Почему для жизнедеятельности любого организма необходима энергия: Для жизни необходимы энергия и углерод – Opiq

Peatükk 1.1 (Биология для гимназии. II)

Всем организмам для жизнедеятельности постоянно необходима энергия. Во всех организмах постоянно происходит обмен веществ, они реагируют на изменения окружающей среды, а также им нужно расти и размножаться. Ни один организм не производит энергию сам, ее получают из внешней среды.

Организмы способны поглощать световую и химическую энергию

Живые организмы могут усваивать два вида энергии: энергию света и химическую энергию. Источниками энергии в неживой среде являются солнечный свет или химическая энергия неорганических соединений. Многие организмы получают необходимую для жизни энергию посредством других живых организмов. В этом случае мы имеем дело с химической энергией, полученной из органических соединений. В ходе фотосинтеза энергия света тоже преобразовывается в химическую – единственный вид энергии, который можно использовать для обеспечения протекания происходящих в живых организмах реакций.

Большинство растений поглощают энергию солнечного света
​Все животные и грибы получают энергию за счет других живых организмов.

В ходе химических реакций энергия может запасаться или высвобождаться, в зависимости от того, присоединяют атомы электроны или теряют. В ходе окислительных реакций число электронов в атомах вещества уменьшается, а межатомные связи разрываются. В ходе реакции окисления, классическим примером которой является горение веществ, высвобождается энергия. В ходе клеточного дыхания, также являющегося реакцией окисления, глюкоза расщепляется до двуокиси углерода, а кислород переходит в состав воды. 

В ходе восстановительных реакций атомы принимают электроны, возникают новые межатомные связи, таким образом запасается энергия. Например, при фотосинтезе за счет энергии света из углекислого газа и воды синтезируются сахара, при этом выделяется кислород. 

Большинство живых организмов не могут вырабатывать энергию из неорганических веществ. Они получают ее, расщепляя произведенные другими организмами органические соединения. В отличие от неорганических органические соединения содержат большое количество энергии. Организм может получить ее путем окисления этих соединений и затем использовать полученную энергию в химических реакциях, которые являются основой жизнедеятельности организмов.

Жизнь основана на углероде

Жизнь на Земле основана на различных соединениях, содержащих углерод. Следовательно, наличие углерода является самой важной предпосылкой для возникновения жизни. Причина заключается в уникальных химических свойствах атома углерода: углерод может образовывать длинные цепи, к которым могут присоединяться другие атомы. Каждый атом углерода может присоединить до четырех атомов. Углеродная цепь может быть прямой, разветвленной или кольцевой, и длина ее может варьироваться. Вот почему существуют миллионы разных углеродных органических соединений, из которых и состоят живые организмы. С помощью углеродных соединений регулируется протекание жизненных процессов в организмах. Энергия, полученная при их расщеплении, используется для построения новых углеродных соединений, выполняющих самые разные функции. 

Организмы получают углерод из внешней среды. Те организмы, которые используют в качестве источника углерода неорганические вещества, называются автотрофами. К ним относятся растения. Гетеротрофы – это организмы, использующие готовые органические углеродные соединения, которые производят другие организмы. Все животные – гетеротрофы.

Длинные целлюлозные волокна оболочек растительных клеток содержат много углерода

• Все соединения углерода очень тяжелые, они не летучи.

• Атомы углерода могут образовывать длинные цепи.

• Длина углеродных цепочек строго определена.

• Углеродные цепи могут иметь различную форму, в том числе кольцевую.

• Один атом углерода может образовывать до четырех химических связей.

• Углеродные цепи всегда прямые.

Живые организмы играют в круговороте углерода несколько различных ролей. Организмы, использующие в качестве источника углерода неорганические соединения, называют . К ним относится, например, человек. чайка.окунь.одуванчик.подъельник.волнушка. Есть и такие организмы, которые питаются уже готовыми органическими соединениями. Их называют . К ним относится, например, дуб.цианобактерия.собака.календула.кувшинка.

Приложение. Источники энергии и углерода

Все организмы можно поделить на группы, исходя из способа получения ими энергии и углерода.

Живые организмы получают энергию из трех источников:

• Солнце, или световая энергия;
• химическая энергия непосредственно из неживой среды, то есть энергия неорганических соединений;
• химическая энергия других организмов, то есть употребление в пищу готовых органических соединений.

Углерод содержится:

• в органических веществах,
• в неорганических веществах.

Гидротермальные источники
​На участках морского дна, где происходит активная вулканическая деятельность, из трещин земной коры поднимается богатая минеральными веществами горячая вода температурой до 405 °C. Обитающие в океанических глубинах бактерии для получения энергии приспособились разлагать минеральные вещества вулканического происхождения. Этими бактериями питаются беспозвоночные животные, живущие на дне океана.

Автотрофы сами «готовят» себе пищу

Автотрофы (в дословном переводе «едят сами») – это организмы, которые сами вырабатывают сложные органические соединения (сахара, жиры, белки и др.) из простых неорганических соединений, используя для этого энергию, полученную от Солнца или в ходе химических реакций. Автотрофия как тип питания означает, что организмы «готовят» себе пищу сами.

Световая энергия используется растениями, водорослями и некоторыми бактериями. Например, за счет энергии света при фотосинтезе вода расщепляется на водород и кислород. Полученный водород используется для восстановления CO_₂, таким образом из двуокиси углерода получают органические соединения. Поскольку органические соединения содержат больше энергии, чем неорганические, в ходе этого процесса запасается энергия. Эта энергия может быть использована позже при расщеплении (окислении) органических соединений, возникших в ходе фотосинтеза. Так энергию Солнца косвенно получают и те организмы, которые сами ее не поглощают.

Автотрофы могут получать энергию и за счет окисления других неорганических соединений, например, ионов железа, серы или сероводорода, аммиака, нитритов и т. п. С помощью высвободившейся энергии из водорода и углекислого газа затем образуются органические соединения. Таким способом получают энергию исключительно микроорганизмы – бактерии и археи. 

Поглощение световой энергии – более эффективный способ, чем окисление неорганических соединений. Поэтому среди автотрофов много организмов, которые используют именно световую энергию. Энергию химических реакций они используют в тех местах, где нет источника света. Благодаря этой способности автотрофные организмы могут жить и в экстремальных условиях, непригодных для большинства других организмов.

Световая энергия используется растениями, водорослями и некоторыми бактериями

Железобактерии получают необходимую для жизни энергию путем окисления содержащих железо минералов
​Болотная железная руда возникла благодаря железобактериям. Считается, что на территории Эстонии до XVIII века железо получали именно из болотной руды.

Использующие световую энергию автотрофы являются паразитами.являются симбионтами.фотосинтезируют.являются потребителями. К ним относятся ,  и некоторые бактерии. Для фотосинтеза нужны вода, углекислый газ и энергия. В ходе фотосинтеза сначала вода разлагается на два вещества:  и . Далее в ходе восстановительнойокислительной реакции углекислый газ реагирует с водородом и образуется богатое энергией соединение – крахмал. глюкоза.водород. Таким образом растения запасаюттратят энергию. Чтобы автотроф мог позднее использовать запасы энергии, нужен угарный газ,азот,кислород,углекислый газ, при помощи которого происходит реакция восстановления,окисления, и энергия накапливается.высвобождается.

• Из живой природы

• Из неживой природы

• Они могут производить богатые энергией соединения из неорганических веществ.

• Богатые энергией соединения производятся в ходе окислительных реакций.

• Все автотрофы являются фотосинтезирующими организмами.

• Некоторые автотрофы используют энергию связей химических соединений.

• У автотрофов не протекает процесс клеточного дыхания.

• Автотрофы получают всю необходимую для жизни энергию за счет световой энергии или энергии химических связей, органические соединения они сами никогда не разлагают.

Гетеротрофы питаются пищей, приготовленной другими организмами

Гетеротрофы (в дословном переводе «иная пища») – это организмы, которые сами не могут образовывать из неорганических соединений органические. Они должны использовать органические соединения, синтезированные другими организмами. Более 95% живых организмов – гетеротрофы, которые не могут жить без автотрофов. Энергию они могут получать аналогично автотрофам из химических реакций, а также от Солнца, но световую энергию используют очень немногие. Поэтому под гетеротрофами понимаются преимущественно организмы, которые получают от других организмов и энергию, и углерод.

Все животные и грибы – гетеротрофы

Гетеротрофы получают энергию в ходе химических реакций при расщеплении пищи и окислении органических соединений. В пищевых цепях они являются консументами. К их числу относятся все животные и грибы, большинство простейших и часть бактерий. Некоторые гетеротрофные бактерии способны также поглощать световую энергию.

Преимущество гетеротрофов заключается в том, что они могут всю полученную с пищей энергию направить на рост и размножение, а автотрофы должны часть энергии расходовать на преобразование неорганического углерода в органические соединения. В то же время зависимые от источников питания гетеротрофы умирают при отсутствии органической пищи. Автотрофы меньше зависят от других организмов, так как могут получить все необходимое для себя из неживой природы.

Вспомните!

Окисление – число электронов уменьшается, связи разрушаются, энергия высвобождается.

Восстановление – число электронов увеличивается, образуются новые связи, энергия запасается.

• Гетеротрофы сами производят органические соединения из неорганических.

• Гетеротрофы не могут существовать без автотрофов.

• Большинство гетеротрофов получает энергию за счет химических реакций.

• Обычно гетеротрофы являются первым звеном пищевой цепи.

• Гетеротрофы могут сами произвести все необходимые им вещества.

Приложение. Экстремофилы

Организмы, обитающие в экстремальных условиях, должны иметь защитные механизмы, которые позволят им справляться, например, с высокой температурой или кислотностью среды. Особые свойства экстремофилов используют в промышленности и науке. При идентификации генных последовательностей, диагностике генетических заболеваний и идентификации личности на основе ДНК используется метод, который базируется на термостойком энзиме. Этот энзим получен из обитающей в горячем источнике автотрофной бактерии Thermus aquaticus. Хотя для производства энергии эта бактерия способна сама окислять неорганические соединения, она, по возможности, забирает энергию у обитающих в тех же условиях фотосинтезирующих цианобактерий.

Яркие цвета горячего источника в Йеллоустонском национальном парке обусловлены обитающими в нем микроорганизмами

Словарь терминов

• химическая энергия – энергия, затраченная на образование связей химических соединений или высвобождающаяся при их разрушении
• автотроф – организм, самостоятельно синтезирующий необходимые ему для жизни органические вещества из неорганических соединений углерода (обычно из углекислого газа)
• гетеротроф – организм, получающий необходимый для жизнедеятельности углерод, питаясь готовым органическим веществом
• восстановление – процесс, в ходе которого атомы присоединяют электроны; при восстановлении энергия поглощается
• окисление – процесс, в ходе которого атом отдает электроны; протекает с выделением энергии
• органические вещества – содержащие углерод соединения, из которых состоят живые организмы (кроме двуокисей и карбонатов)
• неорганические вещества – природные вещества минерального происхождения; все соединения, которые не относятся к органическим

§10.



1. Какие органические вещества вы знаете?

Органические вещества: белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры (липиды), витамины.

2. Какие витамины вам известны? Какова их роль?

Выделяют водорастворимые (C, B1, B2, B6, PP, B12 и B5), жирорастворимые (А, В, Е и К) витамины.

3. Какие виды энергии вам известны?

Магнитная, тепловая, световая, химическая, электрическая, механическая, ядерная и др.

4. Почему для жизнедеятельности любого организма необходима энергия?

Энергия необходима для синтеза всех специфических веществ организма, поддержания его высокоупорядоченной организации, активного транспорта веществ внутри клеток, из одних клеток в другие, из одной части организма в другую, для передачи нервных импульсов, передвижения организмов, поддержания постоянной температуры тела и для других целей.

Вопросы

1. Какое строение имеет молекула АТФ?

Аденозинтрифосфат (АТФ) — нуклеотид, состоящий из азотистого основания аденина, углевода рибозы и трёх остатков фосфорной кислоты.

2. Какую функцию выполняет АТФ?

АТФ — универсальный источник энергии для всех реакций, протекающих в клетке.

3. Какие связи называются макроэргическими?

Связь между остатками фосфорной кислоты называют макроэргической (она обозначается символом ~), так как при её разрыве выделяется почти в четыре раза больше энергии, чем при расщеплении других химических связей.

4. Какую роль выполняют в организме витамины?

Витамины — сложные оль органические соединения, необходимые в малых количествах для нормальной жизнедеятельности организмов. В отличие от других органических веществ, витамины не используются в качестве источника энергии или строительного материала.

Биологическое действие витаминов в организме человека заключается в активном участии этих веществ в обменных процессах. В обмене белков, жиров и углеводов витамины принимают участие либо непосредственно, либо входя в состав сложных ферментных систем. Витамины участвуют в окислительных процессах, в результате которых из углеводов и жиров образуются многочисленные вещества, используемые организмом, как энергетический и пластический материал. Витамины способствуют нормальному росту клеток и развитию всего организма. Важную роль играют витамины в поддержании иммунных реакций организма, обеспечивающих его устойчивость к неблагоприятным факторам окружающей среды.

Задания

Обобщив имеющиеся у вас знания, подготовьте сообщение о роли витаминов в нормальном функционировании организма человека. Обсудите с одноклассниками вопрос: каким образом человек может обеспечить свой организм необходимым количеством витаминов?

Своевременное и сбалансированное получение необходимого количества витаминов способствует нормальной жизнедеятельности человека.

Роль витаминов в организме человека

Витамины – жизненно важные вещества, необходимые нашему организму для поддержания многих его функций. Поэтому достаточное и постоянное поступление витаминов в организм с пищей крайне важно.

Биологическое действие витаминов в организме человека заключается в активном участии этих веществ в обменных процессах. В обмене белков, жиров и углеводов витамины принимают участие либо непосредственно, либо входя в состав сложных ферментных систем. Витамины участвуют в окислительных процессах, в результате которых из углеводов и жиров образуются многочисленные вещества, используемые организмом, как энергетический и пластический материал. Витамины способствуют нормальному росту клеток и развитию всего организма. Важную роль играют витамины в поддержании иммунных реакций организма, обеспечивающих его устойчивость к неблагоприятным факторам окружающей среды.

Витамины смягчают или устраняют неблагоприятное действие на организм человека многих лекарственных препаратов. Недостаток витаминов сказывается на состоянии отдельных органов и тканей, а также на важнейших функциях: рост, продолжение рода, интеллектуальные и физические возможности, защитные функции организма. Длительный недостаток витаминов ведет сначала к снижению трудоспособности, затем к ухудшению здоровья, а в самых крайних, тяжелых случаях это может закончиться смертью.

Только в некоторых случаях наш организм может синтезировать в небольших количествах отдельные витамины. Так, например, аминокислота триптофан может преобразовываться в организме в никотиновую кислоту. Витамины необходимы для синтеза гормонов – особых биологически активных веществ, которые регулируют самые разные функции организма.

Получается, что витамины – это вещества, относящиеся к незаменимым факторам питания человека, и имеют огромное значение для жизнедеятельности организма. Они необходимы для гормональной системы и ферментной системы нашего организма. Также регулируют наш обмен веществ, делая организм человека здоровым, бодрым и красивым.

Основное их количество поступает в организм с пищей, и только некоторые синтезируются в кишечнике обитающими в нём полезными микроорганизмами, однако в этом случае их бывает не всегда достаточно. Многие витамины быстро разрушаются и не накапливаются в организме в нужных количествах, поэтому человек нуждается в постоянном поступлении их с пищей.

Применение витаминов с лечебной целью (витаминотерапия) первоначально было целиком связано с воздействием на различные формы их недостаточности. С середины XX века витамины стали широко использовать для витаминизации пищи, а так же кормов в животноводстве.

Ряд витаминов представлен не одним, а несколькими родственными соединениями. Знание химического строения витаминов позволило получать их путем химического синтеза; наряду с микробиологическим синтезом это основной способ производства витаминов в промышленных масштабах.

Первоисточником витаминов являются растения, в которых витамины накапливаются. В организм витамины поступают в основном с пищей. Некоторые из них синтезируются в кишечнике под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов, но образующиеся количества витаминов не всегда полностью удовлетворяют потребности организма.

Вывод: Витамины влияют на усвоение питательных веществ, способствуют нормальному росту клеток и развитию всего организма. Являясь составной частью ферментов, витамины определяют их нормальную функцию и активность. Недостаток, а тем более отсутствие в организме какого-либо витамина ведет к нарушению обмена веществ. При недостатке их в пище снижается работоспособность человека, сопротивляемость организма к заболеваниям, к действию неблагоприятных факторов окружающей среды. В результате дефицита или отсутствия витаминов, развивается витаминная недостаточность.

6.1: Энергия и обмен веществ – Роль энергии и обмена веществ

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

• Boundless (теперь LumenLearning)
• Безграничный

Цели обучения

• Объяснить важность метаболизма

Энергия и метаболизм

Всем живым организмам нужна энергия для роста и размножения, поддержания своих структур и реагирования на окружающую среду. Метаболизм — это набор поддерживающих жизнь химических процессов, которые позволяют организмам преобразовывать химическую энергию, хранящуюся в молекулах, в энергию, которая может использоваться для клеточных процессов. Животные потребляют пищу для восполнения энергии; их метаболизм расщепляет углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты, чтобы обеспечить химическую энергию для этих процессов. Растения преобразуют световую энергию солнца в химическую энергию, хранящуюся в молекулах в процессе фотосинтеза.

Биоэнергетика и химические реакции

Ученые используют термин биоэнергетика для обсуждения концепции потока энергии через живые системы, такие как клетки. Клеточные процессы, такие как построение и разрушение сложных молекул, происходят посредством пошаговых химических реакций. Некоторые из этих химических реакций протекают самопроизвольно и высвобождают энергию, тогда как для протекания других требуется энергия. Все химические реакции, протекающие внутри клеток, включая те, которые используют энергию, и те, которые высвобождают энергию, являются клеточным метаболизмом.

Клеточный метаболизм

Каждая задача, выполняемая живыми организмами, требует энергии. Энергия необходима для выполнения тяжелой работы и физических упражнений, но люди также используют много энергии, думая и даже во сне. Для каждого действия, требующего энергии, происходит множество химических реакций, обеспечивающих химической энергией системы организма, включая мышцы, нервы, сердце, легкие и мозг.

Живые клетки каждого организма постоянно используют энергию для выживания и роста. Клетки расщепляют сложные углеводы на простые сахара, которые клетка может использовать для получения энергии. Мышечные клетки могут потреблять энергию для построения длинных мышечных белков из небольших молекул аминокислот. Молекулы могут модифицироваться и транспортироваться по клетке или распространяться по всему организму. Точно так же, как энергия требуется как для строительства, так и для сноса здания, энергия требуется как для синтеза, так и для распада молекул.

Многие клеточные процессы требуют постоянного поступления энергии, обеспечиваемой клеточным метаболизмом. Сигнальные молекулы, такие как гормоны и нейротрансмиттеры, должны быть синтезированы, а затем транспортированы между клетками. Болезнетворные бактерии и вирусы попадают в клетки и разрушаются. Клетки также должны экспортировать отходы и токсины, чтобы оставаться здоровыми, и многие клетки должны плавать или перемещать окружающие материалы посредством биения клеточных придатков, таких как реснички и жгутики.

Ключевые моменты

• Всем живым организмам нужна энергия для роста и размножения, поддержания своих структур и реагирования на окружающую среду; Метаболизм – это совокупность процессов, благодаря которым энергия становится доступной для клеточных процессов.
• Метаболизм представляет собой комбинацию химических реакций, которые являются спонтанными и высвобождают энергию, и химических реакций, которые не являются спонтанными и требуют энергии для своего протекания.
• Живые организмы должны получать энергию с пищей, питательными веществами или солнечным светом, чтобы выполнять клеточные процессы.
• Транспортировка, синтез и расщепление питательных веществ и молекул в клетке требуют использования энергии.

Ключевые термины

• метаболизм : полный набор химических реакций, происходящих в живых клетках
• биоэнергетика : изучение превращений энергии, происходящих в живых организмах
• энергия : способность выполнять работу

1. Вернуться к началу

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Автор

   Безграничный

   Количество столбцов печати

   Два

   Печать CSS

   Плотный

   Лицензия

   CC BY-SA

   Версия лицензии

   4,0

   Показать оглавление

   нет

2. Теги

   На этой странице нет тегов.

4.9 Энергетические потребности живых существ – биология человека

Перейти к содержимому

Автор: CK-12/Адаптировано Кристин Миллер

Эти красивые ездовые собаки — чудо обмена веществ. Пробегая до 160 километров (около 99 миль) в день, каждый из них будет потреблять и сжигать около 12 тысяч калорий — около 240 калорий на фунт в день, что эквивалентно примерно 24 биг-макам! Спортсмен на выносливость, напротив, обычно сжигает только около 100 калорий на фунт (0,45 кг) каждый день. Ученые заинтригованы удивительным метаболизмом ездовых собак, хотя они до сих пор не определили, как они расходуют столько энергии. Но одно можно сказать наверняка: все живые существа нуждаются в энергии для всего, что они делают, будь то бег наперегонки или моргание глазом. На самом деле каждая клетка вашего тела постоянно нуждается в энергии только для осуществления основных жизненных процессов. Вы, наверное, знаете, что вы получаете энергию из пищи, которую едите, но откуда берется еда? Как он может содержать энергию? И как ваши клетки получают энергию из пищи?

В научном мире определяется как способность выполнять работу. Часто можно увидеть работу энергии в живых существах – птица летит по воздуху, светлячок светится в темноте, собака виляет хвостом. Это очевидные способы использования энергии живыми существами, но живые существа постоянно используют энергию и менее очевидными способами.

Внутри каждого из всех живых существ для осуществления жизненных процессов необходима энергия. Энергия требуется для разрушения и создания молекул, а также для переноса многих молекул через плазматические мембраны. Вся работа в жизни требует энергии. Много энергии также просто теряется в окружающей среде в виде тепла. История жизни — это история потока энергии — ее захвата, изменения формы, использования для работы и потери в виде тепла. Энергия (в отличие от материи) не может быть переработана, поэтому организмы требуют постоянного поступления энергии. Жизнь работает на химической энергии. Откуда живые организмы получают эту химическую энергию?

Химическая энергия, необходимая организмам, поступает из пищи.   состоит из органических молекул, которые хранят энергию в своих химических связях. С точки зрения получения пищи для получения энергии существует два типа организмов: автотрофы и гетеротрофы.

Автотрофы

 – это организмы, которые захватывают из неживых источников и передают эту энергию в живую часть экосистемы. Они также могут приготовить себе еду. Большинство автотрофов используют энергию солнечного света для приготовления пищи в процессе . Только определенные организмы, такие как растения, водоросли и некоторые бактерии, могут производить пищу посредством фотосинтеза. Некоторые фотосинтезирующие организмы показаны на рис. 4.9.2.

	Рисунок 4. 9.2 Фотосинтетические автотрофы, которые производят пищу, используя энергию солнечного света, включают растения (слева), водоросли (в центре) и некоторые бактерии (справа).

 также называются . Они производят пищу не только для себя, но и для всех других живых существ (известных как потребители). Вот почему автотрофы составляют основу пищевых цепей, таких как пищевая цепь, показанная на рис. 4.9.3.