Біологічні системи є відкритими системами, які можуть існувати лише за умови постійного зовнішнього обміну речовинами, енергією та інформацією з навколишнім середовищем. Окрім того, всередині живих систем також відбувається інтенсивний внутрішній обмін речовин, енергії та інформації між окремими частинами біосистеми (органелами клітин, органами організму, організмами в екосистемі).

ОБМІН РЕЧОВИН І ПЕРЕТВОРЕННЯ ЕНЕРГІЇ — сукупність процесів, що забезпечують надходження речовин й енергії із середовища, їхнє перетворення у біологічних системах та видалення продуктів життєдіяльності й енергії у середовище. Обмін речовин і перетворення енергії характерні для всіх біосистем і відбуваються на усіх рівнях їхньої організації. Так, на молекулярному рівні в обміні речовин беруть участь біоелементи, біонеорганічні та біоорганічні речовини, у клітинах обмін речовин та енергії здійснюється за участі ферментів, в організмі відбуваються процеси взаємоперетворення речовин. У екосистемах і біосфері обмін речовин й енергії називають біологічним кругообігом, тому що його здійснюють живі організми — продуценти, консументи й редуценти в харчових ланцюгах.

У загальному потоці речовин, енергії та інформації, що пронизує та об’єднує усі біологічні системи, можна виокремити три етапи: 1) надходження речовин та енергії у біосистеми; 2) внутрішньосистемні перетворення речовин та енергії; 3) видалення речовин та енергії із біосистеми. Наприклад, у клітинах рослин сонячне світло потрапляє на хлорофіл, перетворюється в енергію хімічних зв’язків АТФ і глюкози, а кисень, що утворюється як кінцевий продукт, виділяється в атмосферу.

Обмін речовин відбувається і в неживій природі, однак цей процес значно відрізняється від обміну в живих системах. Ця відмінність зумовлена насамперед тим, що ОБМІН РЕЧОВИН У БІОСИСТЕМАХ ЗАБЕЗПЕЧУЄ ПОСТІЙНЕ САМООНОВЛЕННЯ, САМОРЕГУЛЯЦІЮ І САМОВІДТВОРЕННЯ ТА ЗДІЙСНЮЄТЬСЯ ЗАВДЯКИ ЗЛАГОДЖЕНІЙ ДІЇ ЧИСЛЕННИХ СТРУКТУР. У результаті обміну речовин енергія в біосистемах може накопичуватися, зберігатися й використовуватися для процесів життєдіяльності. Окрім того, ознаками біологічного обміну речовин й перетворення енергії є поетапність перебігу, біокаталітичний характер і регульованість процесів внутрішньосистемного перетворення.

Отже, функціонування біологічних систем можливе лише за умови надходження, перетворення й видалення певних речовин, енергії та інформації.

У чому полягає єдність процесів асиміляції й дисиміляції?

Обмін речовин й перетворення енергії в організмі складається з фізіологічних (живлення, травлення, дихання, транспортування речовин, всмоктування, виділення), фізичних (дифузія, осмос, розчинення) й хімічних (окиснення, відновлення, гідроліз, бродіння) процесів. Цю сукупність перетворень розглядають як єдність двох протилежних і взаємопов’язаних процесів — асиміляції і дисиміляції (іл. 55).

Іл. 55. Схема обміну речовин та енергії

Асиміляція (від лат. nformation — уподібнення, засвоєння), або анаболізм, — частина загального обміну речовин й енергії, що полягає в поглинанні, нагромадженні та перетворенні речовин, що надходять в організм. Завдяки цим енерговитратним процесам організм засвоює поживні речовини, утворює власні речовини, будує з них свої структури, забезпечує ріст і розвиток, оновлення складників та накопичення запасів для використання їх як джерела енергії.

Дисиміляція (від лат. nformationn — несхожий), або катаболізм, — це частина загального обміну, під час якого відбуваються розщеплення, руйнування складних органічних сполук (білків, жирів, вуглеводів, нуклеїнових кислот) в організмі на простіші. Найпростішими кінцевими продуктами дисиміляції всіх організмів є вода, вуглекислий газ і амоніак. У процесі дисиміляції вивільняється енергія, яка перетворюється в інші форми та акумулюється в молекулах АТФ.

Процеси асиміляції не завжди перебувають у рівновазі з процесами дисиміляції. На процеси асиміляції й дисиміляції впливають такі чинники, як умови середовища, вік, стать, спосіб життя, вид діяльності, фізіологічний стан тощо.

Отже, асиміляція й дисиміляція є взаємно протилежними і нерозривно пов’язаними потоками речовин та енергії. СИНТЕЗ РЕЧОВИН ПОТРЕБУЄ ЕНЕРГІЇ, ЩО ВИВІЛЬНЯЄТЬСЯ ПІД ЧАС РОЗЩЕПЛЕННЯ РЕЧОВИН.

Яке значення речовин, енергії та інформації для біосистем?

Речовина — це сукупність атомів, атомних частинок чи молекул, що перебувають у певному агрегатному стані. Хімічні речовини, що складаються з атомів одного виду, є простими (метали і неметали), з атомів різних видів — складними. Складні хімічні речовини поділяються на органічні (наприклад, малі молекули, макромолекули) і неорганічні (оксиди, основи, кислоти й солі). Кожна речовина має свої специфічні властивості, тобто ознаки, за якими можна відрізнити її від інших речовин. Ознаки, за якими різні речовини подібні між собою або відрізняються одна від одної, називаються властивостями речовин. Розрізняють фізичні й хімічні властивості речовин, що визначають хімічні й фізичні процеси, які відбуваються в біосистемах. Речовини надходять до біосистем й беруть участь у пластичних й енергетичних перетвореннях. Пластична функція речовин полягає в утворенні власних речовин, тканин, органів живого. Енергетичні перетворення речовин пов’язані з утворенням або руйнуванням їхніх хімічних зв’язків.

Енергія (від грец. Енергос — діяльний) — це загальна кількісна міра руху і взаємодії всіх видів матерії. Енергія не виникає ні з чого і нікуди не зникає, вона може тільки переходити з одного стану в інший (закон збереження енергії). Внаслідок існування закону збереження енергії поняття «енергія» об’єднує всі явища природи. Поняття енергії пов’язане зі здатністю фізичного тіла або системи виконувати роботу. При цьому тіло або система частково втрачає енергію, витрачаючи її на зміни в навколишніх тілах. Біологічні системи здатні отримувати світлову (енергія Сонця) або хімічну (енергія речовин) енергію ззовні, перетворювати її в різні види (механічну енергію руху, електричну енергію збудження, теплову енергію для терморегуляції тощо).

Інформація (від лат. nformation — пояснення, повідомлення) — це сукупність відомостей (даних), які сприймають із навколишнього середовища (вхідна інформація), видають у навколишнє середовище (вихідна інформація) або зберігають всередині певної системи. Для біологічних систем виокремлюють такі види інформації, як зовнішня й внутрішня, фізична (світлова, звукова, механічна, гравітаційна, теплова) й хімічна (нюхова, смакова). Так, зовнішня інформація про навколишнє середовище сприймається фото-, хемо-, термо-, механорецепторними молекулами чи клітинами, внутрішня генетична інформація записана на ДНК. Завдяки зовнішній інформації здійснюється подразливість живого, а генетична інформація забезпечує індивідуальний розвиток та зв’язок поколінь у часі.

Отже, триєдиний потік речовини, енергії та інформації виконує провідну інтегративну роль для самоорганізації та цілісності біологічних систем.