Органические вещества и заключенная в них энергия, образовавшаяся в клетках любого организма в процессе ассимиляции, претерпевают обратный процесс — диссимиляцию. При диссимиляции освобождается химическая энергия, которая в организме же превращается в различные формы энергии — механическую, тепловую и т. д. Освобожденная при диссимиляции энергия является той самой материальной основой, которая осуществляет все жизненные процессы — синтез органических веществ, саморегулирование организма, рост, развитие, размножение, реакции организма на внешние воздействия и другие проявления жизни.
Диссимиляция, или окисление, у живых организмов осуществляется двумя способами. У большинства растений, животных, человека и простейших организмов окисление органических веществ происходит с участием кислорода воздуха. Этот процесс получил название «дыхание», или аэробный (от лат. аэр — воздух) процесс. У некоторых групп растений, которые способны существовать без воздуха, окисление происходит без кислорода, то есть анаэробным путем, и называется брожением. Рассмотрим каждый из этих процессов в отдельности.
Понятие «дыхание» первоначально означало лишь вдыхание и выдыхание воздуха легкими. Затем «дыханием» стали называть обмен газами между клеткой и окружающей ее средой — потребление кислорода и выделение углекислоты. Дальнейшие углубленные исследования показали, что дыхание является очень сложным многоступенчатым процессом, который совершается в каждой клетке живого организма с обязательным участием биологических катализаторов — ферментов.
Органические вещества, прежде чем превратиться в «топливо», дающее энергию клетке и организму в целом, должны быть соответствующим образом обработаны с помощью ферментов. Эта обработка заключается в расщеплении крупных молекул биополимеров — белков, жиров, полисахаридов (крахмала и гликогена) — в мономеры. Тем самым достигается определенная универсализация питательного материала.
Таким образом, вместо многих сотен различных полимеров, например пищи, в кишечнике животных образуется несколько десятков мономеров — аминокислот, жирных кислот, глицерина и глюкозы, которые затем доставляются клеткам тканей животных и человека по кровеносным и лимфатическим путям. В клетках происходит дальнейшая универсализация этих веществ. Все мономеры превращаются в более простые молекулы карбоновых кислот с углеродной цепочкой, содержащей от двух до шести атомов. Если мономеров насчитывается несколько десятков, из них двадцать аминокислот, то карбоновых кислот всего десять. Так окончательно утрачивается специфика питательных веществ.
Но и карбоновые кислоты являются лишь предшественниками материала, который можно назвать «биологическим горючим». Они непосредственно еще не могут быть использованы в энергетических процессах клетки. Следующий этап универсализации — отщепление от карбоновых кислот водорода. При этом образуется углекислый газ (СО2), который организм выдыхает. Атом водорода содержит электрон и протон. Для энергетики клетки и организма в целом (биоэнергетики) роль этих составных частей атома далеко не равноценна. Энергия, заключенная в атомном ядре, недоступна для клетки. Превращение же электрона в атоме водорода сопровождается выделением энергии, которая используется в процессах жизнедеятельности клетки. Поэтому освобождением электрона заканчивается последний этап универсализации биологического топлива. В этот период специфика органических веществ, их составных частей и карбоновых кислот не имеет значения, ибо все они в конечном счете приводят к образованию носителя энергии — электрона.
Возбужденный электрон соединяется с кислородом. Приняв два электрона, кислород заряжается отрицательно, присоединяет два протона и образует воду. Так совершается акт клеточного дыхания.
Окисление органических веществ в клетках происходит в митохондриях, которые, как уже было отмечено в предыдущей брошюре, играют роль динамомашины, преобразующей энергию сгорания углеводов и жиров в энергию аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).
Окислению в организме подвергаются в первую очередь углеводы. Начальные и конечные процессы окисления углеводов можно выразить такой суммарной формулой: C6H12O6 + 6O2 = 6СO2 + 6Н2O + энергия.
В животном и растительном организмах процесс дыхания в основе своей одинаков: биологический смысл его в обоих случаях состоит в получении энергии каждой клеткой в результате окисления органических веществ. Образуемая при этом АТФ используется как аккумулятор энергии. Именно этим аккумулятором восполняется потребность в энергии, в каком бы месте клетки любого организма она не возникла.
В процессе дыхания растения совершенно так же, как и животные, потребляют кислород и выделяют углекислый газ. Как у животных, так и у растений дыхание идет непрерывно днем и ночью. Прекращение дыхания, например путем прекращения доступа кислорода, неминуемо приводит к смерти, так как жизнедеятельность клеток не может поддерживаться без непрерывного использования энергии. У всех животных, за исключением микроскопически малых, кислород не может проникнуть в достаточном количестве непосредственно в клетки и ткани из воздуха. В этих случаях газообмен со средой осуществляется при помощи специальных органов (трахей, жабр и легких). У позвоночных снабжение кислородом каждой отдельной клетки происходит через кровь и обеспечивается работой сердца и всей кровеносной системы. Сложность газообмена у животных долгое время мешала выяснить истинную сущность и значение тканевого дыхания. Ученым нашего столетия потребовалось много усилий для доказательства того, что окисление совершается не в легких и не в крови, а в каждой живой клетке.
В растительном организме механизмы газообмена значительно проще, чем у животных. Кислород воздуха проникает в каждый лист растений через особые отверстия — устьица. Газообмен у растений осуществляется всей поверхностью тела и связан с передвижением воды по сосудистым пучкам.
Организмы, у которых окисление происходит за счет свободного кислорода (атмосферного или растворенного в воде), называются, как уже было отмечено выше, аэробными. Этот тип обмена свойствен подавляющему большинству растений и животных.
Все живые существа на Земле в процессе дыхания ежегодно окисляют миллиарды тонн органических веществ. При этом освобождается огромное количество энергии, которая используется во всех проявлениях жизни.
Французским ученым Л. Пастером еще в прошлом столетии была показана возможность развития некоторых микроорганизмов в бескислородной среде, то есть «жизнь без воздуха». Окисление органических веществ без участия кислорода называется брожением, а организмы, способные к активной жизни в лишенной кислорода среде, называются анаэробными. Таким образом, брожение — это форма диссимиляции при анаэробном типе обмена.
При брожении в отличие от дыхания органические вещества окисляются не до конечных продуктов (СО2 и Н2О), а образуются промежуточные соединения. Энергия, заключенная в органических веществах, освобождается не вся, часть ее остается в промежуточных сбраживающих веществах.
Брожение так же, как и дыхание, осуществляется через ряд сложных химических реакций. Например, конечные результаты спиртового брожения изображаются следующей формулой: C6H12O6 = 2CO2 + 2C2H5OH + 25 ккал/г • моль.
В результате спиртового брожения из сахара (глюкозы) образуется продукт неполного окисления — этиловый спирт — и освобождается только небольшая часть энергии, содержащейся в углеводах.
Примером анаэробных организмов могут служить дрожжевые грибки, которые получают энергию для жизнедеятельности, ассимилируя углеводы и подвергая их спиртовому брожению в процессе диссимиляции. Многие анаэробные микроорганизмы расщепляют углеводы до молочной, масляной, уксусной кислот и других продуктов неполного окисления. Некоторые виды бактерий могут использовать в качестве источника энергии не только сахара, аминокислоты и жиры, но и продукты выделения животных, как, например, мочевину и мочевую кислоту, содержащиеся в моче, и вещества, входящие в состав экскрементов. Даже пенициллин, убивающий многие бактерии, используется одним из видов бактерий как питательное вещество.
Анаэробный обмен встречается в основном в мире микроорганизмов. Из многоклеточных в значительной мере за счет анаэробного обмена живут кишечные паразиты (круглые и ленточные глисты и др.), обитающие в среде с очень малым содержанием свободного кислорода. Среди микроорганизмов есть много аэробных, а также форм, способных к обоим типам обмена.
Таким образом, в процессе синтеза органических соединений в них как бы «консервируется» или запасается затраченная на их синтез энергия химических связей. Она снова освобождается при обратном процессе разложения органических веществ. В энергетическом отношении живые существа являются, как уже говорилось, открытыми системами. Это значит, что они нуждаются в поступлении энергии извне в форме, которая позволяет использовать ее для выполнения работы, неразрывно связанной с жизненными проявлениями, и выделяют в окружающую среду эту же энергию, но уже в обесцененной форме, например в форме тепла, которое рассеивается в окружающей среде. Благодаря непрерывным процессам синтеза и распада, ассимиляции и диссимиляции в живых существах идет постоянный круговорот веществ и превращение энергии. Какое количество энергии было поглощено, столько же ее выделяется при диссимиляции. Энергия, освободившаяся при диссимиляции, осуществляет процессы, которые характеризуют сущность жизни и все ее проявления.