Кіріспе

Тірі клеткалар мен организмдерді тіршілікпен қамтамасыз ету

Тамақтану – организмнің тіршілігін сақтау үшін тағамды пайдалану арқылы жүзеге асыратын биохимиялық және физиологиялық процесс. Ол организмдерді нутриенттермен қамтамасыз етеді, олар энергия мен химиялық құрылымдарды жасау үшін метаболизмге түседі. Қажетті мөлшерде нутриенттерді алмау – бұл нашар тамақтануға (малнутрицияға) әкеледі. Тамақтану ғылымы – тамақтануды зерттейтін ғылым, бірақ көбінесе адамдардың тамақтануына баса назар аударады. Организмнің түріне қарай, оған қандай нутриенттер қажет екені және оларды қалай алу керектігі анықталады. Организмдер нутриенттерді органикалық заттарды, органикалық емес заттарды тұтыну, жарық энергиясын сіңіру немесе осылардың комбинациясы арқылы алады. Кейбір организмдер негізгі элементтерді пайдаланып, нутриенттерді өндіре алады, ал кейбіреулеріне бұрыннан бар нутриенттерді алу үшін басқа организмдерді жеу қажет. Тіршіліктің барлық түрлеріне көміртек, энергия, су және басқа да молекулалар қажет. Жануарларға көмірсулар, липидтер және ақуыздар сияқты күрделі нутриенттер қажет, оларды басқа организмдерді жеу арқылы алады. Адамдар азық-түлік іздеуді алмастыру және адамдардың тамақтануын жақсарту үшін егін шаруашылығы мен тамақ пісіруді дамытты. Өсімдіктер нутриенттерді топырақ пен атмосферадан сіңіреді. Саңырауқұлақтар айналасындағы нутриенттерді ыдыратып, мицелий арқылы сіңіреді.

Тарих

Тамақ пен қоректік заттарды ғылыми талдау 18 ғасырдың аяғындағы химиялық революция кезінде басталды. 18 және 19 ғасырлардағы химиктер тамақтану теориясын жасау үшін әртүрлі элементтер мен тағамдық көздермен тәжірибе жүргізді. Қазіргі заманғы тамақтану ғылымы 1910 жылдары жеке микроэлементтер анықтала бастағанда пайда болды. Химиялық тұрғыдан алғаш рет 1926 жылы тиамин, ал 1932 жылы С витамині цингаға қарсы қорғаныс ретінде анықталды. Витаминдердің тамақтанудағы рөлі келесі онжылдықтарда зерттелді. Адамдар үшін алғашқы ұсынылған диеталық нормалар Ұлы депрессия мен Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде тағам жетіспеушілігінен туындаған ауруларға қатысты алаңдаушылықты жою мақсатымен әзірленді. Адам денсаулығындағы маңыздылығына байланысты тамақтануды зерттеу негізінен адамдардың тамақтануы мен ауыл шаруашылығына бағытталған, ал экология екінші деңгейде қарастырылады.

Қоректік заттар

Қоректік заттар – организмге энергия және физикалық құрауыштарды қамтамасыз ететін, оның тірі қалуына, өсуіне және көбеюіне жағдай жасайтын заттар. Қоректік заттар қарапайым элементтер немесе күрделі макромолекулалар болуы мүмкін. Организмде шамамен 30 элемент кездеседі, олардың ішінде азот, көміртек және фосфор ең маңыздылары болып табылады. Макроқоректік заттар – организмге қажетті негізгі заттар, ал микроқоректік заттар – организмге азын мөлшерде қажетті заттар. Органикалық микроэлементтер витаминдер, ал минералды микроэлементтер минералдар деп жіктеледі. Қоректік заттар жасушалармен сіңіріліп, метаболизмнің биохимиялық реакцияларында қолданылады. Оларға алдынғы метаболиттер мен энергияны құрайтын реакциялар, алдынғы метаболиттерді құрылыс блогы молекулаларына айналдыратын биосинтездік реакциялар, осы молекулаларды макромолекулалық полимерлерге біріктіретін полимерлену және осы полимерлерді жасушалық құрылымдарды құру үшін пайдаланатын құрастыру реакциялары кіреді.

Тамақ топтары

Организмдер көміртек пен энергияны қалай алуына қарай жіктеледі. Гетеротрофтар – басқа организмдердің көміртегін пайдаланып қоректік заттарды алатын организмдер, ал автотрофтар – көмірқышқыл газы сияқты органикалық емес заттардың көміртегінен өздеріне қажетті қоректік заттарды өндіретін организмдер. Миксотрофтар – гетеротрофтар да, автотрофтар да бола алатын организмдер, олардың ішінде кейбір планктон мен етқоректі өсімдіктер бар. Фототрофтар энергияны жарықтан алады, ал химиотрофтар – материядан химиялық энергияны тұтыну арқылы алады. Органотрофтар электрондарды алу үшін басқа организмдерді пайдаланады, ал литотрофтар электрондарды су, күкірт сутегі, сутек, темір(II), күкірт немесе аммоний сияқты органикалық емес заттардан алады. Прототрофтар басқа қосылыстардан қажетті қоректік заттарды жасай алады, ал ауксотрофтарға бұрыннан дайын қоректік заттарды тұтыну қажет.

Диета

Тамақтануда организмнің рационы – ол жейтін тағамдардың жиынтығы. Салауатты рацион организмнің физикалық және психикалық денсаулығын жақсартады. Бұл үшін витаминдер, минералдар, ақуыздан алынған қажетті аминқышқылдары мен майлы тағамдардан алынған қажетті май қышқылдарын қосып алу және сіңіру қажет. Көмірсулар, ақуыздар және майлар организмнің өмір сапасын, денсаулығын және ұзақ өмір сүруін қамтамасыз етуде маңызды рөл атқарады. Кейбір мәдениеттер мен діндерде рациондағы қабылдауға болатын тағамдарға қатысты шектеулер болуы мүмкін.

Қоректік цикл

Азық заттар циклы – топырақ, организмдер, ауа немесе су арқылы бейорганикалық заттардың қозғалысын қамтитын биогеохимиялық цикл, онда олар органикалық заттармен алмасып тұрады. Энергия ағыны бір бағытты және циклдық емес жолмен жүреді, ал минералдық қоректік заттардың қозғалысы циклдық болып келеді. Минералдық циклдерге көміртек циклы, күкірт циклы, азот циклы, су циклы, фосфор циклы және оттегі циклы кіреді, олар өнімді экологиялық тамақтану үшін басқа минералдық қоректік заттармен бірге үнемі қайта айналымға түседі. Азық заттар циклдары осы қажетті элементтердің сіңірілген немесе пайдаланылғаннан кейін қоршаған ортаға қайта оралуын қамтамасыз етеді. Азық заттардың тиісті айналымы болмаса, оттегі деңгейінің, климаттың және экожүйе функциясының өзгеру қаупі туындайды.

Азық-түлік жинау

Азық іздеу – қоршаған ортадағы қоректік заттарды табу процесі. Бұл анықтама ресурстарды кейін пайдалануды да қамтиды. Кейбір организмдер, мысалы жануарлар мен бактериялар, қоректік заттарды табу үшін жылжуға қабілетті, ал өсімдіктер мен саңырауқұлақтар сияқты басқалары қоректік заттарға жету үшін сыртқа қарай өседі. Азық іздеу ретсіз болуы мүмкін, онда организм әдіссіз түрде қоректік заттарды іздейді, немесе жүйелі болуы мүмкін, онда организм тікелей тамақ көзіне бағдарлана алады. Организмдер дәм сезу немесе басқа қоректік заттарды сезіну арқылы қоректік заттарды анықтап, олардың мөлшерін реттей алады. Оптималды азық іздеу теориясы – бұл азық іздеу мінез-құлқын шығын мен пайданы салыстыру арқылы түсіндіретін модель, онда жануар азық іздеуге кеткен уақыт пен энергияны азайта отырып, қоректік заттардың максималды пайдасын алуға тырысады. Бұл теория жануарлардың азық іздеу әдеттерін талдау үшін жасалған, бірақ оны басқа организмдерге де қолдануға болады. Кейбір организмдер – бір түрлі тамаққа бейімделген мамандар, ал басқалары – әртүрлі тамақ түрлерін тұтына алатын жалпыламалар.

Қоректік заттар тапшылығы

Қоректік заттардың жетіспеуі, қарыштану деп те аталады, организмге қажетті қоректік заттар жетпеген кезде пайда болады. Бұл қоректік заттарды кенеттен жоғалту немесе дұрыс сіңіре алмау салдарынан болуы мүмкін. Қарыштану – қажетті қоректік заттардың жетіспеуінен ғана емес, сонымен қатар басқа аурулар мен денсаулық жағдайларынан да туындауы мүмкін. Мұндай жағдайда организм энергияны тұтынуды және жұмсалуын азайту арқылы, сақталған қоректік заттарды ұзақ пайдалануға бейімделеді. Ол сақталған энергия қорын толық сарқылғанша пайдаланады, содан кейін қосымша энергия алу үшін өз дене массасын ыдыратады. Теңгерімді тамақтануға барлық қажетті және қажетсіз қоректік заттардың тиісті мөлшері кіреді. Бұл мөлшерлер жасқа, салмаққа, жынысқа, дене белсенділігі деңгейіне және басқа да факторларға байланысты өзгеруі мүмкін. Тек бір ғана қажетті қоректік заттың жетіспеуі организмге зиян келтіруі мүмкін, ал оның артық мөлшері уыттануға әкелуі мүмкін. Күнделікті анықтамалық шамалар көптеген адамдарды қоректік заттардың жетіспеуінен сақтайды. Күнделікті анықтамалық шамалар – бұл ұсынымдар емес, орташа адам үшін қоректік заттардың ең төменгі және ең жоғарғы мөлшері туралы мамандар мен саясаткерлерді хабардар етуге арналған қоректік шамалардың жиынтығы. Тағам өнімдерінің таңбаларында орташа салауатты адам үшін қауіпсіз тамақтану ережелерін жасау үшін Күнделікті анықтамалық шамалар сілтеме ретінде қолданылады.

Жануар

Жануарлар – басқа организмдерді қоректік заттар алу үшін тұтынатын гетеротрофтар. Шөп жейтін жануарлар – өсімдіктермен қоректенеді, ет жейтін жануарлар – басқа жануарларды жейді, ал барлық жейтін жануарлар – өсімдіктер мен басқа жануарлардың екеуін де жейді. Көптеген шөп жейтін жануарлар сіңірілмейтін өсімдік целлюлозасынан сіңірілетін қоректік заттар жасау үшін бактериялық ферментацияға сенеді, ал міндетті ет жейтін жануарлар денелері өздігінен синтездемейтін белгілі бір витаминдерді немесе қоректік заттарды алу үшін жануар етін жеуі керек. Жануарлар, әдетте, өсімдіктерге қарағанда энергияға көбірек мұқтаж. Жануарлар үшін маңызды макроэлементтер – көмірсулар, аминқышқылы және май қышқылы. Судан басқа барлық макроэлементтер денеге энергия үшін қажет, бірақ бұл олардың жалғыз физиологиялық функциясы емес. Тағамдағы макроэлементтерден алынатын энергия килокалориямен өлшенеді, көбінесе калория деп аталады, онда 1 калория – 1 килограмм суды 1 градус Цельсийге көтеруге қажетті энергия мөлшері. Көмірсулар – көп мөлшерде энергия сақтайтын молекулалар. Жануарлар осы энергияны алу үшін көмірсуларды қорытып, метаболизмдейді. Көмірсулар әдетте өсімдіктерде метаболизм кезінде синтезделеді, ал жануарлар көмірсулардың көп бөлігін табиғаттан алуға тиіс, өйткені оларды өндіру қабілеті шектеулі. Оларға қанттар, олигосахаридтер және полисахаридтер жатады. Глюкоза – көмірсудың ең қарапайым түрі. Көмірсулар глюкоза мен қысқа тізбекті май қышқылдарын өндіру үшін ыдырайды, және олар шөп жейтін құрлық жануарлары үшін ең көп таралған қоректік заттар. Липидтер жануарларды майлармен және майлармен қамтамасыз етеді. Олар суда ерімейді және ұзақ уақыт бойы энергияны сақтай алады. Оларды көптеген өсімдік және жануар көздерінен алуға болады. Көптеген диеталық липидтер – глицерин мен май қышқылдарынан тұратын триглицеридтер. Фосфолипидтер мен стеролдар аз мөлшерде кездеседі. Жануардың денесі диеталық майдың мөлшері артқан сайын өндіретін май қышқылдарының мөлшерін азайтады, ал көмірсулардың мөлшері артқан сайын май қышқылдарының мөлшерін арттырады. Жануарлар тұтынатын белок аминқышқылына ыдырайды, кейіннен жаңа белоктарды синтездеуге пайдаланылады. Белок жасуша құрылымдарын, сұйықтықтарды және ферменттерді (биологиялық катализаторларды) құру үшін қолданылады. Ферменттер көптеген метаболикалық процестерге, сондай-ақ ДНК репликациясына, жөндеуге және транскрипцияға өте қажет. Жануарлардың мінез-құлқының көп бөлігі тамақтанумен байланысты. Көші-қон жолдары және маусымдық көбейту азық-түлік қорымен байланысты жүзеге асады, ал ұсыну көрсетілімдері жануардың денсаулығын көрсету үшін қолданылады. Жануарлар денсаулығына әсер ететін тағамдармен оң және теріс байланыстарды дамытады, және олар уытты зақымдануға немесе тамақтанудың бұзылуына әкелетін тағамдардан инстинктивті түрде аулақ бола алады, соның салдарынан тағамға қарсылық тудырады. Кейбір жануарлар, мысалы, егеуқұйрықтар, қоректік заттар жетіспесе ғана жаңа тағамдарды іздемейді.

Адам

Ертедегі адамдардың тамақтануы басқа жануарлар сияқты қоректік заттарды іздеуден тұратын, бірақ Холоценнің басында неолит революциясымен, адамдар азық-түлік өндіру үшін ауыл шаруашылығын дамытқан кезде өзгеріске ұшырады. 18 ғасырдағы химиялық революция адамдарға тағамдағы қоректік заттарды зерттеуге және тағам дайындаудың жаңа әдістерін жасауға мүмкіндік берді. 20 ғасырдағы экономика мен технологиядағы үлкен жетістіктер адамдардың тамақтану қажеттіліктерін жақсырақ қанағаттандыру үшін жаппай өндіріс пен азық-түлікті байытуға мүмкіндік берді. Адам мінез-құлқы мен тамақтану тығыз байланысты, сондықтан ол биологиядан өзге әлеуметтік ғылымның да пәні болып табылады. Адамдар тамақтануды ләззат алумен үйлестіреді, ал оңтайлы диета әр адамның демографиялық ерекшеліктері мен денсаулық жағдайына байланысты өзгеруі мүмкін. Адамдар – әртүрлі тағамдарды жейтін барлық жегіштер. Астық дақылдарын өсіру және нан өндіру ауыл шаруашылығының пайда болуынан бері адам тамақтануының маңызды бөлігін құрайды. Ертедегі адамдар ет үшін жануарларды ауласа, қазіргі адамдар ет пен жұмыртқаларын алу үшін жануарларды үйреткен. Мал шаруашылығының дамуы кейбір мәдениеттердегі адамдарға басқа жануарлардың сүтін тұтынуға және одан ірімшік сияқты тағамдар жасауға мүмкіндік берді. Адамдар жейтін басқа тағамдарға жаңғақ, тұқым, жемістер мен көкөністер жатады. Үй жануарлары мен өсімдік майларының қолжетімділігі адамдардың майлар мен майларды тұтыну мөлшерін айтарлықтай арттырды. Адамдар тағамды өңдеудің жаңа әдістерін жасады, олар патогенді микроорганизмдермен ластанудың алдын алып, тағам өндірісін жеңілдетеді. Бұларға кептіру, мұздату, қыздыру, ұнтақтау, престеу, қаптау, тоңазыту және сәулелендіру кіреді. Көптеген мәдениеттер тағамға хош иіс үшін шөптер мен дәмдеуіштер қосады, бірақ олар көбінесе тамақтануға елеулі әсер етпейді. Тағамның қауіпсіздігін, сапасын, дәмін және қоректік құндылығын арттыру үшін басқа да қоспалар қолданылады. Адамдар көмірсулардың көп бөлігін астықтан алынатын крахмал түрінде алады, бірақ қанттың маңыздылығы да артып келеді. Липидтерді жануар майында, сары майда, өсімдік майында және жасыл жапырақты көкөністерде табуға болады, сонымен қатар олар тағамның дәмін жақсарту үшін де қолданылады. Ақуыз барлық тағамдарда дерлік кездеседі, өйткені ол жасушалық материалдың құрамына кіреді, бірақ тағамды өңдеудің кейбір әдістері тағамдағы ақуыз мөлшерін азайтуы мүмкін. Адамдар энергияны этанолдан да ала алады, ол азық-түлік және дәрі болып табылады, бірақ ол салыстырмалы түрде аз мөлшерде қажетті қоректік заттарды қамтамасыз етеді және тамақтанудың жетіспеушілігімен және басқа да денсаулық тәуекелдерімен байланысты. Адамдарда дұрыс тамақтанудың болмауы соқырлық, анемия, цинга, ерте тууы, өлі тууы және кретинизм сияқты жетіспеушілікке байланысты ауруларға немесе семіздік және метаболикалық синдром сияқты қоректік заттардың артық болуына әкелуі мүмкін. Тамақтандырудың жетіспеуінен туындаған басқа да жағдайларға жүрек-қан тамырлары аурулары, қант диабеті және остеопороз жатады. Жедел жағдайларда тамақтанудың жетіспеуі дене салмағының төмендеуіне, ал созылмалы жағдайларда маразмға әкелуі мүмкін.

Өсімдік

Өсімдіктердің көпшілігі топырақтан немесе атмосферадан сіңірілетін бейорганикалық заттар арқылы қоректік заттарды алады. Көміртек, сутек, оттегі, азот және күкірт – өсімдіктегі органикалық материалды құрайтын және ферменттік процестерді қамтамасыз ететін қажетті қоректік заттар. Бұлар топырақтан сіңірілген иондар, мысалы, бикарбонат, нитрат, аммоний және сульфат, немесе көмірқышқыл газы, су, оттегі газы және күкірт диоксиді сияқты газдар түрінде сіңіріледі. Фосфор, бор және кремний этерификация үшін қолданылады. Олар топырақтан тиісінше фосфаттар, бор қышқылы және кремний қышқылы түрінде алынады. Өсімдіктер пайдаланатын басқа қоректік заттар – калий, натрий, кальций, магний, марганец, хлор, темір, мыс, мырыш және молибден. Өсімдіктер қажетті элементтерді топырақтан тамырлары арқылы, ал ауадан (негізінен азот пен оттегінен тұрады) жапырақтары арқылы сіңіреді. Топырақтағы қоректік заттардың сіңуі катион алмасу арқылы жүзеге асырылады, онда тамыр түктері сутегі иондарын (H+) протондық сорғылар арқылы топыраққа соғады. Бұл сутегі иондары теріс зарядталған топырақ бөлшектеріне байланысқан катиондарды ығыстырып, оларды тамырлар сіңіруіне қолжетімді етеді. Жапырақтардағы саңылаулар көмірқышқыл газын қабылдап, оттегіні шығарады. Жер атмосферасында азот көп болғанымен, оны тікелей пайдалана алатын өсімдіктер өте сирек. Сондықтан көптеген өсімдіктерге азот қосылыстары өсетін топырақта болуы қажет. Бұл атмосфералық азоттың көбінесе инертті түрін бактериялар азотты бекіту процесінде топырақта биологиялық қолданысқа жарамды түрлерге айналдыру арқылы мүмкін болады. Бұл қоректік заттар өсімдікке энергия бермейді, сондықтан олар энергияны басқа жолмен алуы керек. Жасыл өсімдіктер хлоропластар арқылы күн сәулесінен энергияны сіңіріп алып, фотосинтез арқылы оны пайдалы энергияға айналдырады.

Саңырауқұлақ

Саңырауқұлақтар – энергия алу үшін сыртқы материалды тұтынатын химиогетеротрофтар. Көптеген саңырауқұлақтар тамыр тәрізді мицелий арқылы материалды сіңіреді, ол организмнің қоректік көзі арқылы өседі және шексіз ұзара алады. Саңырауқұлақ қоршаған материалды ыдырату үшін клетка сыртына ферменттер шығарып, содан кейін қоректік заттарды клетка қабырғасы арқылы сіңіреді. Саңырауқұлақтар паразиттік, сапрофиттік немесе симбиоздық болуы мүмкін. Паразиттік саңырауқұлақтар жануарлар, өсімдіктер немесе басқа саңырауқұлақтар сияқты тірі организмдерге жабысып, олардан қоректенеді. Сапрофиттік саңырауқұлақтар өлген және ыдырап жатқан организмдермен қоректенеді. Симбиоздық саңырауқұлақтар басқа организмдердің маңында өсіп, олармен қоректік заттар алмасады.

Протист

Протистер жануарлар, өсімдіктер немесе саңырауқұлақтар емес барлық эукариоттарды қамтиды, осының салдарынан олардың арасында зор әртүрлілік кездеседі. Алгалар – жарықтан энергия өндіретін фотосинтездік протистер. Протистердің кейбір түрлері саңырауқұлақтардағыдай мицелийді пайдаланады. Протозоалар – гетеротрофты протистер, және әртүрлі протозоалар қоректік заттарды әртүрлі тәсілдермен іздейді. Жалғақшалы протозоалар азық іздеуге көмектесу үшін жалғақшаны қолданады, ал кейбір протозоалар жұқпалы споралар арқылы паразиттер ретінде тарайды. Көптеген протистер миксотрофты, яғни фототрофты және гетеротрофты қасиеттеріне ие. Миксотрофты протистер әдетте бір қоректік көзден тәуелді болады, ал екіншісін қосымша көз ретінде немесе негізгі көз қол жетімді болмағанда уақытша балама ретінде пайдаланады.

Прокариот

Прокариоттар, бактериялар мен археяларды қоса, қоректік топтар бойынша қоректік заттарды алу жолдарымен айырмашылықтарға ие. Прокариоттар ғана еритін қосылыстарды жасушалық қабықшалары арқылы тасымалдай алады, бірақ олар өздерінің айналасындағы химиялық құраушыларды ыдырата алады. Кейбір литотрофты прокариоттар – экстремофилдер, олар минералдық заттарды ыдырату арқылы қоректік заттар жетіспейтін ортада тіршілік ете алады. Цианобактериялар және Хлорофлексиялар сияқты фототрофты прокариоттар күн сәулесінен энергия алу үшін фотосинтез процесіне қатыса алады. Бұл геотермалдық бұлақтардағы қабаттарда пайда болатын бактериялардың арасында кең таралған. Фототрофты прокариоттар көміртегін көбінесе Кальвин циклы арқылы көмірқышқыл газын сіңіру арқылы алады. Кейбір прокариоттар, мысалы Bdellovibrio және Ensifer, жыртқыштар болып табылады және басқа бір жасушалы организмдермен қоректенеді. Жыртқыш прокариоттар хемотаксис немесе кездейсоқ соқтығысу арқылы басқа организмдерді іздейді, олармен бірігіп, ыдыратады және босатылған қоректік заттарды сіңіреді. Прокариоттардың жыртқыштық стратегияларына организмнің сыртқы бетіне жабысып, сырттан ыдырату, организмнің цитоплазмасына ену немесе организмнің периплазмалық кеңістігіне ену кіреді. Жыртқыш прокариоттар тобы гидролитикалық ферменттерді бірлесіп өндіру арқылы жабысудан бас тарта алады.