В животном и растительном организмах процесс дыхания в основе своей одинаков: биологический смысл его в обоих случаях состоит в получении энергии каждой клеткой в результате окисления органических веществ. Образуемая при этом АТФ используется как аккумулятор энергии. Именно этим аккумулятором восполняется потребность в энергии, в каком бы месте клетки любого организма она не возникла.
В процессе дыхания растения совершенно так же, как и животные, потребляют кислород и выделяют углекислый газ. Как у животных, так и у растений дыхание идет непрерывно днем и ночью. Прекращение дыхания, например путем прекращения доступа кислорода, неминуемо приводит к смерти, так как жизнедеятельность клеток не может поддерживаться без непрерывного использования энергии. У всех животных, за исключением микроскопически малых, кислород не может проникнуть в достаточном количестве непосредственно в клетки и ткани из воздуха. В этих случаях газообмен со средой осуществляется при помощи специальных органов (трахей, жабр и легких). У позвоночных снабжение кислородом каждой отдельной клетки происходит через кровь и обеспечивается работой сердца и всей кровеносной системы. Сложность газообмена у животных долгое время мешала выяснить истинную сущность и значение тканевого дыхания. Ученым нашего столетия потребовалось много усилий для доказательства того, что окисление совершается не в легких и не в крови, а в каждой живой клетке.
В растительном организме механизмы газообмена значительно проще, чем у животных. Кислород воздуха проникает в каждый лист растений через особые отверстия — устьица. Газообмен у растений осуществляется всей поверхностью тела и связан с передвижением воды по сосудистым пучкам.
Организмы, у которых окисление происходит за счет свободного кислорода (атмосферного или растворенного в воде), называются, как уже было отмечено выше, аэробными. Этот тип обмена свойствен подавляющему большинству растений и животных.
Все живые существа на Земле в процессе дыхания ежегодно окисляют миллиарды тонн органических веществ. При этом освобождается огромное количество энергии, которая используется во всех проявлениях жизни.
Французским ученым Л. Пастером еще в прошлом столетии была показана возможность развития некоторых микроорганизмов в бескислородной среде, то есть «жизнь без воздуха». Окисление органических веществ без участия кислорода называется брожением, а организмы, способные к активной жизни в лишенной кислорода среде, называются анаэробными. Таким образом, брожение — это форма диссимиляции при анаэробном типе обмена.
При брожении в отличие от дыхания органические вещества окисляются не до конечных продуктов (СО2 и Н2О), а образуются промежуточные соединения. Энергия, заключенная в органических веществах, освобождается не вся, часть ее остается в промежуточных сбраживающих веществах.
Брожение так же, как и дыхание, осуществляется через ряд сложных химических реакций. Например, конечные результаты спиртового брожения изображаются следующей формулой: C6H12O6 = 2CO2 + 2C2H5OH + 25 ккал/г • моль.
В результате спиртового брожения из сахара (глюкозы) образуется продукт неполного окисления — этиловый спирт — и освобождается только небольшая часть энергии, содержащейся в углеводах.
Примером анаэробных организмов могут служить дрожжевые грибки, которые получают энергию для жизнедеятельности, ассимилируя углеводы и подвергая их спиртовому брожению в процессе диссимиляции. Многие анаэробные микроорганизмы расщепляют углеводы до молочной, масляной, уксусной кислот и других продуктов неполного окисления. Некоторые виды бактерий могут использовать в качестве источника энергии не только сахара, аминокислоты и жиры, но и продукты выделения животных, как, например, мочевину и мочевую кислоту, содержащиеся в моче, и вещества, входящие в состав экскрементов. Даже пенициллин, убивающий многие бактерии, используется одним из видов бактерий как питательное вещество.
Анаэробный обмен встречается в основном в мире микроорганизмов. Из многоклеточных в значительной мере за счет анаэробного обмена живут кишечные паразиты (круглые и ленточные глисты и др.), обитающие в среде с очень малым содержанием свободного кислорода. Среди микроорганизмов есть много аэробных, а также форм, способных к обоим типам обмена.
Таким образом, в процессе синтеза органических соединений в них как бы «консервируется» или запасается затраченная на их синтез энергия химических связей. Она снова освобождается при обратном процессе разложения органических веществ. В энергетическом отношении живые существа являются, как уже говорилось, открытыми системами. Это значит, что они нуждаются в поступлении энергии извне в форме, которая позволяет использовать ее для выполнения работы, неразрывно связанной с жизненными проявлениями, и выделяют в окружающую среду эту же энергию, но уже в обесцененной форме, например в форме тепла, которое рассеивается в окружающей среде. Благодаря непрерывным процессам синтеза и распада, ассимиляции и диссимиляции в живых существах идет постоянный круговорот веществ и превращение энергии. Какое количество энергии было поглощено, столько же ее выделяется при диссимиляции. Энергия, освободившаяся при диссимиляции, осуществляет процессы, которые характеризуют сущность жизни и все ее проявления.
Организм и среда
Процессы ассимиляции и диссимиляции, характеризующие жизнь и различные ее проявления, могут осуществляться только с участием внешней, окружающей организм среды. Среда эта очень сложна и изменчива, поэтому организм, чтобы существовать, должен постоянно ощущать все, что в ней происходит. Разумно оценивать обстановку животные, а тем более растения и простейшие организмы, у которых вообще отсутствует нервная система, конечно, не могут. Зато все живые существа, начиная от одноклеточной амебы и водоросли и кончая человеком, обладают замечательным свойством отвечать (реагировать) на внешние воздействия. Это свойство живых организмов называется раздражимостью.
Долгое время считали, что свойствами раздражимости обладают только животные, имеющие нервную систему. В настоящее время доказано, что раздражимость — всеобщее и важнейшее свойство живых организмов. Ею обладают простейшие одноклеточные существа, животные, растения и человек.
Перемена условий среды, которая вызывает реакцию со стороны организма, называется раздражителем. Живые организмы в процессе эволюции приобрели свойства реагировать только на определенные условия внешней среды и их изменения. Именно эта способность позволяет организмам избирать требуемые для их жизни и развития условия.
Итак, значение раздражимости состоит в том, что она позволяет живым существам находиться в постоянной связи с окружающим миром, дает возможность приспособляться к нему, уравновешивать его влияние, благодаря чему и возможны защита и сохранность жизни.
Животные и растения по-разному реагируют на воздействие внешней среды вследствие неодинакового уровня их развития и различного характера приспособления к условиям жизни.
У простейших и у растений раздражимость проявляется в относительно элементарных формах. Простейшие, как и некоторые подвижные отдельные клетки многоклеточных организмов (сперматозоиды, лейкоциты, подвижные споры), обнаруживают раздражимость в форме таксисов, то есть движений в сторону раздражителя или от него. Если организм уходит от раздражителя, это называется отрицательным таксисом, если же организм движется к раздражителю, значит, таксис его положителен. Название того или иного вида таксиса определяется характером раздражителя. Так, фототаксисом именуют движение, возникшее под действием света, хемотаксисом — вызванное химическим веществом, термотаксисом — изменением температуры и т. д.
Приведем несколько примеров. Стремление к свету характерно не только для целых растений, но и для каждой живой зеленой клетки. На слабом свету хлоропласты «подплывают» к стенкам клеток, обращенным к свету, и располагаются перпендикулярно к лучам света. Это явление положительного фототаксиса позволяет улавливать максимум солнечных лучей. А на очень ярком свету в клетках растений осуществляются противоположные реакции: хлоропласты очень быстро становятся ребром к свету, разбегаются в стороны и прячутся от солнечных лучей, тесно прижимаясь к боковым стенкам клеток (отрицательный фототаксис). Под микроскопом это явление легко наблюдать, но объяснить его пока что полностью не удается. Ясно одно, что под действием освещения в протоплазме клеток зеленых растений разыгрываются какие-то сложные физиолого-биохимические реакции, которые управляют поведением хлоропластов. Зеленые одноклеточные водоросли под действием света ведут себя аналогично хлоропластам клеток растений. Если стеклянный сосуд с водой, содержащий подвижные клетки зеленых водорослей (например, эвглену), освещать с одной стороны, зеленые организмы соберутся к свету. Значит, зеленые водоросли проявляют положительный фототаксис. Инфузории туфельки находятся обычно в самом верхнем слое воды, потому что они нуждаются в кислороде и собираются там, где его больше, то есть проявляют положительный хемотаксис по отношению к кислороду.
