Животински организъм - метаболизъм
Храненето като решаващ фактор за еволюцията на животните
Всички животни са хетеротрофни. За разлика от други групи хетеротрофни организми - бактерии и гъби - те не се хранят с разтворени вещества: храната им е цели организми или части от телата им. Този тип хранене - т.нар. холозоево хранене - определя не само съществените особености на метаболизма на животните, но и морфологичното и функционалното формиране на животинския организъм като цяло.
Една функция, характерна за животните - движението - е тясно свързана с холозоевото хранене. Основната функция на движението със сигурност е била набавянето на храна, докато на второ място локомоцията също се използва при търсене на сексуален партньор или при бягство от заплаха за тялото. Във връзка с движението, повечето животни развиват масивна мускулно-скелетна система, изградена от мускули, които в много групи съставляват значителна част от теглото на тялото. В същото време органите за контрол на движението - нервната система и органите, които информират животното за променящата се среда, в която то влиза - сетивните органи - се развиват. При различни животински групи, които се развиват паралелно и независимо една от друга, развитието на тези системи винаги е знак за напреднала еволюция.
В стъблото на мекотелите типичен пример за такава напреднала група са главоногите, които имат най-съвършените двигателни и сетивни органи, както и нервната система; в еволюционната линия на носорози - членестоноги, връхът на еволюцията е насекоми, сред гръбначни птици и бозайници.
Цялата структура на животинското тяло също е адаптирана към условията на движение. Тялото е компактно, предимно без богато съчленени израстъци (за разлика от тялото на растенията) и съчленено вътре. Вътрешните повърхности на дихателните или храносмилателните органи често надвишават многократно повърхността на животинския организъм. При по-прогресивно прогресиращи форми метаболитните функции са концентрирани в компактни органи (дихателни, отделителни, храносмилателни и други). Той се проявява във всички по-напреднали групи двустранна симетрия и замества радиалната симетрия на по-оригинални в развитието групи (трипси). В предния край на тялото (отпред в смисъл на движение), сетивните органи и горните нервни центрове са концентрирани и устата се премества тук, главата се формира - отново успоредно в различни линии на развитие -.
Метаболизъм на животинския организъм
Метаболизмът на всички животни се характеризира с две характеристики: намаляване на биосинтетичните способности, свързани с диетата, и изключително висока интензивност на катаболизма, обусловена от развитието на движението.
Ограничение на биосинтетичните способности свързано с факта, че животинската храна съдържа много основни градивни елементи от вещества, от които е съставен организмът. Ако животните поглъщат тези основни съставки трайно в диетата си, това няма неблагоприятни последици за тях, когато загубят способността да ги произвеждат от други вещества. Такава загуба може да се дължи на случайна мутация.
Мутациите на загубите, разбира се, са много по-вероятни от творческите мутации, чрез които организмът придобива ново свойство, което улеснява оцеляването му. Мутацията причинява напр. заместване на една аминокиселина в протеинова молекула с друга. Такова заместване може да е безразлично към функцията на молекулата - наистина хомоложни протеини, напр. хемоглобин на различни животни, се различават в аминокиселинния състав на някои части от техните вериги. Ако обаче мутацията засяга напр. активен център на ензима, ензимната активност е най-вероятно да бъде загубена (има малка вероятност тя да се увеличи или ензимът да стане, например, по-специфичен за субстрата).
Необходими аминокиселини са група вещества, които животните трябва да получават в диетата си, въпреки че други организми - не само зелени растения, но и гъбички и бактерии - ги синтезират. Всички животни нямат способността да синтезират практически 8 от 20-те аминокиселини, които изграждат протеини. Естественият източник на аминокиселини обаче е протеинът в храната (свободните аминокиселини се намират в малки количества в естествената храна). Следователно, определено количество протеин в диетата е необходимо не само за растящия организъм, но и за възрастни животни (и хора), тъй като техните тъканни протеини все още трябва да бъдат подновени. Липсата на необходимата аминокиселина причинява патологични промени; ако те напълно липсват в диетата, настъпва смърт. Не всички храни имат достатъчно незаменими аминокиселини; като цяло протеините от животински произход са по-ценни от растителните протеини.
Ако липсва само една необходима аминокиселина, другите аминокиселини не могат да се използват за синтез на протеини и да се разграждат бързо - животинският организъм не съхранява аминокиселини на склад. Аминокиселината лизин най-често липсва в растителните храни. Например пшеничното брашно съдържа около 9% протеин, но само около една четвърт от него може да се използва за изграждане на човешки протеин. Добавянето на 0,2% лизин удвоява използването на тези протеини. В някои страни с предимно растителна диета (Япония) храната се обогатява значително по този начин.
Витамини са друга група вещества, които са незаменими за животните, тъй като животните са загубили способността да ги синтезират по време на еволюцията. Те са химически несвързани и тяхното участие в клетъчния метаболизъм също е различно. Това се изследва най-добре за витамини от група В, които са компоненти на важните коензими на клетъчния метаболизъм: витамин В1 участва в реакциите на декарбоксилиране (разцепване на СО2 от органични съединения), витамин В2 върху клетъчното дишане, витамин В6 върху метаболизма на аминокиселините и други подобни. За разлика от тях, витамините А и D не са компоненти на ензимните системи. За разлика от незаменимите аминокиселини, витаминните нужди не са еднакви при всички животни, напр. Витамин С е необходим само за някои бозайници (маймуни, хора, морски свинчета), вероятно за тези, които са се развили в райони с постоянен достъп до прясна растителна храна, други животни могат да синтезират витамин С от глюкоза.
Насекомите, от друга страна, се нуждаят от холестерол, който другите животни синтезират; някои кръвни паразити се нуждаят от хемин в диетата си като градивен елемент на дихателните ензими.
Витаминодефицитни заболявания - авитаминоза - се проявяват с нарушения на различни органи, въпреки че те са витамини, необходими за всички клетки. Вероятно някои клетки са особено чувствителни към липсата на определен витамин.
Някои витамини обаче не са необходими за всички клетки: напр. витамин D участва в управлението на метаболизма на калция при гръбначните животни и е много вероятно тази функция да се е развила вторично във връзка с формирането на скелета; този витамин не е широко разпространено вещество - той най-накрая се образува в животинското тяло от провитамини чрез действието на ултравиолетова светлина (т.е. чрез не-ензимна реакция). Това потвърждава каква неравномерна група витамини.
Висока интензивност на катаболните процеси, характерно за животинските организми, е пряко свързано с движението. Мускулното движение е най-енергоемката функция на макроорганизмите, енергията за него се получава от животните чрез катаболни процеси. Интензивността на катаболизма може да се промени бързо и до голяма степен: по време на прехода от почивка към интензивни упражнения (бягане, полет), интензивността на катаболизма се увеличава с един до два порядъка. Но дори и в покой, животинският организъм има относително висок катаболизъм. Можем да си представим, че това, от една страна, поддържа всички системи на органи в готовност, които трябва да бъдат подготвени за незабавно увеличаване на активността; отново е необходимо определени органи (дихателна, храносмилателна, отделителна) да бъдат в постоянна работа.
Тази характерна черта на метаболизма на животните се проявява и в съотношението на интензивността на катаболните и анаболните процеси. Катаболните събития винаги преобладават: при възрастно животно, което не расте, практически всички усвоени хранителни вещества се метаболизират и използват за получаване на енергия. При растящите животни част от хранителните вещества се използват за изграждане на тялото. Този дял е най-висок при новородените малки, където достига до половината от поетите хранителни вещества; останалата половина също се използва за получаване на енергия тук (фиг. 25).
В много животински групи, особено при по-ниските животни, растежът никога не се спира напълно, а само се забавя с времето (напр. Риби). Типично затворен растеж имат птици и висши бозайници, но също така напр. насекоми, които достигат полова зрялост само след трансформация, която вече не е последвана от растеж или по-нататъшно събличане.
Интензивността на анаболните процеси също се увеличава по време на размножаването: при образуването на яйца, при храненето на ембриона при живородоносните, при бозайниците при производството на мляко. До една трета от всички погълнати хранителни вещества могат да се появят в млякото - лактиращите бозайници следователно са много ефективен производител на ценни хранителни вещества.
Функция, която поставя значителни изисквания към метаболизма на животинския организъм е регулиране на телесната температура. Ендотермичните животни имат по-висок метаболизъм дори в покой, отколкото екзотермичните животни със сравним телесен размер.
Ендотермичните животни показват типична зависимост на метаболитната интензивност от размера на тялото. По-малките животни имат относително по-висок метаболизъм (на единица телесно тегло). Интензивността на катаболизма е доста пропорционална на телесната повърхност (която нараства с квадрата на дължината). По този начин по-малките животни също имат относително по-висока консумация на храна, по-бърз растеж и по-висока скорост на всички житейски събития (напр. Пулс).
За периоди на недостиг на храна много по-дребни бозайници (по-малко птици) са адаптирани към зимен сън. (хибернация); понижаването на телесната температура намалява метаболизма и по този начин консумацията на съхраняващи вещества. При големи животни с относително по-нисък метаболизъм подобни събития са редки (мечка).
Нуждите от енергия за движение също влияят върху развитието на метаболизма на животните от качествена страна: те имат пълно предимство в получаването на енергия аеробни събития - хранителните вещества се разграждат с помощта на атмосферен кислород, а крайните продукти са вода, CO2 и азотни продукти (амоняк, урея, пикочна киселина). Този факт има ясно адаптивно значение, тъй като разграждането на веществата, използвайки кислород, е най-енергийно ефективният начин за тяхното използване.
Субстрат за тези окисления могат да бъдат всички основни хранителни вещества: въглехидрати, мазнини и протеини. Най-важните запасно вещество Мазнините (триацилглицероли) на животински организъм са: окисляването на един грам мазнина дава два пъти повече енергия от окисляването на същото количество захари или протеини и е много важно за подвижния организъм съставките да имат толкова малко тегло колкото е възможно. Храната от растителен произход съдържа предимно захари; в животинското тяло значителна част от погълнатите захари се превръща в мазнини. Известно е, че фуражите за животни съдържат много малко мазнини, но хранените животни могат да съхраняват много мазнини (прасета, гъски) или да произвеждат (млечна мазнина).
Превръщането на захарта в мастни киселини, които са основните компоненти на мастната молекула, се осъществява по такъв начин, че на всеки 3 въглеродни атома глюкоза (превърната в пировиноградна киселина) 2 атома влизат в молекулата на мастната киселина и един се освобождава като CO2. Това отстраняване на CO2 (декарбоксилиране) е необратимо събитие и повечето организми - включително всички многоклетъчни животни - нямат метаболитен цикъл, чрез който захарите могат да се образуват от мастни киселини. Подобно преобразуване може да се случи в покълващите семена на маслодайните семена, където целулозата се образува от складиращата мазнина и за всеки 4 въглеродни атома на молекулата на мастната киселина 3 влизат в молекулата на захарта. Биохимичният механизъм на това превръщане се различава значително от механизма на образуване на мазнини от захари.
Храната и нейното използване
Стойността на храната зависи както от съдържанието на хранителни вещества, така и от нейната усвояемост. Съществуват значителни разлики между храната от животински и растителен произход.
Храна от животински произход богато е на хранителни вещества, особено на протеини, често с високо съдържание на мазнини. Съдържанието на захар обикновено е ниско. Обикновено се усвоява добре, така че повечето хранителни вещества, които всъщност използва.
За хората животинските продукти (месо, яйца, млечни продукти) са заменим източник на протеин с подходящо съдържание на аминокиселини. Те също са добър източник на повечето витамини, с изключение на витамин С; осигуряването на дози витамин С за хората изисква постоянно снабдяване с храна от растителен произход.
Храна от растителен произход обикновено съдържа много повече захари, малко протеини и неговият характерен компонент е целулозата. Той има различна стойност в зависимост от това дали е вегетативни части на растения или органи за съхранение.
Запасни тела (грудки, фъстъци и др.), включително семената, обикновено съдържат силно концентрирани захари за съхранение (нишесте), по-рядко (маслени семена) мазнини; Семената на бобовите растения са богати на протеини. Въпреки това, без механична обработка (дъвчене, смачкване в стомаха на птиците - смилане в култивирани човешки популации), тези вещества, заобиколени от твърди целулозни черупки, са трудно достъпни за храносмилателните ензими. Повечето животни не секретират ензима целулаза, който катализира хидролизата на целулозата.
Вегетативни органи те съдържат много целулоза и вода (вакуоли на възрастни растителни клетки) и обикновено няколко хранителни вещества. Предпоставката за използване е перфектна механична обработка, без допълнително смилане на целулоза или чрез собствена целулоза (охлюви), или с участието на симбиотични микроорганизми (термити и други насекоми, преживни животни и други растителноядни бозайници), но се използва само малка част от хранителните вещества.
Като цяло храната от растителен произход осигурява значително повече неразградени остатъци от храната от животински произход.
Човешкото хранене изключително или предимно с диета от растителен произход е възможно, ако отделните компоненти се комбинират по такъв начин, че съдържанието на необходимите аминокиселини да бъде балансирано. Важното е, че те трябва да се прилагат едновременно; ако не могат да образуват протеини, те се разграждат.
Взаимовръзки на веществата на животинския организъм и околната среда
Условия на околната среда засягат съществуването на животинския организъм. Отделните видове могат да имат много конкретни изисквания към околната среда (определен вид храна, температура и т.н.). Като цяло обаче животните са се приспособили към почти всяка среда, която им осигурява храна. За повечето животни наличието на кислород също е условие, но някои видове също са се приспособили към временна или постоянна липса на кислород.
Те могат да бъдат изложени на временна липса на кислород, напр. почвени и сладководни животни (при заливане на почвата, при замръзване на застояли води). Чревните паразити (тении, нематоди) живеят в постоянна липса на кислород в зряла възраст. Излишната храна и ниските изисквания за движение не им позволяват да живеят постоянно за сметка на неефективния анаеробен метаболизъм.
Влияние на веществото на животински организъм върху околната среда
Това се дължи главно на високия му аеробен метаболизъм. Животинският организъм все още преобразува значително количество биомаса във вода, CO2 и азотни екскрети. Това ускорява циркулацията на вещества в природата (фиг. 26).
Циркулацията на веществата обаче се ускорява не само от метаболизма на част от хранителните вещества, получени от животното. Някои от хранителните вещества напускат тялото като изпражнения; и двете са несмлени остатъци от храна и голям брой бактерии, които живеят в храносмилателната система на животните по същество като коменсали, т.е. j. те не увреждат домакина, но не осигуряват значителна полза.
Голяма част от неусвоената храна може да се намери във фекалиите на тревопасните животни, напр. безгръбначни, които живеят в почвата и се хранят с растителни остатъци (малки четина, акари, милипеди, ларви на някои насекоми). Несвоените остатъци от храна са добре достъпно хранително вещество за бактерии и гъбички, като по този начин ускоряват циркулацията на хранителните вещества. В широколистна гора най-малко половината от всички мъртви растителни части преминават през храносмилателната система на почвените животни годишно, от които около една пета се метаболизира, а останалата част се появява във фекалиите. В същото време биомасата на всички тези животни съответства на 1,5% от общото количество мъртви растителни части (паднали листа и др., Т.нар. детрит)
Тялото на животински организъм представлява натрупването на определени вещества, които не са толкова концентрирани другаде в природата. Това са предимно протеини и мазнини, които образуват т.нар меки части от тялото на животното. След смъртта на животното тези части се разлагат много бързо под действието на сапрофитни (сапробни) организми и се въвеждат в циркулацията на веществата. Рогът на гръбначните животни (косми, пера) и хитинът на членестоногите се разлагат по-бавно от дейността на специализирани организми. Минералните части - черупки и скелети - от друга страна, могат да продължат да съществуват в природата за много дълго време, в зависимост от обстоятелствата, или да доведат до геоложки отлагания (калциев карбонат при безгръбначни, калциев фосфат от скелети на гръбначни, силициеви отлагания на черупки ). При определени условия дори меките части могат да образуват много органичен материал в геоложки слоеве (теоретична основа на хипотезата, обясняваща образуването на петрол).
Метаболитната конверсия на веществата в животинското тяло обикновено е много бърза. Независимо от това, някои компоненти, присъстващи в околната среда в малки концентрации, могат постепенно да се натрупват в тялото и в крайна сметка да се концентрират значително. В хранилището за животински мазнини, напр. DDT, който се разтваря много добре в мазнини, но е неразтворим във вода. Натрупването се увеличава във всяко друго звено в хранителната верига, поради което най-високата концентрация на ДДТ се наблюдава в последните звена в хранителната верига, напр. при хищници.
По същия начин някои метали, които могат да заместват калциевите йони, могат да се натрупват в скелета на гръбначните животни. Така напр. опасни количества олово и в ситуация, при която калцият се мобилизира от костите, оловото се отделя и причинява отравяне. По същия начин някои радиоактивни метали се включват в костите, особено радиоактивният стронций, който се образува по време на експлозии на ядрено оръжие. В същото време е много опасно, че излъчването му засяга много чувствителен костен мозък. Това е най-голямата опасност от тестване на ядрено оръжие в атмосферата.