Обмен веществ в живых организмах
Обмен веществ в живых организмах является основным в существовании белковых тел, и этот способ существования состоит в самообновлении химических составных частей живых организмов.
Что такое жизнь
На потемневших от времени кусках пергамента, на глиняных табличках и листах папируса находят записанные древними мудрецами мысли о том, что такое жизнь и как она возникла.
Изображению и объяснению жизни немало строк посвятили писатели и поэты. В тайны ее на протяжении многих столетий упорно и последовательно проникают ученые. Из одних лишь определений, что такое жизнь, можно было бы составить толстую книгу.
Во многих высказываниях древних содержались верные наблюдения, отражающие многообразие проявлений жизни, но не было главного - общего признака, характерного для любой ее формы. Этим признаком, присущим всем живым организмам - от простейших микробов до самых высокоорганизованных существ и является обмен веществ в живых организмах, постоянное самообновление составных частей тела организма.
Современные достижения биохимии, физиологии и других наук полностью подтвердили правильность этого утверждения. Все другие свойства жизни, например, раздражимость, то-есть способность отвечать на воздействия среды, рост, развитие, размножение и другие, - лишь различные проявления жизни, вытекающие из основного ее свойства - самообновления.
Самообновление живых организмов
Самообновление живых организмов представляет собой два одновременно происходящих в организме процесса - разрушение имеющегося и созидание нового органического вещества. Вещества тела любого организма беспрерывно распадаются и в то же время в нем идет возникновение новых веществ, подобных разрушившимся.
Обе эти стороны жизнедеятельности организма - разрушительная и созидательная - неразрывно связаны между собой и составляют единый процесс жизни. Разрушение и созидание наблюдаются всюду и в неживой природе. Это связано с деятельностью воды, ветра, ледников. Например, в результате выветривания гранитная скала постепенно превращается в щебень и даже в песок.
Из этого материала впоследствии могут образоваться новые твердые породы, но они уже не будут прежним гранитом. Совсем иное представляет собой разрушение в живом организме. Здесь разрушение вещества является источником возникновения нового органического вещества, то-есть представляет основное условие сохранения жизни этого организма. Если прекратится распад, одновременно прекратится и образование нового живого вещества, наступит смерть.
Диссимиляция и ассимиляция
Разрушение и распад, происходящие в теле живого организма, носят название диссимиляции, а противоположный процесс - образование нового вещества - называется ассимиляцией. В диссимиляции и ассимиляции, или, как говорят, в обмене веществ и энергии, и заключается сущность жизни. Ведь организм что-то всегда получает из окружающей среды и что-то постоянно ей отдает.
Этим живое качественно отличается от неживого, ибо подобного обмена веществ нет ни у одного неживого тела. Рассмотрим более подробно взаимосвязь между этими двумя сторонами самого существенного процесса жизни -самообновления. Диссимиляция - это в конечном итоге соединение органических веществ, входящих в состав живого тела, с кислородом, то-есть окисление, в результате которого освобождается скрытая в них потенциальная энергия.
Поэтому диссимиляцию иногда сравнивают с горением. Но это не одно и то же. Горение также есть окисление, но происходит оно сравнительно быстро, причем почти вся химическая энергия горящего тела из скрытого состояния непосредственно переходит в теплоту.
Освобождающаяся при диссимиляции энергия может проявляться в виде энергии движения, в различных химических реакциях, в результате которых она переходит из одной формы в другую, может накапливаться «про запас», превращаться даже в электрическую энергию. При этом одни процессы протекают быстрее, другие медленнее.
И лишь в конечном итоге все виды энергии переходят в тепловую (здесь, как и всюду, действителен закон сохранения вещества, открытый Ломоносовым). Ассимиляция, то-есть преобразование вещества пищи в тело организма, происходит за счет энергии, освобождающейся при диссимиляции. Такова суть самообновления организма. Где же происходит этот процесс?
Самообновление осуществляется во всех тех частях организма, где имеется протоплазма, состоящая главным образом из белковых веществ. Протоплазма присуща всему живому. Она входит в состав любой живой клетки, и все процессы обмена веществ и энергии осуществляются в ней и через нее. Однако процессы обмена веществ у разных организмов происходят по-разному.
Имеются, например, существенные различия в обмене веществ у растений, животных и микробов. Некоторые различия в процессах обмена есть у близких видов и, больше того, даже у двух организмов одного и того же вида. Но чем организмы по своему происхождению ближе, тем более сходно протекают у них обменные процессы. При этом обмен веществ, везде, имеет общий признак - самообновление.
Изменение обмена веществ живых организмов
В разных условиях существования организм может изменять характер своего обмена веществ и тогда изменяется сам. Таким образом, любое изменение организма осуществляется через изменение его обмена веществ. Есть, однако, организмы, у которых процессы обмена веществ и энергии имеют существенные особенности.
Таковы, например, зеленые, то-есть хлорофилловые, растения, у которых ассимиляция идет не только за счет распада органических веществ и освобождающейся при этом энергии, но главным образом за счет энергии света, поступающей извне.
Зародыш зерна
Вот по полю прошли сеялки, рядками зарывая в землю зерна пшеницы. Зерна пропитались влагой, согрелись в теплой земле, и скрытая в их зародышах жизнь пришла в активное движение. Питательные вещества зерна пошли на питание зародыша. Крахмал, например, превратился в сахар и стал пищей для «проснувшихся» клеток. Быстро начали делиться клетки зародыша.
Раздвигая комочки земли, потянулся вверх, ближе к свету, упругий росток; упорно пробивается вниз корешок. Пока росток не пробился к свету, молодое растеньице, подобно человеку и животным, подобно бесхлорофилловым не зеленым растениям, питается органическими веществами, заготовленными материнским растением.
Но вот росток пшеничного зернышка поднялся к поверхности, навстречу солнечному свету, пробил острой вершинкой последний комочек земли, и вместе с другими такими же росточками выбрался на поверхность. И тотчас же он принял сначала чуть буроватую окраску, а затем в его клеточках мельчайшими изумрудами зазеленели хлорофилловые зерна. Зазеленело и пшеничное поле.
Отныне пища зеленого растения - не готовый крахмал, белок и жиры, отложенные в пшеничном зерне, а углекислый газ, добываемый из воздуха листьями и другими содержащими хлорофилл зелеными частями растений, и вода с минеральными солями, извлекаемая из почвы корнями. Растение «встало на свои собственные ноги».
Оно теперь не только изготовляет вещества, необходимые для жизнедеятельности клеток своего тела, но и накапливает большие запасы белков, углеводов, жиров и других органических веществ за счет использования энергии солнца.
Химический состав живых тел
Коротко познакомимся с химическим составом живых тел. Большинство химических элементов таблицы Менделеева обнаружено в телах живых организмов. Все они, вероятно, участвуют в процессах жизни, однако роль их далеко не одинакова. Одни из этих элементов имеют преимущественное значение в построении тела организма, другие играют определенную роль в его дыхании, питании, выделении и других жизненных процессах.
Некоторые элементы придают особые свойства тканям. Фосфор, например, входит в состав мозга и костного скелета, в костях имеется также кальций, в хлорофилле зеленых растений содержится магний, но хлорофилл не может образоваться без участия железа. Иногда для исследователя обнаружение в тканях организма того или иного химического элемента является полной неожиданностью.
Например, некоторые водоросли моря накапливают в своем теле заметное количество йода хотя в морской воде обнаруживаются лишь следы этого элемента? Морские водоросли - промышленное сырье для получения йода.
Почему в тканях обыкновенного подсолнечника, или в зерне кукурузы концентрация золота значительно большая, чем в почве, на которой они растут? Ученые академики В. И. Вернадский и А. П. Виноградов - установили, что более 60 процентов химических элементов тесно связано с жизнью организмов.
Иногда ничтожное прибавление к пище соединений, содержащих тысячные и даже миллионные доли процента таких элементов, как бор, марганец, медь, цинк, бром, мышьяк, кобальт, стронций и другие, повышает жизнедеятельность организма, усиливает обмен веществ. На этом основан применяемый для повышения урожайности полей, садов и огородов метод так называемого микроудобрения почвы.
В почву вносят ничтожно малое количество веществ, содержащих те или иные элементы, и этим улучшают условия питания растений. Можно с уверенностью сказать, что все существующие на земле химические элементы участвуют в процессах жизни. Однако основу живого организма составляют не все химические элементы.
Из них можно выделить десять - двенадцать, играющих более заметную роль в процессах жизни; первое же место по значению принадлежит всего-навсего четырем: углероду, водороду, кислороду и азоту. Эти элементы получили даже особое название - элементов-органогенов.
Все многообразие органических веществ, имеющихся в составе живых тел, образуют прежде всего эти четыре элемента, входящие в три главные группы органических соединений - белков, жиров и углеводов. Говоря о химическом составе основных органических веществ, следует сказать несколько слов и об особенностях элементов, составляющих эти вещества.
Белки
Белки, углеводы, жиры и другие органические, а также минеральные вещества участвуют в процессе жизнедеятельности организмов, но основой жизни являются белки. Протоплазма клеток - это прежде всего разнообразные белки, не представляющие, однако, какого-то случайного скопления, а являющиеся сложными системами белков и других веществ.
Эти системы возникли в результате очень длительного процесса развития живого вещества. И из этих трех групп органических веществ важнейшую роль в жизни играют белки. С ними и их свойствами связаны все проявления жизни. Деятельная часть зеленых растений представляет собой живые клетки; состоящие из протоплазмы, которая также является сочетанием различных белков.
Конечно, углеводы, жиры и другие вещества тоже участвуют в жизненных процессах, но ведущая роль принадлежит белкам. Белки исключительно разнообразны. Из различных белков состоят протоплазма клеток, мышцы, сухожилия, связки, стенки сосудов, внутренние органы, рога, копыта, когти, кожа и волосы животных.
Много белка в молоке, в семенах и плодах некоторых растений и т. д. Однако, несмотря на то что по своему внешнему виду и свойствам все эти белки мало похожи друг на друга, они имеют единый элементарный химический состав (состоят из углерода, водорода, кислорода и азота) и определенное, свойственное только белкам, строение молекул.
Кроме перечисленных четырех элементов, в белки нередко входят и некоторые другие, например фосфор, железо, магний и т. д. Понять многообразие и сложность жизни можно, лишь проследив законы развития белкового вещества. Наука биохимия, изучает химизм веществ живых организмов. Белки - самые сложные из встречающихся в природе веществ.
Сложность вещества определяется количеством и разнообразием атомов, входящих в состав частицы этого вещества - молекулы. Чем больше атомов в молекуле, тем больше ее молекулярный вес. О сложности строения белковых молекул можно судить по их молекулярному весу. Так, например, молекулярный вес воды равен 18, обыкновенной поваренной соли - 58,5, сахара из свеклы - 342, а белка куриного яйца - 43 000.
Есть белки, молекулярный вес которых достигает сотен тысяч и даже миллионов! Поэтому белковую молекулу по сравнению с молекулами других веществ называют молекулой-гигантом. Это обстоятельство наряду с особенностями углеродной цепочки, составляющей основу белковой молекулы, в значительной степени определяет подвижность белка, способность изменяться в зависимости от условий среды.
В белковой молекуле всегда имеются такие группы атомов, которые легко присоединяют к себе из окружающей среды новые группы атомов, и такие; которые молекула отдает в окружающую среду. Подвижность белков и является одной из основных причин их безграничного разнообразия в природе.
Белковая молекула в процессе ассимиляции непрерывно воспроизводит - точнее говоря, восстанавливает себя: атомы этой молекулы постоянно располагаются в ней определенным образом. Белок, распадаясь, вновь создает белок, подобный себе. Распад вещества живого организма неуклонно ведет к возникновению подобного же вещества. В этом проявляется основное свойство самообновления белковых тел.
Академик А. И. Опарин пишет:
Организация живой протоплазмы определяется последовательностью химических процессов и превращений, которые совершаются в обмене веществ. В настоящее время выяснилось, что белковые вещества определяют скорость, направление и взаимосвязь химических превращений, которые совершаются в живой клетке.
Поэтому основным в биохимии является не вопрос диссимиляции, распада в процессе обмена веществ, который прослежен довольно глубоко, а процесс ассимиляции, то-есть свойства самовоспроизведения белковых веществ, образования любым белком белка, подобного ему.
Найти законы самовоспроизведения белков - таков путь познания процессов жизни. Успехи в области изучения белка, которых добились ученые, дают основание полагать, что решение вопроса об управлении процессами, происходящими в живом белке, - дело, быть может, не очень отдаленного будущего.
Углеводы
К углеводам относятся крахмал, сахар и другие органические вещества. В состав всех углеводов входят водород, углерод и кислород.
Жиры
Тот же элементарный химический состав имеют и разнообразные жиры растительного и животного происхождения, но типы построения молекул углеводов и жиров различны.
Углерод
Углерод как элемент широко известен. Он почти в чистом виде находится в каменном и древесном угле. Чистый углерод - это графит, из которого делают грифель обыкновенного карандаша и огнеупорные тигли для плавления металлов, наконец из углерода состоит алмаз - самое твердое из известных в природе веществ.
Но нас углерод интересует не как промышленное сырье или драгоценный камень. Нам необходимо выяснить его роль как неизменного участника соединений, входящих в состав организмов. В своей книге «Занимательная геохимия» академик А. Е. Ферсман писал,
Представим себе на секунду, как бы выглядела Земля без углерода. Ведь это значит, что не было бы ни одного зеленого листика, ни дерева, ни травки. Не было бы также и животных. Лишь голые утесы разнообразных горных пород торчали бы среди безжизненных голых песков и безмолвных пустынь Земли.
Действительно, всякая жизнь неизбежно связана с углеродом. Используем ли мы древесину для построек или других надобностей, изготовляем ли одежду, обувь, пищу, вдыхаем ли аромат цветов, - везде мы имеем дело с соединениями углерода. Зеленые леса, луга, поля - это прежде всего углерод.
В сухом веществе растения по весу около половины составляет углерод (в среднем 45 процентов). Известно, что при нагревании древесины без доступа воздуха в конечном счете остается только углерод с небольшой примесью золы, то-есть минеральных веществ. Но если сжечь древесный уголь на воздухе, останется лишь зола.
Углерод же древесного угля, соединившись при сгорании с кислородом воздуха, образовал бесцветный углекислый газ, который улетучился. В воздухе всегда находится ничтожная примесь углекислого газа - всего около 0,03 процента по объему.
Однако эта небольшая примесь и является для растений источником углерода, идущего на построение белков, жиров, углеводов и других органических веществ. Бесконечное множество самых разнообразных углеродных соединений, которые встречаются в природе, объясняется прежде всего свойствами углерода. Дело в том, что атомы углерода легко вступают в соединения друг с другом, образуя при этом «углеродные цепочки».
Установлено, что уже на ранней ступени остывания звезд возникает так называемый бикарбон - вещество, молекула которого состоит из двух атомов углерода. По мере дальнейшего остывания звезд образуются все более сложные углеродные соединения. Углерод, составляющий как бы основу, «скелет», органических молекул, присоединяет к себе атомы и группы атомов, содержащих водород, кислород и азот.
Если «углеродные цепочки» присоединяют к себе атомы водорода и кислорода, то возникают молекулы углеводов, жиров и других безазотистых углеродных соединений. Но самые замечательные соединения образуются, когда «углеродная цепочка», кроме групп атомов, содержащих водород и кислород, присоединяет атомные группы, содержащие азот.
Создаются азотистые вещества типа белков, которые в результате дальнейшего развития и усложнения могут превратиться в белковые тела, обладающие таким свойством жизни, как обмен веществ.
Азот
Азот по своим химическим свойствам резко отличается от углерода. Это малодеятельный химический элемент. В соединение с другими химическими элементами он вступает при очень высокой температуре или при большом давлении. Азота в природе очень много. В атмосфере воздуха, например, азот по весу составляет 75 процентов.
Это значит, что над каждым квадратным метром площади земли находится столб воздуха, в котором содержится около 8 тонн газообразного азота. Какие богатые запасы по сравнению с ничтожной примесью углекислого газа!
Однако организмы, использующие азот и углерод для построения своего тела, обычно не страдают от недостатка углерода; азота же растениям часто не хватает. Дело в том, что организм усваивает не газообразный азот воздуха, а соединения азота, ему нужен, как говорят, «связанный азот».
Водород и кислород
Растения не испытывают недостатка также в водороде и кислороде.
Но роль этих элементов не ограничивается тем, что они входят вместе с углеродом и азотом в состав белков, углеводов и других органических веществ. Водород и кислород образуют воду, а вода в процессе жизнедеятельности организмов имеет очень важное значение.
Она входит в состав протоплазмы клеток, при ее посредстве совершается взаимодействие различных белков и других веществ в организме. Вода также обеспечивает обмен веществ в живых организмах и их взаимодействие с окружающей средой.