विश्वकोश। सामान्य बायोएनेर्जी मुद्दे

जीवित जीव इस मायने में अपवाद नहीं हैं कि उनकी ऊर्जा विनिमय सभी सामान्य भौतिक नियमों का पालन करती है। जीवन की वृद्धि और रखरखाव की प्रक्रियाओं के लिए ऊर्जा व्यय की आवश्यकता होती है, जिसे किसी तरह मुआवजा दिया जाना चाहिए। जीवित जीव पर्यावरण से ऊर्जा को इस रूप में अवशोषित करते हैं कि इसे तापमान और दबाव के मूल्यों पर उनके अस्तित्व की विशिष्ट स्थितियों में उपयोग किया जा सकता है। फिर वे पर्यावरण में ऊर्जा के बराबर मात्रा में लौटते हैं, लेकिन उनके लिए एक अलग, कम सुलभ रूप में। ऊर्जा का उपयोगी रूप जिसे एक जीवित कोशिका की आवश्यकता होती है उसे मुक्त ऊर्जा कहा जाता है; इसे केवल तापमान और दबाव में कार्य करने में सक्षम ऊर्जा के रूप में परिभाषित किया जा सकता है।

अंजीर। 1-3। जीवित जीव अपने द्वारा अवशोषित पर्यावरण की मुक्त ऊर्जा के कारण विभिन्न प्रकार के कार्य करते हैं। वे गर्मी के रूप में ऊर्जा के बराबर मात्रा में और उनके लिए अव्यवस्थित गति ऊर्जा के अन्य रूपों के लिए पर्यावरण में वापस लौटते हैं। ऊर्जा के ऐसे "मूल्यह्रास" (अपव्यय) की डिग्री एन्ट्रॉपी द्वारा विशेषता हो सकती है।

सेल द्वारा पर्यावरण में लौटाए गए ऊर्जा का कम उपयोगी रूप मुख्य रूप से गर्मी के रूप में जारी किया जाता है, जो माध्यम में फैलता है और यादृच्छिक आंदोलन की ऊर्जा में बदल जाता है। इस प्रकार, हम जीवित चीजों के आणविक तर्क का एक और सिद्धांत तैयार कर सकते हैं:

जीवित जीव पर्यावरण की मुक्त ऊर्जा के कारण उनकी संरचना के जटिल, आदेशित और केंद्रित तत्वों को बनाते और बनाए रखते हैं; वे फिर इस ऊर्जा को उनके लिए कम उपयुक्त रूप में पर्यावरण में लौटाते हैं।

यद्यपि जीवित जीव ऊर्जा को परिवर्तित करने में सक्षम हैं, वे मनुष्य द्वारा बनाई गई साधारण मशीनों से मौलिक रूप से भिन्न हैं। जीवित कोशिकाओं में ऊर्जा रूपांतरण प्रणाली पूरी तरह से अपेक्षाकृत नाजुक और अस्थिर कार्बनिक अणुओं से निर्मित होती है, जो उच्च तापमान, मजबूत विद्युत प्रवाह, मजबूत एसिड और अड्डों की कार्रवाई का सामना करने में असमर्थ हैं। एक जीवित कोशिका के सभी भागों में लगभग समान तापमान होता है; कोशिकाओं में कोई महत्वपूर्ण दबाव नहीं होता है। इससे यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि कोशिकाएं ऊर्जा के स्रोत के रूप में गर्मी का उपयोग नहीं कर सकती हैं, क्योंकि गर्मी केवल तब काम कर सकती है जब यह एक गर्म शरीर से एक ठंडा एक में गुजरती है। सेल गर्मी और इलेक्ट्रिक मोटर्स की तरह बिल्कुल नहीं हैं - सबसे परिचित प्रकार के इंजन।

जीवित कोशिकाएं एक निरंतर तापमान पर चलने वाली रासायनिक मशीनें हैं।

यह जीवित अवस्था के आणविक तर्क का एक और सिद्धांत है। कोशिकाएँ रासायनिक ऊर्जा का उपयोग अपने विकास और कोशिकीय घटकों के जैवसंश्लेषण के दौरान रासायनिक कार्य को पूरा करने के लिए करती हैं, साथ ही साथ कोशिका को पोषक तत्वों को स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक आसमाटिक कार्य और सिकुड़ा और मोटर तंत्र का यांत्रिक कार्य करती हैं।

अंजीर। 1-4। सूरज की रोशनी जैविक ऊर्जा के सभी रूपों का स्रोत है।

जीवमंडल में सभी जीवित जीवों के लिए, ऊर्जा का अंतिम स्रोत सौर विकिरण है, जो परमाणु संलयन प्रतिक्रिया के परिणामस्वरूप होता है - हाइड्रोजन नाभिक का संलयन हीलियम नाभिक बनाने के लिए जो असामान्य रूप से उच्च तापमान पर सूरज पर बहता है। प्रकाश संश्लेषक संयंत्र कोशिकाएं सौर विकिरण की ऊर्जा पर कब्जा कर लेती हैं और इसे कार्बन डाइऑक्साइड और पानी के विभिन्न प्रकार के ऊर्जा से भरपूर पौधों के उत्पादों में परिवर्तित करती हैं, जैसे कि स्टार्च और सेल्यूलोज। इसी समय, वे वायुमंडल में आणविक ऑक्सीजन छोड़ते हैं। प्रकाश संश्लेषण में असमर्थ अन्य जीवों को वे ऊर्जा प्राप्त होती है जो वायुमंडलीय ऑक्सीजन के साथ ऊर्जा से भरपूर पौधों के उत्पादों को ऑक्सीकरण करके होती है। परिणामस्वरूप कार्बन डाइऑक्साइड और अन्य ऑक्सीकरण उत्पाद पर्यावरण में लौट आते हैं और फिर से पदार्थों के चक्र में पौधों द्वारा शामिल होते हैं। यह हमें एक जीवित राज्य के आणविक तर्क के दो और सिद्धांतों को बनाने का कारण देता है।

सभी जीवित जीवों की ऊर्जा की जरूरतें प्रत्यक्ष या अप्रत्यक्ष रूप से सौर ऊर्जा से पूरी होती हैं।

पूरे पौधे और जानवरों की दुनिया (सामान्य रूप से, सभी जीवित जीव) एक दूसरे पर निर्भर करते हैं, क्योंकि बाहरी वातावरण के माध्यम से उनके बीच ऊर्जा और पदार्थ का एक निरंतर आदान-प्रदान होता है।

जीव एक जैविक प्रणाली के रूप में

शरीर की मुख्य संरचनात्मक इकाइयाँ कोशिकाएँ होती हैं, जो एककोशिकीय पदार्थ के साथ मिलकर ऊतकों और अंगों में बदल जाती हैं। अंगों को कार्यात्मक प्रणालियों (पाचन, श्वसन, रक्त परिसंचरण, आदि) में जोड़ा जाता है और एक जीव का निर्माण होता है, जो सभी मनुष्यों और जानवरों में (सबसे आदिम के अपवाद के साथ) तंत्रिका तंत्र द्वारा एकीकृत और समन्वित होता है। शरीर को बाहरी वातावरण से बाह्य संलयन, श्वसन पथ और फेफड़ों की आंतरिक सतह, पाचन और उत्सर्जन अंगों के श्लेष्म झिल्ली द्वारा सीमांकित किया जाता है, जो बाहरी वातावरण के प्रभावों का अनुभव करता है।

कोशिकाएं मुख्य "बिल्डिंग ब्लॉक" होती हैं, जिनमें से शरीर का निर्माण किया जाता है। उनके पास एक बहुत ही जटिल संरचना है और झिल्ली से घिरा होता है जिसमें प्रोटीन और वसा जैसे पदार्थ होते हैं - फॉस्फोलिपिड्स। मेम्ब्रेंस कुछ पदार्थों को पारित कर सकते हैं और रिवर्स मूवमेंट को रोकते हुए दूसरों को केवल एक दिशा में घुसने या परिवहन करने के लिए प्रवेश द्वार को बंद कर सकते हैं।

इसलिए, कोशिका झिल्लियों को अर्धवृत्त कहा जाता है।

एक ही झिल्ली कोशिका को अलग-अलग "डिब्बों", या डिब्बों में विभाजित करती है, और विभिन्न कोशिकीय ऑर्गेनोइड्स को घेर लेती है। कोशिका के इन "अंगों" में मुख्य रूप से केंद्रक होता है, जहाँ कोशिका का वंशानुगत कोष, उसका जीन तंत्र और जहाँ प्रोटीन संश्लेषण का प्रारंभिक चरण होता है, संग्रहीत होता है। कोई भी कम महत्वपूर्ण ऑर्गेनोइड माइटोकॉन्ड्रिया नहीं हैं - एक सेल का "ऊर्जा स्टेशन" जो ऑक्सीकरण योग्य पदार्थों से ऊर्जा जारी करता है और इसे आसानी से उपयोग करने योग्य रूप में बदल देता है जो सेल को अपने जीवन में इस ऊर्जा का उपयोग करने की अनुमति देता है। माइटोकॉन्ड्रिया गोल या थोड़ा लम्बी संरचनाएं होती हैं, जिसमें दो झिल्ली होती हैं: बाहरी और आंतरिक। आंतरिक झिल्ली की सिलवटों, या लकीरों पर, जैविक ऑक्सीकरण एंजाइम और श्वसन श्रृंखला के घटक एक कड़ाई से परिभाषित क्रम में एकीकृत होते हैं।

सेल ऑर्गेनोइड्स में लाइसोसोम भी शामिल हैं - एंजाइम युक्त छोटे पुटिकाएं जो इंट्रासेल्युलर पाचन को पूरा करते हैं और जटिल जैविक यौगिकों (प्रोटीन, न्यूक्लिक एसिड आदि) को तोड़ते हैं, इंट्राप्लाज्मा नेटवर्क (रेटिकुलम) और प्लेट कॉम्प्लेक्स - आयन परिवहन, स्राव प्रक्रियाओं में शामिल झिल्ली संरचनाएं। और कई जैविक संश्लेषण। झिल्ली पर, माइटोकॉन्ड्रिया और अन्य अंग कठोर रूप से एम्बेडेड होते हैं, और विभिन्न एंजाइम - प्रोटीन जैविक उत्प्रेरक - सेल (साइटोसोल) के अर्ध-तरल आंतरिक प्रोटीन सामग्री में भंग हो जाते हैं, जिसकी मदद से सभी रासायनिक प्रतिक्रियाएं सेल में होती हैं।

हालांकि, जीवन मुख्य रूप से एक संरचना नहीं है, बल्कि एक प्रक्रिया है। यह एक पूरे के रूप में सेल और शरीर की सभी संरचनाओं का एक निरंतर अद्यतन है। वे सभी पदार्थ जिनसे शरीर निर्मित होता है और जो इसका उत्पादन करता है वे लगातार अद्यतन होते रहते हैं। तो, अंतःस्रावी ग्रंथियों द्वारा स्रावित कुछ हार्मोनों का आधा जीवन 1-5 मिनट, रक्त शर्करा - 19 मिनट, यकृत में ग्लाइकोजन - 20-24 घंटे, मांसपेशियों में ग्लाइकोजन - 3-4 दिन, यकृत में प्रोटीन - 4-10, रिजर्व होता है वसा - 16-20, और सिकुड़ा मांसपेशी प्रोटीन - लगभग 30 दिन। अपेक्षाकृत स्थिर केवल डीएनए है जो वंशानुगत जानकारी संग्रहीत करता है।

चयापचय - जीवित पदार्थ के अस्तित्व के लिए मुख्य संपत्ति और स्थिति - ऐसे पदार्थों का निरंतर सेवन होता है जो ऊर्जा पदार्थों और प्लास्टिक सामग्री के रूप में काम करते हैं, इन पदार्थों के आत्मसात (आत्मसात) और उनके उपयोग, शरीर से उनके टूटने के उत्पादों के अलगाव के बाद। इस प्रकार, एक जीवित जीव एक "खुला रासायनिक प्रणाली" है जिसके माध्यम से पदार्थों और ऊर्जा की एक धारा लगातार गुजरती है।

यह सब मौलिक रूप से किसी भी सबसे जटिल और "स्मार्ट" मशीनों से जीवित जीवों को अलग करता है, जो एक निश्चित डिजाइन के साथ स्थिर सिस्टम हैं। कारों को भागों में विभाजित किया जा सकता है, स्पष्ट रूप से उन्हें एक-दूसरे से हटाते हुए। मशीनों को ऊर्जा तभी चाहिए जब वे काम कर रहे हों। जीवित जीवों को "विवरण" में विभाजित नहीं किया जाता है, उनमें सब कुछ एक ही प्रणाली में बारीकी से जुड़ा हुआ है, सब कुछ अन्योन्याश्रित है। वे संरचनात्मक सामग्रियों और ऊर्जा स्रोतों को भी स्पष्ट रूप से अलग नहीं कर सकते हैं: एक संरचना एक ऊर्जा स्रोत क्या हो सकती है, और ऊर्जा स्रोत संरचनाओं का हिस्सा हो सकते हैं। अंत में, जीवित जीवों को न केवल ऊर्जा की आवश्यकता होती है, जब वे बाहरी काम करते हैं; उनकी संरचनाओं को ऊर्जा के निरंतर खर्च के साथ ही बनाए रखा जा सकता है। इसकी आपूर्ति में एक ब्रेक संरचना की अपरिवर्तनीय हानि और मृत्यु की ओर जाता है। एक जीवित जीव खुद बनाता है, इसे "काम करने की स्थिति" में रखता है, मरम्मत करता है, नियंत्रित करता है और प्रजनन करता है।

ऊर्जा के स्रोत

शरीर को वह ऊर्जा कैसे मिलती है जो उसे चाहिए? ऊर्जा विभिन्न कार्बनिक पदार्थों के ऑक्सीकरण के दौरान कोशिकाओं के माइटोकॉन्ड्रिया में जारी की जाती है, लेकिन तुरंत उपयोग नहीं की जाती है, लेकिन मैक्रोर्जिक (उच्च-ऊर्जा) यौगिकों के रूप में आसानी से उपयोग करने योग्य रूप में जमा होती है। जब वे मध्यवर्ती गर्मी पीढ़ी के बिना विभाजित होते हैं, तो उनके इंट्रामोल्युलर बॉन्ड की रासायनिक ऊर्जा को ऊर्जा के अन्य रूपों में परिवर्तित किया जाता है: यांत्रिक, विद्युत, प्रकाश, आदि।

मुख्य और सबसे महत्वपूर्ण मैक्रोर्जिक एटीपी है, जिसमें एक नाइट्रोजनयुक्त (प्यूरीन) बेस - एडेनिन, पांच-कार्बन शुगर - राइबोस और तीन फॉस्फोरिक एसिड अणु क्रमिक रूप से जुड़े होते हैं। टर्मिनल के दरार और एटीपी से दूसरे फॉस्फेट समूहों के लिए प्रति मोल 30 kJ ऊर्जा जारी होती है।

एटीपी सभी जैविक प्रक्रियाओं के लिए ऊर्जा का स्रोत है: आंदोलन, गर्मी उत्पादन, बायोइलेक्ट्रिक घटना, विभिन्न जैविक संश्लेषण और यहां तक \u200b\u200bकि तंत्रिका गतिविधि। एटीपी विभाजन अपरिवर्तनीय है: बाहरी कार्य के लिए मैक्रोर्जिक बॉन्डिंग की ऊर्जा का उपयोग किया जाता है और प्रतिक्रिया के क्षेत्र को छोड़ देता है। और चूंकि एटीपी के लिए शरीर की आवश्यकता बहुत अधिक है, इसलिए इस पदार्थ को लगातार पुनर्जीवित करना आवश्यक है, नए एटीपी अणुओं का निर्माण। यह एरोबिक (ऑक्सीजन की भागीदारी के साथ) या एनारोबिक (इसके बिना) ऑक्सीकरण की प्रक्रिया में होता है, जो एडीपी के फॉस्फोराइलेशन के साथ मिलकर, साथ ही एक क्रिएटिन किनस प्रतिक्रिया के माध्यम से होता है।

एरोबिक और एनारोबिक (ग्लाइकोलाइटिक) ऑक्सीकरण के दौरान, मध्यवर्ती मैक्रोर्जिक फॉस्फोरस यौगिकों का निर्माण होता है, जिनमें से फॉस्फेट समूह एडीपी में संग्रहीत सभी ऊर्जा के साथ संबंधित एंजाइमों के साथ "प्रत्यारोपित" होता है। ये तथाकथित फॉस्फो-ट्रांसफरेज़ प्रतिक्रियाएं इस तरह से होती हैं कि एंजाइम एक साथ गठित मैक्रो और एडीपी को एक साथ लाता है ताकि इलेक्ट्रॉन विनिमय और एडीपी के साथ फॉस्फेट बांड का निर्माण उनके बीच संभव हो सके, जबकि पूर्व मूल मैक्रोर्ज से क्लीव होता है।

सिद्धांत रूप में, क्रिएटिन कीनेस प्रतिक्रिया भी आगे बढ़ती है। सीएफ़ आपातकालीन मामलों में एटीपी के उत्थान के लिए मैक्रो-एर्गिक फॉस्फेट के स्रोत के रूप में कोशिकाओं में निहित है। यह प्रतिक्रिया बहुत जल्दी से आगे बढ़ती है: इसे ऑक्सीजन या किसी भी कार्बनिक पदार्थों के टूटने की आवश्यकता नहीं होती है, क्योंकि फॉस्फेट केएफ के मैक्रोर्जिक बंधन में एटीपी अणु में मैक्रोर्जिक बंधन के समान ऊर्जा आरक्षित होता है।

बायोएनेर्जी टीक,  जैविक ऊर्जा, जीवों की जीवन प्रक्रियाओं में ऊर्जा रूपांतरण के तंत्र का अध्ययन करती है। दूसरे शब्दों में, बी अपने ऊर्जा पहलू में जीवन की घटनाओं पर विचार करता है। जैव प्रौद्योगिकी में उपयोग की जाने वाली घटनाओं के तरीके और दृष्टिकोण भौतिक और रासायनिक हैं, वस्तुएं और कार्य जैविक हैं। टी। ओ।, बी। इन विज्ञानों के जंक्शन पर है और इसका हिस्सा है आणविक जीव विज्ञान , जीव पदाथ-विद्य   और जीव रसायन .

बी की शुरुआत को जर्मन डॉक्टर यू आर के काम के रूप में माना जा सकता है। मेयर जिन्होंने मानव शरीर में ऊर्जा प्रक्रियाओं के अध्ययन के आधार पर ऊर्जा के संरक्षण और रूपांतरण (1841) के कानून की खोज की। प्रक्रियाओं का एक सारांश अध्ययन जो जीवित जीवों के लिए ऊर्जा के स्रोत हैं (देखें) सांस , किण्वन ), और शरीर के ऊर्जा संतुलन, विभिन्न परिस्थितियों में इसके परिवर्तन (शांति, विभिन्न तीव्रता के श्रम, परिवेश के तापमान) लंबे समय तक बी की मुख्य सामग्री थी (देखें मुख्य विनिमय , ऊष्मा का अपव्यय , ताप उत्पादन )। 20 वीं शताब्दी के मध्य में, जैविक विज्ञान के विकास की सामान्य दिशा के संबंध में, बी में एक केंद्रीय स्थान पर रहने वाले जीवों में ऊर्जा रूपांतरण के तंत्र के अध्ययन द्वारा कब्जा कर लिया गया था।

जीव विज्ञान के क्षेत्र में सभी अध्ययन केवल वैज्ञानिक दृष्टिकोण पर आधारित हैं, जिसके अनुसार भौतिकी और रसायन विज्ञान के नियम पूरी तरह से जीवन की घटनाओं पर लागू होते हैं, और शरीर में ऊर्जा के परिवर्तनों के लिए बुनियादी सिद्धांत लागू होते हैं ऊष्मप्रवैगिकी . हालांकि, जैविक संरचनाओं की जटिलता और विशिष्टता और उनमें महसूस की जाने वाली प्रक्रियाएं जीव विज्ञान और अकार्बनिक दुनिया की ऊर्जा के बीच विशेष तकनीकी ऊर्जा में कई गहरे अंतर निर्धारित करती हैं। बी की पहली मौलिक विशेषता यह है कि जीव - खुली व्यवस्था पर्यावरण के साथ पदार्थ और ऊर्जा के निरंतर आदान-प्रदान की स्थितियों में ही कार्य करना। ऐसी प्रणालियों के ऊष्मप्रवैगिकी शास्त्रीय एक से काफी भिन्न होते हैं। संतुलन राज्यों की अवधारणा, जो शास्त्रीय ऊष्मप्रवैगिकी के लिए मौलिक है, को स्थिर राज्यों की अवधारणा से बदल दिया जाता है; ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम (वृद्धि का सिद्धांत) एन्ट्रापी ) के रूप में एक अलग सूत्रीकरण प्राप्त करता है प्रिगोगिन की प्रमेय । दूसरा महत्वपूर्ण विशेषता  बी इस तथ्य से जुड़ा हुआ है कि कोशिकाओं में प्रक्रिया तापमान, दबाव और मात्रा में परिवर्तन की अनुपस्थिति में आगे बढ़ती है; इस वजह से, शरीर में काम करने के लिए गर्मी का हस्तांतरण असंभव है और गर्मी जारी करना ऊर्जा के अपरिवर्तनीय नुकसान का प्रतिनिधित्व करता है। इसलिए, विकास के दौरान, जीवों ने गर्मी में अपने संक्रमण को दरकिनार करते हुए, एक प्रकार की मुक्त ऊर्जा के प्रत्यक्ष रूपांतरण के लिए कई विशिष्ट तंत्र विकसित किए हैं। शरीर में, जारी ऊर्जा का केवल एक छोटा सा हिस्सा गर्मी में बदल जाता है और खो जाता है। इसका अधिकांश भाग विशेष यौगिकों की मुक्त रासायनिक ऊर्जा के रूप में परिवर्तित हो जाता है, जिसमें यह अत्यंत मोबाइल होता है, अर्थात यह निरंतर तापमान पर अन्य रूपों में भी बदल सकता है, विशेष रूप से, कार्य करने के लिए या उपयोग में लाने के लिए जैव संश्लेषण  साथबहुत उच्च दक्षता, उदाहरण के लिए, मांसपेशियों के काम के दौरान, 30%।

हाल के दशकों में बी के विकास के मुख्य परिणामों में से एक जीवित दुनिया भर में ऊर्जा प्रक्रियाओं की एकरूपता की स्थापना है - सूक्ष्मजीवों से मनुष्यों तक। जिन पदार्थों में ऊर्जा एक मोबाइल, जैविक रूप से आत्मसात रूप में जमा होती है, और जिन प्रक्रियाओं के द्वारा ऐसा संचय किया जाता है, वह पूरे संयंत्र और पशु दुनिया के लिए सामान्य हो जाता है। इन पदार्थों में संचित ऊर्जा के उपयोग की प्रक्रियाओं में समान एकरूपता स्थापित की गई है। उदाहरण के लिए, सिकुड़ा हुआ प्रोटीन की संरचना और मैकेनोकेमिकल प्रभाव (यानी काम में रासायनिक ऊर्जा का रूपांतरण) की संरचना मूल रूप से समान है जब फ्लैजेला प्रोटोजोआ में चलती है, मिमोसा के पत्तों को कम करती है या पक्षियों, स्तनधारियों और मनुष्यों के सबसे जटिल आंदोलनों में होती है। इस तरह की एकरूपता न केवल बी द्वारा अध्ययन की गई घटनाओं की है, बल्कि सभी जीवित चीजों में निहित अन्य कार्यों की भी विशेषता है: वंशानुगत जानकारी का भंडारण और संचरण, जैवसंश्लेषण के मुख्य रास्ते, और एंजाइमिक प्रतिक्रियाओं का तंत्र।

जिन पदार्थों के माध्यम से जीवों के ऊर्जावान महसूस किए जाते हैं मैक्रो-एर्गिक जोड़ों फॉस्फेट समूहों की उपस्थिति की विशेषता है। शरीर में ऊर्जा रूपांतरण की प्रक्रियाओं में इन यौगिकों की भूमिका पहले मांसपेशी संकुचन, सोवियत जैव रसायनज्ञ वी। ए। एंजेलहार्ट.   भविष्य में, कई शोधकर्ताओं के काम से पता चला कि ये यौगिक सभी जीवन प्रक्रियाओं में ऊर्जा के संचय और परिवर्तन में शामिल हैं। फॉस्फेट समूहों को हटाने के दौरान जारी ऊर्जा का उपयोग जैविक रूप से महत्वपूर्ण पदार्थों के संश्लेषण के लिए मुक्त ऊर्जा की आपूर्ति में वृद्धि और काम में मुफ्त रासायनिक ऊर्जा के रूपांतरण से जुड़ी महत्वपूर्ण प्रक्रियाओं के लिए किया जा सकता है (यांत्रिक, पदार्थों के सक्रिय हस्तांतरण, विद्युत, आदि)। इन यौगिकों में सबसे महत्वपूर्ण, पूरे जीवित दुनिया के लिए लगभग एकमात्र ट्रांसफार्मर और ऊर्जा ट्रांसमीटर की भूमिका निभा रहा है, एटीपी (एटीपी) है। एडेनोसिन फॉस्फोरिक एसिड ), एडिसिन डाइफॉस्फोरिक एसिड (ADP) या एडेनोसिन मोनोफॉस्फोरिक एसिड (AMP) के लिए विघटनकारी। एटीपी हाइड्रोलिसिस, अर्थात्, इसमें से अंतिम फॉस्फेट समूह का दरार, समीकरण के अनुसार आगे बढ़ता है:

एटीपी + एच 2 ओ ® एडीपी + फॉस्फेट

और डी। एफ के मूल्य से मुक्त ऊर्जा में कमी के साथ है। यदि यह प्रतिक्रिया 1.0 के सभी अभिकर्मकों और उत्पादों की एकाग्रता पर आगे बढ़ती है तिल   25 ° С और pH 7.0 पर, ADP की मुक्त ऊर्जा 29.3 द्वारा ATP की मुक्त ऊर्जा से कम हो जाती है केजे (7000 मल). एक सेल में, मुफ्त ऊर्जा में यह परिवर्तन अधिक है: डी एफ \u003d 50 केजे / मोल (12 000 कैल / मोल).   एटीपी® एडीपी के लिए डी एफ मान अधिकांश प्रतिक्रियाओं से अधिक है हाइड्रोलिसिस. मैक्रोर्जिक को एटीपी अणु में तीसरे (अंतिम) और दूसरे फॉस्फेट समूहों के बंधन भी कहा जाता है और अन्य मैक्रोर्जिक यौगिकों में भी इसी तरह के बंधन होते हैं। ये बॉन्ड ~ (tilde) द्वारा निरूपित किए जाते हैं; उदाहरण के लिए, एटीपी सूत्र निम्नानुसार लिखे जा सकते हैं: एडेनिन - राइबोज - फॉस्फेट ~ फॉस्फेट ~ फॉस्फेट। मैक्रोर्जिक बॉन्ड की ऊर्जा के बारे में बोलते हुए, बी में उनका मतलब फॉस्फोरस और ऑक्सीजन (या नाइट्रोजन) के परमाणुओं के बीच सहसंयोजक बंधन की वास्तविक ऊर्जा नहीं है, जैसा कि भौतिक रसायन विज्ञान में प्रथागत है, लेकिन केवल शुरुआती अभिकर्मकों की मुक्त ऊर्जा (डीएफ) और हाइड्रोलिसिस प्रतिक्रियाओं के उत्पादों के बीच का अंतर है। एटीपी या अन्य समान प्रतिक्रियाएं। इस अर्थ में "बाध्यकारी ऊर्जा", सख्ती से बोलना, इस संबंध में स्थानीयकृत नहीं है, लेकिन समग्र रूप से प्रतिक्रिया की विशेषता है।

एटीपी मैक्रोर्जिक बॉन्ड्स की ऊर्जा संपूर्ण जीवित दुनिया के लिए नि: शुल्क ऊर्जा का भंडारण करने का एक सार्वभौमिक रूप है: इन प्रक्रियाओं में ऊर्जा के संचय के माध्यम से सभी ऊर्जा रूपांतरण किए जाते हैं और उन्हें तोड़ने में इसका उपयोग किया जाता है। इन प्रतिक्रियाओं के लिए डी एफ का मूल्य ऊर्जा का एक प्रकार "जैविक क्वांटम" है, क्योंकि जीवों में सभी ऊर्जा रूपांतरण डी एफ के लगभग बराबर भागों में होते हैं। सेल में एटीपी के एंजाइमैटिक हाइड्रोलिसिस में, क्लीवेज फॉस्फेट समूह को हमेशा एक सब्सट्रेट में स्थानांतरित किया जाता है, जिसमें से ऊर्जा आरक्षित प्रारंभिक यौगिक की तुलना में अधिक हो जाती है।

एक सेल में मेटाबॉलिज्म (चयापचय) जटिल पदार्थों के लगातार टूटने को सरल (कैटोबोलिक प्रक्रियाओं) और अधिक जटिल पदार्थों के संश्लेषण (एनाबॉलिक प्रक्रियाओं) से मिलकर बनता है। कैटाबोलिक प्रक्रियाएं एक्सर्जोनिक हैं, यानी, वे मुक्त ऊर्जा (डी एफ) में कमी के साथ होती हैं<0); анаболические процессы - эндергонические, они протекают с увеличением свободной энергии (D F>0)। ऊष्मप्रवैगिकी के सामान्य नियमों के अनुसार, एक्सोर्जोनिक प्रक्रियाएं अनायास, सहज रूप से हो सकती हैं, लेकिन प्रक्रियाएं एन्डर्जोनिक हैं, उन्हें बाहर से मुक्त ऊर्जा की आवश्यकता होती है। एक सेल में, यह दोनों प्रक्रियाओं के संयुग्मन के माध्यम से पूरा किया जाता है: कुछ दूसरों के दौरान जारी ऊर्जा का उपयोग करते हैं। यह संयुग्मन, जो सेल के संपूर्ण चयापचय और महत्वपूर्ण गतिविधि को रेखांकित करता है, एटीपी-एडीपी प्रणाली के माध्यम से पूरा किया जाता है, जो मध्यवर्ती यौगिकों को ऊर्जा से समृद्ध बनाता है।

उदाहरण के लिए, ग्लूकोज और फ्रुक्टोज से सुक्रोज का संश्लेषण एटीपी हाइड्रोलिसिस के दौरान जारी ऊर्जा के कारण होता है, एक मध्यवर्ती सक्रिय यौगिक के गठन से - ग्लूकोज-1-फॉस्फेट: 1) एटीपी + ग्लूकोज® एडीपी / ग्लूकोज -1-फॉस्फेट; 2) ग्लूकोज-1-फॉस्फेट + फ्रुक्टोज® सुक्रोज + फॉस्फेट। कुल प्रतिक्रिया: एटीपी + ग्लूकोज + फ्रुक्टोज® एडीपी + सुक्रोज + फॉस्फेट।

प्रक्रिया का ऊर्जा संतुलन: एटीपी® एडीपी + फॉस्फेट - 29.3 केजे / मोल(- 7000 कैल / मोल) (मुक्त ऊर्जा में कमी); ग्लूकोज + फ्रुक्टोज® सुक्रोज + 23 केजे / मोल (+5500 कैल / मोल) (मुक्त ऊर्जा में वृद्धि)। गर्मी का नुकसान 6.3 केजे / मोल (1500 कैल / मोल), यानी, प्रक्रिया दक्षता 79% है।

उसी प्रकार में, अन्य जटिल यौगिकों (लिपिड, पॉलीसेकेराइड, प्रोटीन और न्यूक्लिक एसिड) के संश्लेषण में प्रतिक्रियाएं भी संयुग्मित होती हैं। एटीपी के अलावा, कुछ इसी तरह के यौगिक इन प्रक्रियाओं में भाग लेते हैं, जो एडेनिन के बजाय अन्य नाइट्रोजनस बेस (ग्वानिन, साइटोसिन, यूरिडाइन, थाइमिडीन ट्राइफॉस्फेट या क्रिएटिन फॉस्फेट) शामिल करते हैं। प्रोटीन और न्यूक्लिक एसिड के संश्लेषण में, एक टर्मिनल फॉस्फेट समूह एटीपी से अलग नहीं होता है, लेकिन पिछले दो (पाइरोफॉस्फेट)। इस प्रकार, जीवों में ऊर्जा संचय (संचय) की सभी प्रक्रियाओं को एटीपी गठन की प्रक्रियाओं को कम किया जाना चाहिए, अर्थात। फास्फारिलीकरण   (ADP या AMP में फॉस्फेट समूहों का समावेश)।

चयापचय प्रक्रियाओं की ऊर्जा, जिसमें ऊर्जा अपने रासायनिक रूप को बनाए रखती है, बुनियादी शब्दों में स्पष्ट है, लेकिन यह उन प्रक्रियाओं के बारे में नहीं कहा जा सकता है जिनमें ऊर्जा रासायनिक रूप से यांत्रिक कार्य या किसी अन्य प्रकार की ऊर्जा (उदाहरण के लिए, विद्युत) से गुजरती है। उदाहरण के लिए, यह जाना जाता है, उदाहरण के लिए, एटीपी हाइड्रोलिसिस के दौरान जारी ऊर्जा के कारण एक संविदात्मक मांसपेशी द्वारा किया जाने वाला कार्य किया जाता है, लेकिन इस ऊर्जा रूपांतरण का तंत्र अभी तक स्पष्ट नहीं है। मशीनी रसायन प्रभाव और रासायनिक ऊर्जा के अन्य परिवर्तनों के अंतरंग तंत्रों का निर्वचन बी का एक महत्वपूर्ण और जरूरी काम है, जिसका सफल समाधान रासायनिक ऊर्जा के प्रत्यक्ष रूपांतरण को यांत्रिक और विद्युत में एक मध्यवर्ती (बिना रुके) के रूप में परिवर्तित कर सकता है।

पृथ्वी पर जीवन के लिए मुख्य और व्यावहारिक रूप से ऊर्जा का एकमात्र स्रोत सूर्य की विकिरण ऊर्जा है, जिसका एक हिस्सा पौधों और कुछ बैक्टीरिया के वर्णक द्वारा अवशोषित होता है। प्रकाश संश्लेषण   संचित ऑटोट्रॉफ़िक जीव रासायनिक ऊर्जा के रूप में: आंशिक रूप से एटीपी (प्रकाश संश्लेषक फास्फोरिलीकरण प्रक्रियाओं) के रूप में, आंशिक रूप से कुछ विशिष्ट यौगिकों की ऊर्जा के रूप में (कम निकोटीनैमाइड-एडेनिन डायन्यूक्लियोटाइड्स), जो सबसे महत्वपूर्ण मध्यवर्ती ऊर्जा संचायक हैं। सभी आगे संश्लेषण प्रक्रिया कार्बोहाइड्रेट और फिर लिपिड , प्रोटीन   और सेल के अन्य घटकों को उपरोक्त यौगिकों की ऊर्जा के कारण अंधेरे एंजाइमी प्रतिक्रियाओं के एक चक्र में किया जाता है।

कार्बोहाइड्रेट संश्लेषण की प्रतिक्रिया में [कुल: 6CO 2 + 6H 2 O® C 6 H 12 O 6 + 6O 2] मुक्त ऊर्जा में वृद्धि D F \u003d 2.87 एमजे / मोल (686 000 कैल / मोल), और उत्पादों की ऊष्मा सामग्री (दाढ़ आंत्रशोथ) डी एन \u003d 2.82 के मूल्य से बदल जाती है एमजे / मोल (673 000 कैल / मोल).   इस प्रकार, कार्बोहाइड्रेट, लिपिड, प्रोटीन और अन्य खाद्य उत्पाद एक पौधे द्वारा अवशोषित विकिरण ऊर्जा के दीर्घकालिक भंडारण का एक रूप हैं।

हेटरोट्रॉफ़िक जीव   एटीपी का गठन खाद्य पदार्थों के ऑक्सीकरण के सीओ 2 और पानी के मध्यवर्ती चरणों में सांस लेने के दौरान किया जाता है। इस प्रक्रिया में, लगभग 40-50% मुक्त ऊर्जा एटीपी मैक्रोर्जिक बांड की ऊर्जा में चली जाती है, और बाकी गर्मी के रूप में खो जाती है। प्रति वर्ष पौधों द्वारा संग्रहीत ऊर्जा की कुल मात्रा (सरल धारणा के तहत कि सभी कार्बन ग्लूकोज के रूप में तय होता है) लगभग 10 18 -10 21 जम्मू, जो कि पृथ्वी पर सौर ऊर्जा घटना के कुल प्रवाह का केवल 0.001 (10 24) है j / वर्ष।).

प्रक्रियाओं में ऊर्जा की एक निश्चित मात्रा जमा होती है। chemosynthesis   कम अकार्बनिक यौगिकों के ऑक्सीकरण के कारण, लेकिन ऊर्जा के लिए इन प्रक्रियाओं का योगदान बीओस्फिअ   बड़ा नहीं है।

पूर्वगामी अपने संचय और उपयोग की प्रक्रियाओं में ऊर्जा के कुल संतुलन की विशेषता है। प्राथमिक तंत्र का अध्ययन ऊर्जा प्रवास   सेलुलर और आणविक स्तर पर दिखाया गया है कि उनमें निर्णायक भूमिका ट्रांसमीटरों की श्रृंखला के साथ इलेक्ट्रॉनों के परिवहन द्वारा निभाई जाती है। रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं की इस श्रृंखला के व्यक्तिगत लिंक में, मुफ्त ऊर्जा के छोटे हिस्से जारी किए जाते हैं जो लगभग एटीपी मैक्रोर्जिक बांड के लिए डी एफ मूल्यों के अनुरूप हैं।

जैव प्रौद्योगिकी की समस्याओं के आगे के अध्ययन, विशेष रूप से रासायनिक ऊर्जा को काम में परिवर्तित करने के तंत्र को, इन प्रक्रियाओं को उप-आणविक स्तर पर विचार करने के लिए एक संक्रमण की आवश्यकता होती है, जहां क्वांटम भौतिकी और रसायन विज्ञान के नियम लागू होते हैं।

लिट: विनोग्राडोव एम। आई।, एक व्यक्ति की मांसपेशियों की गतिविधि की ऊर्जा पर निबंध, एल।, 1941; सेंट जियोर्जी ए, बायोएनेर्जी, ट्रांस। अंग्रेजी से।, एम।, 1960; उसे, सबमॉलेक्यूलर बायोलॉजी का परिचय, ट्रांस। अंग्रेजी से, एम।, 1964; पसिंस्की ए.जी., बायोफिजिकल केमिस्ट्री, एम।, 1963; जैव रसायन के क्षितिज। शनि कला।, एड। एल। ए। तुर्मन, ट्रांस। अंग्रेजी से, एम।, 1964; Pyulman B., Pyulman A., Quantum Biochemistry, trans। अंग्रेजी से, एम।, 1965; लेनिनगर एल।, माइटोकोंड्रिया, ट्रांस। अंग्रेजी से, एम।, 1966; लेहमैन जी।, श्रम के व्यावहारिक शरीर विज्ञान, ट्रांस। इसके साथ, एम।, 1967; रैकर ई।, बायोएनेर्जी तंत्र, ट्रांस। अंग्रेजी से, एम।, 1967; लेहिंगर ए। एल।, बायोएनेरगेटिक्स, एन.वाई।, 1965; जैव विज्ञान में वर्तमान विषय, एड। डी। आर। सनदी, वी। 1-2, एन। वाई।, 1966-67।

  एलए टुमैन।

जीवन, पदार्थ के अस्तित्व के भौतिक और रासायनिक रूपों की तुलना में अधिक है, स्वाभाविक रूप से इसके विकास की प्रक्रिया में कुछ शर्तों के तहत उत्पन्न होता है। जीवित वस्तुएं निर्जीव चयापचय से भिन्न होती हैं - जीवन के लिए एक अपरिहार्य स्थिति, पुन: उत्पन्न करने की क्षमता, बढ़ने, सक्रिय रूप से उनकी रचना और कार्यों को विनियमित करने, आंदोलन के विभिन्न रूपों, चिड़चिड़ापन, पर्यावरण के लिए अनुकूलता आदि।

चयापचय के परिणामस्वरूप, सेलुलर संरचनाएं लगातार बनती हैं, अद्यतन होती हैं और नष्ट हो जाती हैं, विभिन्न रासायनिक यौगिकों को संश्लेषित और नष्ट किया जाता है।

जीवित जीव बाहर से प्राप्त पदार्थों को आत्मसात करने में सक्षम हैं, अर्थात्। उनका पुनर्निर्माण करना, उनकी अपनी भौतिक संरचनाओं की तुलना करना, और इस कारण से, उन्हें बार-बार पुन: उत्पन्न करना (पुन: पेश करना)। इसके अलावा, यदि मूल संरचना गलती से बदल गई है, तो इसे एक नए रूप में पुन: पेश किया जाता है। अत्यधिक आत्म-प्रजनन की क्षमता कोशिका वृद्धि, कोशिकाओं और जीवों के प्रजनन के आधार पर निहित है और इसलिए, प्रजनन की प्रगति (प्राकृतिक चयन के लिए मुख्य स्थिति), साथ ही आनुवंशिकता और वंशानुगत भिन्नता के आधार पर।

जीवन को दो प्रकार के बायोपॉलिमर्स (प्रोटीन और डीएनए या आरएनए) से युक्त अत्यधिक आदेशित भौतिक संरचनाओं की विशेषता है, जो कि जीवित प्रणाली बनाते हैं, जो मैट्रिक्स संश्लेषण के सिद्धांत द्वारा सामान्य रूप से स्व-प्रजनन में सक्षम हैं।

लिविंग सिस्टम को अंतरिक्ष और समय में संरचनात्मक और कार्यात्मक क्रम के उच्च स्तर की विशेषता है।

चयापचय (ग्रीक "परिवर्तन, परिवर्तन" से), चयापचय - शरीर में रसायनों के रूपांतरण की पूरी प्रक्रिया, इसकी वृद्धि, विकास, गतिविधि और सामान्य रूप से जीवन सुनिश्चित करना।

एक जीवित जीव में, ऊर्जा लगातार खपत की जाती है, और न केवल शारीरिक और मानसिक कार्य के दौरान, बल्कि पूर्ण आराम (नींद) पर भी।

चयापचय में दो विपरीत होते हैं, एक साथ होने वाली प्रक्रियाएं। पहला - उपचय - आवश्यक पदार्थों के संश्लेषण से जुड़े सभी प्रतिक्रियाओं, उनके अवशोषण और शरीर के विकास, विकास और महत्वपूर्ण कार्यों के लिए उपयोग करता है। दूसरा - अपचय - इसमें पदार्थों के टूटने, उनके ऑक्सीकरण और शरीर से अपघटन उत्पादों का उत्सर्जन शामिल है। मुख्य रूप से उपचय की प्रतिक्रियाओं के माध्यम से, पोषक तत्वों के आत्मसात (आत्मसात) की प्रक्रिया होती है, और अपचय की प्रतिक्रियाएं विच्छेदन का आधार बनती हैं - शरीर के पदार्थों से मुक्ति जो इसे बनाती है। (शब्द "आत्मसात" का उपयोग उपचय के लिए एक पर्यायवाची के रूप में, और "प्रसार" - अपचय के लिए एक पर्यायवाची गलत है, क्योंकि आत्मसात और विच्छेदन अधिक सामान्य जैविक अवधारणाएं हैं)।

चयापचय जैव रासायनिक और ऊर्जा प्रक्रियाओं का एक जटिल है जो शरीर की जरूरतों के लिए खाद्य पदार्थों का उपयोग सुनिश्चित करता है और प्लास्टिक और ऊर्जा पदार्थों में इसकी आवश्यकताओं को पूरा करता है।

प्रोटीन, वसा, कार्बोहाइड्रेट और अन्य उच्च-आणविक यौगिक पाचन तंत्र में सरल, कम-आणविक पदार्थों में टूट जाते हैं। रक्त और ऊतकों में प्रवेश करते हुए, वे आगे के परिवर्तनों से गुजरते हैं - एरोबिक ऑक्सीकरण, ऑक्सीडेटिव फास्फारिलीकरण और अन्य। इन परिवर्तनों की प्रक्रिया में (СО 2 और Н 2 О को ऑक्सीकरण के साथ), ऑक्सीकरण उत्पादों का उपयोग अमीनो एसिड और अन्य महत्वपूर्ण चयापचयों के संश्लेषण के लिए किया जाता है। इस प्रकार, एरोबिक ऑक्सीकरण क्षय और संश्लेषण के तत्वों को जोड़ता है और प्रोटीन, वसा, कार्बोहाइड्रेट और अन्य पदार्थों के आदान-प्रदान में एक कड़ी है।

हालांकि चयापचय लगातार होता है, हमारे शरीर की स्पष्ट अपरिवर्तनीयता ने न केवल विज्ञान में अनुभवहीन लोगों को गुमराह किया, बल्कि कुछ वैज्ञानिक भी। यह माना जाता था कि शरीर में दो प्रकार के पदार्थ होते हैं, जिनमें से कुछ का उपयोग शरीर के निर्माण के लिए किया जाता है, वे गतिहीन, स्थिर होते हैं; ऊर्जा स्रोत के रूप में उपयोग किए जाने वाले अन्य, जल्दी से संसाधित होते हैं।

जैविक अध्ययनों में लेबल परमाणुओं की शुरूआत ने जानवरों के प्रयोगों में यह स्थापित करना संभव बना दिया कि चयापचय सभी ऊतकों और कोशिकाओं में लगातार होता है: "निर्माण" और "ऊर्जा" अणुओं के बीच कोई अंतर नहीं है। शरीर में, सभी अणु चयापचय में समान रूप से शामिल होते हैं। औसतन, मनुष्यों में, हर 80 दिन में, सभी ऊतक प्रोटीनों में से आधे बदल जाते हैं, यकृत एंजाइम (विशेष रूप से इसमें तीव्र प्रतिक्रियाएं होती हैं) 2-4 घंटों के बाद अपडेट होते हैं, और कुछ दसियों मिनटों के बाद भी।

चयापचय एक प्रणाली के रूप में जीवित जीव में निहित गतिशील संतुलन प्रदान करता है, जिसमें संश्लेषण और विनाश, प्रजनन और मृत्यु परस्पर संतुलित होते हैं। चयापचय प्रतिक्रियाओं का आधार परमाणुओं और अणुओं के बीच भौतिक और रासायनिक इंटरैक्शन हैं, जो उन कानूनों का पालन करते हैं जो जीवित और निर्जीव पदार्थ के लिए सामान्य हैं। ऊपर, ज़ाहिर है, इसका मतलब यह नहीं है कि जीवन पूरी तरह से भौतिक रासायनिक प्रक्रियाओं के लिए नीचे आता है। जीवित जीवों की अपनी विशेषताएं हैं।

शरीर में ऊर्जा के आदान-प्रदान के साथ मेटाबॉलिज्म का अटूट संबंध है। जीवित जीव तभी मौजूद रह सकते हैं जब बाहर से ऊर्जा की निरंतर आपूर्ति हो। और इसलिए, उन्हें लगातार विभिन्न प्रकार के काम करने के लिए ऊर्जा की आवश्यकता होती है: यांत्रिक - शरीर की गतिविधि, हृदय गतिविधि, आदि; गैल्वेनिक - ऊतकों और कोशिकाओं में एक संभावित अंतर पैदा करना; रासायनिक - पदार्थों का संश्लेषण, आदि।

एक बहुत ही दुर्लभ अपवाद के साथ, सौर विकिरण मनुष्यों के लिए ऊर्जा का प्राथमिक अप्रत्यक्ष स्रोत है, साथ ही पृथ्वी पर सभी जीवन के लिए भी। सूर्य की इसी ऊर्जा के कारण भोजन बनता है। खाद्य श्रृंखला में प्रारंभिक लिंक पौधों है जो प्रकाश संश्लेषण के दौरान सौर ऊर्जा जमा करते हैं। कार्बनिक पदार्थ, जीवन का आधार, पौधों के हरे वर्णक में संश्लेषित होता है - पानी और कार्बन डाइऑक्साइड से प्रकाश क्वांटा के प्रभाव में क्लोरोफिल।

श्वास शरीर की कोशिकाओं तक ऑक्सीजन (ओ 2) पहुंचाने और कार्बनिक पदार्थों के जैविक ऑक्सीकरण में पानी और कार्बन डाइऑक्साइड (सीओ 2) बनाने के लिए उपयोग होता है, जो वायुमंडल में जारी होता है। विभिन्न अंगों के कार्यों के एकीकरण और समन्वय के साथ प्रभावी गैस विनिमय संभव है, जो एक साथ होते हैं श्वास प्रणाली । उत्तरार्द्ध में निम्नलिखित उप प्रणालियाँ शामिल हैं: "बाहरी श्वसन" (त्वचा और श्लेष्मा झिल्ली के माध्यम से फेफड़ों में गैस का आदान-प्रदान), रक्त गैस परिवहन (रक्त और हृदय प्रणाली का श्वसन कार्य), और ऊतक श्वसन (सेल में जैविक ऑक्सीकरण), ओ 2 के ऊतक अवशोषण और सीओ की रिहाई के साथ। 2)।

फेफड़ों में गैस का आदान-प्रदान   (या "फुफ्फुसीय श्वास") फेफड़े द्वारा वायुमार्ग और केशिका रक्त प्रवाह, श्वसन की मांसपेशियों के साथ छाती, और नियंत्रण उपकरण द्वारा प्रदान किया जाता है। फुफ्फुसीय श्वसन की मदद से, वायुमंडलीय वायु और धमनी रक्त के बीच O 2 और CO 2 का आदान-प्रदान किया जाता है। गैस परिवहन   (फुफ्फुसीय केशिकाओं से ऊतकों की सीओ 2 और विपरीत दिशा में सीओ 2 में ओ 2 का स्थानांतरण) मुख्य रूप से कार्डियोवास्कुलर सिस्टम के "पंप" के संचालन और रक्त के श्वसन कार्य पर निर्भर करता है। सांस की नली   (ऊर्जा चयापचय की प्रक्रिया) मानव शरीर की लगभग सभी कोशिकाओं में एरोबिक, यानी ऑक्सीजन का उपयोग होता है। कोशिका ऊर्जा का मुख्य स्रोत ग्लूकोज है, जिसके चयापचय के लिए O 2 की आवश्यकता है:

С 6 Н 12 O 6 + 6О 2 → 6СО 2 + 6Н 2 О + ऊर्जा

जब एक ग्लूकोज अणु ऑक्सीकरण होता है, तो 38 एटीपी अणु बनते हैं। एटीपी में संचित ऊर्जा का उपयोग आयन पंप, मांसपेशियों के संकुचन, प्रोटीन संश्लेषण या कोशिका स्राव को संचालित करने के लिए किया जाता है। शरीर एटीपी भंडार बनाने में सक्षम नहीं है और इसे लगातार संश्लेषित करना चाहिए, और इसके लिए कोशिकाओं को चयापचय सब्सट्रेट और ऑक्सीजन की निरंतर डिलीवरी की आवश्यकता होती है।

जैसा कि आप जीवित जीवों के बायोएनेर्जी में जानते हैं, दो मुख्य बिंदु:

a) रासायनिक ऊर्जा को एटीपी के गठन द्वारा संग्रहीत किया जाता है जो कि कार्बनिक पदार्थों के एक्सर्जोनिक कैटाबोलिक ऑक्सीकरण प्रतिक्रियाओं से जुड़ा होता है;

ख) रासायनिक ऊर्जा का उपयोग एटीपी को विभाजित करके किया जाता है, जो कि उपचय और अन्य प्रक्रियाओं के साथ युग्मित होता है जो कि एनोबोलिज़्म और अन्य प्रक्रियाओं में ऊर्जा की आवश्यकता होती है।

एटीपी एडेनोसिन ट्राइफोस्फोरिक एसिड के लिए एक संक्षिप्त नाम है। एटीपी जानवरों और पौधों की हर कोशिका में पाया जाता है। यह एक ऊष्मागतिकीय अस्थिर यौगिक है। एडेनोसिन ट्राइफोस्फोरिक एसिड की अस्थिरता निर्धारित की जाती है, सबसे पहले, समान नकारात्मक चार्ज के क्लस्टर के क्षेत्र में इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिकर्षण द्वारा, जिससे पूरे अणु का तनाव होता है, लेकिन एक विशिष्ट अनुनाद द्वारा बंधन सबसे दृढ़ता से पी - ओ - पी, और दूसरा है। एटीपी की मात्रा बदलती है और औसत 0.04% (प्रति गीले सेल वजन)। एटीपी की सबसे बड़ी मात्रा कंकाल की मांसपेशी में पाई जाती है - 0.2-0.5%। एटीपी की रासायनिक संरचना एक न्यूक्लियोटाइड है, और किसी भी न्यूक्लियोटाइड की तरह, इसमें एक नाइट्रोजन आधार (एडेनिन), पेंटोस (राइबोस) और फॉस्फोरिक एसिड होता है। हालांकि, फॉस्फोरिक एसिड वाले हिस्से में, एटीपी अणु में साधारण न्यूक्लियोटाइड से महत्वपूर्ण अंतर होते हैं। उसके पास इस भाग में फॉस्फोरिक एसिड के तीन अणु घनीभूत हैं। यह एक बहुत ही अस्थिर संरचना है। अनायास, और विशेष रूप से आसानी से एटीपी में एंजाइम के प्रभाव के तहत, पी और ओ के बीच का बंधन टूट जाता है, और एक या दो पानी के अणु f ढीले बंध से जुड़े होते हैं, और एक या दो फॉस्फोरिक एसिड के अणुओं को साफ किया जाता है। यदि फॉस्फोरिक एसिड के एक अणु को क्लीवेज किया जाता है, तो एटीपी एडीपी में गुजरता है, अर्थात् एडेनोसिन डिपॉस्फोरिक एसिड में; यदि फॉस्फोरिक एसिड के दो अणुओं को विभाजित किया जाता है, तो एटीपी एएमपी में गुजरता है, अर्थात, एडेनोसिन मोनोफॉस्फोरिक एसिड में। एटीपी से फॉस्फोरिक एसिड के प्रत्येक अणु की दरार प्रतिक्रिया एक बड़ी ऊर्जा प्रभाव के साथ होती है, अर्थात्, फॉस्फोरिक एसिड के एक ग्राम अणु के दरार लगभग 40JJ (10,000 सीएएल) की रिहाई के साथ होती है। यह एक बहुत बड़ी मात्रा है। सेल के अन्य सभी एक्ज़ोथिर्मिक प्रतिक्रियाएं ऊर्जा की काफी कम उपज के साथ होती हैं। उनमें से सबसे प्रभावी 8-10 केजे (2000-2500 सीएएल) से अधिक नहीं देते हैं। फॉस्फोरस की ऐसी विशेष रूप से उच्च ऊर्जा दक्षता - एटीपी में ऑक्सीजन बंधन को रेखांकित करने के लिए, इसे एक बंधन कहा जाता है, जो ऊर्जा में समृद्ध है, या एक मैक्रोर्जिक बंधन है, और इस तरह के बंधन की उपस्थिति को डैश द्वारा नहीं, सामान्य रूप से दर्शाया जाता है, लेकिन एक संकेत द्वारा। एटीपी में दो मैक्रोर्जिक बॉन्ड होते हैं।

एटीपी एक सार्वभौमिक जैविक ऊर्जा संचायक है।

एसिमिलेशन - एक जीवित जीव में उपचय (बायोसिंथेसिस) की प्रक्रियाओं का एक सेट, जिसके दौरान इसकी संरचना में विभिन्न पदार्थ शामिल होते हैं। आत्मसात करने के दौरान, सरल पदार्थ (जटिल रूप से शुरू में सरल वाले में विभाजित होते हैं), किसी भी जीव के लिए अविशिष्ट, किसी दिए गए प्रकार के जटिल यौगिकों में बदल जाते हैं (आत्मसात)। असेंबलीकरण विघटन (अपघटन) की प्रक्रियाओं के योग से संतुलित होता है।

विच्छेदन (अव्य। dissimilis   - जीव विज्ञान में), चयापचय का विपरीत पक्ष आत्मसात है, जो प्रोटीन, न्यूक्लिक एसिड, वसा, कार्बोहाइड्रेट (भोजन के साथ शरीर में पेश किए गए सहित) को ऊर्जा की रिहाई के साथ कार्बनिक यौगिकों के विनाश में शामिल करते हैं। प्रसार की कई प्रक्रियाएं - श्वसन, किण्वन और ग्लाइकोलाइसिस - चयापचय के लिए केंद्रीय हैं। इन प्रक्रियाओं के परिणामस्वरूप, जटिल कार्बनिक यौगिकों के अणुओं में जारी ऊर्जा जारी की जाती है, जो आंशिक रूप से एडेनोसिन फॉस्फोरिक एसिड (मुख्य रूप से एटीपी) की ऊर्जा में बदल जाती है। सभी जीवों में प्रसार के मुख्य अंत उत्पाद पानी, कार्बन डाइऑक्साइड और अमोनिया हैं। जानवरों में, इन उत्पादों को बाहर की ओर छोड़ा जाता है क्योंकि वे जमा होते हैं। पौधों के जीवों में, CO2 आंशिक रूप से होता है, और NH3 का उपयोग पूरी तरह से कार्बनिक पदार्थों के जैवसंश्लेषण के लिए किया जाता है, इसलिए, आत्मसात करने के लिए प्रारंभिक सामग्री। प्रसार और आत्मसात के बीच अटूट लिंक शरीर के ऊतकों का एक निरंतर नवीकरण सुनिश्चित करता है। तो, मानव रक्त में, मौजूदा एल्बुमिन का आधा हिस्सा 10 दिनों में नए एल्ब्यूमिन अणुओं के लिए आदान-प्रदान होता है; एरिथ्रोसाइट जीवन प्रत्याशा लगभग 4 महीने है। आत्मसात और प्रसार की तीव्रता का अनुपात शरीर के विकास, आयु और शारीरिक अवस्था के आधार पर भिन्न होता है। शरीर के विकास और विकास को आत्मसात करने की एक प्रमुख विशेषता है, जो शरीर के वजन में सामान्य वृद्धि में, नई कोशिकाओं, ऊतकों और अंगों के निर्माण में प्रकट होता है। कुछ रोग स्थितियों में और भुखमरी के दौरान, विच्छेदन आमतौर पर आत्मसात होता है, जिससे शरीर के वजन में कमी होती है।

एक जीवित जीव की ख़ासियत जीवित वस्तुओं की भौतिक संरचनाओं की परिवर्तनशीलता के कारण अर्जित गुणों की एक विशाल विविधता है।

लिविंग सिस्टम पर्यावरण के साथ ऊर्जा, पदार्थ और सूचना का आदान-प्रदान करते हैं, अर्थात्। खुले सिस्टम हैं। इसी समय, निर्जीव प्रणालियों के विपरीत, वे ऊर्जा अंतरों की बराबरी नहीं करते हैं और संरचनाओं को अधिक संभावित रूपों में पुनर्व्यवस्थित करते हैं, लेकिन इसके विपरीत देखा जाता है: ऊर्जा क्षमता, रासायनिक संरचना, आदि में अंतर, बहाल किया जाता है, अर्थात। लगातार काम "संतुलन के खिलाफ"।

जीवन केवल कुछ भौतिक और रासायनिक परिस्थितियों (तापमान, पानी की उपस्थिति, कई लवण, आदि) के तहत संभव है। हालांकि, जीवन प्रक्रियाओं के समापन से जीवन शक्ति का नुकसान नहीं होता है। यदि संरचना बरकरार रहती है, तो यह सामान्य परिस्थितियों में लौटने पर, महत्वपूर्ण प्रक्रियाओं की बहाली प्रदान करता है।

शरीर में, प्रक्रियाओं को गतिशील रूप से संतुलित किया जाता है: उपचय (आत्मसात) - कार्बनिक पदार्थों के जैवसंश्लेषण, कोशिकाओं और ऊतकों के घटक, और अपचय (प्रसार) - कोशिका घटकों के जटिल अणुओं का टूटना। उपचय प्रक्रियाओं की प्रबलता विकास को सुनिश्चित करती है, शरीर के वजन का संचय, कैटोबोलिक प्रक्रियाओं की प्रबलता ऊतक संरचनाओं का आंशिक विनाश, शरीर के वजन में कमी की ओर जाता है।

इस प्रकार, रासायनिक घटकों की विविधता और जटिलता और जीवित चीजों में होने वाले परिवर्तनों की गतिशीलता के संबंध में मामले के अस्तित्व के अन्य रूपों के लिए जीवन गुणात्मक रूप से बेहतर है।

1. गोर्बाचेव वी.वी. आधुनिक विज्ञान की अवधारणाएँ। - एम .: गोमेद 21 वीं सदी, 2003।

2. मकरोव वी। एन। आधुनिक विज्ञान की अवधारणाएँ। - एम ।: MODEK, 2008।

3. मिखाइलोवस्की वी.एन. आधुनिक विज्ञान की अवधारणाएँ। - सेंट पीटर्सबर्ग: ज्ञान, 2004।

4. नैवेद्य V.M .. आधुनिक प्राकृतिक विज्ञान की अवधारणा - एम।, 1999।

बुनियादी प्रणालियों के संगठन का मूल सिद्धांत

1.1 रहने वाले प्रणालियों के बुनियादी संकेत

1.1.1 संरचनात्मक और कार्यात्मक जटिलता

यद्यपि अरबों वर्षों के विकास के परिणामस्वरूप हमारे ग्रह के सभी आधुनिक रहने वाले सिस्टम गैर-जीवित थे, वे भौतिकी की वस्तुओं से बहुत अलग हैं - गैर-जीवित सिस्टम। यह अंतर नहीं है कुछ मायावी रूपात्मक गुणों की उपस्थिति में - भौतिकी के सभी नियम जीवित चीजों के लिए भी सही हैं - लेकिन जीवित प्रणालियों की उच्च संरचनात्मक और कार्यात्मक जटिलता में। जीवित प्रणालियों की जटिल रासायनिक संरचना में न्यूक्लिक एसिड और प्रोटीन की उपस्थिति की विशेषता है - मैक्रोमोलेक्युल, जिसमें एपरियोडिक रूप से जुड़े छोटे सबयूनिट्स शामिल हैं, और इसलिए उनकी विविधता में जीवित प्राणियों की पूरी दुनिया को पार करना है। जीवन की संरचनात्मक जटिलता मैक्रोमोलेक्युलस से शुरू होती है, झिल्ली और ऑर्गेनेल जैसे संरचनाओं के स्तर पर जारी रहती है, और फिर कोशिकाएं और - बहुकोशिकीय जीवों में - ऊतक, अंग, अंग प्रणालियां, पूरे जीव (व्यक्ति) तक। सुपरऑर्गेनिस्मल स्तर पर, यह जीवों के जटिल समुदायों (बायोकेनोज) की ओर जाता है, जो एक ही प्रजाति और अलग-अलग प्रजातियों के व्यक्तियों के बीच विविध अंतःक्रियाओं और अन्योन्याश्रितताओं पर आधारित हैं। शरीर में बड़ी संख्या में शारीरिक प्रक्रियाएं भी होती हैं - चयापचय प्रतिक्रियाएं जो चयापचय और ऊर्जा, प्रजनन, पात्रों की विरासत, जीवों के आंतरिक वातावरण का विनियमन आदि सुनिश्चित करती हैं।

1.1.2 चयापचय और ऊर्जा

शरीर में, मैक्रोमोलेक्यूल्स लगातार नए सिरे से और विघटित (टर्नओवर, या नवीकरण) का संश्लेषण करते हैं। चयापचय ऊर्जा बाहरी ऊर्जा स्रोतों, या तो ऊर्जा युक्त पदार्थों (भोजन) या प्रकाश का उपयोग करने के लिए आवश्यक बनाती है, क्योंकि संश्लेषण प्रक्रियाओं के लिए ऊर्जा की खपत की आवश्यकता होती है। इसलिए, जीवित प्रणालियां खुली प्रणालियां हैं जिनके माध्यम से पदार्थ और ऊर्जा पास बहती हैं; ये प्रणालियां एक गतिशील स्थिर स्थिति में होती हैं, लेकिन साथ ही वे वातावरण से उन संरचनाओं द्वारा सीमांकित होती हैं जो चयापचय को बाधित करती हैं, पदार्थों के नुकसान को कम करती हैं और सिस्टम की स्थानिक एकता को बनाए रखने के लिए काम करती हैं। यह अलगाव, या वैयक्तिकरण, सेलुलर स्तर पर शुरू होता है - सेल एक झिल्ली से घिरा होता है - और बहुकोशिकीय जीवों में जारी रहता है, जो अलग-अलग व्यक्तियों के रूप में, एन्ग्युमेंटरी ऊतकों द्वारा पर्यावरण से सीमांकित होते हैं। चयापचय प्रक्रियाओं को विशेष जैविक कटैलिसीस और जैविक उत्प्रेरक (एंजाइम) का उपयोग करके विनियमित किया जाता है।

1.1.3 बाहरी कारकों (चिड़चिड़ापन) का जवाब देने की क्षमता

जीवन के लिए, जो भी आवश्यक है वह समीचीन है, अर्थात्, सिस्टम के संरक्षण में योगदान देना और पर्यावरणीय प्रभावों का जवाब देना है। इसलिए, जीवित प्रणालियों के संकेतों में जलन (चिड़चिड़ापन) का जवाब देने की क्षमता भी शामिल है। बड़े पैमाने पर बाहरी वातावरण (अनुकूलन) के लिए अनुकूलता जीवों के वंशानुगत परिवर्तनशीलता पर आधारित है, अर्थात्, समान आत्म-प्रजनन की क्षमता के विपरीत संपत्ति पर।

एक पूरे के रूप में रहने वाले सिस्टम और प्रणालियों की व्यक्तिगत संरचनाओं का पुनरुत्पादन करने के लिए, न्यूक्लिक एसिड मेट्रिसेस का उपयोग किया जाता है, जो प्रजातियों के विशिष्ट अणुओं के संश्लेषण के लिए "चित्र" हैं, अर्थात, इन अणुओं की संरचना के बारे में जानकारी है। मैट्रिक्स में स्वयं के समान दोहरीकरण (प्रतिकृति) की क्षमता है और इस तरह पूरे जीवित सिस्टम को पुन: उत्पन्न करने की क्षमता प्रदान करता है। उनके क्षय पर अणुओं के संश्लेषण की अधिकता से जैविक पदार्थ की संरचनाओं में वृद्धि होती है।

१.१.५ प्रजनन

क्योंकि डीएनए पहचान को दोहराता है , प्रजनन प्रणाली-विशिष्ट लक्षणों की विरासत के साथ जुड़ा हुआ है। इस प्रकार की प्रणालियों के अस्तित्व को बनाए रखने के लिए प्रजनन आवश्यक है: यह आपको जीवित प्रणालियों के विनाश (मृत्यु) के कारण हुए नुकसान की भरपाई या उससे भी अधिक की अनुमति देता है। जटिल (बहुकोशिकीय) जीवों में, प्रजनन के दौरान अलग होने वाले हिस्से आमतौर पर छोटे होते हैं (ये एकल कोशिकाएं हैं)। व्यक्तिगत विकास की प्रक्रिया में धीरे-धीरे बदलते हुए, वे एक ही प्रकार के नए, पूरी तरह से गठित प्रणालियों में बदल जाते हैं।

1.1.6 आंदोलन

विशिष्ट संरचनाओं और अंगों के लिए धन्यवाद, जानवर और सूक्ष्मजीव अंतरिक्ष (हरकत) में स्थानांतरित करने में सक्षम हैं। पौधे अंतरिक्ष (विकास, तुर्गोर) में भी कुछ हलचलें करते हैं। सभी जीवित प्रणालियों को शरीर के भीतर पोषक तत्वों के सब्सट्रेट, अपशिष्ट उत्पादों आदि के सक्रिय आंदोलनों की विशेषता है।

एक आम जड़ से सभी स्थलीय प्राणियों की उत्पत्ति की पुष्टि उनके सबसे मौलिक विशेषताओं में संयोग से होती है - संरचनात्मक विशेषताओं में (कुछ न्यूक्लिक एसिड अणुओं या कोशिका संरचना की संरचना) और कार्यात्मक विशेषताएं (सामान्य चयापचय पथ या आनुवंशिक कोड की एकता)। लेकिन यहां तक \u200b\u200bकि पहले जीवित सिस्टम जो निर्जीव से उत्पन्न हुए थे, वे पहले से ही किसी प्रकार के विकास के उत्पाद थे।

जीवित प्रणाली वे हैं जो न्यूक्लिक एसिड और प्रोटीन के अधिकारी हैं और इन पदार्थों को स्वयं संश्लेषित करने में सक्षम हैं। यह परिभाषा जीवन के उद्भव के सबसे प्राचीन चरणों पर लागू नहीं है, साथ ही मौजूदा, संभवतः अलौकिक जीवन प्रणाली के लिए भी है, जिसे अलग तरीके से व्यवस्थित किया जा सकता है।

एक और परिभाषा एंट्रॉपी को अलग करने के लिए जीवित प्रणालियों की क्षमता पर आधारित है। ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम के अनुसार, प्रकृति में एक संपूर्ण और प्रत्येक पृथक प्रणाली में, एन्ट्रापी हमेशा बढ़ती है। और जब से एन्ट्रापी के परिमाण में विकार की डिग्री होती है, ऑर्डर करना हमेशा कम हो जाता है। लेकिन जीवित प्रणालियां, ऊर्जा खर्च करना, न केवल क्रमबद्धता की अपनी अंतर्निहित स्थिति को बनाए रखना है - संगठन की डिग्री, बल्कि इसे भी बढ़ाएं, उदाहरण के लिए, विकास के साथ। इसका मतलब है कि जीवित जीवों में, एन्ट्रोपी कम हो जाती है। और फिर भी, ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम सही बना हुआ है, क्योंकि इसके वातावरण में जीव के जीवन के परिणामस्वरूप, एन्ट्रापी में वृद्धि अधिक होती है, शरीर के अंदर इसकी कमी से (यह एंट्रोपी का विभाजन है)। आखिरकार, जीवित प्राणियों को अलग नहीं किया जाता है, लेकिन खुली व्यवस्था। इस प्रकार: सिस्टम को जीवित कहा जाता है जो स्वतंत्र रूप से अपने उच्च स्तर के क्रम को बनाए रख सकते हैं और एक कम डिग्री वाले वातावरण में आदेश को बढ़ा सकते हैं।

1.2 लाइविंग मैटेर

१.२.१ जीवों की तात्विक रचना

वर्तमान में 110 से अधिक तत्वों में से केवल कुछ ही जीवित जीवों में पाए जाते हैं। सबसे पहले, ये जीवित प्रकृति (और आवश्यक!): एच, सी, ओ, एन, एस, पी, सीए, एमजी, के, फ़े, और ना और सीआई, जानवरों की विशेषता में बड़ी मात्रा में उपलब्ध मैक्रोलेमेंट्स (बायोजेनिक तत्व) हैं। जीवित प्रणालियों में उनकी एकाग्रता 0.1% से अधिक है। Fe की एकाग्रता आमतौर पर 0.1% से कम होती है, हालांकि, जैव रासायनिक श्वसन प्रणालियों में इस तत्व की भूमिका इतनी महान है कि इसे मैक्रोलेमेंट्स (तालिका 1.1) के रूप में संदर्भित किया जाता है।

जीवन के लिए समान रूप से आवश्यक ट्रेस तत्वों (ट्रेस तत्वों) की नियमित रूप से छोटी मात्रा में पाए जाते हैं: घन, एमएन, जेडएन, मो, सह, जानवरों में भी एफ, जे, सी, पौधों में - सीएल और बी। जीवों में उनकी एकाग्रता 0.1 से कम है %। ऐसे तत्व (अल्ट्रामाइक्रोलेमेंट्स) भी हैं जो केवल कुछ विशेष प्रकार के जीवों में पाए जाते हैं (या गलती से उन में मिल जाते हैं - दोष)।

तालिका 1.1 - जानवरों में पाए जाने वाले रासायनिक तत्व, और उनकी अनुमानित सामग्री (वजन प्रतिशत में)

चेतन और निर्जीव प्रकृति में, व्यक्तिगत तत्वों की व्यापकता बहुत अलग है। उदाहरण के लिए, अकार्बनिक प्रकृति (पृथ्वी की पपड़ी, जलमंडल और वायुमंडल) में लोहे की सापेक्ष मात्रा मानव शरीर की तुलना में 300 गुना अधिक है, जबकि कार्बन, इसके विपरीत (मनुष्य में, निर्जीव वातावरण की तुलना में 200 गुना अधिक है)। इस प्रकार, जीवित जीव पर्यावरण से कुछ तत्वों को चुनिंदा रूप से अवशोषित करने में सक्षम हैं। जीवित जीवों में, मुख्य रूप से कम परमाणु द्रव्यमान वाले तत्व जमा होते हैं।

1.2.2 जीवन का रासायनिक आधार

लिविंग सिस्टम अकार्बनिक और कार्बनिक यौगिकों से बने होते हैं। अकार्बनिक यौगिक - पानी और खनिज इसमें घुल जाते हैं। मात्रात्मक शब्दों में, रासायनिक यौगिकों (मानव शरीर में लगभग 60%, जेलिफ़िश में 96% या अधिक) के बीच पानी का पहला स्थान है। पानी एक विलायक के रूप में कार्य करता है, आंतरिक परिवहन का साधन है, अधिकांश चयापचय प्रक्रियाओं के लिए एक माध्यम है और हाइड्रोलिसिस प्रतिक्रियाओं में शामिल है।

एक जीवित जीव में मुख्य रूप से C, H, O, N, S और P से युक्त कार्बनिक यौगिकों की संख्या बहुत बड़ी है; वे मुख्य रूप से चार वर्गों के होते हैं - प्रोटीन, लिपिड, कार्बोहाइड्रेट और न्यूक्लिक एसिड। प्रोटीन जानवरों में मात्रात्मक रूप से प्रबल होते हैं, पौधों में कार्बोहाइड्रेट प्रबल होते हैं। मनुष्यों में, प्रोटीन की संख्या 5 मिलियन अनुमानित है; लगभग 1.2 मिलियन जीवित जीवों में कुल लगभग 10 11 विभिन्न प्रोटीन होते हैं।

हालांकि, उन्नीसवीं शताब्दी के उत्तरार्ध के कई शोधकर्ताओं की राय के विपरीत, जीवित जीवों या रसायनज्ञों द्वारा संश्लेषित कार्बनिक पदार्थों में से एक भी जीवित चीजों के गुणों को नहीं दर्शाता है। कोई पृथक "जीवित पदार्थ" नहीं हैं। केवल विभिन्न पदार्थों की संगठित बातचीत को हम जीवन कहते हैं।

१.२.३ जीवों का संरचनात्मक संगठन

जीवित कुछ संरचनाओं के रूप में प्रकट होता है - "जीवित जीव" (चित्र। 1.1)। वे आणविक स्तर तक एक जटिल, संरचनात्मक संगठन - "जीवित प्रणालियों की असीमित विविधता" (के.एस. ट्रंचर) द्वारा प्रतिष्ठित हैं। इसके विपरीत, एक मशीन में निश्चित या चलती भागों की एक निश्चित संख्या होती है, जिनमें से प्रत्येक सजातीय होता है।

19 वीं शताब्दी में सभी जीवित जीवों के एक सामान्य संरचनात्मक तत्व के रूप में मान्यता प्राप्त एक सेल, दोनों बहुकोशिकीय जानवर और पौधे, और एककोशिकीय "प्रोटिस्ट", अत्यधिक संरचित है। 1833 में आर। ब्राउन द्वारा कोशिका नाभिक की खोज के अलावा, एक जीवित कोशिका के शरीर में -

अंजीर। 1.1 - आणविक स्तर पर जीवित जीवों का संरचनात्मक संगठन

प्रोटोप्लाज्म - अपने स्वयं के झिल्ली (उदाहरण के लिए, माइटोकॉन्ड्रिया, प्लास्टिड, लाइसोसोम, आदि) के साथ कई संरचनाओं की पहचान की गई है (कुछ इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप की मदद से)। एक प्लाज्मा झिल्ली द्वारा बाहरी रूप से बंधे एक सेल आंतरिक झिल्लियों द्वारा एक दूसरे में संलग्न कई स्थानों या डिब्बों में विच्छेदित हो गया। मेम्ब्रेंस की एक विशेषता आणविक संगठन है। यदि प्रत्येक कोशिका पहले से ही एक निश्चित तरीके से संरचित और व्यवस्थित है, तो कई समान कोशिकाओं से बहुकोशिकीय जीव नई संरचनात्मक एकता - ऊतक, विभिन्न ऊतकों - अंगों से, और कई अंगों से - अंग प्रणाली बनाते हैं, जो अंततः एक जीवित जीव बनाते हैं। आणविक स्तर तक इस जटिल संरचनात्मक संगठन के लिए धन्यवाद, सभी जीवित जीव मानव हाथों द्वारा बनाई गई सभी निर्जीव वस्तुओं से अलग हैं।

1.2.4 शरीर की गतिशील स्थिति

"रहने की स्थिति" मुख्य रूप से एक संरचना नहीं है, लेकिन एक प्रक्रिया है। रहने की संरचना स्थिर नहीं है, लेकिन लगातार नष्ट हो रही है और पुनर्निर्माण किया जा रहा है। यह अपडेट विभिन्न गति से चलता है। अपेक्षाकृत स्थिर, उदाहरण के लिए, डीऑक्सीराइबोन्यूक्लिक एसिड (डीएनए), साथ ही संरचनात्मक पॉलीसेकेराइड (सेलूलोज़, आदि)। इस प्रक्रिया का एक उपाय जैविक अर्ध-नवीकरण (आधा-जीवन) की अवधि है - वह समय जिसके दौरान किसी दिए गए पदार्थ के आधे को नए अणुओं द्वारा बदल दिया जाता है।

नवीकरण की दर न केवल प्रजातियों से प्रजातियों में भिन्न होती है, बल्कि जीव से जीव और पदार्थ से पदार्थ तक भी भिन्न होती है। उदाहरण के लिए, चूहों में, रक्त शर्करा का आधा जीवन 19 मिनट है, यकृत में ग्लाइकोजन 20-24 घंटे है, मांसपेशियों में ग्लाइकोजन 3-4 दिन है, यकृत प्रोटीन 2-4 दिन (मानव 8-10 दिनों में) है, और आरक्षित वसा 16-20 दिन है।

1.2.5 जनता का कानून और गतिशील संतुलन

हर मुक्त रासायनिक प्रतिक्रिया

А + +В + · · · शोध  +М + (N (1.1)

पहुँचता है, अंत में, संतुलन की एक स्थिति (थर्मोडायनामिक संतुलन) जब प्रत्यक्ष प्रतिक्रिया की दर

और रिवर्स प्रतिक्रिया दर

एक दूसरे के बराबर हैं। जनता के कानून के अनुसार,

(1.2)

बंद प्रणालियों में, संतुलन निरंतर K (\u003d k 1 / k -1) तापमान पर निर्भर करता है। उत्प्रेरक (एंजाइम), इसके विपरीत, K को प्रभावित नहीं करता है, यह केवल संतुलन प्राप्त करने के लिए आवश्यक समय को प्रभावित करता है।

एक खुली रासायनिक प्रणाली के मामले में, गतिशील संतुलन प्राप्त किया जा सकता है, जब प्रतिक्रिया में शामिल पदार्थों के निरंतर प्रवाह के साथ, उनके स्थिर सांद्रता स्थापित होते हैं। इस समय-स्वतंत्र राज्य को स्थिर राज्य कहा जाता है। सभी कोशिकाएं और सभी जीवित जीव खुले रासायनिक तंत्र हैं, क्योंकि वे लगातार नई शुरुआती सामग्री को अवशोषित करते हैं और चयापचय उत्पादों का स्राव करते हैं।

स्थिर अवस्था में, रूपांतरण दर एक दूसरे के बराबर होती है v  मैं = कश्मीर  मैं , स्थिर सांद्रता नहीं। मध्यवर्ती उत्पाद की स्थिर सांद्रता जितनी छोटी होती है, उसके रूपांतरण की स्थिरांक उतनी ही अधिक होती है कश्मीर मैं . एक खुली प्रणाली में एक बंद प्रणाली के विपरीत, एक उत्प्रेरक (एंजाइम) जो रूपांतरण निरंतर बदलता है, स्थिर सांद्रता भी बदलता है।

संपूर्ण प्रतिक्रिया श्रृंखला की गति न्यूनतम गति पर प्रतिक्रिया प्रतिक्रिया द्वारा निर्धारित की जाती है, दर-सीमित प्रतिक्रिया।

1.3 ऊर्जा

ऊर्जा "एक बाहरी क्रिया का उत्पादन करने की क्षमता है, अर्थात काम करने के लिए। "

ऊष्मागतिकी द्वारा ऊर्जा के रूपांतरण को नियंत्रित करने वाले कानूनों का वर्णन किया गया है। इसके मुख्य पदों को ऊष्मप्रवैगिकी के मूल नियम (सिद्धांत) कहा जाता है।

एक थर्मोडायनामिक प्रणाली "यूनिवर्स" का एक हिस्सा है जो वास्तविक या काल्पनिक बाधा द्वारा अपने वातावरण से अलग होती है। अपने सभी क्षेत्रों में एक सजातीय प्रणाली में एक ही मैक्रोस्कोपिक गुण होते हैं। विषम प्रणाली विभिन्न सजातीय चरणों से बना है। पर्यावरण के साथ पदार्थ या ऊर्जा के आदान-प्रदान के प्रकार से, वे भेद करते हैं:

पृथक सिस्टम: कोई विनिमय संभव नहीं है;

एडियाबेटिक सिस्टम: पदार्थ का विनिमय असंभव है, लेकिन थर्मल को छोड़कर, ऊर्जा का आदान-प्रदान संभव है;

बंद सिस्टम: पदार्थ का आदान-प्रदान असंभव है, लेकिन ऊर्जा का आदान-प्रदान किसी भी रूप में संभव है;

ओपन सिस्टम: पदार्थ और ऊर्जा का कोई भी आदान-प्रदान संभव है।

सभी कोशिकाएं और सभी जीवित जीव विषम खुले सिस्टम हैं। शास्त्रीय ऊष्मप्रवैगिकी के प्रावधान केवल संतुलन राज्यों या बंद प्रणालियों में प्रतिवर्ती प्रक्रियाओं पर लागू होते हैं। अपरिवर्तनीय प्रक्रियाओं के केवल ऊष्मप्रवैगिकी के विकास ने शरीर में अपरिवर्तनीय प्रक्रियाओं का एक मात्रात्मक विवरण संभव बनाया है जो कि खुले तंत्रों में से एक है जो थर्मोडायनामिक संतुलन में नहीं हैं।

१.३.१ जीवित जीवों को ऊर्जा के संरक्षण के नियम की प्रयोज्यता

मेयर-हेल्महोल्त्ज़ सूत्रीकरण में ऊष्मप्रवैगिकी का पहला नियम कहता है: एक पृथक प्रणाली में होने वाले सभी परिवर्तनों के लिए, सिस्टम की कुल ऊर्जा स्थिर रहती है। एक और सूत्रीकरण: सभी मैक्रोस्कोपिक रासायनिक या भौतिक प्रक्रियाओं के साथ, ऊर्जा बनाई नहीं जाती है और नष्ट नहीं होती है, लेकिन केवल एक रूप से दूसरे रूप में गुजरती है।

सिस्टम के ऊर्जा आरक्षित में बाहरी मापदंडों (अंतरिक्ष में स्थिति, अन्य प्रणालियों के सापेक्ष गति, आदि) और आंतरिक ऊर्जा द्वारा निर्धारित बाहरी ऊर्जा शामिल होती है, जो इस प्रणाली के आंतरिक आंतरिक मापदंडों पर निर्भर करती है। राज्य के परिवर्तन होने पर बंद प्रणाली की आंतरिक ऊर्जा यू में परिवर्तन पर्यावरण और काम डब्ल्यू के साथ हीट क्यू की मात्रा का आदान-प्रदान होता है।

पहला कानून: (उत्तरार्द्ध छोटे परिवर्तन के साथ)।

सिस्टम की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन को इस रूप में दर्शाया जा सकता है

- - pdV क्योंकि + dV पर, यानी, वॉल्यूम में वृद्धि, सिस्टम काम करता है और, परिभाषा के अनुसार, dW ऋणात्मक है)। dQ को एक तीव्र मात्रा (तापमान T) और एक व्यापक मात्रा (एन्ट्रापी एस) के उत्पाद के रूप में भी दर्शाया जा सकता है। यहाँ से गिब्स समीकरण निम्नानुसार है:

आईआर मेयर और जी। हेल्महोल्त्ज़, जिन्होंने ऊष्मप्रवैगिकी के पहले कानून की खोज की थी, इसमें कोई संदेह नहीं था कि इस कानून का प्रभाव जीवित जीवों में प्रक्रियाओं तक फैला हुआ है। इसके विपरीत, कई जीवविज्ञानी मानते थे कि जीवित प्राणियों के कार्य इस कानून के अधीन नहीं हो सकते हैं। हालांकि, कई प्रयोगों में यह पाया गया कि एक निश्चित अवधि में एक पौधे, जानवर या व्यक्ति को प्राप्त होने वाली ऊर्जा की कुल मात्रा बाद में फिर से खोज की जाती है, सबसे पहले, उत्पन्न गर्मी में, और दूसरी बात, बाहरी कार्य में या जारी किए गए पदार्थों और तीसरा, किसी पदार्थ के विकास या संचय के परिणामस्वरूप शरीर के कैलोरी मान में वृद्धि।

१.३.२ प्रवेश और जीवन

ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम के अनुसार, प्रकृति की प्रत्येक प्रक्रिया विपरीत दिशा में आसानी से आगे के रूप में आगे बढ़ सकती है। वास्तव में, प्राकृतिक प्रक्रियाएं केवल एक दिशा में "अनायास" होती हैं, वे अपरिवर्तनीय हैं, अर्थात्। पर्यावरण को बदले बिना उन्हें विपरीत दिशा में जाने के लिए मजबूर नहीं किया जा सकता है।

हीट "अनायास" एक गर्म शरीर से एक ठंडा एक के लिए गुजरता है, लेकिन इसके विपरीत नहीं। विघटित कण उच्च सांद्रता वाले क्षेत्र से कम सांद्रता वाले क्षेत्र में प्रसार द्वारा फैलते हैं, लेकिन इसके विपरीत नहीं। निर्वात में गैस फैलती है और कभी भी अनायास नहीं घटती है।

अपरिवर्तनीयता के एक उपाय के रूप में, क्लॉउसियस द्वारा 1859 में शुरू की गई एन्ट्रापी की अवधारणा उपयुक्त साबित हुई। एक अत्यधिक अपरिवर्तनीय प्रक्रिया एंट्रोपी में एक बड़ी वृद्धि की विशेषता है। एक पृथक प्रणाली में (हीट एक्सचेंज के बिना!), एंट्रोपी कभी भी कम नहीं हो सकती है, यह केवल बढ़ जाती है (अपरिवर्तनीय प्रक्रियाओं के साथ) या, चरम मामले में, निरंतर (प्रतिवर्ती प्रक्रियाओं के साथ) बनी रहती है। यह ऊष्मप्रवैगिकी का दूसरा नियम (एन्ट्रापी का नियम) है: dS (0 (एक पृथक प्रणाली में!)।

प्रकृति में अनायास होने वाली सभी प्रक्रियाएं संतुलन की स्थापना में योगदान देती हैं। यह कणों की सबसे कम क्रम वाली सबसे संभावित स्थिति है। प्रत्येक ऑर्डर की गई अवस्था (एकाग्रता, तापमान, दबाव आदि में अंतर के साथ) कम से कम ऑर्डर करने के लिए जाती है (मतभेदों के बराबर होने का मतलब है एंट्रोपी में वृद्धि)। इसलिए, एन्ट्रापी को विकार के एक उपाय के रूप में माना जा सकता है, और बोल्ट्जमैन के निर्माण (1866) में दूसरा कानून कहता है: प्रकृति कम संभावित स्थिति से अधिक संभावित एक की ओर बढ़ने का प्रयास करती है। यह एक संपूर्ण (ब्रह्मांड) के रूप में प्रकृति के लिए, और किसी भी अन्य पृथक प्रणाली के लिए एक अधिक सटीक सटीकता के साथ एक संभाव्य कथन के रूप में सच है, कणों की अधिक से अधिक संख्या जो सिस्टम बनाती है।

जीव विकार से बाहर क्रम बनाते हैं। वे भौतिक और रासायनिक असंतुलन को बनाए और बनाए रखते हैं, जिस पर जीवित प्रणालियों का स्वास्थ्य आधारित है। प्रत्येक जीवित जीव के व्यक्तिगत विकास (ontogenesis) की प्रक्रिया में, साथ ही साथ विकासवादी विकास (phylogenesis) की प्रक्रिया में, हर समय नई संरचनाएं बनती हैं, अर्थात्। उच्च क्रम की स्थिति प्राप्त की जाती है। बढ़ती एन्ट्रोपी के कानून के साथ इस स्पष्ट विरोधाभास को इस तथ्य से समझाया गया है कि जीव अलग-थलग नहीं हैं, लेकिन खुले सिस्टम हैं जो लगातार पर्यावरण के साथ पदार्थ और ऊर्जा का आदान-प्रदान करते हैं।

एक खुली प्रणाली में एन्ट्रापी में परिवर्तन 1) प्रणाली में होने वाली प्रक्रियाओं (डी आई एस), और 2) पर्यावरण और पदार्थ (डी ई एस) के साथ पदार्थ और ऊर्जा के आदान-प्रदान में परिवर्तन के दौरान इसके परिवर्तनों के होते हैं:

(1.5)

दूसरे कानून के अनुसार, डी आई एस केवल सकारात्मक हो सकता है या, चरम मामले में (प्रतिवर्ती प्रक्रियाएं), शून्य के बराबर; इसके विपरीत, d e S सकारात्मक ले सकता है (सिस्टम एंट्रोपी प्राप्त करता है) या ऋणात्मक (सिस्टम एंट्रोपी देता है) मान:

इस मामले में, ओपन सिस्टम में एन्ट्रापी डीएस में परिवर्तन भी नकारात्मक हो सकता है (आदेश बढ़ता है!), नम्रता से, जब ई एस!< 0 и |d e S| > | d i S |, अर्थात जब अपरिवर्तनीय प्रक्रियाओं के कारण सिस्टम में अंदर से अधिक एन्ट्रापी निकलती है।

सिस्टम "जीवित जीव - पर्यावरण" (जिस पर्यावरण से पोषक तत्वों को लिया जाता है और जिससे चयापचय उत्पाद दिए जाते हैं) के लिए, थर्मोडायनामिक्स का दूसरा नियम अपने शास्त्रीय रूप में मान्य है, अर्थात्। इसकी एन्ट्रापी बढ़ती है और कभी कम नहीं होती है। इस प्रकार, जीवित जीव केवल इस तथ्य के कारण अपने भीतर आदेश बना सकते हैं कि वे अपने वातावरण में आदेश को कम करते हैं।

बेशक, जीवित जीव न केवल नकारात्मक एन्ट्रापी के कारण, बल्कि सकारात्मक ऊर्जा के कारण भी मौजूद हैं। एक स्थिर स्थिति में, सिस्टम में आंतरिक ऊर्जा की सामग्री भी स्थिर होती है और समय पर निर्भर नहीं करती है। बाहरी काम या गर्मी हस्तांतरण के दौरान आंतरिक ऊर्जा के किसी भी नुकसान की भरपाई ऊर्जा की इसी बाढ़ से की जानी चाहिए।

१.३.३ जीवों की ऊर्जा के स्रोत

ऊर्जा के संरक्षण के नियम के अनुसार, एक जीवित जीव के सभी कार्यों को ऊर्जा की खपत की आवश्यकता होती है जो अंततः बाहरी ऊर्जा स्रोतों द्वारा किया जाना चाहिए, जो दो प्रकार के होते हैं।

ऑटोट्रॉफ़िक जीव जो हम केवल पौधे के साम्राज्य में और प्रोकैरियोट्स (बैक्टीरिया, नीले-हरे शैवाल) के बीच पाते हैं, एक अतिरिक्त ऊर्जा स्रोत का उपयोग करके अकार्बनिक पदार्थों से कार्बनिक यौगिक (मुख्य रूप से सीओ 2 और एच 2 ओ से कार्बोहाइड्रेट) बना सकते हैं। हरे पौधों के लिए, यह स्रोत सूर्य का प्रकाश है, और कुछ रंगहीन जीवाणुओं के लिए, अकार्बनिक पदार्थों के ऑक्सीकरण (केमोसिंथेसिस) है।

हेटरोट्रॉफ़िक जीव (सभी जानवरों, मनुष्यों, सभी कवक, कई बैक्टीरिया) को अपनी ऊर्जा के स्रोत के रूप में कार्बनिक "पोषक तत्वों" का उपयोग करना चाहिए। वे अकार्बनिक लोगों से कार्बनिक यौगिक नहीं बना सकते हैं और ऑटोट्रॉफ़िक जीवों और उनकी जैवसंश्लेषण प्रक्रियाओं (चित्र 1.2) से दूर रहते हैं। कई ऑटोट्रॉफ़िक जीव ग्लूकोज का उपयोग केवल कार्बनिक पदार्थ के रूप में करते हैं, और एनएच 4 + या NO 3 - नाइट्रोजन के स्रोत के रूप में संतुष्ट हैं। पशुओं को कार्बनिक रूप में (अमीनो एसिड, प्रोटीन) नाइट्रोजन की आवश्यकता होती है।

उनके द्वारा उपयोग किए जाने वाले भोजन के अनुसार, प्रजातियों को खाद्य श्रृंखलाओं में जोड़ा जाता है, जिसकी शुरुआत में ऑटोट्रॉफिक पौधे होते हैं। इस प्रकार, पृथ्वी पर जीवन के लिए ऊर्जा का प्राथमिक स्रोत सौर ऊर्जा है।

हर सेकंड, सूर्य ऊर्जा का 3.9 · 10 26 J उत्सर्जित करता है। पृथ्वी के सौर विकिरण की कुल ऊर्जा में से केवल एक नगण्य अंश 1.78 · 10 17 J / s तक पहुँचता है। ऊर्जा की इस मात्रा में से 30% वायुमंडल की सतह से परावर्तित होती है, और दूसरा 25% वायुमंडल के रास्ते से अवशोषित हो जाती है, जिससे कि लगभग 45% सौर विकिरण पृथ्वी की सतह तक पहुँच जाता है। पृथ्वी की सतह पर विकिरण की घटना की कुल ऊर्जा 0.80 · 10 17 J / s है। इस ऊर्जा का लगभग 45% 380 और 740 एनएम के बीच वर्णक्रमीय क्षेत्र में है (ऊर्जा का यह हिस्सा पौधों द्वारा उपयोग किया जा सकता है)

अंजीर। 1.2 - ऑटोट्रॉफ़िक और हेटरोट्रोफ़िक जीवों में उपचय और अपचय के बीच संबंध (उपचय - शरीर के पदार्थों का निर्माण; अपचय - पोषक तत्वों का टूटना)

प्रकाश संश्लेषण)। पृथ्वी पर पौधों द्वारा प्रकाश उपयोग की औसत डिग्री 0.25% (खेती वाले कृषि पौधों के लिए, 2-3% तक) का अनुमान है; इस प्रकार, औसतन, लगभग 9 · 10 13 जे की ऊर्जा, जो कि वायुमंडल की सीमा पर सौर विकिरण का 0.05% है, 1 एस में पृथ्वी भर में पौधों की आत्मसात में जुड़ा हुआ है। यह प्रति वर्ष 4.8 910 9 g / s \u003d 1.5 1410 14 किग्रा के शुष्क द्रव्यमान के गठन से मेल खाती है। सौर ऊर्जा का यह डरावना हिस्सा शाकाहारी जानवरों द्वारा उपयोग किया जाता है। खाद्य श्रृंखला के अगले चरण में - जानवरों के ऊतकों में - हम केवल "खाया" ऊर्जा का लगभग 15% पाते हैं। प्रत्येक बाद के चरणों में, लगभग 80-90% ऊर्जा फिर से खो जाती है। अंत में, सभी अवशोषित मूल ऊर्जा लंबे समय तक तरंग विकिरण ("पृथ्वी की प्रणाली में फोटॉन फ्लक्स के संतुलन") के रूप में फिर से विश्व अंतरिक्ष में लौटती है।

१.३.४ जीवों में ऊर्जा उत्पादन

सभी जीवित जीवों के लिए, उनकी रासायनिक ऊर्जा के साथ कार्बनिक पदार्थ (मुख्य रूप से कार्बोहाइड्रेट, साथ ही वसा और आंशिक रूप से प्रोटीन) एक "दहनशील सामग्री" के रूप में काम करते हैं, जिसमें से शरीर के विभिन्न कार्यों के लिए आवश्यक सभी ऊर्जा निकाली जाती है। ऑटोट्रॉफ़िक जीव स्वयं इस "ईंधन" का संश्लेषण करते हैं; हेटरोट्रॉफ़िक जीव इसे ऑटोट्रॉफ़िक से प्राप्त करते हैं।

जब कार्बनिक पदार्थ सड़ जाते हैं, तो रासायनिक रूप से बाध्य ऊर्जा निकलती है (अपचय, प्रसार)। यह क्षय हो सकता है - कई मामलों में, ऑक्सीजन की भागीदारी के बिना (अवायवीय चयापचय के दौरान) - अंत-उत्पादों के लिए जो अपेक्षाकृत ऊर्जा युक्त होते हैं, जैसे कि कार्बनिक अम्ल या इथेनॉल (किण्वन), और जब ऑक्सीजन (एरोबिक चयापचय) का उपयोग करते हैं, तो ऊर्जा-खराब अंत उत्पादों के लिए। CO2 और H2O (श्वसन)। इस प्रकार, साँस लेना काफी अधिक ऊर्जा जारी करता है।

इसके सामान्य समीकरण में, श्वसन जलने (ग्लूकोज के लिए: C 6 H 12 O 6 → 6 O 2 \u003d 6CO 2 + 6 H 2 O) के समान है। हालांकि, दहन के दौरान, ऊर्जा को वितरित करने वाली सबसे महत्वपूर्ण प्रक्रिया सीओ 2 में कार्बन का ऑक्सीकरण होता है, जबकि श्वसन के दौरान, सीओ 2 कार्बनिक अम्ल (डीकार्बोक्सिलेशन) से दरार द्वारा ऊर्जा में महत्वपूर्ण बदलाव के बिना बनता है। साँस लेने की प्रक्रिया में, ऊर्जा धीरे-धीरे, छोटे भागों में, हवा में ऑक्सीजन से पानी के गठन के दौरान जारी की जाती है और सब्सट्रेट के निर्जलीकरण द्वारा प्राप्त हाइड्रोजन होती है।

1.3.5 जीवित जीव और मशीनें

जीवित जीवों की तुलना अक्सर मशीनों से की जाती है, क्योंकि दोनों ऊर्जा रूपांतरण की प्रक्रियाओं के परिणामस्वरूप बाहरी कार्य कर सकते हैं। लेकिन थर्मल ऊर्जा की कीमत पर काम करने वाले सभी प्रणालियों के विपरीत, जीवित जीव बड़े तापमान अंतर के बिना, इज़ोटेर्मल परिस्थितियों में काम करते हैं; प्रत्यक्ष रूप से "ईंधन" में निहित ऊर्जा, पहली बार गर्मी में परिवर्तित किए बिना, उपयोगी कार्य करती है। इसलिए, सभी जीवों को रासायनिक रूप से कार्य प्रणाली कहा जाता है।

आंतरिक कार्य करने के लिए जीव 1) ऊर्जा का उपयोग करते हैं - संरचनाओं को बनाने और बनाए रखने के लिए, और 2) बाहरी कार्य करने के लिए। मशीनों के मामले में, कोई भी खराब हो चुकी संरचनाओं (मरम्मत) और बाहरी काम को बहाल करने के काम के बीच अंतर कर सकता है। लेकिन दोनों घटक एक दूसरे से स्वतंत्र होते हैं, और मरम्मत कार्य आमतौर पर मशीन द्वारा नहीं किया जाता है। जीवित जीव दोनों प्रक्रियाओं को स्वयं करते हैं, एक साथ और उनके बीच घनिष्ठ संबंध में।

मशीन बेकार होने पर काम नहीं करती है, उसे ऊर्जा की आमद की जरूरत नहीं है और व्यावहारिक रूप से परिवर्तन नहीं होता है; इसे किसी भी समय सक्रिय किया जा सकता है। जीवित जीवों को तब भी ऊर्जा की आवश्यकता होती है, जब वे कोई बाहरी कार्य नहीं करते हैं: उनकी प्रयोगशाला संरचनाओं को ऊर्जा के निरंतर खर्च के साथ ही बनाए रखा जा सकता है। इस गतिशीलता के साथ, सभी जीवित जीव मशीनों से काफी अलग हैं, जो एक निश्चित संरचना के साथ गतिहीन, स्थिर प्रणालियां हैं। ऊर्जा के साथ एक जीवित जीव की आपूर्ति में ब्रेक के साथ, इसकी संरचना का एक अपरिवर्तनीय नुकसान होता है - मृत्यु।

जीवित जीवों में, संरचनात्मक सामग्री और "ईंधन" के बीच एक तेज अंतर नहीं किया जा सकता है। वे ऐसी प्रणालियाँ हैं जो कई प्रतियों में स्वयं का निर्माण, रखरखाव, मरम्मत, विनियमन और पुनरुत्पादन करती हैं, और इसलिए, मूल रूप से मशीनों से भिन्न होती हैं।

1.3.6 काम करने के लिए जैव रासायनिक प्रतिक्रियाओं की क्षमता

जीव सीधे कार्बनिक पदार्थों के टूटने के दौरान जारी ऊर्जा का उपयोग करते हैं, बिना पहले इसे गर्मी में बदल दिए। उनकी ऊर्जा संतुलन का माप प्रतिक्रियाओं के दौरान जारी या अवशोषित गर्मी की मात्रा नहीं है, लेकिन प्रतिक्रियाओं के साथ जुड़े स्वतंत्र थैलीपी जी (गिब्स मुक्त ऊर्जा) में परिवर्तन। यह आंतरिक ऊर्जा यू का एक हिस्सा है जो सिस्टम में उलटा निहित है और इसलिए सबसे बड़ी सीमा तक काम पर जा सकता है। डीजी काम का उत्पादन करने के लिए एक प्रणाली में होने वाली प्रतिक्रियाओं की क्षमता के एक उपाय के रूप में कार्य करता है - इन प्रतिक्रियाओं की तथाकथित ड्राइविंग बल। यदि डी.जी.< 0, то свободная энтальпия системы во время данного процесса уменьшается – это экзергоническая реакция (реакция, протекающая с выделением энергии). Если dG >  0: इस प्रक्रिया के दौरान प्रणाली की मुक्त थैलीपी बढ़ जाती है - यह एक एंडर्जिक प्रतिक्रिया (ऊर्जा अवशोषण के साथ होने वाली प्रतिक्रिया) है। बाहरी प्रतिक्रियाएं हमेशा शरीर के बाहर और अंदर (आवश्यक सक्रियता ऊर्जा की उपस्थिति में) दोनों के बीच होती हैं, और अंतर्जात वाले, इसके विपरीत, केवल जब ऊर्जा (मुक्त थैलीपी) को जोड़ते हैं।

मानक स्थितियों के तहत (प्रतिक्रिया में शामिल पदार्थों की प्रारंभिक एकाग्रता 1 मोल / एल, टी "\u003d 25 0 सी \u003d 298 K; दबाव 1.013 बार \u003d 1 एटीएम) है, जो कि हमारे पास है।

G 0 \u003d - RT "· ln K (J / mol) (1.6)

जीव विज्ञान में, 0G 0 "के एक सामान्य मूल्य का उपयोग किया जाता है, जो पीएच 7. से मेल खाती है। शरीर में, एंजाइमों की उपस्थिति में, प्रतिक्रिया भी केवल तब तक आगे बढ़ती है जब तक कि मुक्त थैलेपी अभी भी कम हो सकती है। इसलिए, अंतर्जात प्रतिक्रिया को एक एक्सर्जोनिक एक के साथ जोड़ा जाना चाहिए और इसके अलावा, दोनों के लिए। प्रतिक्रियाओं को एक साथ लिया गया, wasG का मान शून्य से अधिक नहीं था।

1.3.7 जीवित जीवों में ऊर्जा रूपांतरण; उच्च ऊर्जा मध्यवर्ती

कार्बनिक पदार्थों के टूटने के दौरान जारी ऊर्जा का उपयोग कोशिकाओं में काम करने के लिए तुरंत नहीं किया जाता है, लेकिन सबसे पहले उच्च-ऊर्जा मध्यवर्ती के रूप में संग्रहीत किया जाता है - आमतौर पर एडेनोसिन ट्राइफॉस्फेट (एटीपी) के रूप में।

एटीपी में एडेनिन (प्यूरिन कंपाउंड), राइबोज (5-कार्बन शुगर) और तीन फॉस्फोरिक अणु (चित्र। 1.3) होते हैं। फॉस्फेट समूह तथाकथित "उच्च-ऊर्जा" बॉन्ड (~) द्वारा परस्पर जुड़े हुए हैं। ऐसा ही एक बॉन्ड शारीरिक स्थितियों के तहत हाइड्रोलिसिस के दौरान 25 kJ / mol से अधिक देता है - साधारण फॉस्फेट एस्टर (8 - 13 kJ / mol) में बॉन्ड से बहुत अधिक।

अंजीर। 1.3 - एटीपी प्रणाली: एडेनोसिन ट्राइफॉस्फेट ine एडेनोसिन डिपॉस्फेट + अकार्बनिक फॉस्फेट

एटीपी से टर्मिनल फॉस्फेट समूह के हाइड्रोलाइटिक दरार के परिणामस्वरूप, एडेनोसिन डिपॉस्फेट (एडीपी) का निर्माण होता है। इस स्थिति में, मानक स्थितियों और पीएच 7 के तहत, लगभग 30 kJ / mol जारी किया जाता है:

एटीपी + एच 2 ओ  एडीपी + एच 3 पीओ 4; G 0 " - 30 केजे / मोल (1.7)

इसके विपरीत, एडीपी और एच 3 पीओ 4 से एटीपी के संश्लेषण में लगभग 30 केजे / मोल खर्च किया जाना चाहिए।

जब दूसरे फॉस्फेट समूह को क्लीवेज किया जाता है, तो एडेनोसिन मोनोफॉस्फेट (एएमपी) प्राप्त किया जाता है:

ADP + H 2 O HAMP + H 3 PO 4; G 0 "k –30 केजे / मोल (1.8)

अंतिम फॉस्फेट समूह का हाइड्रोलाइटिक दरार केवल 13 केजे / मोल जारी करता है (बंधन में यहां अधिक ऊर्जा नहीं है)।

एक समूह के हस्तांतरण (इस मामले में, एच 2 पीओ 3) के साथ एक अणु से दूसरे में मुक्त थैलेपी में परिवर्तन को समूह की हस्तांतरण क्षमता कहा जाता है। सेल में एटीपी दरार के दौरान समूह हस्तांतरण क्षमता का वास्तविक मूल्य अनुमान लगाने में मुश्किल है, क्योंकि यह तापमान और दबाव के अलावा, प्रतिक्रिया में शामिल पदार्थों की सांद्रता पर और पीएच (तालिका 1.2) पर निर्भर करता है, उन मानों से जिन्हें अलग-अलग सेल डिब्बों के लिए लगभग बहुत ही संकेत दिया जा सकता है। यह आमतौर पर स्वीकार किया जाता है कि साइटोप्लाज्म में \u003dG \u003d -40 kJ / mol और (संभवतः) तक - 60 kJ / mol में माइटोकॉन्ड्रिया, जहां एटीपी मुख्य रूप से बनता है।

तालिका 1.2 - विभिन्न परिस्थितियों में एटीपी से एडीपी और एन 3 पीओ 4 के हाइड्रोलिसिस के लिए समूहों की स्थानांतरण क्षमता

इस प्रकार, ऊर्जा के जैविक रूपांतरण में, दो मुख्य चरणों को प्रतिष्ठित किया जा सकता है (चित्र 1.4): 1) एटीपी पाइरोफॉस्फेट बॉन्ड के संश्लेषण और 2) काम के लिए उनका उपयोग।

अंजीर। १.४ - शरीर में ऊर्जा का रूपांतरण

मांसपेशियों में संकुचन, सक्रिय परिवहन की प्रक्रिया, सेलुलर बायोसिंथेटिक प्रक्रियाएं और अन्य सभी एंडर्जिक प्रतिक्रियाओं को एटीपी के टूटने के दौरान जारी ऊर्जा की आवश्यकता होती है। एटीपी सिस्टम की बदौलत एनर्जी पेयरिंग भी की जाती है।

चूंकि एटीपी की आपूर्ति बहुत सीमित है, पदार्थों के अपघटन के दौरान जारी ऊर्जा के कारण एटीपी की उपयोग की गई मात्रा को जल्दी से पुनर्जीवित किया जाना चाहिए। एटीपी में यह एडीपी फॉस्फोराइलेशन पहले, श्वसन श्रृंखला में हो सकता है, और दूसरे, श्वसन और किण्वन के दौरान सब्सट्रेट स्तर पर (कम महत्व का) फॉस्फोराइलेशन के परिणामस्वरूप, और तीसरा, प्रकाश संश्लेषण के दौरान हो सकता है।

एटीपी बेहद तेजी से अपडेट। मनुष्यों में, प्रत्येक एटीपी अणु विभाजित होता है और दिन में 2400 बार पुनर्जीवित होता है, इसका औसत जीवन काल 1 मिनट से कम है।

जब ग्लूकोज का एक अणु (C 6 H 12 O 6) टूट जाता है, श्वसन के दौरान 38 ATP अणु बनते हैं: C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 38 ADP + 38 H 3 PO 4 CO 6 CO 2 + 6H 2 O + 38ATP + 38H 2 O। इसके अलावा, ग्लूकोज के लिए 0G 0 "–2875 kJ / mol है। मानक परिस्थितियों में (ATP हाइड्रोलिसिस के लिए, "G °" \u003d - 30 kJ / mol) ऊर्जा की इस मात्रा में, 38 · (–30) \u003d ATP में संग्रहीत होता है। - 1140 kJ, और 40G \u003d - 38 kJ (तालिका 1.1) पर आधारित, हम 38 · (-38) \u003d - 1440 kJ प्राप्त करते हैं। यह 40 या 50% है। शेष ऊष्मा के रूप में खो जाता है। के मामले में; गैसोलीन इंजन के लिए, ईंधन दहन के दौरान जारी ऊर्जा का केवल 15-25% ही ऑपरेशन के लिए उपयोग किया जाता है।

1.4 सूचना

जीवित चीजों को अत्यधिक गतिशील सिस्टम का आदेश दिया जाता है। आदेश देने के एकल सिद्धांत के लिए कई निजी प्रक्रियाओं के अधीनता के परिणामस्वरूप, अखंडता उत्पन्न होती है - जीव। भागों और उनके कार्यों के एक समीचीन पूरे में एकीकरण को साइबरनेटिक्स में संगठन कहा जाता है। यह एक ऐसी अवस्था है जब सामग्री और कार्यात्मक तत्व जो सिस्टम बनाते हैं, यादृच्छिक रूप से जुड़े नहीं होते हैं, लेकिन स्वयं (सामग्री, ऊर्जा और सूचना) के बीच उपयुक्त संबंधों में होते हैं। कृत्रिम संगठित प्रणालियों (स्वचालित मशीनों) में, संगठन की डिग्री (ऑर्डरिंग) अपरिवर्तित है, और जीवित जीवों में यह समय के साथ बढ़ सकता है, क्योंकि ये स्वयं-व्यवस्थित प्रणाली हैं।

वन्यजीव और प्रौद्योगिकी में नियंत्रण और विनियमन तंत्र के कार्य एक दूसरे के लिए तुलनीय हैं। साइबरनेटिक्स इन मुद्दों से संबंधित है - "जीवित जीवों और मशीनों में सूचना का प्रबंधन और संचारित करना"।

समग्र जीवों में, विशेष रूप से जानवरों में, इष्टतम कामकाज सुनिश्चित करने के लिए कई विनियामक और नियंत्रण प्रणालियों को संयोजित और ट्यून किया जाना चाहिए।

एकमात्र केंद्रीय नियंत्रण प्रणाली, जहां, सबसे पहले, प्रत्येक नियंत्रित वस्तु के बारे में और बाहरी कारकों पर काम करने वाले सभी जानकारी एकत्र की जाएगी, और दूसरी बात, इस जानकारी को संसाधित करने के बाद, सभी आंशिक प्रणालियों के लिए नियंत्रित मात्रा के आवश्यक मूल्यों को सेट किया जाएगा, व्यावहारिक रूप से असत्य होगा। जीवित जीव के रूप में इस तरह की एक जटिल प्रणाली। एक केंद्र में इतनी बड़ी और विषम जानकारी संसाधित करने के लिए बहुत अधिक समय की आवश्यकता होगी, यदि सभी संभव हो।

इसके बजाय, हम शरीर को नियामक और नियंत्रण प्रणालियों की एक श्रेणीबद्ध संरचना में पाते हैं। प्रत्येक उच्च-स्तरीय नियंत्रण उपकरण समीप के निचले स्तरों के कई आंशिक प्रणालियों के संचालन को समन्वित और नियंत्रित करता है, जिनमें बदले में अपने स्वयं के नियंत्रण उपकरण होते हैं। सबसे कम सिस्टम विस्तृत जानकारी के आधार पर स्थानीय समस्याओं को हल करता है। नियंत्रण स्तर जितना अधिक होगा, उतना अधिक सामान्यीकृत कार्य होंगे। सूचना को निकटतम उच्च स्तर तक, साथ ही आउटपुट नियंत्रण संकेतों को प्रेषित किया जाता है, नियंत्रण स्तर के अनुसार स्तर सामान्य से अधिक सामान्य होते जा रहे हैं।

प्रक्रियाओं का यह पदानुक्रम संरचनाओं (उपकुलर संरचनाओं - कोशिकाओं - ऊतकों - अंगों - अंग प्रणालियों - शरीर) के स्थानिक पदानुक्रम के साथ खड़ा है। मनुष्यों और अन्य स्तनधारियों में, हाइपोथैलेमस, जो कि डाइसेफेलोन के निचले हिस्से में स्थित है, उच्चतम केंद्र है, जो सभी वनस्पति कार्यों के नियंत्रण प्रणाली में एक महत्वपूर्ण स्थान रखता है। पिट्यूटरी ग्रंथि के साथ इसका घनिष्ठ शारीरिक और कार्यात्मक संबंध हार्मोनल प्रणाली के साथ संपर्क प्रदान करता है। इसके अलावा, हाइपोथैलेमस और सेरेब्रल कॉर्टेक्स और तंत्रिका तंत्र के अन्य भागों के बीच एक तंत्रिका संबंध है।