_-_Purple_Leaf_Blue_(Male)_gathering_nutrients_from_bird_dropping_WLB.jpg/1280px-Close_wing_posture_of_Amblypodia_anita_(Hewitson,_1862)_-_Purple_Leaf_Blue_(Male)_gathering_nutrients_from_bird_dropping_WLB.jpg)
Питание — это биохимический и физиологический процесс, посредством которого организм использует пищу для поддержания своей жизни . Он обеспечивает организмы питательными веществами , которые могут метаболизироваться для создания энергии и химических структур. Неспособность получить необходимое количество питательных веществ приводит к недоеданию . Наука о питании изучает питание, хотя обычно она делает акцент на питании человека .
Тип организма определяет, какие питательные вещества ему нужны и как он их получает. Организмы получают питательные вещества, потребляя органические вещества , потребляя неорганические вещества, поглощая свет или некоторую комбинацию из них. Некоторые могут производить питательные вещества внутри себя, потребляя основные элементы, в то время как некоторые должны потреблять другие организмы, чтобы получить уже существующие питательные вещества. Все формы жизни требуют углерода , энергии и воды , а также различных других молекул . Животным требуются сложные питательные вещества, такие как углеводы , липиды и белки , которые они получают, потребляя другие организмы. Люди развили сельское хозяйство и кулинарию , чтобы заменить добычу и улучшить питание человека. Растения получают питательные вещества через почву и атмосферу. Грибы поглощают питательные вещества вокруг себя, расщепляя их и поглощая через мицелий .
Научный анализ продуктов питания и питательных веществ начался во время химической революции в конце 18 века. Химики 18 и 19 веков экспериментировали с различными элементами и источниками пищи, чтобы разработать теории питания. [1] Современная наука о питании началась в 1910-х годах, когда начали идентифицировать отдельные микроэлементы. Первым витамином, который был химически идентифицирован в 1926 году, был тиамин , а витамин С был идентифицирован как защита от цинги в 1932 году . [2] Роль витаминов в питании изучалась в последующие десятилетия. Первые рекомендуемые диетические нормы для людей были разработаны для устранения страхов болезней, вызванных дефицитом продуктов питания во время Великой депрессии и Второй мировой войны. [3] Из-за своей важности для здоровья человека изучение питания в значительной степени уделяло внимание питанию человека и сельскому хозяйству, в то время как экология является второстепенной проблемой. [4]
Питательные вещества — это вещества, которые обеспечивают организм энергией и физическими компонентами, позволяя ему выживать, расти и размножаться. Питательные вещества могут быть основными элементами или сложными макромолекулами . В органическом веществе обнаружено около 30 элементов , среди которых наиболее важными являются азот , углерод и фосфор . [5] Макронутриенты — это основные вещества, необходимые организму, а микронутриенты — это вещества, необходимые организму в следовых количествах. Органические микронутриенты классифицируются как витамины , а неорганические микронутриенты классифицируются как минералы . [6]
Питательные вещества поглощаются клетками и используются в метаболических биохимических реакциях. К ним относятся реакции подпитки, которые создают метаболиты- предшественники и энергию, биосинтетические реакции, которые преобразуют метаболиты-предшественники в молекулы-строительные блоки, полимеризации , которые объединяют эти молекулы в макромолекулярные полимеры , и реакции сборки, которые используют эти полимеры для построения клеточных структур. [5]
Организмы можно классифицировать по тому, как они получают углерод и энергию. Гетеротрофы — это организмы, которые получают питательные вещества, потребляя углерод других организмов, в то время как автотрофы — это организмы, которые производят свои собственные питательные вещества из углерода неорганических веществ, таких как углекислый газ . Миксотрофы — это организмы, которые могут быть гетеротрофами и автотрофами, включая некоторые планктонные и плотоядные растения . Фототрофы получают энергию от света, в то время как хемотрофы получают энергию, потребляя химическую энергию из вещества. Органотрофы потребляют другие организмы, чтобы получить электроны, в то время как литотрофы получают электроны из неорганических веществ, таких как вода , сероводород , дигидроген , железо(II) , сера или аммоний . [7] Прототрофы могут создавать необходимые питательные вещества из других соединений, в то время как ауксотрофы должны потреблять уже существующие питательные вещества. [8]
В питании рацион организма представляет собой сумму потребляемых им продуктов. [9] Здоровое питание улучшает физическое и психическое здоровье организма. Для этого требуется прием и усвоение витаминов , минералов , незаменимых аминокислот из белков и незаменимых жирных кислот из жиросодержащей пищи. Углеводы , белки и жиры играют важную роль в обеспечении качества жизни , здоровья и долголетия организма. [10] Некоторые культуры и религии имеют ограничения на то, что приемлемо для их рациона. [11]
Круговорот питательных веществ — это биогеохимический цикл, включающий движение неорганических веществ через сочетание почвы, организмов, воздуха или воды, где они обмениваются на органические вещества. [12] Поток энергии — это однонаправленный и нециклический путь, тогда как движение минеральных питательных веществ является циклическим. Минеральные циклы включают цикл углерода , цикл серы , цикл азота , цикл воды , цикл фосфора и цикл кислорода , среди прочих, которые непрерывно перерабатываются вместе с другими минеральными питательными веществами в продуктивное экологическое питание. [12]
Биогеохимические циклы , которые выполняются живыми организмами и естественными процессами, — это циклы воды , углерода , азота , фосфора и серы . [13] Циклы питательных веществ позволяют этим важным элементам возвращаться в окружающую среду после поглощения или потребления. Без надлежащего цикла питательных веществ возникнет риск изменения уровня кислорода, климата и функции экосистемы.
Добыча пищи — это процесс поиска питательных веществ в окружающей среде. Его также можно определить как включающий последующее использование ресурсов. Некоторые организмы, такие как животные и бактерии, могут перемещаться, чтобы найти питательные вещества, в то время как другие, такие как растения и грибы, выходят наружу, чтобы найти питательные вещества. Добыча пищи может быть случайной, при которой организм ищет питательные вещества без метода, или она может быть систематической, при которой организм может идти напрямую к источнику пищи. [14] Организмы способны обнаруживать питательные вещества с помощью вкуса или других форм восприятия питательных веществ , что позволяет им регулировать потребление питательных веществ. [15] Оптимальная теория добычи пищи — это модель, которая объясняет поведение добычи пищи как анализ затрат и выгод , в котором животное должно максимизировать прирост питательных веществ, минимизируя при этом количество времени и энергии, затрачиваемых на добычу пищи. Она была создана для анализа привычек добычи пищи у животных, но ее также можно распространить на другие организмы. [16] Некоторые организмы являются специалистами, которые приспособлены к добыче пищи для одного источника пищи, в то время как другие являются универсалами, которые могут потреблять различные источники пищи. [17]
Дефицит питательных веществ, известный как недоедание , возникает, когда организм не имеет питательных веществ, которые ему нужны. Это может быть вызвано внезапной потерей питательных веществ или неспособностью усваивать надлежащие питательные вещества. Недоедание является не только результатом недостатка необходимых питательных веществ, но также может быть результатом других заболеваний и состояний здоровья. Когда это происходит, организм адаптируется, сокращая потребление и расходы энергии, чтобы продлить использование сохраненных питательных веществ. Он будет использовать сохраненные запасы энергии, пока они не истощатся, а затем он будет расщеплять собственную массу тела для получения дополнительной энергии. [18]
Сбалансированная диета включает в себя соответствующее количество всех основных и второстепенных питательных веществ. Они могут различаться в зависимости от возраста, веса, пола, уровня физической активности и т. д. Недостаток хотя бы одного основного питательного вещества может нанести вред организму, так же как избыток может вызвать токсичность. Ежедневные референтные значения предотвращают дефицит питательных веществ у большинства людей. DRV — это не рекомендации, а совокупность ссылок на питательные вещества для информирования специалистов и политиков о том, каковы максимальные и минимальные нормы потребления питательных веществ для среднестатистического человека. Этикетки продуктов питания также используют DRV в качестве ссылки для создания безопасных рекомендаций по питанию для среднестатистического здорового человека. [19]
Животные являются гетеротрофами, которые потребляют другие организмы для получения питательных веществ. Травоядные — это животные, которые едят растения, плотоядные — это животные, которые едят других животных, а всеядные — это животные, которые едят как растения, так и других животных. [20] Многие травоядные полагаются на бактериальную ферментацию для создания усваиваемых питательных веществ из неперевариваемой растительной целлюлозы, в то время как облигатные плотоядные должны есть мясо животных, чтобы получить определенные витамины или питательные вещества, которые их организмы не могут синтезировать иным образом. Животные, как правило, имеют более высокую потребность в энергии по сравнению с растениями. [21] Макроэлементы, необходимые для жизни животных, — это углеводы, аминокислоты и жирные кислоты . [6] [22]
Все макронутриенты, кроме воды, требуются организму для получения энергии, однако это не единственная их физиологическая функция. Энергия, обеспечиваемая макронутриентами в пище, измеряется в килокалориях, обычно называемых калориями, где 1 калория — это количество энергии, необходимое для повышения температуры 1 килограмма воды на 1 градус Цельсия. [23]
Углеводы — это молекулы, которые хранят значительное количество энергии. Животные переваривают и усваивают углеводы, чтобы получить эту энергию. Углеводы обычно синтезируются растениями в процессе метаболизма, и животные должны получать большую часть углеводов из природы, поскольку у них есть лишь ограниченная способность их генерировать. Они включают сахара , олигосахариды и полисахариды . Глюкоза — самая простая форма углеводов. [24] Углеводы расщепляются для производства глюкозы и короткоцепочечных жирных кислот , и они являются наиболее распространенными питательными веществами для травоядных наземных животных. [25] Углеводы содержат 4 калории на грамм.
Липиды обеспечивают животных жирами и маслами. Они не растворяются в воде и могут хранить энергию в течение длительного периода времени. Их можно получить из множества различных растительных и животных источников. Большинство пищевых липидов представляют собой триглицериды , состоящие из глицерина и жирных кислот. Фосфолипиды и стерины встречаются в меньших количествах. [26] Организм животного будет уменьшать количество жирных кислот, которые он производит, по мере увеличения потребления жиров в рационе, в то время как он увеличивает количество жирных кислот, которые он производит, по мере увеличения потребления углеводов. [27] Жиры содержат 9 калорий на грамм.
Белок, потребляемый животными, расщепляется на аминокислоты, которые впоследствии используются для синтеза новых белков. Белок используется для формирования клеточных структур, жидкостей [28] и ферментов (биологических катализаторов ). Ферменты необходимы для большинства метаболических процессов, а также для репликации , восстановления и транскрипции ДНК . [29] Белок содержит 4 калории на грамм.
Большая часть поведения животных регулируется питанием. Миграционные модели и сезонное размножение происходят в сочетании с доступностью пищи, а ухаживания используются для демонстрации здоровья животного. [30] У животных развиваются положительные и отрицательные ассоциации с продуктами, которые влияют на их здоровье, и они могут инстинктивно избегать продуктов, которые вызвали токсическое повреждение или пищевой дисбаланс, с помощью условного пищевого отвращения . Некоторые животные, такие как крысы, не ищут новые виды пищи, если у них нет дефицита питательных веществ. [31]
Раннее человеческое питание состояло из добычи питательных веществ, как и у других животных, но оно разошлось в начале голоцена с неолитической революцией , в которой люди развили сельское хозяйство для производства продуктов питания. Химическая революция в 18 веке позволила людям изучать питательные вещества в продуктах питания и разрабатывать более совершенные методы приготовления пищи . Основные достижения в экономике и технологиях в 20 веке позволили массовому производству и обогащению продуктов питания лучше удовлетворять потребности людей в питании. [32] Поведение человека тесно связано с питанием человека, что делает его предметом социальной науки в дополнение к биологии. Питание у людей сбалансировано с едой для удовольствия, и оптимальная диета может варьироваться в зависимости от демографических и медицинских проблем каждого человека. [33]
Люди всеядны и едят разнообразную пищу. Выращивание злаков и производство хлеба составляли ключевой компонент питания человека с момента зарождения сельского хозяйства. Древние люди охотились на животных ради мяса, а современные люди одомашнивают животных, чтобы употреблять их мясо и яйца. Развитие животноводства также позволило людям в некоторых культурах потреблять молоко других животных и перерабатывать его в такие продукты, как сыр . Другие продукты, потребляемые людьми, включают орехи, семена, фрукты и овощи. Доступ к одомашненным животным, а также к растительным маслам привел к значительному увеличению потребления человеком жиров и масел. Люди разработали передовые методы обработки пищевых продуктов , которые предотвращают загрязнение патогенными микроорганизмами и упрощают производство продуктов питания. К ним относятся сушка, заморозка, нагревание, измельчение, прессование, упаковка, охлаждение и облучение. Большинство культур добавляют травы и специи в пищу перед употреблением, чтобы придать ей вкус, хотя большинство из них не оказывают существенного влияния на питательность. Другие добавки также используются для повышения безопасности, качества, вкуса и питательной ценности пищи. [34]
Люди получают большую часть углеводов в виде крахмала из злаков, хотя сахар стал более важным. [24] Липиды можно найти в животном жире , молочном жире , растительном масле и листовых овощах , и они также используются для усиления вкуса в пище. [26] Белок можно найти практически во всех продуктах, так как он составляет клеточный материал, хотя определенные методы обработки пищи могут уменьшить количество белка в пище. [35] Люди также могут получать энергию из этанола , который является как пищей, так и лекарством, но он обеспечивает относительно мало необходимых питательных веществ и связан с дефицитом питательных веществ и другими рисками для здоровья. [36]
У людей плохое питание может вызывать заболевания, связанные с дефицитом, такие как слепота , анемия , цинга , преждевременные роды , мертворождение и кретинизм , [37] или состояния, связанные с избытком питательных веществ, такие как ожирение [38] и метаболический синдром . [39] Другие состояния, возможно, вызванные нарушениями питания, включают сердечно-сосудистые заболевания , [40] диабет , [41] [42] и остеопороз . [43] Недоедание может привести к истощению в острых случаях и задержке роста или маразму в хронических случаях недоедания. [37]
У одомашненных животных , таких как домашние животные , домашний скот и рабочие животные , а также других животных в неволе , питание регулируется людьми с помощью корма для животных . Корма и фураж предоставляются скоту. Специализированный корм для домашних животных производится с 1860 года, и последующие исследования и разработки были направлены на удовлетворение потребностей домашних животных в питании. Корм для собак и кошек , в частности, тщательно изучены и, как правило, включают все необходимые питательные вещества для этих животных. Кошки чувствительны к некоторым общим питательным веществам, таким как таурин , и нуждаются в дополнительных питательных веществах, полученных из мяса. Щенки крупных пород подвержены перееданию, так как корм для собак мелких пород более плотный, чем они могут усвоить. [44]
Большинство растений получают питательные вещества через неорганические вещества, поглощаемые из почвы или атмосферы. Углерод, водород, кислород, азот и сера являются основными питательными веществами, которые составляют органический материал в растении и обеспечивают ферментативные процессы. Это поглощаемые ионы в почве, такие как бикарбонат , нитрат , аммоний и сульфат , или они поглощаются в виде газов, таких как углекислый газ, вода, газообразный кислород и диоксид серы . Фосфор, бор и кремний используются для этерификации . Они получаются через почву в виде фосфатов , борной кислоты и кремниевой кислоты соответственно. Другими питательными веществами, используемыми растениями, являются калий, натрий, кальций, магний, марганец, хлор, железо, медь, цинк и молибден. [45]
Растения поглощают необходимые элементы из почвы через свои корни и из воздуха (состоящего в основном из азота и кислорода) через свои листья . Поглощение питательных веществ в почве достигается путем катионного обмена , при котором корневые волоски перекачивают ионы водорода (H + ) в почву через протонные насосы . Эти ионы водорода вытесняют катионы, прикрепленные к отрицательно заряженным частицам почвы, так что катионы становятся доступными для поглощения корнем. В листьях устьица открываются, чтобы впитать углекислый газ и выпустить кислород . [46] Хотя азота в атмосфере Земли много, очень немногие растения могут использовать его напрямую. Поэтому большинству растений необходимо, чтобы в почве, в которой они растут, присутствовали соединения азота. Это становится возможным благодаря тому факту, что в значительной степени инертный атмосферный азот преобразуется в процессе фиксации азота в биологически пригодные формы в почве бактериями. [47]
Поскольку эти питательные вещества не обеспечивают растение энергией, они должны получать энергию другими способами. Зеленые растения поглощают энергию солнечного света с помощью хлоропластов и преобразуют ее в полезную энергию посредством фотосинтеза . [48]
Грибы являются хемогетеротрофами, которые потребляют внешние вещества для получения энергии. Большинство грибов поглощают вещества через корнеобразный мицелий, который растет через источник питательных веществ организма и может расширяться бесконечно. Гриб выделяет внеклеточные ферменты для расщепления окружающих веществ, а затем поглощает питательные вещества через клеточную стенку. Грибы могут быть паразитическими, сапрофитными или симбиотическими. Паразитические грибы прикрепляются и питаются живыми хозяевами, такими как животные, растения или другие грибы. Сапрофитные грибы питаются мертвыми и разлагающимися организмами. Симбиотические грибы растут вокруг других организмов и обмениваются с ними питательными веществами. [49]
Протисты включают всех эукариот , которые не являются животными, растениями или грибами, что приводит к большому разнообразию между ними. Водоросли являются фотосинтезирующими протистами, которые могут вырабатывать энергию из света. Несколько типов протистов используют мицелий, похожий на мицелий грибов. Простейшие являются гетеротрофными протистами, и разные простейшие ищут питательные вещества по-разному. Жгутиконосные простейшие используют жгутик для помощи в охоте за пищей, а некоторые простейшие перемещаются с помощью инфекционных спор, чтобы действовать как паразиты. [50] Многие протисты являются миксотрофными, имея как фототрофные, так и гетеротрофные характеристики. Миксотрофные протисты, как правило, зависят от одного источника питательных веществ, используя другой в качестве дополнительного источника или временной альтернативы, когда его основной источник недоступен. [51]
Прокариоты , включая бактерии и археи , сильно различаются по тому, как они получают питательные вещества в разных группах питания. Прокариоты могут переносить только растворимые соединения через свои клеточные оболочки, но они могут расщеплять химические компоненты вокруг себя. Некоторые литотрофные прокариоты являются экстремофилами , которые могут выживать в средах с недостатком питательных веществ, расщепляя неорганические вещества. [52] Фототрофные прокариоты, такие как цианобактерии и Chloroflexia , могут участвовать в фотосинтезе для получения энергии из солнечного света. Это распространено среди бактерий, которые образуются в матах на поверхности геотермальных источников. Фототрофные прокариоты обычно получают углерод путем ассимиляции углекислого газа через цикл Кальвина . [53]
Некоторые прокариоты, такие как Bdellovibrio и Ensifer , являются хищниками и питаются другими одноклеточными организмами. Хищные прокариоты ищут другие организмы посредством хемотаксиса или случайного столкновения, сливаются с организмом, разрушают его и поглощают высвобождаемые питательные вещества. Хищнические стратегии прокариот включают прикрепление к внешней поверхности организма и его внешнюю деградацию, проникновение в цитоплазму организма или проникновение в периплазматическое пространство организма. Группы хищных прокариот могут отказаться от прикрепления, коллективно производя гидролитические ферменты. [54]
