Organism animal - metabolism
Nutriția ca factor decisiv în evoluția animalelor
Toate animalele sunt heterotrofă. Spre deosebire de alte grupuri de organisme heterotrofe - bacterii și ciuperci - acestea nu se hrănesc cu substanțe dizolvate: alimentele lor sunt organisme întregi sau părți ale corpului lor. Acest tip de nutriție - așa-numitul. nutriție holozoică - determină nu numai trăsăturile esențiale ale metabolismului animal, ci și formarea morfologică și funcțională a organismului animal în ansamblu.
O funcție caracteristică a animalelor - locomoția - este strâns legată de nutriția holozoică. Funcția principală a mișcării a fost cu siguranță obținerea hranei, până când în mod secundar, locomoția este utilizată și atunci când se caută un partener sexual sau când fugi de o amenințare pentru corp. În legătură cu locomoția, majoritatea animalelor dezvoltă un sistem musculo-scheletic masiv format din mușchi, care în multe grupuri reprezintă o parte semnificativă din greutatea corpului. În același timp, organele de control al mișcării - sistemul nervos și organele care informează animalul despre mediul în schimbare în care intră - organele senzoriale - evoluează. În diferite grupuri de animale, care s-au dezvoltat în paralel și independent unul de celălalt, dezvoltarea acestor sisteme este întotdeauna un semn al evoluției avansate.
În tulpina moluștelor, un exemplu tipic al unui astfel de grup avansat sunt cefalopodele, care au cele mai perfecte organe locomotorii și senzoriale din întregul grup, precum și sistemul nervos; în linia evolutivă a rinocerozilor - artropode, vârful evoluției îl constituie insectele, printre păsările și mamiferele vertebrate.
Întreaga structură a corpului animalului este, de asemenea, adaptată condițiilor de locomoție. Corpul este compact, mai ales fără creșteri bogat articulate (spre deosebire de corpul plantelor) și articulat în interior. Suprafețele interne ale organelor respiratorii sau digestive depășesc adesea suprafața organismului animal de multe ori. În formele progresiv mai progresive, funcțiile metabolice sunt concentrate în organele compacte (respiratorii, excretoare, digestive și altele). Se manifestă în toate grupurile mai avansate simetrie bilaterală și înlocuiește simetria radială a grupurilor mai dezvoltate originale (trips). La capătul frontal al corpului (frontal în sensul mișcării), organele senzoriale și centrele nervoase superioare sunt concentrate și gura este mișcată aici, capul este format - din nou în paralel în diferite linii de dezvoltare -.
Metabolismul organismului animal
Metabolismul tuturor animalelor se caracterizează prin două caracteristici: o reducere a abilităților biosintetice asociate dietei și o intensitate extrem de ridicată a catabolismului, condiționată de dezvoltarea mișcării.
Limitarea abilităților biosintetice legat de faptul că hrana pentru animale conține multe elemente de bază de substanțe din care este compus organismul. Dacă animalele ingerează aceste ingrediente de bază permanent în dieta lor, nu are consecințe nefaste pentru ele atunci când își pierd capacitatea de a le produce din alte substanțe. O astfel de pierdere se poate datora mutației accidentale.
Mutațiile de pierdere sunt, desigur, mult mai probabile decât mutațiile creative, prin care organismul dobândește o nouă proprietate care îi facilitează supraviețuirea. Mutația cauzează de ex. înlocuirea unui aminoacid dintr-o moleculă proteică cu alta. O astfel de substituție poate fi indiferentă față de funcția moleculei - într-adevăr proteine omoloage, de ex. hemoglobina diferitelor animale, diferă în compoziția aminoacizilor unor părți ale lanțurilor lor. Cu toate acestea, dacă mutația afectează de ex. centrul activ al enzimei, activitatea enzimei este cel mai probabil să se piardă (există o mică probabilitate ca aceasta să crească sau ca enzima să devină, de exemplu, mai specifică substratului).
Aminoacizi necesari sunt un grup de substanțe pe care animalele trebuie să le obțină în dieta lor, chiar dacă alte organisme - nu numai plante verzi, ci și ciuperci și bacterii - le sintetizează. Toate animalele nu au capacitatea de a sintetiza practic 8 din cei 20 de aminoacizi care alcătuiesc proteinele. Cu toate acestea, sursa naturală de aminoacizi este proteina din alimente (aminoacizii liberi se găsesc în cantități mici în alimentele naturale). Prin urmare, o anumită cantitate de proteine din dietă este necesară nu numai pentru organismul în creștere, ci și pentru animalele adulte (și pentru oameni), deoarece proteinele țesuturilor lor trebuie încă reînnoite. Lipsa aminoacizilor necesari determină modificări ale bolii, dacă sunt complet absenți din dietă, apare moartea. Nu toate alimentele au suficienți aminoacizi esențiali; în general, proteinele de origine animală sunt mai valoroase decât proteinele vegetale.
Dacă lipsește doar un aminoacid necesar, ceilalți aminoacizi nu pot fi folosiți pentru sinteza proteinelor și se descompun rapid - organismul animal nu stochează aminoacizii în stoc. Aminoacidul lizină lipsește cel mai adesea în alimentele vegetale. De exemplu, făina de grâu conține aproximativ 9% proteine, dar numai aproximativ un sfert din aceasta poate fi utilizată pentru a construi proteine umane. Adăugarea de 0,2% lizină dublează utilizarea acestor proteine. În unele țări cu o dietă predominant vegetală (Japonia), alimentele sunt foarte îmbogățite în acest fel.
Vitamine sunt un alt grup de substanțe care sunt indispensabile animalelor deoarece animalele au pierdut capacitatea de a le sintetiza în timpul evoluției. Acestea nu au legătură chimică și implicarea lor în metabolismul celular este, de asemenea, diferită. Acest lucru este cel mai bine investigat pentru vitaminele B, care sunt componente ale unor coenzime importante ale metabolismului celular: vitamina b1 este implicată în reacțiile de decarboxilare (scindarea CO2 din compuși organici), vitamina B2 în respirația celulară, vitamina B6 în metabolismul aminoacizilor și altele asemenea. În schimb, vitaminele A și D nu sunt componente ale sistemelor enzimatice. Spre deosebire de aminoacizii esențiali, necesarul de vitamine nu este același la toate animalele, de ex. Vitamina C este necesară doar pentru unele mamifere (maimuțe, oameni, cobai), probabil pentru cele care s-au dezvoltat în zone cu acces permanent la hrana proaspătă a plantelor, alte animale pot sintetiza vitamina C din glucoză.
Insectele, pe de altă parte, necesită colesterol, pe care alte animale îl sintetizează; unii paraziți ai sângelui au nevoie de hemină în dieta lor ca un element constitutiv al enzimelor respiratorii.
Bolile carente de vitamine - avitaminoza - se manifestă prin tulburări ale diferitelor organe, chiar dacă sunt vitamine necesare pentru toate celulele. Probabil unele celule sunt deosebit de sensibile la lipsa unei anumite vitamine.
Cu toate acestea, unele vitamine nu sunt necesare pentru toate celulele: de ex. vitamina D este implicată în gestionarea metabolismului calciului la vertebrate și este foarte probabil ca această funcție să se dezvolte secundar în legătură cu formarea scheletului; această vitamină nu este o substanță răspândită universal - în cele din urmă se formează în corpul animalelor din provitamine prin acțiunea luminii ultraviolete (adică printr-o reacție non-enzimatică). Acest lucru confirmă ceea ce este un grup neuniform de vitamine.
Intensitate ridicată a proceselor catabolice, caracteristic organismelor animale, este direct legat de locomoție. Mișcarea musculară este funcția cea mai consumatoare de energie a macroorganismelor, energia pentru aceasta este obținută de animale prin procese catabolice. Intensitatea catabolismului se poate schimba rapid și într-o mare măsură: în timpul tranziției de la repaus la exerciții intense (alergare, zbor), intensitatea catabolismului crește cu unu până la două ordine de mărime. Dar chiar și în repaus, organismul animal are un catabolism relativ ridicat. Ne putem imagina că acest lucru, pe de o parte, menține pregătite toate sistemele de organe, care trebuie pregătite pentru o creștere imediată a activității; din nou, este necesar ca anumite sisteme de organe (respirator, digestiv, excretor) să fie în funcțiune constantă.
Această trăsătură caracteristică a metabolismului animal se manifestă și în raportul dintre intensitatea proceselor catabolice și anabolice. Evenimentele catabolice predomină întotdeauna: la un animal adult care nu crește, practic toți nutrienții absorbiți sunt metabolizați și utilizați pentru a obține energie. La animalele în creștere, unele dintre substanțele nutritive sunt folosite pentru a construi corpul. Această proporție este cea mai mare la puii nou-născuți, unde atinge până la jumătate din substanțele nutritive ingerate; jumătatea rămasă este de asemenea utilizată aici pentru a obține energie (Fig. 25).
În multe grupuri de animale, în special la animalele inferioare, creșterea nu este niciodată oprită complet, ci doar încetinește în timp (de exemplu pești). Tipic creștere închisă au păsări și mamifere superioare, dar și de ex. insecte care ajung la maturitate sexuală numai după transformare, care nu mai este urmată de creștere sau dezbrăcare în continuare.
Intensitatea proceselor anabolice crește și în timpul reproducerii: în formarea ouălor, în nutriția embrionului la darea vie, la mamifere în producția de lapte. Până la o treime din toți nutrienții ingerați pot apărea în lapte - mamiferele care alăptează sunt, prin urmare, un producător foarte eficient de nutrienți valoroși.
O funcție care solicită considerabil metabolismul organismului animal este reglarea temperaturii corpului. Animalele endoterme au un metabolism mai mare chiar și în repaus decât animalele ectoterme de dimensiuni corporale comparabile.
Animalele endoterme prezintă o dependență tipică a intensității metabolice de mărimea corpului. Animalele mai mici au un metabolism relativ mai mare (pe unitate de greutate corporală). Intensitatea catabolismului este destul de proporțională cu suprafața corpului (care crește cu pătratul lungimii). Astfel, animalele mai mici au, de asemenea, un consum relativ ridicat de alimente, o creștere mai rapidă și o viteză mai mare a tuturor evenimentelor din viață (de exemplu, ritmul cardiac).
Pentru perioadele de lipsă de alimente, multe mamifere mai mici (mai puține păsări) sunt adaptate pentru hibernare. (hibernare); scăderea temperaturii corpului reduce metabolismul și astfel consumul de substanțe de depozitare. La animalele mari cu un metabolism relativ scăzut, evenimente similare sunt rare (ursul).
Cererile de energie ale locomoției au afectat, de asemenea, evoluția metabolismului animal de la latura de calitate: au un avantaj complet în obținerea de energie evenimente aerobe - substanțele nutritive sunt defalcate folosind oxigenul atmosferic, iar produsele finale sunt apă, CO2 și azot (amoniac, uree, acid uric). Acest fapt are o semnificație adaptativă clară, deoarece degradarea substanțelor care utilizează oxigen este cel mai eficient mod energetic de a le utiliza.
Substrat pentru aceste oxidări pot fi toți nutrienții esențiali: carbohidrați, grăsimi și proteine. Cel mai important substanță stoc Grăsimile (triacilglicerolii) unui organism animal sunt: oxidarea unui gram de grăsime dă de două ori mai multă energie decât oxidarea aceleiași cantități de zaharuri sau proteine și este foarte important pentru un organism mobil ca substanțele stoc să aibă o greutate redusă. pe cat posibil. Alimentele de origine vegetală conțin în principal zaharuri; în corpul animalelor, o parte semnificativă a zaharurilor ingerate este transformată în grăsime. Se știe că furajele pentru animale conțin foarte puține grăsimi, cu toate acestea, animalele hrănite pot depozita o mulțime de grăsimi (porci, gâște) sau pot produce (grăsimi din lapte).
Conversia zahărului în acizi grași, care sunt principalele componente ale unei molecule de grăsime, are loc în așa fel încât pentru fiecare 3 atomi de carbon de glucoză (transformați în acid piruvic), 2 atomi pătrund în molecula de acid gras și unul este eliberat ca CO2. Această îndepărtare a CO2 (decarboxilarea) este un eveniment ireversibil, iar majoritatea organismelor - inclusiv toate animalele multicelulare - nu au un ciclu metabolic prin care se pot forma zaharuri din acizi grași. O astfel de conversie poate avea loc în semințele germinative ale semințelor oleaginoase, în care celuloza se formează din grăsimea de stocare și pentru fiecare 4 atomi de carbon din molecula de acid gras, 3 intră în molecula de zahăr. Mecanismul biochimic al acestei conversii diferă semnificativ de mecanismul de formare a grăsimilor din zaharuri.
Alimentele și utilizarea lor
Valoarea alimentelor depinde atât de conținutul de nutrienți, cât și de digestibilitatea acestuia. Există diferențe semnificative între alimentele de origine animală și vegetală.
Hrana de origine animală are un conținut ridicat de substanțe nutritive, în special proteine, deseori bogate în grăsimi. Conținutul de zahăr este de obicei scăzut. De obicei este bine digerat, deci majoritatea nutrienților pe care îi folosește de fapt.
Pentru om, produsele de origine animală (carne, ouă, produse lactate) sunt o sursă substituibilă de proteine cu un conținut adecvat de aminoacizi. Sunt, de asemenea, o sursă bună de majoritatea vitaminelor, cu excepția vitaminei C; asigurarea dozelor de vitamina C pentru oameni necesită o aprovizionare constantă cu alimente de origine vegetală.
Hrana de origine vegetală conține de obicei mult mai multe zaharuri, puține proteine și componenta sa caracteristică este celuloza. Are o valoare diferită în funcție de faptul dacă este vorba de părți vegetative ale plantelor sau organe de depozitare.
Corpuri de stoc (tuberculi, arahide etc.), inclusiv semințele, conțin de obicei zaharuri de stocare foarte concentrate (amidon), mai rar (grăsimi oleaginoase); Semințele de leguminoase sunt bogate în proteine. Cu toate acestea, fără prelucrare mecanică (mestecarea, zdrobirea în stomacul păsărilor - măcinarea la populațiile umane cultivate), aceste substanțe, înconjurate de coji solide de celuloză, sunt dificil de accesat pentru enzimele digestive. Majoritatea animalelor nu secretă enzima celulază, care catalizează hidroliza celulozei.
Organe vegetative conțin multă celuloză și apă (vacuole ale celulelor adulte ale plantelor) și, în general, câțiva nutrienți. Condiția preliminară pentru utilizare este prelucrarea mecanică perfectă, fără digestia suplimentară a celulozei, fie prin celuloză proprie (melci), fie cu participarea microorganismelor simbiotice (termite și alte insecte, rumegătoare și alte mamifere erbivore), dar se folosește doar o mică parte din nutrienți.
În general, alimentele de origine vegetală furnizează semnificativ mai multe reziduuri nedigerate decât alimentele de origine animală.
Nutriția umană exclusiv sau în mare parte cu o dietă de origine vegetală este posibilă dacă componentele individuale sunt combinate astfel încât conținutul de aminoacizi esențiali să fie echilibrat. Important, acestea trebuie administrate în același timp; dacă nu pot forma proteine, se descompun.
Relațiile de substanță ale organismului animal și ale mediului
Conditii de mediu afectează existența organismului animal. Speciile individuale pot avea cerințe foarte specificate pentru mediu (anumite tipuri de hrană, temperatură etc.). În general, însă, animalele s-au adaptat la aproape orice mediu care le oferă hrană. Pentru majoritatea animalelor, disponibilitatea oxigenului este, de asemenea, o condiție, dar unele specii s-au adaptat și la lipsa temporară sau permanentă de oxigen.
Pot fi expuși la lipsa temporară de oxigen, de ex. sol și animale de apă dulce (la inundarea solului, la înghețarea apelor stagnante). Paraziții intestinali (tenii, nematodele) trăiesc într-o lipsă permanentă de oxigen la vârsta adultă. Hrana în exces și cerințele scăzute de locomoție le permit să trăiască permanent în detrimentul metabolismului anaerob ineficient.
Efectul substanței unui organism animal asupra mediului
Se datorează în principal metabolismului său aerob ridicat. Organismul animal convertește încă o cantitate considerabilă de biomasă în apă, CO2 și excreții azotate. Acest lucru accelerează circulația substanțelor în natură (Fig. 26).
Cu toate acestea, circulația substanțelor este accelerată nu numai de metabolismul unei părți din substanțele nutritive primite de animal. Unele substanțe nutritive părăsesc corpul ca fecalele; ambele sunt reziduuri alimentare nedigerate și un număr mare de bacterii care trăiesc în sistemul digestiv al animalelor, în esență sub formă de comensale, i. j. nu dăunează gazdei, dar nu oferă niciun beneficiu semnificativ.
O mare parte din alimentele nedigerate pot fi găsite în fecalele animalelor erbivore, de ex. nevertebrate care trăiesc în sol și se hrănesc cu resturi de plante (peri mici, acarieni, milipede, larve ale unor insecte). Resturile alimentare nedigerate sunt un nutrient bine disponibil pentru bacterii și ciuperci, accelerând astfel circulația nutrienților. Într-o pădure de foioase, cel puțin jumătate din toate părțile plantelor moarte trec prin sistemul digestiv al animalelor din sol pe an, dintre care aproximativ o cincime este metabolizată, iar restul apare în fecale. În același timp, biomasa tuturor acestor animale corespunde cu 1,5% din cantitatea totală de părți de plante moarte (frunze căzute etc.), așa-numita. detritus)
Corpul unui organism animal reprezintă acumularea anumitor substanțe care nu sunt atât de concentrate în altă parte a naturii. Acestea sunt în principal proteine și grăsimi, care formează așa-numitele părți moi ale corpului animalului. După moartea animalului, aceste părți se descompun foarte repede și sunt introduse în circulația substanțelor prin acțiunea organismelor saprofite (saprobice). Cornul vertebratelor (părul, penele) și chitina artropodelor se descompun mai lent prin activitatea organismelor specializate. Părțile minerale - cochilii și schelete -, pe de altă parte, pot persista în natură foarte mult timp, în funcție de circumstanțe, sau pot da naștere la depozite geologice (carbonat de calciu din nevertebrate, fosfat de calciu din scheletele vertebratelor, depozite silicice ale cochiliilor ). În anumite condiții, chiar și părțile moi pot forma o mulțime de material organic în straturi geologice (baza teoretică a ipotezei care explică formarea petrolului).
Conversia metabolică a substanțelor în corpul animalului este în general foarte rapidă. Cu toate acestea, anumite componente prezente în mediu în concentrații mici se pot acumula treptat în organism și, în cele din urmă, se pot concentra considerabil. În depozitarea grăsimii animale, de ex. DDT, care se dizolvă foarte bine în grăsimi, dar este insolubil în apă. Acumularea crește în fiecare altă verigă din lanțul alimentar, prin urmare cea mai mare concentrație de DDT apare în ultimele verigi din lanțul alimentar, de ex. la prădători.
În mod similar, unele metale care sunt capabile să înlocuiască ionii de calciu se pot acumula în scheletul vertebratelor. Astfel, de ex. cantități periculoase de plumb și într-o situație în care calciul este mobilizat din oase, plumbul este eliberat și provoacă otrăvire. În mod similar, unele metale radioactive sunt încorporate în oase, în special stronțiul radioactiv, care se formează în timpul exploziei armelor nucleare. În același timp, este foarte periculos ca radiația sa să afecteze o măduvă osoasă foarte sensibilă. Acesta este cel mai mare pericol al testării armelor nucleare în atmosferă.