§16. Обмен веществ и преобразование энергии

Определения и обозначения

Обмен веществ — поступление веществ в организм, их превращение и использование, а также удаление ненужных продуктов. Он нужен, чтобы клетки получали материалы для работы и обновления, а организм избавлялся от того, что ему больше не требуется. Поэтому обмен включает не только питание, но и дальнейшую судьбу веществ.

Ассимиляция — образование из поступивших веществ веществ, необходимых организму; этот процесс требует энергии. Например, клетка использует подходящие вещества, чтобы создавать свои части и расти. Ассимиляция позволяет организму строить и обновлять собственные структуры.

Диссимиляция — расщепление сложных веществ до более простых, сопровождающееся выделением энергии. Она помогает клеткам получить энергию, заключённую в веществах. Эта энергия не возникает сама по себе: она высвобождается при изменениях веществ и становится доступной для работы организма.

Энергия — необходимое организму условие для процессов жизнедеятельности; при расщеплении веществ она высвобождается и используется клетками. Без неё клетки не смогли бы выполнять свою работу, в том числе двигаться и создавать новые вещества. Значит, энергия связывает расщепление веществ с другими процессами в организме.

Как это устроено

Вещества поступают в организм из окружающей среды с пищей, водой и воздухом; их состав и путь поступления зависят от организма. Разным клеткам нужны разные вещества, поэтому организм получает их несколькими способами. Пища и вода дают материалы для обмена, а воздух приносит вещества, необходимые многим организмам для жизненных процессов. Само поступление — только начало: вещества ещё предстоит подготовить и доставить.

Поступившие вещества перевариваются или иным образом преобразуются, затем доставляются к клеткам и участвуют в обмене. Это необходимо потому, что клетка не всегда может сразу использовать вещество в том виде, в каком оно поступило. После преобразования нужные вещества перемещаются к клеткам, где из них строятся структуры или они включаются в другие процессы. Так связь организма с окружающей средой продолжается внутри организма.

При ассимиляции клетки используют вещества для построения собственных структур и роста, затрачивая энергию. Новому организму нужно увеличивать число и размеры своих клеток, а уже существующим клеткам — обновлять свои части. Для этого поступившие вещества должны стать частью организма, а не просто пройти через него. Построение требует затрат, поэтому энергия необходима ассимиляции.

При диссимиляции сложные вещества расщепляются; выделившаяся энергия необходима для движения, роста и других процессов. Клетки нуждаются в энергии постоянно, потому что жизнедеятельность включает множество действий, а не только построение новых структур. При расщеплении вещества превращаются в более простые, и часть энергии становится доступной для клеточной работы. Благодаря этому организм может выполнять необходимые процессы.

Неиспользованные и вредные продукты обмена удаляются из организма; ассимиляция и диссимиляция взаимосвязаны и вместе составляют обмен веществ. Удаление необходимо, потому что накопление ненужных продуктов мешало бы нормальной работе организма. При этом построение веществ и их расщепление происходят не изолированно: энергия, высвобождаемая при диссимиляции, нужна для многих процессов, в том числе для ассимиляции. Поэтому обмен представляет собой единую систему превращений.

Два взаимосвязанных процесса обмена веществ

Сравнивайте процессы по тому, что происходит с веществами и энергией: это помогает не перепутать их. Если вещества строятся, а энергия расходуется, речь идёт об ассимиляции; если сложные вещества расщепляются и энергия высвобождается — о диссимиляции. Оба процесса нужны организму и связаны между собой.

Разбор задач

Ученик называет поступление пищи в организм и построение из её веществ новых клеточных структур. Определите, какой процесс обмена описан во втором случае. Здесь важно не принять поступление пищи за сам процесс построения: это разные этапы. Нужно выяснить, что именно делает клетка с веществами.

1. Находим действие во втором случае: из веществ создаются новые клеточные структуры.
2. Сопоставляем его с определениями: создание необходимых организму веществ относится к ассимиляции.
3. Проверяем различие: пища лишь поступает в организм, а ассимиляция происходит, когда клетка использует вещества для построения.

Ответ: во втором случае описана ассимиляция. Само поступление пищи ещё не является построением клеточных структур.

При расщеплении сложного вещества в клетке образуются более простые вещества и выделяется энергия. Назовите процесс и объясните, куда может быть использована энергия. Чтобы ответить, нужно обратить внимание одновременно на два признака: сложное вещество распадается, а энергия высвобождается. Они указывают на направление превращения.

1. Определяем изменение вещества: сложное вещество становится более простым.
2. Сопоставляем это с определением диссимиляции: при ней сложные вещества расщепляются.
3. Учитываем выделение энергии: клетки могут использовать её для движения, роста и других процессов жизнедеятельности.

Ответ: это диссимиляция. Полученная энергия обеспечивает работу клеток и может расходоваться, например, на движение или построение веществ.

Растущий организм получает пищу, использует её вещества для построения клеток и одновременно расщепляет часть веществ. Объясните, почему здесь происходят оба процесса обмена. Рост требует создания новых частей организма, но клеткам также нужна энергия, чтобы выполнять свою работу. Поэтому важно отдельно рассмотреть построение и расщепление.

1. Использование веществ для построения клеток означает образование необходимых организму структур — это ассимиляция.
2. Расщепление части веществ до более простых означает диссимиляцию, при которой высвобождается энергия.
3. Энергия нужна клеткам для жизнедеятельности и может расходоваться на процессы построения; значит, оба процесса необходимы и связаны.

Ответ: одновременно идут ассимиляция и диссимиляция. Первая обеспечивает построение клеток, а вторая высвобождает энергию для работы организма.

Типичные ошибки

Считать обмен веществ только питанием — значит учитывать лишь поступление пищи и забывать о её превращении, использовании и удалении продуктов. Так ошибаются, потому что питание заметно и легко представить как весь процесс. Проверь себя: назови, что происходит с веществами после поступления и что организм удаляет.

Путать ассимиляцию с расщеплением — значит приписывать построению распад сложных веществ. Путаница возникает потому, что оба процесса относятся к превращению веществ. Проверь себя по результату: при ассимиляции образуются нужные организму вещества, а при диссимиляции сложные вещества распадаются.

Полагать, что энергия выделяется при построении веществ, — неверно: ассимиляция обычно требует затрат энергии, а при диссимиляции она высвобождается. Ошибка может появиться, если помнить только, что энергия нужна для работы организма, но не связывать её с конкретным процессом. Проверь себя, задав вопрос: вещества строятся или расщепляются?

Считать, что процессы идут по очереди и независимо, — значит не замечать их взаимосвязь. Так можно подумать, если представлять обмен как несколько отдельных этапов, которые не влияют друг на друга. Проверь себя: диссимиляция даёт энергию, нужную клеткам, а ассимиляция использует вещества и энергию для построения, поэтому процессы могут идти одновременно.

Связь с другими темами

Для понимания обмена полезно знать, что клетка — основная структурная единица организма, а вещества нужны ей для работы и построения собственных частей. Также пригодятся знания о питании, дыхании и выделении: это процессы, через которые организм взаимодействует с окружающей средой и обеспечивает обмен веществ. Эти темы помогают увидеть, откуда поступают вещества и как организм удаляет ненужные продукты.

Дальше понятие обмена веществ пригодится при изучении питания разных организмов, клеточного дыхания, роста и развития. Эти явления связаны с поступлением и превращением веществ, а также с использованием энергии. Различение ассимиляции и диссимиляции поможет объяснить, как организм одновременно строит свои структуры и обеспечивает клетки энергией.

Что запомнить

• Обмен веществ связывает организм с окружающей средой.
• В обмен входят поступление, превращение и удаление веществ.
• Ассимиляция создаёт необходимые организму вещества.
• Для ассимиляции требуется энергия.
• Диссимиляция расщепляет сложные вещества и высвобождает энергию.
• Ассимиляция и диссимиляция взаимосвязаны.