Обмен веществ. 
Физиология растений

клеточный углеродный растение минеральный Организмы представляют собой открытые энергетические системы, непрерывно обменивающиеся с окружающей средой веществом и энергией. Метаболизм, или обмен веществ лежит в основе всех проявлений жизни. Различают внешний обмен — поглощение и выделение веществ, и внутренний обмен — химическое превращение этих веществ в клетке. Обмен веществ и поддержание целостности структуры любой живой системы требуют затраты определенной энергии и, следовательно, ее поступления извне. Первичным источником энергии у автотрофных организмов служит либо свет (у фототрофов), либо различные химические реакции (у хемотрофов).

Существование большинства живых организмов на Земле невозможно без использования запасенной энергии. Такая энергия накапливается в виде энергии химических связей углеводов, жиров и белков. Передатчиками энергии при ее поступлении и расходовании служат высокоэнергетические соединения типа АТФ, то есть аденозинтрифосфорной кислоты (аденозинтрифосфата).

В процессе обмена веществ строится тело растительного организма. Превращение чужеродных веществ в вещества собственного тела получило название ассимиляции. Ассимиляция всегда сопряжена с расходованием энергии.

Распад веществ, образующих организм, до более простых соединений называется диссимиляцией. При диссимиляции энергия высвобождается. Ассимиляция и диссимиляция представляют собой взаимосвязанные процессы обмена веществ и энергии в живых системах.

Помимо обмена веществ, происходящих в клетках, сами клетки обмениваются веществами с окружающей средой. Этот обмен происходит либо в виде свободного (пассивного) транспорта за счет энергии передвигающихся частиц в ходе диффузии и осмоса, либо в виде активного транспорта, при котором затрачивается определенная часть энергии, образующейся при диссимиляции. Другая ее часть расходуется на синтез структурных компонентов клетки и поддержание ее гомеостаза. Главнейшую роль в регуляции обмена веществ между клеткой и средой играет цитоплазматическая мембрана (плазмалемма), а в пределах клетки — эндоплазматическая сеть.

Основное количество используемой организмом энергии высвобождается в результате диссимиляции. В процесс диссимиляции вовлекаются запасные вещества клетки и всего организма. Известно 2 основных процесса диссимиляции: брожение и дыхание.

Брожение эволюционно более древний и энергетически менее выгодный процесс. В ходе брожения различные энергетически богатые субстраты (чаще всего углеводы) расщепляются до менее богатых соединений (спирта, масляной, молочной, уксусной кислот). Брожение характерно для многих прокариот и некоторых грибов. Например, процесс спиртового брожения суммарно можно выразить уравнением:

С₆Н₁₂О₆ = 2С₂Н₅ОН + 2СО₂ + 2АТФ Из этого уравнения видно, что при сбраживании 1 молекулы сахара (глюкозы) образуется только 2 молекулы АТФ.

Дыхание энергетически более совершенно. В основе дыхания лежит биологическое окисление в так называемой цепи дыхания, содержащей специальные ферменты — оксиредуктазы. При полном окислении молекулы глюкозы до воды и диоксида углерода образуется 38 молекул АТФ:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ = 6Н₂О + 6СО₂ + 38 АТФ Энергетически богатые субстраты в процессе дыхания окисляются до крайне бедных энергией соединений — воды и диоксида углерода. У большинства организмов в окислительно-восстановительных процессах активно используется кислород. Важнейшие этапы процесса дыхания у эукариотических организмов осуществляются в митохондриях. Интенсивность дыхания меняется в ходе развития растения. Сухие покоящиеся семена дышат слабо. При набухании и последующем прорастании семян интенсивность дыхания усиливается в сотни и тысячи раз. Самой высокой интенсивностью дыхания отличаются быстро растущие органы и ткани. С окончанием периода активного роста растений дыхание их тканей ослабевает, что связано с процессами старения протопласта.

Существует две формы ассимиляции: автотрофная и гетеротрофная. Автотрофная ассимиляция имеет огромное значение для живых существ, поскольку создает первичную продукцию, являющуюся основой всех цепей питания в экосистемах. При автотрофной ассимиляции неорганические вещества превращаются в органические. Этот процесс наиболее сложен. Гетеротрофная ассимиляция относительно проще, поскольку здесь происходит превращение одних органических веществ в другие. Она типична для большинства животных, грибов и части прокариот. Большинство растений и значительное число видов прокариот автотрофны.

Поскольку органические вещества представляют собой соединения углерода, решающее значение при создании первичной продукции имеет ассимиляция СО₂. Это процесс восстановления, который ведет от максимально окисленного исходного вещества СО₂ к менее окисленным продуктам, таким, как углеводы (СН₂О)n. У растений и цианобактерий донором электронов, необходимых для восстановления углерода, служит вода, которая при отнятии электрона окисляется до кислорода. Такое преобразование энергии света называется аэробным (кислородным) фотосинтезом. Реже, у фотобактерий, донором электронов выступают молекулярная сера или сероводород, водород или некоторые органические вещества. Кислород при таком процессе не выделяется. Такое преобразование энергии света в химическую энергию получило название анаэробного (бескислородного) фотосинтеза.

Относительно редко донорами электронов при автотрофной ассимиляции выступают различные неорганические соединения, например водород в метанообразующих бактериях, а энергия поступает в результате окисления сероводорода (Н₂S), аммиака (NН₃). Это процессы хемосинтеза. Солнечный свет для существования хемосинтезирующих организмов не нужен и все процессы могут протекать анаэробно.