Биология для школьного учителя

Все живые организмы, имеющие клеточное строение, представляют собой открытые системы и должны постоянно обмениваться веществом и энергией с окружающей средой. Энергия необходима для биосинтеза присущих живым клеткам сложных органических веществ и для выполнения разных видов работы  движения, размножения, осморегуляции, выведения продуктов обмена и т.д.

Вероятно, в процессе эволюции первыми появились организмы, использующие в качестве источников энергии готовые органические вещества, накопленные в Мировом океане за счет абиогенного синтеза. Такие организмы получили название гетеротрофных. Поскольку в то время атмосфера Земли была лишена кислорода, эти организмы извлекали энергию из органических веществ за счет различных окислительно-восстановительных реакций, протекающих в анаэробных (бескислородных) условиях, и запасали ее в виде АТФ и НАДН. Для построения присущих им органических веществ они также использовали готовые органические вещества в качестве строительных блоков. Поэтому более строго их следует называть хемоорганотрофы  - организмы, использующие в качестве источника углерода и электронов (восстановительных эквивалентов) готовые органические вещества и получающие энергию (АТФ) в окислительно-восстановительных реакциях.

Впоследствии появились организмы, научившиеся использовать в качестве источника энергии для синтеза АТФ энергию солнечного света (фотоорганотрофы), а затем и углекислый газ в качестве источника углерода (фотолитотрофы) - фотосинтезирующие бактерии, низшие и высшие растения. Такие организмы часто называют фотосинтетиками, а фотолитотрофов называют автотрофами, подчеркивая их способность синтезировать органические вещества из неорганических (углекислого газа). Отдельную группу автотрофных организмов составляют хемосинтетики (хемолитотрофы)  - организмы, использующие для получения АТФ и восстановительных эквивалентов энергию, получаемую при окислении неорганических веществ.

Накопление в природе органического вещества в результате деятельности автотрофов стимулировало дальнейший расцвет его потребителей - гетеротрофов, а появление в атмосфере мощного окислителя - молекулярного кислорода, образующегося в качестве побочного продукта фотосинтеза, позволило более полно и эффективно использовать запасенную в органических веществах энергию. Так возникли аэробные организмы, способные полностью окислять сложные органические вещества до углекислого газа и воды при помощи кислорода. Однако до настоящего времени сохранились и миксотрофные организмы (например, хламидомонада или эвглена зеленая), которые сочетают свойства автотрофов (способность к фотосинтезу) и гетеротрофов (питание готовыми органическими веществами).

Итак, для получения энергии живые организмы (как гетеротрофы, так и автотрофы - например, зеленые растения в темноте или их нефотосинтезирующие клетки) разлагают и окисляют органические соединения. Совокупность биохимических реакций разложения сложных веществ до более простых, сопровождающаяся выделением и запасанием энергии в форме универсального богатого энергией соединения  - АТФ, получила название энергетического обмена (катаболизма, или диссимиляции).

Одновременно с этими реакциями в клетках организма постоянно протекают синтетические процессы, в которых образуются присущие данному организму сложные органические вещества, как низкомолекулярные (аминокислоты, сахара, витамины, органические кислоты, нуклеотиды, липиды и т.д.), так и биополимеры (белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты), необходимые для построения различных клеточных структур и выполнения разнообразных функций. Для синтеза этих веществ клетки используют получаемые из внешней среды углекислый газ (у автотрофов) или более сложные органические соединения (у гетеротрофов), а также энергию и восстановительные эквиваленты, накопленные в процессе энергетического обмена. Совокупность биосинтетических процессов, протекающих в живых организмах с затратой энергии (а часто и восстановительных эквивалентов), называют пластическим обменом (анаболизмом или ассимиляцией).

Процессы энергетического и пластического обмена протекают в клетках постоянно и одновременно и тесно взаимосвязаны. Так, многие промежуточные продукты реакций энергетического обмена используются в качестве исходных соединений в реакциях биосинтеза, а энергия, запасаемая в виде макроэргических связей АТФ в ходе диссимиляции, постоянно расходуется в синтетических процессах. Поэтому пластический и энергетический обмен нельзя рассматривать в отрыве друг от друга: это две стороны одного процесса - обмена веществ (метаболизма), постоянно протекающего во всех живых системах и составляющего биохимическую основу жизни.