (цинга-авитаминоз С, бери-бери – авитаминоз В₁, куриная слепота – авитаминоз А, рахит – авитаминоз D). В настоящее время чаще встречаются гиповитаминозы, связанные с недостаточным поступлением витаминов с пищей. Этот недостаток легко устраняется приемом поливитаминных препаратов.

Таблица 3.1 - Важнейшие витамины

Вита-мин	Физиологическое действие и гиповитаминозы	Источники, пищевые продукты	Суточная норма
1	2	3	4
В1	Обмен углеводов, жиров, белков, проведение нервных импульсов. При недостатке – расстройства нервной системы, болезнь бери-бери.	Зерновые и бобовые культуры, печень, желток яйца.	1,5 – 2 мг
В2	Клеточное дыхание. При недостатке - помутнение хрусталика, поражение слизистой оболочки рта.	Пивные дрожжи, печень, яйца, зерновые и бобовые, томаты.	2 – 3 мг
В6	Обмен белков, синтез ферментов, обеспечивающих обмен аминокислот. Влияет на кроветворение, при недостатке - заболевание кожи, нервной системы, анемия.	Печень, почки, яйца, зерновые и бобовые; синтезируются микрофлорой кишечника	1,5 – 3 мг
В12	При недостатке – анемия, нарушения нервной системы	Печень, почки, мясо; синтезируются микрофлорой кишечника	2 мкг
РР	Участвует в клеточном дыхании, нормализует функцию желудочно-кишечного тракта, печени. При недостатке – пеллагра (слабоумие).	Дрожжи, отруби, рис, арахис; синтезируются в организме	15 мг
С	Участвует в окислительно- восстановительных процессах. Увеличивает устойчивость к инфекциям. При недостатке – цинга.	Фрукты, овощи.	100 мг
А	Влияет на зрение, рост, развитие. При авитаминозе – куриная слепота, повреждение роговицы глаз, сухость эпителий.	Животные жиры, яйца, молоко, каротин.	1,5 мг
Д	Регулирует обмен кальция и фосфора. При недостатке у детей – рахит.	Рыбий жир, яичный желток, печень; образуется в коже под воздействием ультрафиолетовых лучей.	2,5 мг
Е	Обладает антиоксидантными свойствами. При недостатке – ослабляется половая функция, развивается дистрофия скелетных мышц.	Растительные масла, рыбий жир.	15 мг
К	Способствует нормальной свертываемости крови. При недостатке - кровотечения	Овощи; синтезируется микрофлорой кишечника	0,2 – 0,3 мг

Водно-солевой обмен

Как уже отмечалось, вода составляет более 70 % массы тела человека. Суточная потребность в воде для взрослого организма зависит от климатических условий проживания и от возраста человека и составляет в среднем 2,5 – 3 литра. Воду, которую человек получает в виде питья и в составе пищевых продуктов, называют экзогенной. Воду, которая образуется в результате окисления жиров, белков и углеводов – эндогенной (около 500 мл в сутки). Поступление воды контролируется потребностью в ней, проявляющейся в чувстве жажды. Это чувство возникает при возбуждении питьевого центра в гипоталамусе. Организм нуждается в поступлении не только воды, но и микро- и макроэлементов. В сутки человеку необходимо около 8 г натрия, 4 г хлора, 3 г калия, 0,8 г кальция, 20 мг железа, 2 г фосфора, а также микроколичества таких элементов, как йод, цинк, кобальт, медь. В последние годы большой интерес вызывает магний, который участвует в окислительно-восстановительных процессах, входит в систему антиоксидантов, препятствует старению человека и развитию многих патологических процессов в организме.