Источники энергии для живых организмов

Первоначальным источником энергии для живых организмов служит энергия солнечного света. Фототрофы — растения и фотосинтезирующие микроорганизмы — непосредственно используют световую энергию для синтеза сложных органических веществ (жиров, белков, углеводов и др.), являющихся вторичными источниками энергии. Гетеротрофы, к которым относятся животные, используют химическую энергию, выделяющуюся при окислении органических веществ, синтезированных растениями.

Биоэнергетические процессы можно разделить на процессы производства и аккумуляции энергии и процессы, в которых за счет запасенной энергии выполняется полезная работа (Рис. 1.1). Фотосинтез — основной биоэнергетический процесс на Земле. Это сложная многоступенчатая система фотофизических, фотохимических и темновых биохимических процессов, в которых энергия солнечного света трансформируется в химическую или электрохимическую формы энергии. В первом случае это энергия, заключенная в сложных органических молекулах, а во втором — энергия градиента протонов на мембранах, которая также преобразуется в химическую форму. В фотосинтезирующих организмах кванты солнечного света поглощаются молекулами хлорофилла и переводят их электроны в возбужденное состояние с повышенной энергией. Именно за счет энергии возбужденных электронов в молекулах хлорофилла фотосинтетическая система фототрофов из простых молекул углекислого газа и воды синтезирует глюкозу и другие органические молекулы (аминокислоты, жирные кислоты, нуклеотиды и т. д.), из которых впоследствии в организме строятся углеводы, белки, жиры и нуклеиновые кислоты. Продуктом этих реакций также является молекулярный кислород.

Суммарное уравнение основных реакций фотосинтеза:

6 CO₂ + 6 H₂O C₆H₁₂O₆ (глюкоза) + 6 O₂,.

где hн — энергия фотонов.

Глобальная роль фотосинтеза исключительно велика. Мощность солнечного излучения порядка 10²⁶ Вт. Из нее до поверхности Земли доходит около 2•10¹⁷ Вт, а из этой величины примерно 4•10¹³ Вт используется фотосинтезирующими организмами для синтеза органических веществ (Самойлов, 2004). Эта энергия поддерживает жизнь на Земле. За счет нее синтезируется около 7,510¹⁰ тонн биомассы в год (в расчете на углерод). При этом порядка 4•10¹⁰ тонн углерода фиксируется фитопланктоном в океане и 3,510¹⁰ тонн — растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами на суше.

Человечество потребляет продукты фотосинтеза в виде пищи, съедая органические вещества, первично произведенные растениями или вторично произведенные животными, поедающими растения, и в виде топлива, в качестве которого на 90% используются ранее запасенные продукты фотосинтеза — нефть и уголь (остальную энергию дают атомные и гидроэлектростанции).

Извлечение энергии, накопленной фототрофными организмами, и ее последующее использование осуществляется в процессах питания и дыхания. При прохождении по пищеварительному тракту пища размельчается, клетки разрушаются и биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты, жиры и углеводы) расщепляются на низкомолекулярные мономеры (аминокислоты, нуклеотиды, жирные кислоты и сахара), которые в кишечнике всасываются в кровь и транспортируются по всему организму. Из них клетки извлекают атомы водорода, несущие высокоэнергетические электроны, энергию которых удается частично запасать в виде молекул аденозинтрифосфата (adenosine triphosphate, ATP). ATP — универсальный источник энергии, используемый как батарейка, там и тогда, где и когда необходимо выполнить полезную работу.

Общая схема биоэнергетических процессов представлена на рис. 1.1.