Питание и жизнеобеспечение организмов

Введение

Обеспечение клеток и организмов веществами, необходимыми для поддержания жизни.

Питание – это биохимический и физиологический процесс, посредством которого организм использует пищу для поддержания жизнедеятельности. Оно обеспечивает организмы питательными веществами, которые могут быть метаболизированы для получения энергии и построения химических структур. Недостаточное поступление необходимых питательных веществ приводит к недостаточному питанию (недоеданию). Наука о питании изучает процессы питания, хотя обычно акцент делается на питании человека. Тип организма определяет, какие питательные вещества ему необходимы и каким образом он их получает. Организмы получают питательные вещества, потребляя органическое вещество, неорганическое вещество, поглощая свет или сочетая эти способы. Некоторые способны самостоятельно синтезировать питательные вещества из простых элементов, в то время как другие должны потреблять другие организмы для получения готовых питательных веществ. Всем формам жизни необходимы углерод, энергия и вода, а также различные другие молекулы. Животным требуются сложные питательные вещества, такие как углеводы, липиды и белки, которые они получают, поедая другие организмы. Люди развили сельское хозяйство и кулинарию, чтобы заменить собирательство и улучшить качество питания. Растения получают питательные вещества из почвы и атмосферы. Грибы поглощают питательные вещества, разлагая их и всасывая через мицелий.

История

Научный анализ пищи и питательных веществ начался во время химической революции в конце XVIII века. Химики XVIII и XIX веков экспериментировали с различными элементами и источниками пищи для разработки теорий питания. Современная наука о питании начала развиваться в 1910-х годах, когда стали идентифицировать отдельные микронутриенты. Первым химически идентифицированным витамином был тиамин в 1926 году, а витамин С был идентифицирован как средство защиты от цинги в 1932 году. Роль витаминов в питании изучалась в последующие десятилетия. Первые рекомендуемые нормы потребления питательных веществ для человека были разработаны в ответ на опасения по поводу заболеваний, вызванных дефицитом питательных веществ во время Великой депрессии и Второй мировой войны. В силу своей важности для здоровья человека, изучение питания уделяет особое внимание питанию человека и сельскому хозяйству, в то время как экология рассматривается как второстепенная задача.

Питательные вещества

Питательные вещества – это вещества, обеспечивающие организм энергией и строительными компонентами, необходимыми для выживания, роста и размножения. Питательные вещества могут представлять собой как основные элементы, так и сложные макромолекулы. В органическом веществе содержится около 30 элементов, среди которых наиболее важными являются азот, углерод и фосфор. Макроэлементы – это основные вещества, требуемые организму, а микроэлементы – вещества, необходимые организму в незначительных количествах. Органические микроэлементы классифицируются как витамины, а неорганические микроэлементы – как минералы. Питательные вещества поглощаются клетками и используются в метаболических биохимических реакциях, включая реакции, обеспечивающие образование предшествующих метаболитов и энергии, биосинтетические реакции, преобразующие предшествующие метаболиты в строительные блоки, полимеризацию, объединяющую эти молекулы в полимерные макромолекулы, и реакции сборки, использующие эти полимеры для создания клеточных структур.

Группы питательных веществ

Организмы можно классифицировать по способу получения углерода и энергии. Гетеротрофы – это организмы, получающие питательные вещества, потребляя углерод других организмов, в то время как автотрофы – организмы, производящие собственные питательные вещества из углерода неорганических веществ, таких как углекислый газ. Миксотрофы – организмы, способные быть как гетеротрофами, так и автотрофами, включая некоторые планктон и плотоядные растения. Фототрофы получают энергию от света, а хемотрофы – энергию, потребляя химическую энергию из веществ. Органотрофы получают электроны, потребляя другие организмы, а литотрофы – из неорганических веществ, таких как вода, сероводород, дигидроген, железо(II), сера или аммоний. Прототрофы способны синтезировать необходимые питательные вещества из других соединений, в то время как ауксотрофы должны потреблять уже готовые питательные вещества.

Диета

В питании рацион организма – это совокупность потребляемых им продуктов. Здоровое питание улучшает физическое и психическое здоровье организма. Это требует поступления и усвоения витаминов, минералов, незаменимых аминокислот из белка и незаменимых жирных кислот из продуктов, содержащих жиры. Углеводы, белки и жиры играют ключевую роль в обеспечении качества жизни, здоровья и долголетия организма. В некоторых культурах и религиях существуют ограничения в отношении допустимых продуктов питания.

Цикл питательных веществ

Цикл питательных веществ – это биогеохимический цикл, включающий перемещение неорганических веществ через комбинацию почвы, организмов, воздуха или воды, где они включаются в состав органических веществ. Поток энергии – это однонаправленный и нециклический процесс, в то время как движение минеральных питательных веществ носит циклический характер. Минеральные циклы включают в себя, среди прочих, циклы углерода, серы, азота, воды, фосфора и кислорода, которые непрерывно перерабатывают вместе с другими минеральными питательными веществами, обеспечивая продуктивное экологическое питание. Циклы питательных веществ позволяют этим необходимым элементам возвращаться в окружающую среду после поглощения или потребления. Нарушение нормального цикла питательных веществ может привести к изменению уровня кислорода, климата и функционированию экосистем.

Поиск пищи

Поиск пищи — это процесс поиска питательных веществ в окружающей среде. Его также можно определить как использование найденных ресурсов. Некоторые организмы, такие как животные и бактерии, способны перемещаться в поисках питательных веществ, в то время как другие, например, растения и грибы, растут и распространяются, чтобы их найти. Поиск пищи может быть случайным, когда организм ищет питательные вещества бесцельно, или систематическим, когда организм направляется непосредственно к источнику пищи. Организмы способны обнаруживать питательные вещества с помощью вкуса или других способов определения их наличия, что позволяет им регулировать поступление питательных веществ. Теория оптимального поиска пищи — это модель, объясняющая поведение при поиске пищи как анализ затрат и выгод, в котором организм стремится максимизировать получение питательных веществ, минимизируя при этом затраты времени и энергии. Она была разработана для анализа пищевого поведения животных, но может быть применена и к другим организмам. Некоторые организмы являются специалистами, приспособленными к поиску одного источника пищи, в то время как другие — генералистами, способными потреблять разнообразные источники пищи.

Дефицит питательных веществ

Дефицит питательных веществ, известный как недоедание, возникает, когда организм не получает необходимые ему питательные вещества. Это может быть вызвано внезапной потерей питательных веществ или неспособностью к их усвоению. Недоедание – это не только результат недостатка необходимых питательных веществ, но и следствие других заболеваний и состояний здоровья. В таких случаях организм адаптируется, снижая потребление и расход энергии, чтобы продлить использование запасов питательных веществ. Он будет использовать накопленные энергетические резервы, пока они не истощатся, а затем начнет расщеплять собственные ткани для получения дополнительной энергии. Сбалансированная диета включает в себя адекватное количество всех необходимых и заменимых питательных веществ. Их потребность может варьироваться в зависимости от возраста, веса, пола, уровня физической активности и других факторов. Недостаток даже одного необходимого питательного вещества может нанести вред организму, а его избыток – вызвать токсичность. Рекомендуемые суточные нормы потребления питательных веществ помогают большинству людей избежать дефицита. Эти нормы не являются строгими рекомендациями, а представляют собой совокупность данных о питательных веществах, предназначенных для информирования специалистов и лиц, принимающих решения, о максимальных и минимальных уровнях потребления питательных веществ для среднестатистического человека. Информация о рекомендуемых суточных нормах также используется на этикетках продуктов питания в качестве ориентира для разработки безопасных рекомендаций по питанию для здоровых людей.

Животное

Животные – гетеротрофы, потребляющие другие организмы для получения питательных веществ. Травоядные – животные, питающиеся растениями, плотоядные – животные, питающиеся другими животными, а всеядные – животные, употребляющие как растения, так и других животных. Многие травоядные полагаются на бактериальную ферментацию для создания усвояемых питательных веществ из неперевариваемой растительной целлюлозы, в то время как облигатные хищники должны потреблять мясо животных, чтобы получить определенные витамины или питательные вещества, которые их организм не способен синтезировать самостоятельно. Животные, как правило, имеют более высокие энергетические потребности по сравнению с растениями. Основными макроэлементами, необходимыми для жизни животных, являются углеводы, аминокислоты и жирные кислоты. Все макроэлементы, кроме воды, требуются организму для получения энергии, однако это не единственная их физиологическая функция. Энергия, содержащаяся в макроэлементах пищи, измеряется в килокалориях, обычно называемых калориями, где 1 калория – это количество энергии, необходимое для повышения температуры 1 килограмма воды на 1 градус Цельсия. Углеводы – это молекулы, запасающие значительное количество энергии. Животные переваривают и метаболизируют углеводы для получения этой энергии. Углеводы обычно синтезируются растениями в процессе метаболизма, а животные должны получать большую часть углеводов извне, поскольку обладают ограниченной способностью к их самостоятельному производству. К ним относятся сахара, олигосахариды и полисахариды. Глюкоза – простейшая форма углеводов. Углеводы расщепляются с образованием глюкозы и короткоцепочечных жирных кислот, являющихся наиболее распространенными питательными веществами для травоядных наземных животных. Липиды обеспечивают животных жирами и маслами. Они не растворимы в воде и способны запасать энергию на длительный период времени. Их можно получать из различных растительных и животных источников. Большинство липидов в рационе – это триглицериды, состоящие из глицерина и жирных кислот. Фосфолипиды и стеролы содержатся в меньших количествах. Организм животного уменьшает выработку жирных кислот при увеличении потребления жиров, и увеличивает выработку жирных кислот при увеличении потребления углеводов. Потребляемый животными белок расщепляется на аминокислоты, которые впоследствии используются для синтеза новых белков. Белок необходим для формирования клеточных структур, жидкостей и ферментов (биологических катализаторов). Ферменты необходимы для большинства метаболических процессов, а также для репликации, восстановления и транскрипции ДНК. Значительная часть поведения животных определяется питанием. Миграционные паттерны и сезонное размножение происходят в соответствии с доступностью пищи, а брачные демонстрации служат для демонстрации здоровья животного. У животных формируются положительные и отрицательные ассоциации с пищей, влияющие на их здоровье, и они могут инстинктивно избегать продуктов, вызвавших токсическое повреждение или дисбаланс питательных веществ, посредством выработанного пищевого отвращения. Некоторые животные, например крысы, не ищут новые виды пищи, если у них нет дефицита питательных веществ.

Animals are heterotrophs that consume other organisms to obtain nutrients. Herbivores are animals that eat plants, carnivores are animals that eat other animals, and omnivores are animals that eat both plants and other animals. Many herbivores rely on bacterial fermentation to create digestible nutrients from indigestible plant cellulose, while obligate carnivores must eat animal meats to obtain certain vitamins or nutrients their bodies cannot otherwise synthesize. Animals generally have a higher requirement of energy in comparison to plants. The macronutrients essential to animal life are carbohydrates, amino acids, and fatty acids. All macronutrients except water are required by the body for energy, however, this is not their sole physiological function. The energy provided by macronutrients in food is measured in kilocalories, usually called Calories, where 1 Calorie is the amount of energy required to raise 1 kilogram of water by 1 degree Celsius. Carbohydrates are molecules that store significant amounts of energy. Animals digest and metabolize carbohydrates to obtain this energy. Carbohydrates are typically synthesized by plants during metabolism, and animals have to obtain most carbohydrates from nature, as they have only a limited ability to generate them. They include sugars, oligosaccharides, and polysaccharides. Glucose is the simplest form of carbohydrate. Carbohydrates are broken down to produce glucose and short chain fatty acids, and they are the most abundant nutrients for herbivorous land animals. Lipids provide animals with fats and oils. They are not soluble in water, and they can store energy for an extended period of time. They can be obtained from many different plant and animal sources. Most dietary lipids are triglycerides, composed of glycerol and fatty acids. Phospholipids and sterols are found in smaller amounts. An animal's body will reduce the amount of fatty acids it produces as dietary fat intake increases, while it increases the amount of fatty acids it produces as carbohydrate intake increases. Protein consumed by animals is broken down to amino acids, which would be later used to synthesize new proteins. Protein is used to form cellular structures, fluids, and enzymes (biological catalysts). Enzymes are essential to most metabolic processes, as well as DNA replication, repair, and transcription. Much of animal behavior is governed by nutrition. Migration patterns and seasonal breeding take place in conjunction with food availability, and courtship displays are used to display an animal's health. Animals develop positive and negative associations with foods that affect their health, and they can instinctively avoid foods that have caused toxic injury or nutritional imbalances through a conditioned food aversion. Some animals, such as rats, do not seek out new types of foods unless they have a nutrient deficiency.

Человек

Раннее питание человека состояло из поиска питательных веществ, как и у других животных, но оно существенно изменилось в начале голоцена с неолитической революцией, когда люди развили сельское хозяйство для производства продуктов питания. Химическая революция в XVIII веке позволила изучать питательные вещества в пище и разрабатывать более совершенные методы приготовления. Значительные достижения в экономике и технологиях в XX веке обеспечили массовое производство и обогащение продуктов питания для лучшего удовлетворения потребностей человека в питании. Поведение человека тесно связано с его питанием, что делает эту область предметом изучения не только биологии, но и социальных наук. Питание человека сочетает в себе необходимость в питательных веществах и удовольствие от еды, а оптимальная диета может варьироваться в зависимости от демографических характеристик и состояния здоровья каждого человека. Люди – всеядные существа, употребляющие разнообразную пищу. Выращивание зерновых и производство хлеба с самого начала сельского хозяйства являются ключевыми компонентами питания человека. Ранние люди охотились на животных ради мяса, а современные люди одомашнивают их для получения мяса и яиц. Развитие животноводства также позволило некоторым культурам употреблять молоко других животных и перерабатывать его в продукты, такие как сыр. К другим продуктам питания человека относятся орехи, семена, фрукты и овощи. Доступ к домашним животным и растительным маслам значительно увеличил потребление жиров и масел. Человек разработал передовые методы переработки пищевых продуктов, предотвращающие загрязнение патогенными микроорганизмами и упрощающие производство. К ним относятся сушка, замораживание, нагрев, помол, прессование, упаковка, охлаждение и облучение. Большинство культур добавляют травы и специи в пищу для улучшения вкуса, хотя они обычно не оказывают существенного влияния на питательную ценность. Также используются другие добавки для повышения безопасности, качества, вкуса и питательной ценности продуктов. Большую часть углеводов человек получает в виде крахмала из зерновых, хотя значение сахара постоянно растет. Липиды содержатся в животных жирах, сливочном масле, растительном масле и листовых овощах, а также используются для улучшения вкуса продуктов. Белок содержится практически во всех продуктах питания, поскольку он является строительным материалом клеток, хотя некоторые методы переработки могут снизить его содержание. Человек также может получать энергию из этанола, который является одновременно пищей и наркотическим веществом, но он содержит мало необходимых питательных веществ и связан с дефицитом питательных веществ и другими рисками для здоровья. Неправильное питание у человека может вызывать заболевания, связанные с дефицитом, такие как слепота, анемия, цинга, преждевременные роды, мертворождение и кретинизм, или избыток питательных веществ, такие как ожирение и метаболический синдром. К другим заболеваниям, которые могут быть связаны с нарушениями питания, относятся сердечно-сосудистые заболевания, диабет и остеопороз. Недостаточное питание может привести к истощению в острых случаях и к задержке роста при хроническом недоедании.

Early human nutrition consisted of foraging for nutrients, like other animals, but it diverged at the beginning of the Holocene with the Neolithic Revolution, in which humans developed agriculture to produce food. The Chemical Revolution in the 18th century allowed humans to study the nutrients in foods and develop more advanced methods of food preparation. Major advances in economics and technology during the 20th century allowed mass production and food fortification to better meet the nutritional needs of humans. Human behavior is closely related to human nutrition, making it a subject of social science in addition to biology. Nutrition in humans is balanced with eating for pleasure, and optimal diet may vary depending on the demographics and health concerns of each person. Humans are omnivores that eat a variety of foods. Cultivation of cereals and production of bread has made up a key component of human nutrition since the beginning of agriculture. Early humans hunted animals for meat, and modern humans domesticate animals to consume their meat and eggs. The development of animal husbandry has also allowed humans in some cultures to consume the milk of other animals and process it into foods such as cheese. Other foods eaten by humans include nuts, seeds, fruits, and vegetables. Access to domesticated animals as well as vegetable oils has caused a significant increase in human intake of fats and oils. Humans have developed advanced methods of food processing that prevent contamination of pathogenic microorganisms and simplify the production of food. These include drying, freezing, heating, milling, pressing, packaging, refrigeration, and irradiation. Most cultures add herbs and spices to foods before eating to add flavor, though most do not significantly affect nutrition. Other additives are also used to improve the safety, quality, flavor, and nutritional content of food. Humans obtain most carbohydrates as starch from cereals, though sugar has grown in importance. Lipids can be found in animal fat, butterfat, vegetable oil, and leaf vegetables, and they are also used to increase flavor in foods. Protein can be found in virtually all foods, as it makes up cellular material, though certain methods of food processing may reduce the amount of protein in a food. Humans can also obtain energy from ethanol, which is both a food and a drug, but it provides relatively few essential nutrients and is associated with nutritional deficiencies and other health risks. In humans, poor nutrition can cause deficiency related diseases, such as blindness, anemia, scurvy, preterm birth, stillbirth and cretinism, or nutrient excess conditions, such as obesity and metabolic syndrome. Other conditions possibly affected by nutrition disorders include cardiovascular diseases, diabetes, and osteoporosis. Undernutrition can lead to wasting in acute cases, and stunting of marasmus in chronic cases of malnutrition.

Растение

Большинство растений получают питательные вещества из неорганических веществ, поглощаемых из почвы или атмосферы. Углерод, водород, кислород, азот и сера – необходимые питательные вещества, составляющие органическое вещество растения и обеспечивающие протекание ферментативных процессов. Они поглощаются в виде ионов из почвы, таких как бикарбонат, нитрат, аммоний и сульфат, или в виде газов, таких как углекислый газ, вода, кислород и диоксид серы. Фосфор, бор и кремний используются для этерификации и поступают из почвы в виде фосфатов, борной кислоты и кремниевой кислоты соответственно. Другие питательные вещества, необходимые растениям, включают калий, натрий, кальций, магний, марганец, хлор, железо, медь, цинк и молибден. Растения поглощают необходимые элементы из почвы через корни и из воздуха (состоящего главным образом из азота и кислорода) через листья. Поглощение питательных веществ в почве происходит посредством катионного обмена, при котором корневые волоски перекачивают ионы водорода (H+) в почву с помощью протонных насосов. Эти ионы водорода вытесняют катионы, связанные с отрицательно заряженными частицами почвы, делая их доступными для поглощения корнями. В листьях устьица открываются для поглощения углекислого газа и выделения кислорода. Хотя азот в изобилии присутствует в атмосфере Земли, лишь немногие растения могут использовать его непосредственно. Поэтому большинству растений необходимо, чтобы в почве, в которой они растут, присутствовали соединения азота. Это становится возможным благодаря тому, что в основном инертный атмосферный азот преобразуется в биологически усвояемые формы в почве в процессе фиксации азота, осуществляемого бактериями. Поскольку эти питательные вещества не обеспечивают растение энергией, оно должно получать ее другими способами. Зеленые растения поглощают энергию солнечного света с помощью хлоропластов и преобразуют ее в полезную энергию посредством фотосинтеза.

Гриб

Грибы — это химиогетеротрофы, получающие энергию, потребляя внешнее вещество. Большинство грибов поглощают питательные вещества через мицелий, похожий на корень, который растет сквозь источник питательных веществ организма и может неограниченно расширяться. Гриб выделяет внеклеточные ферменты для расщепления окружающего вещества, а затем впитывает питательные вещества через клеточную стенку. Грибы могут быть паразитами, сапрофитами или симбионтами. Паразитические грибы прикрепляются к живым организмам-хозяевам, таким как животные, растения или другие грибы, и питаются ими. Сапрофитные грибы питаются мертвыми и разлагающимися организмами. Симбиотические грибы растут вблизи других организмов и обмениваются с ними питательными веществами.

Протист

Протисты включают в себя всех эукариот, которые не являются животными, растениями или грибами, что обуславливает их большое разнообразие. Водоросли – фотосинтезирующие протисты, способные производить энергию из света. Некоторые типы протестов используют мицелий, подобный мицелию грибов. Протозои – гетеротрофные протисты, и различные протозои добывают питательные вещества разными способами. Жгутиковые протозои используют жгутик для облегчения охоты за пищей, а некоторые протозои распространяются через инфекционные споры, выступая в роли паразитов. Многие протисты являются миксотрофами, сочетая в себе фототрофные и гетеротрофные характеристики. Миксотрофные протисты обычно полагаются на один источник питательных веществ, используя другой как дополнительный источник или временную альтернативу, когда основной источник недоступен.

Прокариоты

Прокариоты, включая бактерии и археи, значительно различаются способами получения питательных веществ в разных группах питания. Прокариоты способны транспортировать только растворимые соединения через свои клеточные оболочки, однако они могут расщеплять химические компоненты в окружающей среде. Некоторые литотрофные прокариоты являются экстремофилами, способными выживать в бедных питательными веществами средах, расщепляя неорганические вещества. Фототрофные прокариоты, такие как цианобактерии и хлорофлексии, осуществляют фотосинтез для получения энергии от солнечного света. Это часто встречается у бактерий, образующих маты на поверхности геотермальных источников. Фототрофные прокариоты обычно получают углерод, ассимилируя углекислый газ посредством цикла Кальвина. Некоторые прокариоты, например, Bdellovibrio и Ensifer, являются хищниками и питаются другими одноклеточными организмами. Хищные прокариоты обнаруживают другие организмы с помощью хемотаксиса или случайных столкновений, проникают в них, разрушают и поглощают высвободившиеся питательные вещества. Хищнические стратегии прокариотов включают прикрепление к внешней поверхности организма и его внешнее разрушение, проникновение в цитоплазму организма или в периплазматическое пространство. Группы хищных прокариотов могут обходиться без прикрепления, коллективно вырабатывая гидролитические ферменты.