Тепловые характеристики воды являются одними из важнейших факторов термической стабильности биосферы.
Вода участвует в биологическом круговороте, в процессе которого претерпевает ряд изменений. Поскольку она является растворителем, в чистом виде в природе не встречается. В ней содержатся минеральные и органические вещества, не только полезные, используемые в качестве элементов питания (как вне живого организма, так и внутри его), но и вредные, представляющие собой загрязнения, которые вода получает, если используется в качестве приемника, в частности, сточных вод, образующихся в результате жизнедеятельности человека.
Вода является важнейшей составной частью живого организма. Наименьший процент ее (от 22 до 34%) содержится в костях; в жировой ткани различных внутренних органов он достигает 70—80%, а наивысший процент (82—94) — в нервных волокнах. Вода в протоплазме образует коллоидный раствор молекул белка вследствие сольватации концов этих молекул.
В продуктах нашего питания вода составляет большую часть, %:
растительные масла и фрукты — 78—97
рыба — 80
мясо — 72
Вода и клеточный метаболизм
Для поддержания ритма активной деятельности живые клетки отыскивают в окружающей среде вещества, называемые основными метаболитами. Некоторые клетки способны синтезировать их из минеральных компонентов; они трансформируют воду, диоксид углерода и минеральные соли в вещества тела клетки, молекулярная структура которых исключительно сложна.
Автотрофные организмы получают необходимую энергию из внешней среды (энергии света или химической энергии, выделяемой вследствие преобразования определенных минеральных радикалов), часть которой они запасают в виде потенциальной энергии, используемой с течением времени. Между тем гетеротрофные организмы не способны синтезировать все вещества, требующиеся для их роста. Они используют питательные вещества, которые расщепляют и окисляют экзотермически на простые вещества. Выделяемая вследствие этих химических реакций кинетическая энергия используется клетками для их роста, передвижения, размножения.
Термин метаболизм используют для описания всех энергетических реакций; термин анаболизм применяют, когда организм получает потенциальную энергию (эндотермические реакции) и осуществляет синтез живого вещества, а катаболизм — когда организмы получают кинетическую энергию (экзотермические реакции) и осуществляет деградацию питательных веществ.
Изучение источников энергии составляет существенную часть в анализе фотосинтеза и окислительных явлений в ферментативных процессах.
Анаболизм
Фотосинтез.Типичным примером фотосинтеза служит синтез глюкозы (углеводов) растениями из СO2 атмосферы и воды сока растений с помощью солнечной энергии и в присутствии хлорофилла. Фотосинтез может быть суммарно описан уравнением:
6СO2 + 6Н2O -> CeHi2Oe + 6O2 — 2,72 кДж/моль.
Этот биологический процесс количественно один из самых важных в мире.
Окисление минеральных веществ. Ряд автотрофных организмов не способен утилизировать солнечную энергию, поскольку лишен определенных пигментов. Они получают энергию, необходимую для их существования, в результате окисления минеральных веществ. Важно отметить здесь Nitrosomonas, которые окисляют аммиак в нитриты, Nitrobacter, трансформирующие нитриты в нитраты, железобактерии и марганцовистые бактерии, которые окисляют двухвалентное железо и бикарбонат марганца, соответственно в трехвалентное и гидроокись марганца, серобактерии, которые трансформируют сероводород в коллоидную серу, сульфатредуцирующие бактерии, восстанавливающие сульфат в сероводород и тиобациллы, окисляющие последний в серную кислоту.
Катаболизм. Ферментативные процессы
Катаболизм, или процесс внутриклеточного разрушения питательных веществ, включает образование воды или участие молекул воды в окислении органических веществ, и восстановительные реакции, обеспечивающие использование химической энергии, содержащейся во всех питательных веществах.
Термины анаэробный и аэробный применяют для характеристики типа разрушения, которое фактически является дегидрогенизацией внутри гетеротрофных клеток. Если водород соединяется с молекулярным кислородом, процесс называется аэробным. Если же процесс включает перенос водорода от дегидрируемого соединения к акцептору водорода, но не молекулярному кислороду, он называем анаэробным. Поэтому разделяют бактерии на строго аэробные, строго анаэробные (облигатные) и промежуточные (факультативные).
Движущая сила разрушения (аэробного или анаэробного) органического вещества обеспечивается действием ферментов (энзимов) организмов, представляющих собой сложные белки (с точной пространственной ориентацией), с которыми соединяются органические молекулы или субстраты.
Различают внеклеточные ферменты, которые разрушают очень сложные молекулярные структуры веществ, чтобы обеспечить возможность их проникновения в клетку, и внутриклеточные ферменты, которые участвуют в процессе ассимиляции и таким образом являются основой процессов жизнедеятельности, ведущих к размножению клеток. Энзимы — биологические катализаторы, которые во время процесса биологического окисления трансформируются и затем регенерируются.
Важнейшие свойства энзимов обусловлены их структурой. В зависимости от того, в каких условиях идет процесс биологического окисления — аэробных или анаэробных, — образуются различные конечные продукты распада. Например, при окислении глюкозы:
в аэробных условиях
С6Н12O6 + 6O2 -> 6СO2 6Н2O +2,72 кДж/моль,
в анаэробных условиях
С6Н12О -> ЗСО2 + ЗСН4 + 144 Дж/моль.
Выход энергии в анаэробных условиях составляет всего 5,3% количества энергии, высвобождаемой в аэробных условиях. Поскольку вероятно, что количество энергии, необходимое для репродуцирования новых клеток, одинаково в обоих случаях, полагают, что в аэробных условиях процесс получения жизненной энергии значительно более экономичен, чем в анаэробных. Другими словами, клеточное деление значительно обильнее в первом случае, чем во втором, и как следствие этого, процессы разрушения веществ до конечного состояния проходят быстрее.