Állati organizmus - anyagcsere
A táplálkozás, mint az állatok evolúciójának meghatározó tényezője
Minden állat az heterotróf. A heterotróf organizmusok - baktériumok és gombák - más csoportjaival ellentétben nem táplálkoznak oldott anyagokkal: táplálékuk egész organizmus vagy testrész. Ez a fajta táplálkozás - az ún. holozoikus táplálkozás - nemcsak az állati anyagcsere alapvető jellemzőit határozza meg, hanem az állati organizmus egészének morfológiai és funkcionális kialakulását is.
Az állatok egyik jellemző funkciója - a mozgás - szorosan összefügg a holozoikus táplálkozással. A mozgás elsődleges feladata minden bizonnyal az élelmiszer megszerzése volt, míg másodlagosan a mozgást akkor is alkalmazzák, ha szexuális partnert keresnek, vagy amikor a testet fenyegető veszély elől menekülnek. A mozgás kapcsán az állatok többségénél egy masszív izomrendszer fejlődik ki, amelyek izmokból állnak, amelyek sok csoportban a test súlyának jelentős részét teszik ki. Ugyanakkor fejlődnek a mozgásszabályozó szervek - az idegrendszer, valamint azok a szervek, amelyek tájékoztatják az állatot a változó környezetről, amelybe belép - az érzékszervek. Különböző állatcsoportokban, amelyek párhuzamosan és egymástól függetlenül fejlődtek, e rendszerek fejlődése mindig a fejlett evolúció jele.
A puhatestű szárában ilyen fejlett csoport tipikus példája a lábasfejűek, amelyek a legtökéletesebb mozgás- és érzékszervekkel, valamint idegrendszerrel rendelkeznek; az orrszarvúak - ízeltlábúak evolúciós sorában az evolúció csúcsa a rovarok, a gerinces madarak és az emlősök között.
Az állati test teljes felépítése is alkalmazkodik a mozgás körülményeihez. A test tömör, többnyire gazdagon tagolt növekedések nélkül (ellentétben a növények testével) és belül tagolt. A légzőszervek vagy az emésztőszervek belső felületei sokszor meghaladják az állati organizmus felületét. Progresszívebben progresszív formákban az anyagcsere-funkciók tömör szervekben koncentrálódnak (légző-, kiválasztó-, emésztőrendszeri és mások). Minden fejlettebb csoportban nyilvánul meg kétoldalú szimmetria és felváltja a fejlődésileg eredetibb csoportok (tripszek) radiális szimmetriáját. A test elülső végén (a mozgás szempontjából elülső) az érzékszervek és a felső idegközpontok összpontosulnak, és a száj itt mozog, a fej kialakul - ismét párhuzamosan, különböző fejlődési vonalakban -.
Az állati organizmus metabolizmusa
Minden állat anyagcseréjét két jellemző jellemzi: az étrendhez kapcsolódó bioszintetikus képességek csökkenése és a katabolizmus rendkívül magas intenzitása, amelyet a mozgás fejlődése feltételez.
A bioszintetikus képességek korlátozása kapcsolódik ahhoz a tényhez, hogy az állati táplálék számos alapvető építőelemet tartalmaz az anyagokból, amelyekből a szervezet áll. Ha az állatok ezeket az alapvető összetevőket állandóan beveszik étrendjükbe, az nem jár káros következményekkel rájuk nézve, amikor elveszítik képességüket más anyagokból történő előállításukra. Az ilyen veszteség véletlen mutációnak köszönhető.
A veszteségmutációk természetesen sokkal valószínűbbek, mint a kreatív mutációk, amelyek révén a szervezet új tulajdonságra tesz szert, amely megkönnyíti a túlélését. A mutáció pl. egy fehérjemolekulában lévő egyik aminosav helyettesítése egy másikkal. Egy ilyen helyettesítés közömbös lehet a molekula funkciója szempontjából - sőt, homológ fehérjék, pl. a különböző állatok hemoglobinja különbözik láncaik egyes részeinek aminosav-összetételében. Ha azonban a mutáció pl. az enzim aktív központja, az enzimaktivitás nagy valószínűséggel elvész (kicsi a valószínűsége annak, hogy növekedni fog, vagy hogy az enzim például specifikusabbá válik a szubsztrátra).
Szükséges aminosavak olyan anyagok csoportja, amelyeket az állatoknak meg kell kapniuk az étrendjükben, annak ellenére, hogy más szervezetek - nemcsak zöld növények, hanem gombák és baktériumok is - szintetizálják őket. Valamennyi állat nem képes szintetizálni a fehérjéket alkotó 20 aminosavból gyakorlatilag 8-at. Az aminosavak természetes forrása azonban az ételben található fehérje (a szabad aminosavak kis mennyiségben megtalálhatók a természetes táplálékban). Ezért bizonyos mennyiségű fehérje az étrendben nemcsak a növekvő organizmus, hanem a felnőtt állatok (és az emberek) számára is szükséges, mivel szöveti fehérjéik még megújulnak. A szükséges aminosav hiánya betegségváltozásokat okoz, ha azok teljesen hiányoznak az étrendből, halál következik be. Nem minden étel rendelkezik elegendő esszenciális aminosavval; általában az állati eredetű fehérjék értékesebbek, mint a növényi fehérjék.
Ha csak egy szükséges aminosav hiányzik, a többi aminosavat nem lehet felhasználni a fehérjeszintézishez, és gyorsan lebomlanak - az állati szervezet nem tárolja az aminosavakat raktáron. A lizin aminosav leggyakrabban hiányzik a növényi élelmiszerekből. Például a búzaliszt körülbelül 9% fehérjét tartalmaz, de ennek csak körülbelül egynegyede felhasználható emberi fehérje felépítésére. 0,2% lizin hozzáadása megkétszerezi ezeknek a fehérjéknek a felhasználását. Néhány, túlnyomórészt növényi eredetű étrenddel rendelkező országban (Japán) az élelmiszer ily módon nagymértékben gazdagodik.
Vitaminok az állatok egy másik csoportja, amely nélkülözhetetlen az állatok számára, mivel az állatok az evolúció során elvesztették képességüket szintetizálni őket. Kémiailag nem állnak kapcsolatban, és a sejtek anyagcseréjében való részvételük is eltérő. Ezt legjobban a B-vitaminok esetében lehet vizsgálni, amelyek a sejtszintű anyagcsere fontos koenzimjei: a b1-vitamin részt vesz a dekarboxilezési reakciókban (a szerves vegyületekből származó CO2 hasítása), a B2-vitamint a sejtlégzésben, a B6-vitamint az aminosav-anyagcserében és hasonlókat. Ezzel szemben az A- és D-vitamin nem alkotóeleme az enzimrendszernek. Az esszenciális aminosavaktól eltérően a vitaminszükséglet nem minden állatnál azonos, pl. C-vitamin csak néhány emlősnél (majmok, emberek, tengerimalacok) szükséges, valószínűleg azoknál, akik a friss növényi táplálékhoz állandó hozzáféréssel rendelkező területeken fejlődtek ki, más állatok szintetizálhatják a C-vitamint glükózból.
A rovarok viszont koleszterint igényelnek, amelyet más állatok szintetizálnak; egyes vérparazitáknak a heminre van szükségük étrendjükben, mint a légzőszervi enzimek építőelemeként.
A vitaminhiányos megbetegedések - az avitaminózis - a különféle szervek rendellenességeiben nyilvánulnak meg, még akkor is, ha az összes sejt számára szükséges vitaminok. Valószínűleg egyes sejtek különösen érzékenyek egy bizonyos vitamin hiányára.
Egyes vitaminokra azonban nincs szükség minden sejt számára: pl. a D-vitamin részt vesz a gerincesek kalcium-anyagcseréjének kezelésében, és nagyon valószínű, hogy ez a funkció másodlagosan alakult ki a csontvázképződéssel kapcsolatban; ez a vitamin nem általánosan elterjedt anyag - végül az állati testben provitaminokból képződik az ultraibolya fény hatására (azaz nem enzimatikus reakcióval). Ez megerősíti, hogy milyen nem egységes vitamincsoport.
A katabolikus folyamatok nagy intenzitása, az állati organizmusokra jellemző, közvetlenül kapcsolódik a mozgáshoz. Az izommozgás a makroorganizmusok leginkább energiaigényes funkciója, az ehhez szükséges energiát az állatok katabolikus folyamatok révén nyerik. A katabolizmus intenzitása gyorsan és nagy mértékben megváltozhat: a pihenésről az intenzív testmozgásra (futás, repülés) történő átmenet során a katabolizmus intenzitása egy-két nagyságrenddel növekszik. De nyugalmi állapotban is az állati organizmus viszonylag magas katabolizmussal rendelkezik. El tudjuk képzelni, hogy ez egyrészt készen tartja az összes szervrendszert, amelyet fel kell készíteni az aktivitás azonnali növelésére; ismételten szükséges, hogy bizonyos szervrendszerek (légzőszervi, emésztési, kiválasztó) rendszeresen működjenek.
Az állati anyagcsere ezen jellemző vonása abban is megnyilvánul a katabolikus és anabolikus folyamatok intenzitásának aránya. A katabolikus események mindig túlsúlyban vannak: egy felnőtt állatban, amely nem növekszik, gyakorlatilag az összes felszívódott tápanyag metabolizálódik és felhasználásra kerül az energia megszerzéséhez. A növekvő állatokban a tápanyagok egy része a test felépítésére szolgál. Ez az arány a legnagyobb az újszülött kölyköknél, ahol eléri a bevitt tápanyagok felét; a fennmaradó felét itt is felhasználjuk energia előállítására (25. ábra).
Sok állatcsoportban, különösen az alacsonyabb állatoknál, a növekedés soha nem áll le teljesen, hanem csak idővel lelassul (pl. Halak). Tipikus zárt növekedés vannak madarai és magasabb emlősök, de pl. rovarok, amelyek nemi érettségüket csak átalakulás után érik el, amelyet már nem követ növekedés vagy további vetkőzés.
Az anabolikus folyamatok intenzitása a szaporodás során is növekszik: a petesejtek kialakulásában, az embrió táplálásában élő adásban, emlősöknél a tejtermelésben. Az összes bevitt tápanyag legfeljebb egyharmada jelenhet meg a tejben. A szoptató emlősök ezért nagyon hatékonyan termelik az értékes tápanyagokat.
Az a funkció, amely jelentős követelményeket támaszt az állati organizmus anyagcseréjével szemben, az a testhőmérséklet szabályozása. Az endoterm állatoknak nyugalmi állapotukban is nagyobb az anyagcseréje, mint a hasonló testméretű ektoterm állatoknál.
Az endoterm állatok az anyagcsere intenzitásának tipikus függését mutatják a testmérettől. A kisebb állatok anyagcseréje viszonylag magasabb (testtömeg-egységenként). A katabolizmus intenzitása meglehetősen arányos a testfelülettel (amely a hossz négyzetével növekszik). Így a kisebb állatoknak viszonylag magasabb az élelmiszerfogyasztásuk, gyorsabb a növekedésük és nagyobb az összes életeseményük sebessége (pl. Pulzusszám).
Élelmiszerhiányos időszakokban sok kisebb emlős (kevesebb madár) alkalmazkodik a hibernáláshoz. (hibernálás); a testhőmérséklet csökkentése csökkenti az anyagcserét és ezáltal a tárolóanyagok fogyasztását. A viszonylag alacsonyabb anyagcserével rendelkező nagy állatokban hasonló események ritkák (medve).
A mozgás energiaigénye az állati anyagcsere evolúcióját is befolyásolta minőségi oldal: teljes előnyük van az energia megszerzésében aerob események - a tápanyagokat légköri oxigén segítségével bontják le, a végtermékek pedig víz, CO2 és nitrogéntermékek (ammónia, karbamid, húgysav). Ennek a ténynek egyértelmű adaptív jelentősége van, mert az anyagok oxigénnel történő lebontása a legenergia-hatékonyabb felhasználási mód.
Szubsztrát mert ezek az oxidációk lehetnek az összes nélkülözhetetlen tápanyag: szénhidrátok, zsírok és fehérjék. A legfontosabb alapanyag Egy állati szervezet zsírjai (triacil-glicerin): egy gramm zsír oxidációja kétszer annyi energiát ad, mint ugyanannyi cukor vagy fehérje oxidációja, és egy mozgó szervezet számára nagyon fontos, hogy a törzsanyagoknak a legkevesebb súlyuk legyen amint lehet. A növényi eredetű élelmiszerek főleg cukrokat tartalmaznak; az állati testben a bevitt cukrok jelentős része zsírzá alakul. Ismeretes, hogy az állattenyésztés nagyon kevés zsírt tartalmaz, azonban az etetett állatok sok zsírt (sertés, liba) vagy termelést (tejzsír) képesek tárolni.
A cukor zsírsavakká történő átalakulása, amelyek a zsírmolekula fő alkotórészei, oly módon zajlik, hogy minden 3 glükóz szénatomra (átalakulva pironsavvá) 2 atom jut a zsírsavmolekulába és egy szabadul fel. mint CO2. Ez a CO2 eltávolítása (dekarboxiláció) visszafordíthatatlan esemény, és a legtöbb organizmusnak - beleértve az összes többsejtű állatot - nincs metabolikus ciklusa, amelyen keresztül cukrok képződhetnek zsírsavakból. Ilyen átalakulás történhet az olajos magvak csírázó magjaiban, ahol a raktározási zsírból cellulóz képződik, és a 3 zsírsavmolekula minden 4 szénatomja bejut a cukormolekulába. Ennek az átalakulásnak a biokémiai mechanizmusa jelentősen eltér a cukrokból képződő zsírképződés mechanizmusától.
Élelmiszer és felhasználása
Az ételek értéke mind a tápanyag-tartalomtól, mind az emészthetőségtől függ. Jelentős különbségek vannak az állati és növényi eredetű élelmiszerek között.
Állati eredetű élelmiszer magas a tápanyagok, különösen a fehérje, gyakran magas a zsírtartalma. A cukortartalom általában alacsony. Általában jól emészthető, ezért a legtöbb tápanyagot valóban felhasználja.
Az emberek számára az állati termékek (hús, tojás, tejtermékek) megfelelő aminosav-tartalommal rendelkező fehérje-helyettesítő anyagok. Ezek a legtöbb vitamin jó forrásai is, kivéve a C-vitamint; A C-vitamin adagjának biztosítása az emberek számára folyamatos növényi eredetű élelmiszer-ellátást igényel.
Növényi eredetű élelmiszer általában sokkal több cukrot tartalmaz, kevés fehérjét és jellemző komponense a cellulóz. Különböző értéke van attól függően, hogy a növények vegetatív részei vagy tároló szervek-e.
Készlet testek (gumók, földimogyoró stb.), beleértve a magokat is, általában nagyon koncentrált tárolócukrot (keményítőt), ritkábban (olajos magvak) zsírokat tartalmaznak; A hüvelyesek magjai fehérjében gazdagok. Mechanikus feldolgozás (rágás, zúzás a madarak gyomrában - őrlés kulturált emberi populációkban) nélkül azonban ezek a szilárd cellulózhéjjal körülvett anyagok nehezen hozzáférhetők az emésztőrendszer enzimjeihez. Az állatok többsége nem választja ki a cellulóz enzimet, amely katalizálja a cellulóz hidrolízisét.
Vegetatív szervek sok cellulózt és vizet tartalmaznak (a felnőtt növényi sejtek vakuolái) és általában kevés tápanyagot tartalmaznak. A használat előfeltétele a tökéletes mechanikus feldolgozás, a cellulóz további emésztése nélkül, akár saját cellulóz (csiga), akár szimbiotikus mikroorganizmusok (termeszek és más rovarok, kérődzők és más növényevő emlősök) részvételével, de a tápanyagok csak egy kis részét használják fel.
Általánosságban elmondható, hogy a növényi eredetű élelmiszerek lényegesen több emésztetlen maradékot tartalmaznak, mint az állati eredetű élelmiszerek.
Az emberi táplálkozás kizárólag vagy többnyire növényi eredetű étrenddel lehetséges, ha az egyes komponenseket úgy kombinálják, hogy a szükséges aminosavak tartalma kiegyensúlyozott legyen. Fontos, hogy egyszerre kell beadni őket; ha nem tudnak fehérjéket képezni, akkor lebomlanak.
Az állati szervezet és a környezet anyag-kapcsolatai
Környezeti feltételek befolyásolják az állati organizmus létét. Az egyes fajoknak nagyon meghatározott követelményei lehetnek a környezettel (bizonyos típusú élelmiszerek, hőmérséklet stb.). Összességében azonban az állatok szinte minden olyan környezethez alkalmazkodtak, amely táplálékot biztosít számukra. A legtöbb állatnál az oxigén rendelkezésre állása is feltétel, de egyes fajok átmeneti vagy tartós oxigénhiányhoz is alkalmazkodtak.
Átmeneti oxigénhiánynak lehetnek kitéve, pl. talaj és édesvízi állatok (a talaj elárasztásakor, az állóvíz fagyasztásakor). A bélparaziták (galandférgek, fonálférgek) felnőtt korukban állandó oxigénhiányban élnek. A túlzott táplálék és az alacsony mozgási szükséglet lehetővé teszi számukra, hogy állandóan éljenek a nem hatékony anaerob anyagcsere rovására.
Az állati organizmusnak a környezetre gyakorolt hatása
Ez elsősorban a magas aerob anyagcserének köszönhető. Az állati organizmus még mindig jelentős mennyiségű biomasszát alakít át vízzé, CO2-ként és nitrogénes ürülékké. Ez felgyorsítja az anyagok keringését a természetben (26. ábra).
Az anyagok keringését azonban nemcsak az állat által befogadott tápanyagok egy részének metabolizmusa gyorsítja fel. A tápanyagok egy része ürülékként távozik a testből; mind emésztetlen táplálékmaradványok, mind nagyszámú baktérium, amelyek az állatok emésztőrendszerében lényegében kommenszálként élnek, azaz j. nem károsítják a gazdát, de nem jelentenek jelentős előnyt.
Az emésztetlen táplálék nagy része megtalálható a növényevő állatok székletében, pl. gerinctelenek, amelyek a talajban élnek és növényi maradványokkal táplálkoznak (apró sörték, atkák, ezerlábúak, egyes rovarok lárvái). Az emésztetlen ételmaradékok jól hozzáférhető tápanyagok a baktériumok és gombák számára, így felgyorsítják a tápanyagok körforgását. Lombhullató erdőben az elhalt növényi részek legalább fele évente átjut a talajállatok emésztőrendszerén, amelynek körülbelül ötöde metabolizálódik, a többi pedig a székletben jelenik meg. Ugyanakkor ezeknek az állatoknak a biomassza az elhalt növényi részek (lehullott levelek stb.) Teljes mennyiségének 1,5% -ának felel meg, az ún. törmelék)
Egy állati szervezet teste bizonyos anyagok felhalmozódását jelenti, amelyek a természetben nem koncentrálódnak annyira. Ezek elsősorban fehérjék és zsírok, amelyek az ún az állati test lágy részei. Az állat halála után ezek a részek szaprofita (szaprob) organizmusok hatására nagyon gyorsan lebomlanak, és bekerülnek az anyagok körforgásába. A gerincesek szarva (szőr, toll) és az ízeltlábúak kitinje lassabban bomlik le a speciális szervezetek aktivitásával. Az ásványi részek - a héjak és a csontvázak - viszont a körülményektől függően nagyon sokáig fennmaradhatnak a természetben, vagy geológiai lerakódásokhoz vezethetnek (kalcium-karbonát gerinctelenekben, kalcium-foszfát gerinces csontvázakból, szilíciumos kagyló-lerakódások) ). Bizonyos körülmények között a lágy részek is sok szerves anyagot képezhetnek geológiai rétegekben (az olaj keletkezését magyarázó hipotézis elméleti alapjai).
Az anyagok metabolikus átalakulása az állati testben általában nagyon gyors. Ennek ellenére a környezetben kis koncentrációban jelen lévő egyes komponensek fokozatosan felhalmozódhatnak a testben, és végül jelentősen koncentrálódhatnak. Az állati zsírraktárban pl. DDT, amely nagyon jól oldódik a zsírban, de vízben nem oldódik. A felhalmozódás az élelmiszerlánc minden más láncolatában növekszik, ezért a DDT legnagyobb koncentrációja az élelmiszerlánc utolsó láncszemeiben fordul elő, pl. ragadozókban.
Hasonlóképpen, a kalciumionokat helyettesíteni képes néhány fém felhalmozódhat a gerincesek csontvázában. Így pl. veszélyes mennyiségű ólom, és olyan helyzetben, amikor a kalcium mobilizálódik a csontokból, az ólom felszabadul és mérgezést okoz. Hasonlóképpen, néhány radioaktív fém beépül a csontokba, különösen a radioaktív stroncium, amely atomfegyverek robbanásakor keletkezik. Ugyanakkor nagyon veszélyes, hogy sugárzása egy nagyon érzékeny csontvelőt érint. Ez a legnagyobb veszély, ha atomfegyvereket tesztelnek a légkörben.