Благодаря богатым энергией связям в молекулах АТФ клетка может накапливать большое количество энергии в очень небольшом пространстве и расходовать ее по мере надобности. Синтез АТФ осуществляется в митохондриях. Отсюда молекулы АТФ поступают в разные участки клетки, обеспечивая энергией процессы жизнедеятельности.
Этапы энергетического обмена. Энергетический обмен обычно делят на три этапа. Первый этап – подготовительный. На этом этапе молекулы ди– и полисахаридов, жиров, белков распадаются на мелкие молекулы – глюкозу, глицерин и жирные кислоты, аминокислоты; крупные молекулы нуклеиновых кислот – на нуклеотиды. На этом этапе выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде теплоты.
Второй этап – бескислородный, или неполный. Он называется также анаэробным дыханием (гликолизом), или брожением. Образующиеся на этом этапе вещества при участии ферментов подвергаются дальнейшему расщеплению. Например в мышцах в результате анаэробного дыхания молекула глюкозы распадается на две молекулы пировиноградной кислоты (С3Н4О3), которые затем восстанавливаются в молочную кислоту (С3Н6О3). В реакциях расщепления глюкозы участвуют фосфорная кислота и АДФ. В суммарном виде это выглядит так:
С6Н12О6 + 2Н3РО4 + 2АДФ → 2С3Н6О3 + 2АТФ + 2Н2О.
У дрожжевых грибов молекула глюкозы без участия кислорода превращается в этиловый спирт и диоксид углерода (спиртовое брожение):
С6Н12О6 + 2Н3РО4 + 2АДФ → 2С2Н5ОН + 2СО2 + 2АТФ + 2Н2О.
У других микроорганизмов гликолиз может завершаться образованием ацетона, уксусной кислоты и т. д.
Во всех случаях распад одной молекулы глюкозы сопровождается образованием двух молекул АТФ. В ходе бескислородного расщепления глюкозы в виде химической связи в молекуле АТФ сохраняется 40 % энергии, а остальная рассеивается в виде теплоты.
Третий этап энергетического обмена – стадия аэробного дыхания, или кислородного расщепления. Реакции этой стадии энергетического обмена также катализируются ферментами. При доступе кислорода к клетке образовавшиеся во время предыдущего этапа вещества окисляются до конечных продуктов – Н2О и СО2. Кислородное дыхание сопровождается выделением большого количества энергии и аккумуляцией ее в молекулах АТФ. Суммарное уравнение аэробного дыхания выглядит так:
2С3Н6О3 + 6О2 + 36Н3РО4 + 36АДФ → 6СО2 + 38Н2О + 36АТФ.
Таким образом, при окислении двух молекул молочной кислоты образуются 36 молекул АТФ. Следовательно, основную роль в обеспечении клетки энергией играет аэробное дыхание.
Вопрос 2. Движущие силы эволюции, их роль в образовании новых видов
В XIX в. Ч. Дарвин создает учение о происхождении и эволюции видов. Движущей силой эволюции Ч. Дарвин считал естественный отбор, наследственность и изменчивость.
Под наследственностью Дарвин понимал способность организмов сохранять в потомках свои видовые и индивидуальные особенности. Изменчивость – это свойство организмов приобретать новые признаки, т. е. это различия между особями в пределах вида.
Естественный отбор – это постоянно происходящий в пределах любого вида отбор наиболее приспособленных особей, который приводит к сохранению и накоплению изменений, полезных для вида в данных условиях, и к уничтожению вредных изменений.
Материалом для естественного отбора служит наследственная изменчивость. Избирательное сохранение лучших и избирательная гибель худших особей происходит через борьбу за существование.
Под термином «борьба за существование» понимают различные взаимоотношения, в которые вступают организмы между собой, а также все возможные взаимосвязи, которые возникают между организмами и условиями неживой природы.
Существуют следующие формы борьбы за существование:
1) внутривидовая борьба, или конкуренция, между особями одного и того же вида;
2) межвидовая борьба, которая возникает на разных уровнях (отношения «хищник – жертва», конкурентные отношения между разными видами растений в лесу и т. д.);
3) борьба организмов с неблагоприятными факторами неживой природы.
Исходные признаки и свойства в различных направлениях изменяет мутационный процесс. Частота возникновения отдельных мутаций очень низка, но в связи с большим числом генов общая частота возникающих мутаций у живых организмов относительно высока.
Один из важнейших эволюционных факторов – периодические изменения численности особей, популяционные волны; они являются поставщиками эволюционного материала, выводящие ряд генотипов случайно и ненаправленно на эволюционную арену.
Важный элементарный эволюционный фактор – изоляция, возникновение барьеров, нарушающих свободное скрещивание. Изоляция закрепляет возникшие случайно (в результате работы мутационного процесса и «волн жизни») и под влиянием отбора различия в наборах генотипов в разных частях популяции. Существует два основных типа изоляции: пространственная (при которой популяция разделяется на части барьерами, лежащими вне ее) и биологическая (при которой степень изоляции в пределах популяции основывается на возникновении соответствующих биологических различий).
Изоляция – один из важнейших факторов видообразования, так как препятствует скрещиванию и тем самым обмену наследственной информацией между обособленными популяциями. Пусковой механизм эволюции функционирует в результате совместного действия эволюционных факторов. У всех организмов постоянно идет мутационный процесс. Во всех популяциях происходят колебания численности особей. Явление изоляции входит в определение понятия «популяция», всегда присутствует в природе и естественный отбор. Влияние всех этих факторов может меняться независимо друг от друга, но они приводят к элементарным эволюционным изменениям. Со временем некоторые из них суммируются и ведут к возникновению новых приспособлений, что лежит в начале видообразования.
Вопрос 3. Рассмотреть обитателей аквариума и составить пищевую цепь. Объяснить, почему в аквариуме пищевые цепи короткие
Аквариум является упрощенной моделью экологической системы, созданной руками человека.
В качестве обязательного компонента данной экосистемы выступают зеленые растения (элодея канадская, валлиснерия, роголистник), являющиеся основными производителями (продуцентами) биомассы в аквариуме.
В роли потребителей (консументов) произведенных растениями в результате фотосинтеза органических веществ чаще всего выступают рыбы (гуппи, меченосцы, вуалехвосты) и моллюски (катушки, ампуллярии, прудовики), реже земноводные (шпорцевые лягушки, тритоны) и пресмыкающиеся (водяные черепахи).
Роль разрушителей (редуцентов) биомассы в аквариуме выполняют разнообразные микроорганизмы и простейшие, составляющие своеобразную микросреду, от которой во многом зависит устойчивость биоравновесия данной модели экосистемы.
Жизнь всех обитателей полностью зависит от условий, создаваемых и поддерживаемых человеком в аквариуме: освещенности, температуры воды, аэрации, состава грунта и других факторов.
Пример пищевой цепи:
одноклеточные зеленые водоросли → дафнии → гуппи → цихлозома.
Пищевые цепи в аквариуме короткие, так как ограниченность жизненного пространства и условий обитания не позволяют одновременно содержать большое количество видов растений и особенно животных, например, хищных рыб и их потенциальных жертв, конкурирующих видов, что может привести к нарушению биологического равновесия.
Вопрос 1. Пластический обмен. Биосинтез белка. Матричный характер биосинтеза
Пластический обмен (ассимиляция, или конструктивный обмен) – совокупность всех процессов синтеза сложных органических веществ. Эти вещества идут на построение органелл клетки, на создание новых клеток при делении. Пластический обмен всегда сопровождается поглощением энергии.
Рассмотрим этот процесс на примере образования важнейших органических соединений клетки – белков. Структура белка определяется участком молекулы ДНК, называемым геном. Каждые три последовательности нуклеотидов кодируют одну аминокислоту. Молекулы ДНК не являются непосредственно матрицами в самом процессе синтеза белка. Сначала происходит перенос генетической информации о нуклеотидном строении ДНК на иРНК (процесс транскрипции). Строится молекула иРНК на одной из цепочек молекулы ДНК-матрицы во время ее раздвоения при участии специального фермента РНК-полимеразы. Спаривание нуклеотидов идет по принципу комплементарности: последовательность нуклеотидов в молекуле определяется их последовательностью в цепочке ДНК. Как только заканчивается построение на ДНК-матрице цепи иРНК, она сразу же переходит в цитоплазму и прикрепляется там к одной из рибосом. Вслед за этим начинается синтез белка. Процесс синтеза полипептидной цепи на матрице иРНК называется трансляцией. Происходит этот процесс в рибосомах с участием фермента пептидполимеразы. Рибосомы построены из белка и РНК. Эта РНК называется рибосомной (рРНК). Прикрепившись на конце нити иРНК, рибосома начинает синтез полипептидной цепи. Передвигаясь в одном определенном направлении, она считывает по три нуклеотида и добавляет к растущей полипертидной цепи по одной аминокислоте.
