Тваринний організм - обмін речовин
Харчування як вирішальний фактор еволюції тварин
Всі тварини є гетеротрофний. На відміну від інших груп гетеротрофних організмів - бактерій і грибів - вони не харчуються розчиненими речовинами: їх їжа - цілі організми або частини їхніх тіл. Цей тип харчування - т. Зв. голозоїчне харчування - визначає не тільки суттєві особливості обміну речовин тварин, а й морфологічне та функціональне формування організму тварини в цілому.
Одна функція, характерна для тварин, - рух, - тісно пов’язана з холозоєвим харчуванням. Основною функцією руху, безумовно, було отримання їжі, поки, по-друге, рух не використовується також при пошуку статевого партнера або при втечі від загрози для тіла. У зв'язку з рухом, більшість тварин розвивають масивний опорно-руховий апарат, що складається з м’язів, які в багатьох групах складають значну частину ваги тіла. У той же час органи управління рухами - нервова система та органи, що інформують тварину про зміну середовища, в яке вона потрапляє, - органи чуття - еволюціонують. У різних групах тварин, які розвивались паралельно і незалежно одна від одної, розвиток цих систем завжди є ознакою прогресивної еволюції.
У стовбурі молюска типовим прикладом такої розвиненої групи є головоногі молюски, які мають найдосконаліші рухові та чутливі органи, а також нервову систему; в еволюційній лінії носорогів - членистоногих піком еволюції є комахи, серед хребетних птахів і ссавців.
Вся будова тіла тварини також пристосована до умов руху. Тіло компактне, здебільшого без рясно зчленованих наростів (на відміну від тіла рослин) і зчленованих всередині. Внутрішні поверхні органів дихання або травлення часто багаторазово перевищують поверхню тваринного організму. У більш прогресивно прогресуючих формах метаболічні функції зосереджені в компактних органах (дихальних, видільних, травних та інших). Це проявляється у всіх більш просунутих групах двостороння симетрія і замінює радіальну симетрію більш оригінальних у розвитку груп (трипсів). На передньому кінці тіла (передньому у сенсі руху) органи зору і чутливі нервові центри зосереджені і ротовий отвір переміщується сюди, формується голова - знову паралельно в різних лініях розвитку.
Метаболізм тваринного організму
Метаболізм усіх тварин характеризується двома характеристиками: зниженням біосинтетичних здібностей, пов’язаних з харчуванням, і надзвичайно високою інтенсивністю катаболізму, зумовленим розвитком руху.
Обмеження біосинтетичних здібностей пов'язані з тим, що тваринна їжа містить багато основних будівельних блоків речовин, з яких складається організм. Якщо тварини постійно поглинають ці основні інгредієнти у своєму раціоні, це не має негативних наслідків для них, коли вони втрачають здатність виробляти їх з інших речовин. Така втрата може бути наслідком випадкової мутації.
Мутації втрат, звичайно, набагато більш імовірні, ніж творчі мутації, завдяки яким організм набуває нової властивості, що полегшує його виживання. Мутація викликає напр. заміщення однієї амінокислоти в молекулі білка іншою. Така заміна може бути байдужою до функції молекули - справді гомологічні білки, напр. гемоглобін різних тварин, відрізняються амінокислотним складом деяких частин їх ланцюгів. Однак, якщо мутація впливає на напр. активний центр ферменту, активність ферменту, швидше за все, буде втрачена (є невелика ймовірність того, що вона зросте або що фермент стане, наприклад, більш специфічним до субстрату).
Необхідні амінокислоти є групою речовин, які тварини повинні отримувати у своєму раціоні, хоча інші організми - не тільки зелені рослини, а й гриби та бактерії - синтезують їх. Усім тваринам не вистачає здатності синтезувати практично 8 з 20 амінокислот, з яких складаються білки. Однак природним джерелом амінокислот є білок в їжі (вільні амінокислоти містяться в невеликій кількості в натуральній їжі). Тому певна кількість білка в раціоні необхідна не тільки для зростаючого організму, але і для дорослих тварин (і людини), оскільки білки їх тканин ще потрібно оновити. Нестача необхідної амінокислоти викликає зміни захворювання, якщо вони повністю відсутні в раціоні, настає смерть. Не всі продукти мають достатньо необхідних амінокислот; загалом, білки тваринного походження цінніші за рослинні білки.
Якщо відсутня лише одна необхідна амінокислота, інші амінокислоти не можуть бути використані для синтезу білка і швидко розщеплюються - організм тварини не зберігає амінокислоти в запасі. Амінокислота лізин найчастіше відсутня у рослинній їжі. Наприклад, пшеничне борошно містить близько 9% білка, але лише близько чверті його можна використовувати для побудови людського білка. Додавання 0,2% лізину подвоює використання цих білків. У деяких країнах з переважно рослинним харчуванням (Японія) таким чином їжа значно збагачується.
Вітаміни - це ще одна група речовин, незамінна для тварин, оскільки тварини втратили здатність їх синтезувати під час еволюції. Вони хімічно не пов’язані, і їх участь у клітинному метаболізмі також відрізняється. Це найкраще досліджувати щодо вітамінів групи В, які є компонентами важливих коферментів клітинного метаболізму: вітамін В1 бере участь у реакціях декарбоксилювання (відщеплення СО2 від органічних сполук), вітамін В2 - при клітинному диханні, вітамін В6 - при обміні амінокислот тощо. На відміну від них, вітаміни А і D не є компонентами ферментних систем. На відміну від незамінних амінокислот, потреба у вітамінах не однакова у всіх тварин, напр. Вітамін С необхідний лише деяким ссавцям (мавпам, людям, морським свинкам), ймовірно, тим, хто розвинувся в районах з постійним доступом до свіжої рослинної їжі, інші тварини можуть синтезувати вітамін С з глюкози.
Натомість комахи потребують холестерину, який синтезують інші тварини; деякі паразити крові потребують у своєму раціоні геміну як будівельний матеріал дихальних ферментів.
Вітамінодефіцитні захворювання - авітамінози - проявляються порушеннями в роботі різних органів, хоча вони є вітамінами, необхідними для всіх клітин. Можливо, деякі клітини особливо чутливі до нестачі певного вітаміну.
Однак деякі вітаміни потрібні не для всіх клітин: напр. вітамін D бере участь в управлінні метаболізмом кальцію у хребетних, і дуже ймовірно, що ця функція розвинулася вдруге у зв'язку з формуванням скелета; цей вітамін не є широко розповсюдженою речовиною - він остаточно утворюється в організмі тварини з провітамінів під дією ультрафіолету (тобто неферментативною реакцією). Це підтверджує, що таке неоднорідна група вітамінів.
Висока інтенсивність катаболічних процесів, характерний для тваринних організмів, безпосередньо пов'язаний з рухом. Рух м’язів є найбільш енергоємною функцією макроорганізмів, енергія для нього отримується тваринами за допомогою катаболічних процесів. Інтенсивність катаболізму може змінюватися швидко і значною мірою: під час переходу від відпочинку до інтенсивних фізичних вправ (біг, політ) інтенсивність катаболізму зростає на один-два порядки. Але навіть у стані спокою організм тварини має відносно високий катаболізм. Ми можемо уявити, що це, з одного боку, підтримує всі системи органів у готовності, які повинні бути готові до негайного збільшення активності; знову ж таки, необхідно, щоб певні системи органів (дихальна, травна, видільна) постійно працювали.
Ця характерна особливість обміну речовин у тварин проявляється також у співвідношення інтенсивності катаболічного та анаболічного процесів. Катаболічні події завжди переважають: у дорослої тварини, яка не росте, практично всі поглинені поживні речовини метаболізуються і використовуються для отримання енергії. У вирощуваних тварин частина поживних речовин використовується для побудови організму. Ця частка є найвищою у новонароджених цуценят, де вона досягає до половини поглинених поживних речовин; решта половини також використовується тут для отримання енергії (рис. 25).
У багатьох групах тварин, особливо у нижчих, ріст ніколи не зупиняється повністю, а лише сповільнюється з часом (наприклад, риба). Типовий закритий ріст мати птахів і вищих ссавців, але також напр. комахи, які досягають статевої зрілості лише після перетворення, яке вже не супроводжується зростанням або подальшим роздяганням.
Інтенсивність анаболічних процесів також збільшується під час розмноження: при утворенні яєць, при живленні ембріона у живородінні, у ссавців при виробленні молока. До третини всіх поживних речовин, що потрапили в організм, може з’являтися в молоці - тому годуючі ссавці є дуже ефективним продуцентом цінних поживних речовин.
Функція, яка ставить значні вимоги до метаболізму тваринного організму регулювання температури тіла. Ендотермічні тварини мають вищий обмін речовин навіть у стані спокою, ніж екзотермічні тварини порівнянних розмірів тіла.
Ендотермічні тварини демонструють типову залежність інтенсивності метаболізму від розміру тіла. У менших тварин порівняно вищий обмін речовин (на одиницю маси тіла). Інтенсивність катаболізму досить пропорційна поверхні тіла (яка збільшується із збільшенням квадрата довжини). Таким чином, менші тварини також мають відносно більше споживання їжі, швидший ріст і вищу швидкість усіх життєвих подій (наприклад, частота серцевих скорочень).
У періоди нестачі їжі багато дрібніші ссавці (менше птахів) пристосовані до сплячки. (сплячка); зниження температури тіла зменшує обмін речовин і, отже, споживання запасних речовин. У великих тварин з відносно нижчим обміном речовин подібні події трапляються рідко (ведмідь).
Потреби енергії в русі також впливали на розвиток метаболізму тварин з якісна сторона: вони мають повну перевагу в отриманні енергії аеробні заходи - поживні речовини розщеплюються за допомогою атмосферного кисню, а кінцевими продуктами є вода, CO2 та азотні продукти (аміак, сечовина, сечова кислота). Цей факт має явне адаптаційне значення, оскільки деградація речовин за допомогою кисню є найбільш енергоефективним способом їх використання.
Субстрат для цих окислень можуть бути всі основні поживні речовини: вуглеводи, жири та білки. Найбільш важливим запасна речовина Жири (триацилгліцерини) тваринного організму: окислення одного грама жиру дає вдвічі більше енергії, ніж окислення однакової кількості цукрів або білків, і для рухомого організму дуже важливо, щоб вихідні речовини мали якомога меншу вагу якомога. Їжа рослинного походження містить переважно цукри; в організмі тварини значна частина поглинених цукрів перетворюється на жир. Відомо, що корм для худоби містить дуже мало жиру, однак згодовані тварини можуть зберігати багато жиру (свинячий, гусячий) або виробляти (молочний жир).
Перетворення цукру в жирні кислоти, які є основними компонентами молекули жиру, відбувається таким чином, що на кожні 3 атоми вуглецю глюкози (перетворених у піровиноградну кислоту) 2 атоми потрапляють у молекулу жирної кислоти, і один виділяється як CO2. Саме це видалення СО2 (декарбоксилювання) є незворотною подією, і більшість організмів - включаючи всіх багатоклітинних тварин - не мають метаболічного циклу, завдяки якому цукри можуть утворюватися з жирних кислот. Таке перетворення може відбуватися в проростаючих насінні олійних культур, де целюлоза утворюється із запасу жиру, а кожні 4 атоми вуглецю з молекули 3 жирної кислоти надходять у молекулу цукру. Біохімічний механізм цього перетворення суттєво відрізняється від механізму утворення жиру з цукрів.
Їжа та її вживання
Цінність їжі залежить як від вмісту поживних речовин, так і від її засвоюваності. Існують суттєві відмінності між продуктами харчування тваринного та рослинного походження.
Їжа тваринного походження він містить багато поживних речовин, особливо білка, часто жиру. Вміст цукру зазвичай низький. Зазвичай він добре засвоюється, тому більшість поживних речовин він насправді використовує.
Для людини продукти тваринного походження (м’ясо, яйця, молочні продукти) є замінюваним джерелом білка з відповідним вмістом амінокислот. Вони також є хорошим джерелом більшості вітамінів, крім вітаміну С; Забезпечення доз вітаміну С для людини вимагає постійного надходження їжі рослинного походження.
Їжа рослинного походження зазвичай він містить набагато більше цукру, мало білка, а його характерним компонентом є целюлоза. Він має різне значення залежно від того, вегетативні частини рослин чи органи зберігання.
Запасні тіла (бульби, арахіс тощо), включаючи насіння, зазвичай містять висококонцентровані запаси цукру (крохмаль), рідше (олійні) жири; Насіння бобових культур багаті білком. Однак без механічної обробки (жування, дроблення в шлунку птахів - подрібнення в культурних людських популяціях) ці речовини, оточені твердими целюлозними оболонками, важкодоступні для травних ферментів. Більшість тварин не секретують фермент целюлазу, який каталізує гідроліз целюлози.
Вегетативні органи вони містять багато целюлози та води (вакуолі клітин дорослих рослин) і загалом трохи поживних речовин. Обов’язковою умовою використання є досконала механічна обробка без додаткового перетравлення целюлози або власною целюлозою (равлики), або за участю симбіотичних мікроорганізмів (термітів та інших комах, жуйних та інших рослиноїдних ссавців), але використовується лише незначна частина поживних речовин.
Загалом їжа рослинного походження забезпечує значно більше неперетравлених залишків, ніж їжа тваринного походження.
Харчування людини виключно або переважно з дієтою рослинного походження можливе, якщо окремі компоненти поєднуються таким чином, щоб вміст необхідних амінокислот був збалансованим. Важливо, що вони повинні вводитися одночасно; якщо вони не можуть утворити білки, вони розщеплюються.
Взаємозв'язок речовин організму і середовища тварин
Умови навколишнього середовища впливають на існування тваринного організму. Окремі види можуть мати дуже конкретні вимоги до навколишнього середовища (певний тип їжі, температура тощо). Однак загалом тварини пристосувались майже до будь-якого середовища, яке забезпечує їх їжею. Для більшості тварин наявність кисню також є умовою, але деякі види також пристосувались до тимчасової або постійної нестачі кисню.
Вони можуть зазнати тимчасової нестачі кисню, напр. ґрунтові та прісноводні тварини (при затопленні ґрунту, при замерзанні стоячих вод). Кишкові паразити (стрічкові черв’яки, нематоди) живуть у постійній нестачі кисню в зрілому віці. Надлишок їжі та низькі вимоги до руху дозволяють їм жити постійно за рахунок неефективного анаеробного метаболізму.
Вплив речовини тваринного організму на навколишнє середовище
Це в основному завдяки високому аеробному метаболізму. Тваринний організм все ще перетворює значну кількість біомаси у воду, СО2 та азотисті екскременти. Це прискорює кругообіг речовин у природі (рис. 26).
Однак циркуляція речовин прискорюється не тільки метаболізмом частини поживних речовин, що надходять тварині. Частина поживних речовин залишає організм, як кал; вони є як неперетравленими залишками їжі, так і великою кількістю бактерій, які живуть у травній системі тварин по суті як коменсали, тобто. j. вони не завдають шкоди господареві, але не приносять жодної значної вигоди.
Велика частка неперетравленої їжі може знаходитись у фекаліях рослиноїдних тварин, напр. безхребетні, які живуть у ґрунті та харчуються рослинними рештками (дрібні щетинки, кліщі, багатоніжки, личинки деяких комах). Неперетравлені залишки їжі є добре доступною поживною речовиною для бактерій і грибків, тим самим прискорюючи циркуляцію поживних речовин. У листяному лісі щороку щонайменше половина всіх загиблих частин рослини проходить через травну систему ґрунтових тварин, з них приблизно п’ята частина метаболізується, а решта з’являється у фекаліях. При цьому біомаса всіх цих тварин відповідає 1,5% від загальної кількості загиблих частин рослини (опале листя тощо, т.зв. детрит)
Тіло тваринного організму являє собою накопичення певних речовин, які не так сильно сконцентровані в інших місцях природи. В основному це білки та жири, які утворюють т. Зв м’які частини тіла тварини. Після смерті тварини ці частини дуже швидко розкладаються під дією сапрофітних (сапробних) організмів і вводяться в кругообіг речовин. Ріг хребетних (волосся, пір’я) та хітин членистоногих розкладаються повільніше внаслідок діяльності спеціалізованих організмів. З іншого боку, мінеральні частини - черепашки та скелети - можуть зберігатися в природі дуже довго, залежно від обставин, або давати геологічні відкладення (карбонат кальцію у безхребетних, фосфат кальцію з скелетів хребетних, кремнієві відкладення оболонок ). За певних умов навіть м’які частини можуть утворювати багато органічного матеріалу в геологічних шарах (теоретична основа гіпотези, що пояснює утворення нафти).
Метаболічне перетворення речовин в організмі тварин, як правило, відбувається дуже швидко. Тим не менше, певні компоненти, присутні в навколишньому середовищі в малих концентраціях, можуть поступово накопичуватися в організмі і з часом значно сконцентруватися. У сховищі тваринного жиру, напр. ДДТ, який дуже добре розчиняється у жирі, але не розчиняється у воді. Накопичення збільшується в кожній іншій ланці харчового ланцюга, тому найвища концентрація ДДТ відбувається в останніх ланках харчового ланцюга, наприклад у хижаків.
Подібним чином деякі метали, здатні замінювати іони кальцію, можуть накопичуватися в скелеті хребетних. Таким чином, напр. небезпечна кількість свинцю і в ситуації, коли кальцій мобілізується з кісток, свинець виділяється і викликає отруєння. Подібним чином деякі радіоактивні метали вбудовуються в кістки, особливо радіоактивний стронцій, який утворюється під час вибухів ядерної зброї. У той же час дуже небезпечно, що його випромінювання впливає на дуже чутливий кістковий мозок. Це найбільша небезпека випробувань ядерної зброї в атмосфері.