Растения, как все живые организмы, постоянно дышат (аэробы). Для этого им необходим кислород. Он нужен и одноклеточным, и многоклеточным растениям. Кислород участвует в процессах жизнедеятельности клеток, тканей и органов растения.

Большинство растений получает кислород из воздуха через устьица и чечевички. Водные растения потребляют его из воды всей поверхно­стью тела. Некоторые растения, произрастающие на заболоченных ме­стах, имеют особые дыхательные корни, поглощающие кислород из воздуха.

Дыхание - сложный процесс, протекающий в клетках живого орга­низма, в ходе которого при распаде органических веществ высвобожда­ется энергия, необходимая для процессов жизнедеятельности организ­ма. Основным органическим веществом, участвующим в дыхательном процессе, являются углеводы, главным образом сахара (особенно глюко­за). Интенсивность дыхания у растений зависит от количества углево­дов, накопленных побегами на свету.

Весь процесс дыхания протекает в клетках растительного организма. Он сос­тоит из двух этапов, в ходе которых сложные органические вещества расщеп­ляются на более простые, неорганические - углекислый газ и воду. На пер­вом этапе при участии специальных белков, ускоряющих процесс (ферментов), про­исходит распад молекул глюкозы. В итоге из глюкозы образуются более простые органические соединения и выделяется немного энергии (2 АТФ). Этот этап дыхательного про­цесса происходит в цитоплазме.

На втором этапе простые органические вещества, образовавшиеся на первом этапе, взаимодействуя с кислородом, окисляются - образуют углекислый газ и во­ду. При этом высвобождается много энергии (38 АТФ). Второй этап дыхательного процесса протекает только с участием кислорода в специальных органоидах клетки - мито­хондриях.

Дыхание - это протекающий с участием кислорода процесс распада органических питательных веществ до неорганических (углекисло­го газа и воды), сопровождающийся выделением энергии, которая используется растением для процессов жизнедеятельности.

С 6 Н 12 О 6 + 6 О 2 = 6СО 2 + 6 Н 2 О + Энергия (38 АТФ)

Дыхание - процесс, противоположный фотосинтезу

Процесс дыхания связан с непрерывным потреблением кислорода днем и ночью. Особенно интенсивно идет процесс дыхания в молодых тканях и органах растения. Интенсивность дыхания обусловлена потреб­ностями роста и развития растений. Много кислорода требуется в зонах деления и роста клеток. Образование цветков и плодов, а также повреж­дение и особенно отрывание органов сопровождается усилением дыха­ния у растений. По окончании роста, с пожелтением листьев и, особенно в зимнее время интенсивность дыхания заметно снижается, но не пре­кращается.

Ды­хание, как и питание, - необходимое условие обмена веществ, а зна­чит, и жизни организма.

Ø С1. В небольших помещениях с обилием комнатных растений ночью концентрация кислорода уменьшается. Объясните почему. 1) ночью с прекращением фотосинтеза выделение кислорода прекращается; 2) в процессе дыхания растений (они дышат постоянно) уменьшается концентрация О 2 и повышается концентрация СО 2

Ø С1. Известно, что опытным путём на свету трудно обнаружить дыхание растений. Объясните, почему.

1) на свету в растении наряду с дыханием происходит фотосинтез, при котором углекислый газ используется; 2) в результате фотосинтеза кислорода образуется гораздо больше, чем используется при дыхании растений.

Ø С1. Почему растения не могут жить без дыхания? 1) в процессе дыхания растительные клетки поглощают кислород, который расщепляет сложные органические вещества (углеводы, жиры, белки) до менее сложных;2) при этом освобождается энергия, которая запасается в АТФ и используется на процессы жизнедеятельности: питание, рост, развитие, размножение и др.

Ø С4. Газовый состав атмосферы поддерживается на относительно постоянном уровне. Объясните, какую роль играют в этом организмы. 1) фотосинтез, дыхание, брожение регулируют концентрацию О2, СО2; 2) транспирация, потоотделение, дыхание регулируют концентрацию паров воды; 3) жизнедеятельность некоторых бактерий регулирует содержание азота в атмосфере.

Значение воды в жизнедеятельности растений

Вода необходима для жизни любого растения. Она составляет 70-95 % сырой массы тела растения. У растений все процессы жизнеде­ятельности протекают с использованием воды.

Обмен веществ в растительном организме происходит только при достаточном количестве воды. С водой в растение поступают минераль­ные соли из почвы. Она обеспечивает непрерывный ток питательных ве­ществ по проводящей системе. Без воды не могут прорастать семена, не будет в зеленых листьях фотосинтеза. Вода в виде растворов, наполняю­щих клетки и ткани растения, обеспечивает ему упругость, сохранение определенной формы.

• Поглощение воды из внешней среды - обязательное условие сущест­вования растительного организма.

Растение получает воду главным образом из почвы с помощью корневых волосков корня. Наземные части растения, в основном лис­тья, через устьица испаряют значительное количество воды. Эти поте­ри влаги регулярно восполняются, так как корни постоянно поглоща­ют воду.

Бывает, что в жаркие часы дня расход воды испарением превышает ее поступление. Тогда у растения листья увядают, особенно самые ниж­ние. За ночные часы, когда корни продолжают всасывать воду, а испаре­ние у растения снижено, содержание воды в клетках снова восстанавли­вается и клетки и органы растения вновь приобретают упругое состояние. При пересадке рассады удаляют нижние листья для уменьшения испарения воды.

Главным способом поступления воды в живые клетки является ее ос­мотическое поглощение. Осмос - это способность растворителя (воды) поступать в клеточные растворы. При этом поступление воды приводит к увеличению объема жидкости в клетке. Сила осмотического поглоще­ния, с которой вода входит в клетку, называется сосущей силой .

Поглощение воды из почвы и потеря ее при испарении создают постоянный водный об­мен у растения. Водный обмен осуществляется с током воды через все органы растения.

Он складывается из трех этапов:

· поглощения во­ды корнями,

· передвижения ее по сосудам древесины,

· испарения воды листьями.

Обычно при нормальном водном обмене, сколь­ко воды поступает в растение, столько ее и ис­паряется.

Водный ток в растении идет в восходящем направлении: снизу вверх. Он зависит от силы всасывания воды клетками корневых волос­ков внизу и от интенсивности испарения наверху.

Корневое давление является нижним дви­гателем водного тока

сосущая сила листьев - верхним.

Постоянный ток во­ды от корневой системы к надземным частям растения служит сред­ством транспортировки и накопления в органах тела минеральных ве­ществ и различных химических соединений, поступающих из корней. Он объединяет все органы растения в единое целое. Помимо этого, восходящий ток воды в растении необходим для нормального водо­снабжения всех клеток. Особенно он важен для осуществления процес­са фотосинтеза в листьях.

ü С1. Растения в течение жизни поглощают значительное количество воды. На какие два основных процесса

жизнедеятельности расходуется большая часть потребляемой воды? Ответ поясните. 1) испарение, обеспечи-вающее передвижение воды и растворённых в-в и защиту от перегрева; 2) фотосинтез, в процессе которого образуются орг в-ва и выделяется кислород

Достаток или дефицит влаги в клетках влияет на все жизнедеятель­ные процессы растения.

По отношению к воде растения делят на экологические группы

Ø Гидатофиты (от греч. гидатос - «вода», фитон - «растение») - водные тра­вы (элодея, лотос, кувшинки). Гидатофиты полностью погружены в воду. Стеб­ли почти не имеют механических тканей и поддерживаются водой. В тканях растений имеется много крупных межклетников, заполненных воздухом.

Ø Гидрофиты (от греч. гидрос - «водный») - растения, частично погруженные в воду (стрелолист, камыш, рогоз, тростник, аир). Обычно обитают по берегам водоемов на сырых лугах.

Ø Гигрофиты (от греч. гигра - «влага») - растения влажных мест с высокой влажностью воздуха (калужница, осоки). 1) растения влажных местообитаний; 2) крупные голые листья; 3) устьица не закрываются; 4) имеют специальные водные устьица - гидотоды; 5) сосудов мало.

Ø Мезофиты (от греч. мезос - «сред­ний») - растения, живущие в условиях умеренного увлажнения и хорошего ми­нерального питания (нивяник, ландыш, земляника, яблоня, ель, дуб). Растут в лесах, на лугах, в поле. Большин­ство сельскохозяйственных растений - мезофиты. Они лучше развиваются при дополнительном поливе. 1) растения достаточного увлажнения; 2) растут в основном на лугах и в лесах; 3) вегетационный период короткий, не более 6 недель; 4) засушливое время переживают в виде семян или луковиц, клубней, корневищ.

Ø Ксерофиты (от греч. ксерос - «су­хой») - растения сухих местообитаний, где воды в почве мало, а воздух сухой (алоэ, кактусы, саксаул). Среди ксерофитов различают сухие и сочные. Сочные ксерофиты с мясистыми листьями (алоэ, толстянки) или мясистыми стеблями (кактусы - опунция) называют суккулентами . Сухие ксерофиты - склерофиты (от греч. склерос - «жесткий») приспособлены к жесткой экономии воды, к уменьшению испарения (ковыль, саксаул, верблюжья колючка). 1) растения сухих местообитаний; 2) способны переносить недостаток влаги; 3) уменьшена поверхность листьев; 4) опушение листьев очень обильное; 5) обладают глубокими корневыми системами.

Видоизменения листьев возникли в процессе эволюции вследствие влияния окружающей среды, поэтому они иног­да не похожи на обыкновенный лист.

· Колючки у кактусов, барбариса и др. - приспособления к уменьше­нию площади испарения и своего рода защита от поедания животными.

· Усики у гороха, чины прикрепляют лазаю­щий стебель к опоре.

· Сочные чешуи луковиц , листья кочана капусты запаса­ют питательные вещества,

· Кроющие чешуи почек - видоизмененные листья, которые защищают зача­ток побега.

· У насекомоядных растений (росянка, пузырчатка и др.) листья - ловчие аппараты . Насекомоядные растения произрастают на почвах, бедных минеральными веществами, особенно с недоста-точным содержанием азота, фосфора, калия и серы. Из тел насе-комых эти растения получают неорганические в-ва.

Листопад - явление закономерное и физиологически необходимое. Благодаря листопаду растения предохраняют себя от гибели в течение неблагоприятного времени года - зимы - или засушливого периода в жарком климате.

ü Сбрасывая листья, которые имеют огромную испаряю­щую поверхность, растения как бы балансируют возмож­ный приход и необходимый расход воды за указанный пе­риод.

ü Сбрасывая листья, растения освобождаются от накопившихся в них различных продуктов отброса , полу­чающихся при обмене веществ.

ü Листопад предохраняет ветви от обламывания под давлением масс снега.

Но у не­которых цветковых растений листья сохраняются всю зиму. Это вечнозеленые кустарнички брусника, вереск, клюква. Мелкие плотные листья этих растений, слабо ис­паряющие воду, сохраняются под снегом. Зимуют с зеле­ными листьями и многие травы, например земляника, клевер, чистотел.

Называя некоторые растения вечнозелеными, надо по­мнить, что листья этих растений не вечны. Они живут не­сколько лет и постепенно опадают. Но на новых побегах этих растений вырастают новые листья.

Размножение растений. Размножение - процесс, приводящий к увеличению числа особей.

У цветковых растений различают

Ø вегетатив­ное размножение, при котором образование новых особей происходит из клеток вегетативных органов,

Ø семенное размножение, при котором формирование нового организ­ма происходит из зиготы, возникаю-щей при слиянии поло­вых клеток, чему предшествует ряд сложных процессов, осуществляющихся главным образом в цветках.

Размножение растений при помощи вегетативных орга­нов называется вегетативным.

Вегетативное размноже­ние , осуществляемое при вмешательстве человека, называ­ется искусственным. К искусственному вегетативному размножению цветковых прибе-гают в том случае,

§ если рас­тение не дает семян

§ ускорить цветение и плодоно-шение.

В естественных условиях и в культуре растения часто размно-жаются одними и теми же орга-нами. Очень часто происходит размножение при помощи черен-ков. Чере­нок - это отрезок любо-го вегетативного органа растений, способный к восстановлению недостающих органов. Отрез­ки побега с 1-3 листьями, в пазухах которых развиваются пазушные почки, называются стеблевыми черенками . В ес­тественных усло-виях такими черенками легко размножа­ются ивы, тополя, а в культуре - герань, смородина…

Размножение листьями проис-ходит реже, но встречает­ся у таких растений, как луговой сердечник. На влажной почве у основания отломившегося листа развивается прида­точная почка, из которой вырастает новое растение. Лис­тьями размножают узамбарскую фиалку, некоторые виды бегонии и другие растения.

На листьях бриофиллюма образуются почки-детки , которые, опадая на землю, укореняются и дают начало новым рас­тениям.

Многие виды луков, лилий, нарциссов, тюльпанов раз­множаются луковицами. У луковицы от донца берет начало мочковатая корневая система, а из некоторых почек развиваются молодые луковички, называемые детками. Из каждой луковички-детки со временем вырастает новое взрослое растение. Маленькие луковички могут образовы­ваться не только под землей, но и в пазухах листьев некото­рых лилейных. Опадая на землю, такие луковицы-детки также развиваются в новое растение.

Растения легко размножаются особыми ползучими по­бегами - усами (земляника, живучка ползучая).

Размножение делением:

§ кустов (сирень) когда растение достигает значительных размеров, его можно разделить на несколько частей;

§ корневищ (ирисы) каждый отрезок, взятый для размножения, должен иметь или пазушную, или верхушечную почку

§ клубней (картофель, топинамбур), когда их недостаточно для посадки на определенной пло­щади, особенно если это ценный сорт. Деление клубня проводится так, чтобы каждая часть имела глазок и чтобы запас питательных веществ был достаточным для воспроизведения нового растения;

§ корней (малина, хрен) которые в благоприятных условиях дают новые растения;

§ корневых шишек - клубнекорней, которые отличаются от настоящего корня тем, что они не имеют узлов и междоузлий. Почки распо­ложены только на корневой шейке или стеблевом конце, поэтому у георгинов, клубневой бегонии и проводится деление корневой шейки с клубневидными образования­ми корней.

Размножение отводками. При размножении отводка­ми не отделенный от материнского растения побег пригиба­ют к почве, надрезают кору под почкой и присыпают зем­лей. Когда в месте надреза появятся корни и разовьются надземные побеги, молодое растеньице отделяют от материнского и пересаживают. Отводками можно размножать смородину, крыжовник и др. растения.

Прививка. Особым способом вегетативного размноже­ния является прививка. Прививкой называют пересадку части живого растения, снабженной почкой, на другое рас­тение, с которым первое скрещивается. Растение, на кото­рое прививают, называется подвоем ; растение, которое прививают, - привоем.

У привитых растений привой не образует корней и питается за счет подвоя, подвой же получает от привоя органические вещества, синтезированные в его листьях. Прививки чаще всего применяются для размножения пло­довых деревьев, которые с трудом образуют придаточные корни и не могут разводиться другим способом. Прививка также может проводиться пересадкой кусочка стебля с одной поч­кой под кору привоя (окулировка ) и скрещиванием одина­ковых по толщине привоя и подвоя (копулировка ). При прививках надо учитывать возраст и положение черенка на материнском растении, а также особенности привоя. Таким образом, разные способы вегетативного размноже­ния показывают, что у многих растений может восстано­виться целый организм из части.

Взаимосвязь органов. Несмотря на то, что все органы растения имеют присущее только им строение и выполня­ют специфические функции, благодаря проводящей систе­ме они связаны воедино, и растение функционирует как сложный целостный организм. Нарушение целостности любого органа обязательно отражается на строении и раз­витии других органов, причем это влияние может быть как положительным, так и отрицательным. Например, удале­ние верхушки стебля и корня способствует интенсивному развитию надземной и подземной частей растения, а удале­ние листьев задерживает рост и развитие и может даже привести к его гибели. Нарушение строения любого органа влечет за собой и нарушение его функций, что отражается на функционировании всего растения.

Известно, что все цветковые растения имеют клеточное строение, что строение клеток зависит от той функции, которую они выполняют. В едином растительном организме все клетки, сходные по строению и выполняемым функциям, образуют ткани, из тканей сложены органы растений, из органов - единый целостный организм. Как же он живет?

Обмен веществ

Одним из основных проявлений жизни является обмен веществ, или метаболизм (от греч. «метаболе» - изменение, превращение). В растительных организмах происходит внешний обмен - поглощение и выделение веществ, и внутренний обмен - превращение веществ в клетке. Внешний обмен может происходить с расходованием энергии или без нее. Внутренний же обмен веществ состоит из двух взаимосвязанных процессов: ассимиляции и диссимиляции. Ассимиляция (от лат. «ассимиляцио» - употребление) - процесс образования из простых веществ более сложных, из которых строится тело растения. Для этого необходима энергия. Диссимиляции - процесс распада сложных веществ, из которых построено тело, на более простые. При этом освобождается энергия.

Газообмен в листе происходит по закону диффузии (взаимного проникновения веществ). Днем, когда происходит фотосинтез, внутри листа концентрация углекислого газа уменьшается сравнительно с внешним воздухом, поскольку он расходуется на образование углеводов. Поэтому углекислый газ и проникает через устьица к межклетникам губчатой ткани, а оттуда к клеткам. В это же время из листьев выделяется кислород, освобождающийся в процессе фотосинтеза. Ночью происходит обратный процесс, а именно: количество углекислого газа в листьях возрастает и он выделяется в воздух, происходит интенсивно процесс дыхания. Дыхание происходит во всех живых клетках днем и ночью. Растение, как и человек, дышит кислородом, а выдыхает углекислый газ. Однако на свету, когда происходит фотосинтез, растения поглощают углекислого газа больше, чем выделяют при дыхании.

Зелёное растение. Фото: Ben Hosking

Минеральное питание

Для нормальной жизнедеятельности растениям нужны не только углеводы, образующиеся в процессе фотосинтеза, но и белки, жиры и другие вещества. Для их образования растению, кроме кислорода, водорода (из которых состоят углеводы), необходимы другие химические элементы.
Их растение получает из почвы в виде минеральных веществ, следовательно, почва - не только среда обитания, но и источник минерального питания растений. Из почвы в растение поступают такие элементы, как калий, фосфор, азот и другие, а также микроэлементы: бор, кальций, магний, сера, кобальт, марганец, медь, цинк и др.
При недостатке в почве минеральных солей их вносот в виде минеральных удобрений. Удобрения бывают минеральные: азотные (селитра, мочевина, сульфат аммония), фосфорные (суперфосфат) и калийные (хлорид калия). Золу также считают калийным удобрением. Вносят в почву и органические удобрения. Это вещества органического происхождения - навоз, птичий помет, перегной, торф. Есть еще и гранулированные удобрения. Их готовят в форме гранул (шариков). Вносят удобрения в почву весной или осенью, а также во время роста растений - подкормка.

Выращивать растения можно и без почвы, на водных питательных смесях, если в их составе будут все элементы, необходимые для питания растений. Такой способ выращивания растений получил название гидропоника.
Есть еще и аэропоника, когда растения выращивают без почвы и находящиеся в воздухе корни периодически опрыскивают мелкими капельками питательного раствора.
Транспорт веществ в растении - этот процесс в растении осуществляется в виде восходящего и нисходящего потоков. Штриховой стрелкой обозначен восходящий поток, непрерывной - нисходящий.

Вода с растворенными в ней веществами попадает в растение через корневые волоски, дальше поднимается по корню к стеблю и по стеблю - к листьям и другим органам (восходящий поток). Проводящая ткань, по которой движутся вода и минеральные соли, называется ксилемой, находится она в древесине стебля.
Ткань, по которой движутся вещества, образовавшиеся в листе (нисходящий поток), называется флоэмой. Флоэма расположена в коре. Проводящие клетки флоэмы живые и называются ситовидными трубками. Проводящие клетки ксилемы мертвые и называются сосудами.
Движение веществ проходит под силой действия корневого давления и транспирации. Под действием корневого давления раствор воды и минеральных солей через корневые волоски попадает в кору, а затем в сосуды ксилемы. По сосудам корня раствор поднимается к стеблю и по сосудам стебля движется вверх к листьям уже под действием силы транспирации.
Получая необходимые для жизнедеятельности вещества, растение растет, развивается и размножается.

Рост и развитие

Растение растет - значит, организм находится в движении, так как при этом идет деление клеток (в живых клетках цитоплазма постоянно находится в движении). Разрастаясь, корневая система увеличивает площадь минерального питания, а рост надземной части увеличивает площадь воздушного питания. Взаимосвязь подземной и надземной частей обеспечивает жизнь растению как целостному организму.

Рост и развитие растений тесно связаны между собой, но не заменяют друг друга. Регуляция этих процессов осуществляется на клеточном уровне. Процессы роста происходят ритмично.
Развитие растений - это те качественные изменения, которые происходят в растении на протяжении его жизни, начиная с деления зиготы. Из нее формируется зародыш с зачаточными органами, расположенный в семени. После прорастания семени из зародыша развивается растение, на котором образуются цветки, происходят цветение, опыление и оплодотворение, развитие плода и семени, их созревание и рассеивание. Развитие отдельного организма от семени до семени, то есть от рождения до смерти, называется индивидуальным, или онтогенезом (от греч. «онтос» - существо и «генио» - рождение). Развитие организмов в процессе эволюции, то есть в процессе исторического развития, называют филогенезом.

Размножение

Размножение - основная биологическая функция всякого живого организма. В одних случаях у растений размножением завершается жизненный путь, например, у однолетних и тех многолетних растений, у которых плодоношение бывает одни раз в жизни (бамбук, некоторые пальмы и др.). В других случаях размножение совершается многократно (многолетние травы, деревья и кустарники).
Каждое растение начинает размножаться в определенную пору своей жизни. И независимо от того, семенным или вегетативным способом происходит размножение, растения воспроизводят себе подобных. Способы размножения у растений разнообразны, но их можно свести в основном к трем: бесполому, вегетативному и половому.
При бесполом размножении воспроизведение себе подобных происходит без участия половых клеток и без оплодотворения. Бесполое размножение с помощью спор и вегетативных (растущих) частей тела свойственно всем растениям.

Как уже отмечалось, для жизненного цикла растений характерно чередование двух поколений - полового (гаплоидного, т. е. с одинарным набором хромосом) и бесполого (диплоидного, с двойным набором хромосом).

При половом размножении у растений обычно происходит чередование поколений: на одном формируются органы и клетки бесполого размножения - это спорофит, а на другом образуются половые органы и половые клетки - это гаметофит.
Приспосабливаясь к жизни на суше, наземные растения развивались по пути усовершенствования спорофита (бесполого поколения) и редукции (изменения) гаметофита (половые поколения). Гаметофит, который очень чувствителен к недостатку влаги, постепенно уменьшается в размерах, что дает ему возможность быстрее развиться и, таким образом, стать менее зависимым от воды.

Дыхание

Живая клетка представляет собой открытую энергетическую систему, она живет и сохраняет свою индивидуальность за счет постоянного притока энергии. Как только этот приток прекращается, наступает дезорганизация и смерть организма. Энергия солнечного света, запасенная при фотосинтезе в органическом веществе, вновь высвобождается и используется на самые различные процессы жизнедеятельности.
Энергия квантов света, аккумулированная в углеводах, вновь высвобождается в процессе их распада (диссимиляции). В самой общей форме можно отметить, что все живые клетки получают энергию за счет ферментативных реакций, в ходе которых электроны переходят с более высокого энергетического уровня на более низкий. В природе существуют два основных процесса, в ходе которых энергия солнечного света, запасенная в органическом веществе, высвобождается,- это дыхание и брожение. Дыхание - это аэробный окислительный распад органических соединений на простые, неорганические, сопровождаемый выделением энергии. Брожение -анаэробный процесс распада органических соединений на более простые, сопровождаемый выделением энергии. При брожении степень окисленности соединений не меняется. В случае дыхания акцептором электрона служит кислород, в случае брожения - органические соединения. Процессы, входящие в энергетический цикл, имеют настолько важное значение, что в настоящее время возникла наука биоэнергетика, изучающая молекулярные и субмолекулярные основы трансформации энергии.

Дыхание - один из центральных процессов обмена веществ растительного организма. Выделяющаяся при дыхании энергия тратится как на процессы роста, так и на поддержание в активном состоянии уже закончивших рост органов растения. Вместе с тем значение дыхания не ограничивается тем, что это процесс, поставляющий энергию. Дыхание, подобно фотосинтезу, сложный окислительно-восстановительный процесс, идущий через ряд этапов. На его промежуточных стадиях образуются органические соединения, которые затем используются в различных метаболических реакциях. К промежуточным соединениям относят органические кислоты и пентозы, образующиеся при разных путях дыхательного распада. Таким образом, процесс дыхания - источник многих метаболитов. Несмотря на то, что процесс дыхания в суммарном виде противоположен фотосинтезу, в некоторых случаях они могут дополнять друг друга.

Существование любого живого организма связано с непрерывным обменом вещественным, энергетическим и информационным с окружающей средой. Энергия, приходящая в систему расходуется на синтез биоэнергетических соединений на поддержание химических, астматических и электрических потенциалов, а так же их градиентов. В процессе жизнедеятельности происходит непрерывное превращение одних видов энергии в другие. Необходимо использовать термодинамику, как науку изучающую наиболее общие закономерности превращений различных видов энергии.

Термодинамической системой называется часть пространства с материальным содержанием, ограниченная некоторой оболочкой. Состояние системы характеризуется параметрами.

Экстенсивные параметры зависят от общего содержания вещества(масса или объем системы).

Интенсивные параметры не зависят от количества вещества в системе и стремится к выравниванию(температура, давление).

Возможно 3 вида термодинамических систем: изолированные, замкнутые и открытые.

Изолированные не могут обмениваться с окружающей средой ни энергией, ни веществом. Со временем такая система приходит в равновесное состояние, при котором все параметры одного значения. Такому состоянию соответствует наименьшее значение термодинамических потенциалов и максимальное значение энтропии.

Замкнутая система может обмениваться с окружающей средой веществом и информацией.

В открытой системе происходит обмен происходит обмен с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Она может находится в стационарном состоянии. Стационарным называется состояние при котором параметры системы

могут принимать в разных точках системы разные значения, которые не изменяются по времени. Изменение любого параметра, приводят к изменению состояния системы. Переход из одного состояния в другое- процесс. Процесс называется обратимым , если система возвращается в исходное состояние через одни и те же состояния, что и в прямом направлении. Необходимым называется процесс , протекающий только в одном направлении. Характеристикой состояния системы являются термодинамические потенциалы. Внутренняя энергия равна сумме всех видов энергии частиц, их которых состоит система, за исключением кинетической и потенциальной энергии системы, как целого. Внутренняя энергия- функция состояния и определяется параметрами системы.

Рассмотрим взаимодействия системы с окружающей средой. Обмен энергией может происходить за счет количества теплоты и совершенствования системной работы. Количество теплоты - теплообмен.

Процесс изменения энергии зависит от вида процессов, от способа совершения работы или передачи теплоты. Существуют следующие способы совершения работы:

1. Механическая работа при перемещении тел.

2. Механическая работа при расширении газа.

3. Работа по переносу электрического заряда.

4. Работа при химических реакциях.

В обобщенном виде:

Если на систему действует несколько сил, то по 1-му закону термодинамики:

Работа связана с превращением различным видом энергии. Подразделяется несколько видов энергии по способности их превращения в другие виды:

1. А- максимальная эффективная энергия. К ней относятся: гравитационная, световая, ядерная.

2. В- химическая энергия может превращаться в тепловую и электрическую энергию.

3. С- тепловая энергия. Деградация высших форм энергии в низшие, основное эволюционное свойство изолированных систем.

Тепловая энергия - это особый вид энергии низшего качества, который не может переходить без потери в другие виды энергии, т.к. тепловая энергия связана с хаотическим движением молекул. Живые организмы не являются источником новой энергии. Окисление поступающих в живой организм веществ приводит к высвобождению в нем эквивалентного хождения энергии, связанных с химической формой или каким-то другим видом энергии. Важной характеристикой системы является термодинамический потенциал. Существует 4 потенциала:

Функции состояния, изменение которых дает определить выполнение полезной работы и количество теплоты поступления в систему при теплообмене, по знаку и величине потенциала, можно следить по направлению процесса, при достижении равновесия, термодинамический потенциал стремится к наименьшему значению.

1)
2)

3)

Изменение энтальпии учитывает тепловой эффект химической реакции.

4) Термодинамический потенциал Гиббса.

Т.о. изменение потенциалов характеризует работу всех видов сил производной системы и количество теплоты которой обменивается система с окружающей средой. Различают 4 способа теплообмена:

1. Теплопроводность связанная с переносом теплоты через ткани организма, связанные с законом Фурье:

2. Конвекция, количество теплоты, которое переносится потоками разной плотности и разной температуры. .

3. Излучение, возникает на границе системы в виде электромагнитных волн, закон Стефана-Больцмана:

Ti- собственная температура

Tc- температура среды

4. Испарение, связано с превращением вещества из жидкого состояния в газообразное.

С учетом всех видов теплообмена можно записать уравнение теплового баланса:

Процессы теплообмена могут как увеличивать, так и уменьшать теплоту энергии, за исключением энергии испарения, которая всегда уменьшает количество теплоты внутри системы. Поскольку организм является термостатической системой, то для поддержания внутри организма постоянной температуры не зависит от внешних условий, организм имеет многочисленные системы регуляции.

Химическая регуляция происходит за счет изменения окислительных процессов внутри организма. Однако, изменение интенсивности обмена веществ приводит к серьезным нарушениям жизнедеятельности организма.

Физическая терморегуляция позволяет изменять интенсивность теплопроводности, конвекции и испарения. Терморегуляция внутренних органов, в которых в основном происходит выделение теплоты, совершенствуется при помощи тока крови, которая обладает высокой теплопроводностью. Интенсивность процесса теплообмена регулируется за счет усиления или ослабления оттока крови и связано с расширением или сужением кровеносных сосудов и является ответом на изменение внешних условий. Если температура среды выше температуры тела, то дополнительная теплорегуляция достигается за счет усиления испарения с поверхности тела. Кроме естественной терморегуляции большое значение имеет искусственная терморегуляция, связанная с изолированием организма от неблагоприятных условий окружающей среды. Тепловой баланс можно проверить экспериментально, определить энергию выделения организмом и энергию питательных веществ поступающих в организм. Энергия высвобождения из организма эквивалента поступающего внутрь. Т.о. все процессы жизнедеятельности соответствуют 1-му началу термодинамики.

Второе начало термодинамики в применении к биосистемам:

Второе начало термодинамики указывает на качественное различие форм энергии. Тепловая энергия образуется в организме, является определенной формой связанной энергии, т.е. в процессе жизнедеятельности она не может не может быть полностью превращена в другие виды. Для описания связанной энергии используется понятие энтропии.

Энтропия является функцией состояния и определяется с точностью до произвольной постоянной. Для изолированных систем энтропия не убывает, т.е. при протекании внутри системы необратимых процессов, энтропия возрастает, а при обратимом не меняется. Говорят о запасе энергии в системе, наиболее важно знать какую работу она может совершить над внешними телами, либо внутри самой системы. Для этого используется свободная энергия или энергия Гиббса. Для биосистем, процессы протекают при постоянной температуре и мало изменяющейся плотности и объеме. Т.о. для нормальных условий, свободно превращается часть внутренней энергии системы одинаковое в системе как свободной энергии, так и энергии Гиббса. Т.о. для оценки возможностей работы живого организма необходимо учитывать изменения свободной энергии или потенциал Гиббса. Существуют методы расчета изменения потенциала Гиббса для химических реакций.

Однако для биологических систем закон возрастания энтропии не наблюдается, что послужило причиной сомнения возможности применения 2-го закона термодинамики для животных систем. Согласно формулировке этого закона, возрождения энтропии определяет направление большинства естественных процессов в природе. Однако, закон возрождения энтропии справедлив только в изолированной системе и не может быть применен к живому организму на основании того, что это открытая система. Для изолированной системе в состоянии равновесия энтропия максимальна, а все термодинамические потенциалы, в том и собственная энергия и энергия Гиббса оказывается минимальным. В открытой же системе в стационарном состоянии изменение энтропии может быть отрицательно, а значение F или G могут вообще не изменяться.

Для изолированных систем :

Для открытых систем:

2-е начало термодинамики для открытых систем впервые было сформулировано Пригожыным.

Изменение энтропии открытых систем можно представить виде 2-х частей.

Первое слагаемое определяет изменение энтропии за счет внешних процессов. Второе слагаемое определяет изменение энтропии за счет процессов, протекающих внутри системы.

Это связано с необратимостью процессов расщепления питательных веществ, выравниванием градиентов, что всегда сопровождается увеличением энтропии. Аналогично энтропии можно разделить потенциал Гиббса.

Внутренние процессы сопровождаются расходом и убыванием потенциала Гиббса, который за счет обмена с окружающей средой может как увеличиваться, так и уменьшаться. В общем случае знак и величина изменения энтропии в разные промежутки времени изменяются, поэтому удобно рассматривать скорость изменения энтропии в открытой системе.

Для поддержания жизнедеятельности необходимо непрерывное поступление в организм свободной энергии из окружающей среды для компенсации убыли свободной энергии за счет внутренних процессов. Уменьшение энтропии в животной системе в ходе потребления пищевых продуктов и солнечной энергии одновременно приводит к увеличению свободной энергии системы. Т.е. приток отрицательной энергии не связан с упорядочению живых структур. Деградация питательных веществ приводит к выделению свободной энергии необходимой организму. Поток отрицательной энтропии необходим для компенсации нарастания энтропии и убыли свободной энергии, которая происходит внутри клетки в результате самопроизвольных процессов жизнедеятельности. Т.о. открытая система представляет собой процесс круговорота и превращения свободной энергии. Если внутри открытой системы достигнуто равновесие в отношении температуры, то и процессы обмена с окружающей средой протекают равновесно. Устойчивым состоянием открытой системы является стационарное состояние. Термодинамические условия возникновения стационарного состояния является равенство между изменением энтропии внутри организма и потоком энтропии в окружающую среду. Т.е. для открытой системы условием стационарного состояния является:

Постоянство энтропии не означает термодинамическое равновесие с окружающей средой. Равновесие организма с окружающей средой означает биологическую смерть. Для открытой системы постоянство энтропии устанавливает стационарное состояние системы и характеризует не отсутствие обратимых процессов, как в случае равновесия в изолированной среде, а взаимодействие с окружающей средой в наиболее оптимальной форме. Т.о. 2-е начало термодинамики для открытых систем помогает указать на целесообразность стационарного состояния системы. Впервые этот принцип был сформулирован Пригожыным в виде теоремы:

В стационарном состоянии производство энтропии внутри системы имеет постоянную и наименьшую из всех возможных скоростей.

Теорема указывает на то, что стационарное состояние обеспечивает наименьшие потери свободной энергии. В таком состоянии организм функционирует наиболее эффективно.

Все живые организмы, обитающие на Земле, с точки зрения термодинамики представляют собой открытые системы, способные активно организовывать поступление энергии и веществ извне. Энергия необходима для осуществления всех процессов жизнедеятельности, но, в первую очередь, для химического синтеза веществ, используемых для построения и восстановления структур клетки и организма. Откуда же живые организмы берут энергию? Живые существа способны использовать только два вида энергии – световую (энергию солнечного излучения) и химическую (энергию связей химических соединений) – и по этому признаку делятся на две группы: фототрофы ихемотрофы.

Для синтеза компонентов организма необходимо потребление извне химических элементов, используемых в качестве строительных блоков. Главным структурным элементом органических молекул является углерод. В зависомости от источников углерода

Кто как – фототрофы (растения) используют энергию солнечного излучения, гетеротрофы (грибы, животные) – энергию химических связей веществ, поступающих с пищей. Полученная энергия используется дальше для синтеза органических молекул, главным структурным элементом которых является углерод. В зависимости от источников углерода живые организмы делятся на две большие группы: автотрофы и гетеротрофы . Автотрофы специализируются на неорганических источниках углерода (воздух), а гетеротрофы должны кого-нибудь…съесть. Большинство живых организмов относится к фотоавтотрофам или хемогетеротрофам . Однако некоторые живые существа (эвглена зеленая, хламидомонада) в зависимости от условий обитания ведут себя как авто- либо гетеротрофы и составляют особую группу миксотрофных (авто-гетеротрофных) организмов.

Процесс потребления энергии и вещества называется питанием . Известны два типа питания: голозойный – посредством захвата частиц пищи внутрь тела, голофитный – без захвата, посредством всасывания растворенных веществ через поверхностные структуры организма. Пищевые вещества, попавшие в организм тем или иным способом, далее вовлекаются в обмен веществ.

Обмен веществ, или метаболизм представляет собой совокупность взаимосвязанных и сбалансированных процессов, включающих разнообразные химические превращения веществ в организме. Обязательным его условием является связь живых организмов с внешней средой. Из внешней среды живые существа получают элементы питания – воду, кислород и др. Во внешнюю среду они выделяют продукты своей жизнедеятельности. Такой взаимообмен обусловливает жизнь организмов: они растут, развиваются, изменяется их строение и свойства, но при этом не меняется главное качество – они остаются живыми!

Тела неорганической природы так же подвергаются воздействиям внешней среды и теряют при этом свои характерные качества, приобретают новые, испытывают превращения: железо превращается в ржавчину, камень в щебень, песок, пыль; окислы превращаются в кислоты и т.д.

По этому поводу философ Ф. Энгельс писал: «Скала, подвергшаяся выветриванию, уже больше не скала, металл в результате окисления превращается в ржавчину. Но то, что в неживых телах является причиной разрушения, у белка становится основным условием существования ».

Поглощение питательных веществ и выделение продуктов жизнедеятельности;

Синтез, использование и расщепление макромолекул.

Все разнообразные химические процессы, составляющие обмен веществ, делят на две группы – процессы ассимиляции и процессы диссимиляции.

Основу анаболизма (ассимиляции , или пластического обмена) составляют реакции синтеза, протекающие с потреблением энергии, – потребление и превращение поступающих в организм веществ в собственное его тело (компоненты клеток и отложение запасов, благодаря чему происходит накопление энергии). Метаболизм у авто- и гетеротрофных организмов характеризуется особенностями, касающимися способов построения структурных компонентов органических молекул.

Автотрофные организмы способны полностью самостоятельно синтезировать органические вещества из неорганических молекул, потребляемых из внешней среды:

Неорганические вещества (СО 2 , Н 2 О) фотосинтез биологические синтезы

Гетеротрофные организмы строят собственные органические вещества из органических компонентов пищи:

Органические вещества пищи (белки, жиры, углеводы) пищеварение простые органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, моносахара) биологические синтезы макромолекулы тела (белки, жиры, углеводы).

Основу катаболизма (диссимиляции , или энергетического обмена) составляют реакции расщепления, сопровождающиеся высвобождением энергии, - окислительно-восстановительный процесс разрушения органических веществ и превращение их в более простые соединения, благодаря чему высвобождается ранее накопленная в ходе ассимиляции энергия, необходимая для осуществления жизнедеятельности (часть энергии рассевается в виде тепла, а другая ее часть аккумулируется в макроэргических связях АТФ); одновременно освобождаются ресурсы организма (ферменты и др.) для процесса ассимиляции.

Процессы анаболизма и катаболизма неразрывно связаны между собой. Все синтетические процессы нуждаются в энергии, поставляемой в ходе реакций диссимиляции. Сами же реакции расщепления протекают лишь при участии ферментов, синтезируемых в процессе ассимиляции. Однако обе эти стороны обмена веществ и энергии не всегда находятся в равновесии: в растущем организме преобладают процессы ассимиляции, а при интенсивных физических нагрузках и в старости – процессы диссимиляции. Таким образом, обмен веществ можно определить как последовательное потребление, превращение, использование, накопление и потерю веществ и энергии в живых организмах в процессе жизни, обусловливающие самообновление, самовоспроизведение и саморегуляцию, рост и развитие в условиях постоянно меняющейся окружающей среды и позволяющие адаптироваться в ней. Обмен веществ регулируется внутриклеточными, гормональными механизмами, координируемыми нервной системой.

Биология (от греческих слов bios – жизнь, logos – учение) – это наука, изучающая живые организмы и явления живой природы.

Предметом изучения биологии является многообразие живых организмов, населяющих Землю.

Свойства живой природы. Все живые организмы обладают рядом общих признаков и свойств, которые отличают их от тел неживой природы. Это особенности строения, обмен веществ, движение, рост, размножение, раздражимость, саморегуляция. Остановимся на каждом из перечисленных свойств живой материи.

Высокоупорядоченное строение. Живые организмы состоят из химических веществ, которые имеют более высокий уровень организации, чем вещества неживой природы. Все организмы имеют определенный план строения – клеточный или неклеточный (вирусы).

Обмен веществ и энергии – это совокупность процессов дыхания, питания, выделения, посредством которых организм получает из внешней среды необходимые ему вещества и энергию, преобразует и накапливает их в своем организме и выделяет в окружающую среду продукты жизнедеятельности.

Раздражимость – это ответная реакция организма на изменения окружающей среды, помогающая ему адаптироваться и выжить в изменяющихся условиях. При уколе иглой человек отдергивает руку, а гидра сжимается в комочек. Растения поворачиваются к свету, а амеба удаляется от кристаллика поваренной соли.

Рост и развитие. Живые организмы растут, увеличиваются в размерах, развиваются, изменяются благодаря поступлению питательных веществ.

Размножение – способность живого к самовоспроизведению. Размножение связано с явлением передачи наследственной информации и является самым характерным признаком живого. Жизнь любого организма ограничена, но в результате размножения живая материя «бессмертна».

Движение. Организмы способны к более или менее активному движению. Это один из ярких признаков живого. Движение происходит и внутри организма, и на уровне клетки.

Саморегуляция. Одним из самых характерных свойств живого является постоянство внутренней среды организма при изменяющихся внешних условиях. Регулируются температура тела, давление, насыщенность газами, концентрация веществ и т. д. Явление саморегуляции осуществляется не только на уровне всего организма, но и на уровне клетки. Кроме того, благодаря деятельности живых организмов саморегуляция присуща и биосфере в целом. Саморегуляция связана с такими свойствами живого, как наследственность и изменчивость.

Наследственность – это способность передавать признаки и свойства организма из поколения в поколение в процессе размножения.

Изменчивость – это способность организма изменять свои признаки при взаимодействии со средой.

В результате наследственности и изменчивости живые организмы приспосабливаются, адаптируются к внешним условиям, что позволяет им выжить и оставить потомство.

Большинство живых организмов имеет клеточное строение. Клетка – это структурная и функциональная единица живого. Для нее характерны все признаки и функции живых организмов: обмен веществ и энергии, рост, размножение, саморегуляция. Клетки различны по форме, размеру, функциям, типу обмена веществ (рис. 47).

Рис. 47. Разнообразие клеток: 1 – эвглена зеленая; 2 – бактерия; 3 – растительная клетка мякоти листа; 4 – эпителиальная клетка; 5 – нервная клетка

Размеры клеток варьируют от 3-10 до 100 мкм (1 мкм = 0,001 м). Реже встречаются клетки размером менее 1–3 мкм. Существуют также и клетки-гиганты, размеры которых достигают нескольких сантиметров. По форме клетки также весьма разнообразны: шаровидные, цилиндрические, овальные, веретеновидные, звездчатые и т. д. Однако между всеми клетками много общего. Они имеют одинаковый химический состав и общий план строения.

Химический состав клетки. Из всех известных химических элементов в живых организмах встречаются около 20, причем на долю 4 из них: кислорода, углерода, водорода и азота – приходится до 95 %. Эти элементы называют элементами-биогенами. Из неорганических веществ, входящих в состав живых организмов, наибольшее значение имеет вода. Ее содержание в клетке колеблется от 60 до 98 %. Кроме воды в клетке находятся и минеральные вещества, в основном в виде ионов. Это соединения железа, иода, хлора, фосфора, кальция, натрия, калия и т. д.

Кроме неорганических веществ в клетке присутствуют и органические вещества: белки, липиды (жиры), углеводы (сахара), нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК). Они составляют основную массу клетки. Наиболее важными органическими веществами являются нуклеиновые кислоты и белки. Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) участвуют в передаче наследственной информации, синтезе белков, регуляции всех процессов жизнедеятельности клетки.

Белки выполняют целый ряд функций: строительную, регуляторную, транспортную, сократительную, защитную, энергетическую. Но самой важной является ферментативная функция белков.

Ферменты – это биологические катализаторы, ускоряющие и регулирующие все многообразие химических реакций, протекающих в живых организмах. Ни одна реакция в живой клетке не протекает без участия ферментов.

Липиды и углеводы выполняют в основном строительную и энергетическую функции, являются запасными питательными веществами организма.

Так, фосфолипиды вместе с белками строят все мембранные структуры клетки. Высокомолекулярный углевод – целлюлоза образует клеточную оболочку растений и грибов.

Жиры, крахмал и гликоген являются запасными питательными веществами клетки и организма в целом. Глюкоза, фруктоза, сахароза и другие сахара входят в состав корней и листьев, плодов растений. Глюкоза является обязательным компонентом плазмы крови человека и многих животных. При расщеплении углеводов и жиров в организме выделяется большое количество энергии, необходимой для процессов жизнедеятельности.

Клеточные структуры. Клетка состоит из наружной клеточной мембраны, цитоплазмы с органеллами и ядра (рис. 48).

Рис. 48. Комбинированная схема строения животной (А) и растительной (Б) клетки: 1 – оболочка; 2 – наружная клеточная мембрана; 3 – ядро; 4 – хроматин; 5 – ядрышко; 6 – эндоплазматическая сеть (гладкая и гранулярная); 7 – митохондрии; 8 – хлоропласты; 9 – аппарат Гольджи; 10 – лизосома; 11 – клеточный центр; 12 – рибосомы; 13 – вакуоль; 14 – цитоплазма

Наружная клеточная мембрана – это одномембранная клеточная структура, которая ограничивает живое содержимое клетки всех организмов. Обладая избирательной проницаемостью, она защищает клетку, регулирует поступление веществ и обмен с внешней средой, поддерживает определенную форму клетки. Клетки растительных организмов, грибов, кроме мембраны снаружи имеют еще и оболочку. Эта неживая клеточная структура состоит из целлюлозы у растений и хитина – у грибов, придает прочность клетке, защищает ее, является «скелетом» растений и грибов.

В цитоплазме, полужидком содержимом клетки, находятся все органоиды.

Эндоплазматическая сеть пронизывает цитоплазму, обеспечивая сообщение между отдельными частями клетки и транспорт веществ. Различают гладкую и гранулярную ЭПС. На гранулярной ЭПС находятся рибосомы.

Рибосомы – это мелкие тельца грибовидной формы, на которых идет синтез белка в клетке.

Аппарат Гольджи обеспечивает упаковку и вынос синтезируемых веществ из клетки. Кроме того, из его структур образуются лизосомы. Эти шарообразные тельца содержат ферменты, которые расщепляют поступающие в клетку питательные вещества, обеспечивая внутриклеточное переваривание.

Митохондрии – это полуавтономные мембранные структуры продолговатой формы. Их число в клетках различно и увеличивается в результате деления. Митохондрии – это энергетические станции клетки. В процессе дыхания в них происходит окончательное окисление веществ кислородом воздуха. При этом выделяющаяся энергия запасается в молекулах АТФ, синтез которых происходит в этих структурах.

Хлоропласты, полуавтономные мембранные органеллы, характерны только для растительных клеток. Хлоропласты имеют зеленую окраску за счет пигмента хлорофилла, они обеспечивают процесс фотосинтеза.

Кроме хлоропластов растительные клетки имеют и вакуоли, заполненные клеточным соком.

Клеточный центр участвует в процессе деления клетки. Он состоит из двух центриолей и центросферы. Во время деления они образуют нити веретена деления и обеспечивают равномерное распределение хромосом в клетке.

Ядро – это центр регуляции жизнедеятельности клетки. Ядро отделено от цитоплазмы ядерной мембраной, в которой имеются поры. Внутри оно заполнено кариоплазмой, в которой находятся молекулы ДНК, обеспечивающие передачу наследственной информации. Здесь происходит синтез ДНК, РНК, рибосом. Часто в ядре можно увидеть одно или несколько темных округлых образований – это ядрышки. Здесь образуются и скапливаются рибосомы. В ядре молекулы ДНК не видны, так как находятся в виде тонких нитей хроматина. Перед делением ДНК спирализуются, утолщаются, образуют комплексы с белком и превращаются в хорошо заметные структуры – хромосомы (рис. 49). Обычно хромосомы в клетке парные, одинаковые по форме, величине и наследственной информации. Парные хромосомы называются гомологичными. Двойной парный набор хромосом называется диплоидным. В некоторых клетках и организмах содержится одинарный, непарный набор, который называется гаплоидным.

Рис. 49. А– строение хромосомы: 1 – центромера; 2 – плечи хромосомы; 3 – молекулы ДНК; 4 – сестринские хроматиды; Б – виды хромосом: 1 – равноплечная; 2 – разноплечная; 3 – одноплечная

Число хромосом для каждого вида организмов постоянно. Так, в клетках человека 46 хромосом (23 пары), в клетках пшеницы 28 (14 пар), голубя 80 (40 пар). Эти организмы содержат диплоидный набор хромосом. Некоторые организмы, такие, как водоросли, мхи, грибы, имеют гаплоидный набор хромосом. Половые клетки у всех организмов гаплоидны.

Кроме перечисленных, некоторые клетки имеют специфические органоиды – реснички и жгутики, обеспечивающие движение в основном у одноклеточных организмов, но имеются они и у некоторых клеток многоклеточных организмов. Например, жгутики имеются у эвглены зеленой, хламидомонады, некоторых бактерий, а реснички – у инфузорий, клеток ресничного эпителия животных.

Обмен веществ и энергии в клетке. Основой жизнедеятельности клетки являются обмен веществ и превращение энергии. Совокупность химических превращений, протекающих в клетке или организме, связанных между собой и сопровождающихся превращением энергии, называется обменом веществ и энергии.

Синтез органических веществ, сопровождающийся поглощением энергии, называется ассимиляцией или пластическим обменом. Распад, расщепление органических веществ, сопровождающийся выделением энергии, называется диссимиляцией или энергетическим обменом.

Главным источником энергии на Земле является Солнце. Клетки растений специальными структурами в хлоропластах улавливают энергию Солнца, превращая ее в энергию химических связей молекул органических веществ и АТФ.

АТФ (аденозинтрифосфат) – это органическое вещество, универсальный аккумулятор энергии в биологических системах. Солнечная энергия превращается в энергию химических связей этого вещества и расходуется на синтез глюкозы, крахмала и других органических веществ.

Кислород атмосферы, как это ни покажется странным, – побочный продукт процесса жизнедеятельности растений – фотосинтеза.

Процесс синтеза органических веществ из неорганических под действием энергии Солнца называется фотосинтезом.

Обобщенное уравнение фотосинтеза можно представить в следующем виде:

6СО 2 + 6Н 2 О – свет > С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 .

В растениях органические вещества создаются в процессе первичного синтеза из углекислого газа, воды и минеральных солей. Животные, грибы, многие бактерии используют готовые органические вещества (из растений). Кроме того, при фотосинтезе образуется кислород, который необходим живым организмам для дыхания.

В процессе питания и дыхания органические вещества расщепляются и окисляются кислородом. Освобождающаяся энергия частично выделяется в виде тепла, а частично вновь запасается в синтезируемых молекулах АТФ. Этот процесс протекает в митохондриях. Конечные продукты распада органических веществ – вода, углекислый газ, соединения аммиака, которые вновь используются в процессе фотосинтеза. Запасенная в АТФ энергия расходуется на вторичный синтез органических веществ, характерных для каждого организма, на рост, размножение.

Итак, растения обеспечивают все организмы не только питательными веществами, но и кислородом. Кроме того, они преобразуют энергию Солнца и передают ее через органические вещества всем другим группам организмов.

Обмен веществ как основное свойство организмов. Организм находится в сложных взаимоотношениях с окружающей средой. Из нее он получает пищу, воду, кислород, свет, тепло. Создавая посредством этих веществ и энергии массу живого вещества, строит свое тело. Однако, используя эту среду, организм благодаря своей жизнедеятельности одновременно и воздействует на нее, изменяет ее. Следовательно, главным процессом взаимосвязи организма и среды является обмен веществ и энергией.

Типы обмена веществ. Факторы внешней среды имеют различное значение для разных организмов. Растениям для роста и развития необходимы свет, вода и углекислый газ, минеральные вещества. Животным и грибам такие условия недостаточны. Им необходимы питательные органические вещества. По способу питания, источнику получения органических веществ и энергии все организмы делятся на автотрофные и гетеротрофные.

Автотрофные организмы синтезируют органические вещества в процессе фотосинтеза из неорганических (углекислого газа, воды, минеральных солей), используя энергию солнечного света. К ним относятся все растительные организмы, фотосинтезирующие цианобактерии. К автотрофному питанию способны и хемосинтезирующие бактерии, использующие энергию, которая выделяется при окислении неорганических веществ: серы, железа, азота.

Процесс автотрофной ассимиляции осуществляется за счет энергии солнечного света или окисления неорганических веществ, а органические вещества синтезируются при этом из неорганических. В зависимости от поглощения неорганического вещества различают ассимиляцию углерода, ассимиляцию азота, ассимиляцию серы и других минеральных веществ. Автотрофная ассимиляция связана с процессами фотосинтеза и хемосинтеза и носит название первичного синтеза органического вещества.

Гетеротрофные организмы получают готовые органические вещества от автотрофов. Источником энергии для них является энергия, запасенная в органических веществах и выделяющаяся при химических реакциях распада и окисления этих веществ. К ним относятся животные, грибы, многие бактерии.

При гетеротрофной ассимиляции организм поглощает органические вещества в готовом виде и преобразует их в собственные органические вещества за счет энергии, содержащейся в поглощенных веществах. Гетеротрофная ассимиляция включает процессы потребления пищи, переваривания ее, усвоения и синтеза новых органических веществ. Этот процесс носит название вторичного синтеза органических веществ.

Процессы диссимиляции у организмов также различаются. Одним из них для жизнедеятельности необходим кислород – это аэробные организмы. Другим кислород не нужен, и процессы их жизнедеятельности могут протекать в бескислородной среде – это анаэробные организмы.

Различают внешнее дыхание и внутреннее. Газообмен между организмом и внешней средой, включающий в себя поглощение кислорода и выделение углекислого газа, а также транспорт этих веществ по организму к отдельным органам, тканям и клеткам, называется внешним дыханием. В этом процессе кислород не используется, а только транспортируется.

Внутреннее, или клеточное, дыхание включает в себя биохимические процессы, которые приводят к усвоению кислорода, освобождению энергии и образованию воды и углекислого газа. Эти процессы протекают в цитоплазме и митохондриях эукариотных клеток или на специальных мембранах прокариотных клеток.

Обобщенное уравнение процесса дыхания:

C 6 H 12 O 6 + 6O 2 > 6CO 2 + 6H 2 O.

2. Другой формой диссимиляции является анаэробное, или бескислородное, окисление. Процессы энергетического обмена в этом случае протекают по типу брожения. Брожение – это форма диссимиляции, при которой богатые энергией органические вещества расщепляются с освобождением энергии до менее богатых энергией, но тоже органических веществ.

В зависимости от конечных продуктов различают типы брожения: спиртовое, молочнокислое, уксуснокислое и т. д. Спиртовое брожение встречается у дрожжевых грибов, некоторых бактерий, а также протекает в некоторых растительных тканях. Молочнокислое брожение встречается у молочнокислых бактерий, а также протекает в мышечной ткани человека и животных при недостатке кислорода.

Взаимосвязь реакций обмена веществ у автотрофных и гетеротрофных организмов. Через процессы обмена веществ автотрофные и гетеротрофные организмы в природе связаны между собой (рис. 50).

Рис. 50. Поток вещества и энергии в биосфере

Самыми важными группами организмов являются автотрофы, которые способны синтезировать органические вещества из неорганических. Большинство автотрофов – зеленые растения, которые в процессе фотосинтеза превращают неорганический углерод – углекислый газ в сложные органические соединения. Зеленые растения выделяют при фотосинтезе также кислород, который необходим для дыхания живых существ.

Гетеротрофы усваивают только готовые органические вещества, получая энергию при их расщеплении. Автотрофные и гетеротрофные организмы связаны между собой процессами обмена веществ и энергий. Фотосинтез является практически единственным процессом, обеспечивающим организмы питательными веществами и кислородом.

Несмотря на большие масштабы фотосинтеза, зеленые растения Земли используют всего 1 % солнечной энергии, падающей на листья. Одна из важнейших задач биологии – повышение коэффициента использования солнечной энергии культурными растениями, создание продуктивных сортов.

В последние годы особое внимание привлекает к себе одноклеточная водоросль хлорелла, которая содержит в своем теле до 6 % хлорофилла и обладает замечательной способностью усваивать до 20 % солнечной энергии. При искусственном разведении хлорелла быстро размножается, а в ее клетке повышается содержание белка. Этот белок используется в качестве пищевых добавок ко многим продуктам. Установлено, что с 1 га водной поверхности можно получать ежедневно до 700 кг сухого вещества хлореллы. Кроме того, в хлорелле синтезируется большое количество витаминов.

Еще один интерес к хлорелле связан с космическими полетами. Хлорелла в искусственных условиях может обеспечить кислородом, выделяемым при фотосинтезе, космический корабль.

Понятие о раздражимости. Микроорганизмы, растения и животные реагируют на самые разнообразные воздействия окружающей среды: на механические воздействия (укол, давление, удар и т. д.), на изменение температуры, интенсивность и направление световых лучей, на звук, электрические раздражения, изменения в химическом составе воздуха, воды или почвы и т. д. Это приводит к определенным колебаниям организма между стабильным и нестабильным состоянием. Живые организмы способны в меру своего развития анализировать эти состояния и соответствующим образом реагировать на них. Подобные свойства всех организмов называются раздражимостью и возбудимостью.

Раздражимость – это способность организма реагировать на внешние или внутренние воздействия.

Раздражимость возникла у живых организмов как приспособление, обеспечивающее лучший обмен веществ и защиту от воздействий условий среды.

Возбудимость – это способность живых организмов воспринимать воздействия раздражителей и отвечать на них реакцией возбуждения.

Воздействие окружающей среды сказывается на состоянии клетки и ее органелл, тканей, органов и организма в целом. Организм отвечает на это соответствующими реакциями.

Простейшим проявлением раздражимости является движение. Оно характерно даже для самых простейших организмов. Это можно пронаблюдать в опыте над амебой под микроскопом. Если рядом с амебой поместить небольшие комочки пищи или кристаллики сахара, то она начинает активное движение в сторону питательного вещества. С помощью ложноножек амеба обволакивает комочек, вовлекая его внутрь клетки. Там сразу же образуется пищеварительная вакуоль, в которой пища переваривается.

С усложнением строения организма усложняются как обмен веществ, так и проявления раздражимости. У одноклеточных организмов и растений нет специальных органов, обеспечивающих восприятие и передачу раздражений, поступающих из окружающей среды. У многоклеточных животных имеются органы чувств и нервная система, благодаря которым они воспринимают раздражения, а ответы на них достигают большой точности и целесообразности.

Раздражимость у одноклеточных организмов. Таксисы.

Наиболее простые формы раздражимости наблюдаются у микроорганизмов (бактерий, одноклеточных грибов, водорослей, простейших).

В примере с амебой мы наблюдали движение амебы в сторону раздражителя (пища). Такая двигательная реакция одноклеточных организмов в ответ на раздражение из внешней среды называется таксисом. Таксис вызван химическим раздражением, поэтому его называют еще хемотаксисом (рис. 51).

Рис. 51. Хемотаксис у инфузорий

Таксисы могут быть положительными и отрицательными. Поместим пробирку с культурой инфузорий-туфелек в закрытую картонную коробочку с единственным отверстием, расположенным против средней части пробирки, и выставим ее на свет.

Через несколько часов все инфузории сконцентрируются в освещенной части пробирки. Это положительный фототаксис.

Таксисы свойственны многоклеточным животным. Например, лейкоциты крови проявляют положительный хемотаксис по отношению к веществам, выделяемым бактериями, концентрируются в местах скопления этих бактерий, захватывают и переваривают их.

Раздражимость у многоклеточных растений. Тропизмы. Хотя у многоклеточных растений нет органов чувств и нервной системы, тем не менее у них отчетливо проявляются различные формы раздражимости. Они заключаются в изменении направления роста растения или его органов (корня, стебля, листьев). Такие проявления раздражимости у многоклеточных растений называются тропизмами.

Стебель с листьями проявляют положительный фототропизм и растут по направлению к свету, а корень – отрицательный фототропизм (рис. 52). Растения реагируют на гравитационное поле Земли. Обратите внимание на деревья, растущие по склону горы. Хотя поверхность почвы имеет наклон, деревья растут вертикально. Реакция растений на земное притяжение называется геотропизмом (рис. 53). Корешок, который появляется из прорастающего семени, всегда направлен вниз к земле – положительный геотропизм. Побег с листьями, развивающийся из семени, всегда направлен вверх от земли – отрицательный геотропизм.

Тропизмы очень разнообразны и играют большую роль в жизни растений. Они ярко выражены в направлении роста у различных вьющихся и лазающих растений, например винограда, хмеля.

Рис. 52. Фототропизм

Рис. 53. Геотропизм: 1 – цветочный горшок с пря-морастущими проростками редиса; 2 – цветочный горшок, положенный набок и содержащийся в темноте для устранения фототропизма; 3 – проростки в цветочном горшке изогнулись в сторону, противоположную действию силы тяжести (стебли обладают отрицательным геотропизмом)

Помимо тропизмов, у растений наблюдаются движения иного типа – настии. Они отличаются от тропизмов отсутствием определенной ориентировки к вызвавшему их раздражителю. Например, если прикоснуться к листьям стыдливой мимозы, они быстро складываются в продольном направлении и опускаются книзу. Через некоторое время листья снова принимают прежнее положение (рис. 54).

Рис. 54. Настии у стыдливой мимозы: 1 – в нормальном состоянии; 2 – при раздражении

Цветки многих растений реагируют на свет и влажность. Например, у тюльпана на свету цветки раскрываются, а в темноте закрываются. У одуванчика соцветие закрывается в пасмурную погоду и открывается в ясную.

Раздражимость у многоклеточных животных. Рефлексы. В связи с развитием у многоклеточных животных нервной системы, органов чувств и органов движения формы раздражимости усложняются и зависят от тесного взаимодействия этих органов.

В простейшем виде такое раздражение возникает уже у кишечнополостных. Если уколоть иглой пресноводную гидру, то она сожмется в комочек. Внешнее раздражение воспринимает чувствительная клетка. Возникшее в ней возбуждение передается нервной клетке. Нервная клетка передает возбуждение кожно-мышечной клетке, которая реагирует на раздражение сокращением. Этот процесс называется рефлексом (отражением).

Рефлекс – это ответная реакция организма на раздражение, осуществляемая нервной системой.

Представление о рефлексе было высказано еще Декартом. Позднее оно было развито в трудах И. М. Сеченова, И. п. Павлова.

Путь, проходимый нервным возбуждением от воспринимающего раздражение органа до органа, выполняющего ответную реакцию, называется рефлекторной дугой.

У организмов с нервной системой существует два типа рефлексов: безусловные (врожденные) и условные (приобретенные). Условные рефлексы формируются на базе безусловных.

Любое раздражение вызывает изменение обмена веществ в клетках, что приводит к возникновению возбуждения и возникает ответная реакция.

Период жизнедеятельности клетки, в котором происходят все процессы обмена веществ, называется жизненным циклом клетки.

Клеточный цикл состоит из интерфазы и деления.

Интерфаза – это период между двумя делениями клетки. Она характеризуется активными процессами обмена веществ, синтезом белка, РНК, накоплением питательных веществ клеткой, ростом и увеличением объема. К концу интерфазы происходит удвоение ДНК (репликация). В результате каждая хромосома содержит две молекулы ДНК и состоит из двух сестринских хроматид. Клетка готова к делению.

Деление клетки. Способность к делению – это важнейшее свойство клеточной жизнедеятельности. Механизм самовоспроизведения срабатывает уже на клеточном уровне. Наиболее распространенным способом деления клетки является митоз (рис. 55).

Рис. 55. Интерфаза (А) и фазы митоза (Б): 1 – профаза; 2 – метафаза; 3 – анафаза; 4 – телофаза

Митоз – это процесс образования двух дочерних клеток, идентичных исходной материнской клетке.

Митоз состоит из четырех последовательных фаз, обеспечивающих равномерное распределение генетической информации и органелл между двумя дочерними клетками.

1. В профазе ядерная мембрана исчезает, хромосомы максимально спирализуются, становятся хорошо заметными. Каждая хромосома состоит из двух сестринских хроматид. Центриоли клеточного центра расходятся к полюсам и образуют веретено деления.

2. В метафазе хромосомы располагаются в экваториальной зоне, нити веретена деления соединены с центромерами хромосом.

3. Анафаза характеризуется расхождением сестринских хроматид-хромосом к полюсам клетки. У каждого полюса оказывается столько же хромосом, сколько их было в исходной клетке.

4. В телофазе происходит деление цитоплазмы и органоидов, в центре клетки образуется перегородка из клеточной мембраны и возникают две новые дочерние клетки.

Весь процесс деления длится от нескольких минут до 3 ч в зависимости от типа клеток и организма. Стадия деления клетки по времени в несколько раз короче ее интерфазы. Биологический смысл митоза заключается в обеспечении постоянства числа хромосом и наследственной информации, полной идентичности исходных и вновь возникающих клеток.

В природе существует два типа размножения организмов: бесполое и половое.

Бесполое размножение – это образование нового организма из одной клетки или группы клеток исходного материнского организма. В этом случае в размножении участвует только одна родительская особь, которая передает свою наследственную информацию дочерним особям.

В основе бесполого размножения лежит митоз. Существует несколько форм бесполого размножения.

Простое деление, или деление надвое, характерно для одноклеточных организмов. Из одной клетки путем митоза образуются две дочерние клетки, каждая из которых становится новым организмом.

Почкование – это форма бесполого размножения, при которой от родительской особи отделяется дочерний организм. Такая форма характерна для дрожжей, гидры и некоторых других животных.

У споровых растений (водорослей, мхов, папоротников) размножение происходит с помощью спор, специальных клеток, образующихся в материнском организме. Каждая спора, прорастая, дает начало новому организму.

Вегетативное размножение – это размножение отдельными органами, частями органов или тела. Оно основано на способности организмов восстанавливать недостающие части тела – регенерации. Встречается у растений (размножение стеблями, листьями, побегами), у низших беспозвоночных животных (кишечнополостных, плоских и кольчатых червей).

Половое размножение – это образование нового организма при участии двух родительских особей. Новый организм несет наследственную информацию от обоих родителей.

При половом размножении происходит слияние половых клеток – гамет мужского и женского организма. Половые клетки формируются в результате особого типа деления. В этом случае, в отличие от клеток взрослого организма, которые несут диплоидный (двойной) набор хромосом, образующиеся гаметы имеют гаплоидный (одинарный) набор. В результате оплодотворения парный, диплоидный набор хромосом восстанавливается. Одна хромосома из пары является отцовской, а другая – материнской. Гаметы образуются в половых железах или в специализированных клетках в процессе мейоза.

Мейоз – это такое деление клетки, при котором хромосомный набор клетки уменьшается вдвое (рис. 56). Такое деление называется редукционным.

Рис. 56. Фазы мейоза: А – первое деление; Б – второе деление. 1, 2 – профаза I; 3 – метафаза I; 4 – анафаза I; 5 – телофаза I; 6 – профаза II; 7 – метафаза II; 8 – анафаза II; 9 – телофаза II

Для мейоза характерны те же стадии, что и для митоза, но процесс состоит из двух последовательных делений (мейоз I и мейоз II). В результате образуется не две, а четыре клетки. Биологический смысл мейоза заключается в обеспечении постоянства числа хромосом у вновь образующихся организмов при оплодотворении. Женская половая клетка – яйцеклетка, всегда крупная, содержит много питательных веществ, часто неподвижная.

Мужские половые клетки – сперматозоиды, мелкие, часто подвижные, имеют жгутики, их образуется значительно больше, чем яйцеклеток. У семенных растений мужские гаметы неподвижны и называются спермиями.

Оплодотворение – процесс слияния мужских и женских половых клеток, в результате которого образуется зигота.

Из зиготы развивается зародыш, который дает начало новому организму.

Оплодотворение бывает наружным и внутренним. Наружное оплодотворение характерно для обитателей вод. Половые клетки выходят во внешнюю среду и сливаются вне организма (рыбы, земноводные, водоросли). Внутреннее оплодотворение характерно для наземных организмов. Оплодотворение происходит в женских половых органах. Зародыш может развиваться как в теле материнского организма (млекопитающие), так и вне его – в яйце (птицы, пресмыкающиеся, насекомые).

Биологическое значение оплодотворения состоит в том, что при слиянии гамет восстанавливается диплоидный набор хромосом, а новый организм несет наследственную информацию и признаки двух родителей. Это увеличивает разнообразие признаков организмов, повышает их жизнестойкость.