_-_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. Недостаток питательных веществ приводит к недостаточности питания . Наука о питании — это изучение питания, хотя обычно в ней особое внимание уделяется питанию человека .
Тип организма определяет, какие питательные вещества ему необходимы и как он их получает. Организмы получают питательные вещества, потребляя органические вещества , потребляя неорганические вещества, поглощая свет или некоторую их комбинацию. 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. Всем формам жизни необходимы углерод , энергия и вода , а также различные другие молекулы. Животные нуждаются в сложных питательных веществах, таких как углеводы , липиды и белки , и получают их, потребляя другие организмы. Люди развили сельское хозяйство и кулинарию , чтобы заменить добывание пищи 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 XVIII и XIX веков экспериментировали с различными элементами и источниками пищи, чтобы разработать теории питания. [1] Современная наука о питании зародилась в 1910-х годах, когда начали определять отдельные микроэлементы. Первым витамином, который был идентифицирован химическим путем, был тиамин в 1926 году, а витамин С впервые был обнаружен как средство защиты от цинги в 1932 году . [2] Роль витаминов в питании изучалась в последующие десятилетия. Первые рекомендованные диетические нормы для людей были разработаны из-за страха перед болезнями, вызванными нехваткой продуктов питания, примерно во времена Великой депрессии и Второй мировой войны. [3] Из-за своей важности для здоровья человека, изучение питания уделяет большое внимание питанию человека и сельскому хозяйству, в то время как экология является второстепенной задачей. [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 органических веществах содержится около 30 элементов , наиболее важными из которых являются азот , углерод и фосфор . [5] Макронутриенты — это основные вещества, необходимые организму, а микроэлементы — это вещества, необходимые организму в следовых количествах. Органические микроэлементы относятся к витаминам , а неорганические микроэлементы — к минералам . [6]
Питательные вещества поглощаются клетками и используются в метаболических биохимических реакциях. К ним относятся реакции подпитки, которые создают метаболиты-предшественники и энергию, реакции биосинтеза, которые превращают метаболиты-предшественники в молекулы строительных блоков, полимеризации , которые объединяют эти молекулы в макромолекулярные полимеры , и реакции сборки, в которых эти полимеры используются для построения клеточных структур. [5]
Организмы можно классифицировать по способу получения ими углерода и энергии. Гетеротрофы — это организмы, которые получают питательные вещества, потребляя углерод других организмов, а автотрофы — это организмы, которые производят свои собственные питательные вещества из углерода неорганических веществ, таких как углекислый газ . Миксотрофы — организмы, которые могут быть гетеротрофами и автотрофами, включая некоторые планктонные и хищные растения . Фототрофы получают энергию от света, а хемотрофы получают энергию, потребляя химическую энергию из вещества. Органотрофы потребляют другие организмы для получения электронов, тогда как литотрофы получают электроны из неорганических веществ, таких как вода , сероводород , диводород , 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 продуктов, которые он потребляет. [9] Здоровое питание улучшает физическое и психическое здоровье организма. Это требует приема и усвоения 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] В некоторых культурах и религиях могут быть ограничения на то, что приемлемо для их рациона. [11]
Цикл 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 представляет собой 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 других, которые постоянно перерабатываются вместе с другими минеральными питательными веществами в продуктивное экологическое питание. [12]
Биогеохимические круговороты , осуществляемые живыми организмами и природными процессами, — круговороты воды , углерода , азота , фосфора и серы . [13] Циклы питательных веществ позволяют этим важным элементам возвращаться обратно в окружающую среду после поглощения или потребления. Без надлежащего круговорота питательных веществ возникнет риск изменения уровня кислорода, климата и функционирования экосистемы.
Собирательство – это процесс поиска питательных веществ в окружающей среде. Также может быть определено, что оно включает последующее использование ресурсов. Некоторые организмы, такие как животные и бактерии, могут перемещаться в поисках питательных веществ, в то время как другие, такие как растения и грибы, выходят наружу в поисках питательных веществ. Добыча пищи может быть случайной, при которой организм ищет питательные вещества без какого-либо метода, или систематической, при которой организм может идти непосредственно к источнику пищи. [14] Организмы способны обнаруживать питательные вещества по вкусу или другим формам восприятия питательных веществ , что позволяет им регулировать потребление питательных веществ. [15] Теория оптимального кормодобывания — это модель, которая объясняет поведение при добывании пищи как анализ затрат и выгод , в котором животное должно максимизировать получение питательных веществ, одновременно сводя к минимуму количество времени и энергии, затрачиваемых на поиск пищи. Он был создан для анализа пищевых привычек животных, но его также можно распространить на другие организмы. [16] Некоторые организмы являются специалистами, которые приспособлены к добыче 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 необходимых ему питательных веществ. Это может быть вызвано внезапной потерей питательных веществ или неспособностью усваивать необходимые питательные вещества. Недоедание является не только результатом нехватки необходимых питательных веществ, но также может быть результатом других основных заболеваний и состояний здоровья. Когда это происходит, организм адаптируется, уменьшая потребление и расход энергии, чтобы продлить использование накопленных питательных веществ. Он будет использовать накопленные запасы энергии до тех пор, пока они не будут исчерпаны, а затем расщепляет массу собственного тела для получения дополнительной энергии. [18]
Сбалансированная диета включает в себя необходимое количество всех необходимых и второстепенных питательных веществ. Однако он может различаться в зависимости от возраста, веса, пола, уровня физической активности и многого другого. Недостаток хотя бы одного важного питательного вещества может привести к телесному вреду, так же как его избыток может вызвать токсичность. Ежедневные эталонные значения защищают большинство людей от дефицита питательных веществ. DRV – это не рекомендации, а комбинация справочных материалов по питательным веществам, призванная информировать специалистов и политиков о максимальном и минимальном потреблении питательных веществ для среднестатистического человека. На этикетках пищевых продуктов также используются рекомендованные лекарственные препараты в качестве эталона для создания рекомендаций по безопасному питанию для среднестатистического здорового человека.
Животные — гетеротрофы, которые потребляют другие организмы для получения питательных веществ. Травоядные – животные, питающиеся растениями, плотоядные – животные, поедающие других животных, всеядные – животные, питающиеся как растениями, так и другими животными. [19] Многие травоядные животные полагаются на бактериальную ферментацию для создания легкоусвояемых питательных веществ из неперевариваемой растительной целлюлозы, в то время как облигатные плотоядные животные должны есть мясо животных, чтобы получить определенные витамины или питательные вещества, которые их организм не может синтезировать иначе. Животные обычно имеют более высокую потребность в энергии по сравнению с растениями. [20] Макронутриентами, необходимыми для жизни животных, являются углеводы, аминокислоты и жирные кислоты . [6] [21]
Все макронутриенты, кроме воды, необходимы организму для получения энергии, однако это не единственная их физиологическая функция. Энергия, обеспечиваемая макронутриентами, содержащимися в пище, измеряется в килокалориях, обычно называемых калориями, где 1 калория — это количество энергии, необходимое для поднятия 1 килограмма воды на 1 градус Цельсия. [22]
Углеводы — это молекулы, которые хранят значительное количество энергии. Животные переваривают и метаболизируют углеводы для получения этой энергии. Углеводы обычно синтезируются растениями в ходе метаболизма, а животным приходится получать большую часть углеводов из природы, поскольку их способность производить их ограничена. Они включают сахара , олигосахариды и полисахариды . Глюкоза – простейшая форма углеводов. [23] Углеводы расщепляются с образованием глюкозы и короткоцепочечных жирных кислот , которые являются наиболее распространенными питательными веществами для травоядных наземных животных. [24]
Липиды обеспечивают животных жирами и маслами. Они не растворяются в воде и могут сохранять 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. [25] Организм животного будет уменьшать количество вырабатываемых жирных кислот по мере увеличения потребления жиров с пищей, а количество вырабатываемых жирных кислот увеличивается по мере увеличения потребления углеводов. [26]
Белок, потребляемый животными, расщепляется до аминокислот, которые позже будут использоваться для синтеза новых белков. Белок используется для формирования клеточных структур, жидкостей [27] и ферментов (биологических катализаторов ). Ферменты необходимы для большинства метаболических процессов, а также репликации , репарации и транскрипции ДНК . [28]
Поведение животных во многом определяется питанием. Модели миграции и сезонное размножение происходят в сочетании с наличием пищи, а демонстрации ухаживания используются для демонстрации здоровья животного. [29] 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 дисбаланс питания, посредством обусловленного отвращения к пище . Некоторые животные, например крысы, не ищут новые виды пищи, если у них нет дефицита питательных веществ. [30]
Раннее питание человека состояло из поиска питательных веществ, аналогичных питанию других животных, но оно изменилось в начале голоцена с неолитической революцией , во время которой люди развили сельское хозяйство для производства продуктов питания. Химическая революция XVIII века позволила людям изучить питательные вещества в пищевых продуктах и разработать более совершенные методы приготовления пищи . Крупные достижения в экономике и технологиях в 20-м веке позволили массовому производству и обогащению продуктов питания лучше удовлетворять потребности человека в питании. [31] Поведение человека тесно связано с питанием человека, что делает его предметом социальных наук в дополнение к биологии. Питание у людей сбалансировано с едой ради удовольствия, а оптимальная диета может варьироваться в зависимости от демографических показателей и проблем со здоровьем каждого человека. [32]
Люди всеядны и едят разнообразную пищу. Выращивание зерновых и производство хлеба составляли ключевой компонент питания человека с момента возникновения сельского хозяйства. Древние люди охотились на животных ради мяса, а современные люди приручают животных, чтобы потреблять их мясо и яйца. Развитие животноводства также позволило людям в некоторых культурах потреблять молоко других животных и производить из него такие продукты, как сыр . Другие продукты, которые едят люди, включают орехи, семена, фрукты и овощи. Доступ к домашним животным, а также к растительным маслам привел к значительному увеличению потребления человеком жиров и масел. Человечество разработало передовые методы обработки пищевых продуктов , которые предотвращают заражение патогенными микроорганизмами и упрощают производство продуктов питания. К ним относятся сушка, замораживание, нагревание, измельчение, прессование, упаковка, охлаждение и облучение. В большинстве культур перед едой в пищу добавляют травы и специи для придания вкуса, хотя большинство из них не оказывают существенного влияния на питание. Другие добавки также используются для улучшения безопасности, качества, вкуса и питательной ценности пищевых продуктов. [33]
Большую часть углеводов люди получают в виде крахмала из злаков, хотя значение сахара возросло. [23] Липиды можно найти в животном жире , молочном жире , растительном масле и листовых овощах , а также они используются для усиления вкуса пищевых продуктов. [25] Белок можно найти практически во всех продуктах питания, поскольку он составляет клеточный материал, хотя некоторые методы обработки пищевых продуктов могут уменьшить количество белка в пище. [34] Люди также могут получать энергию из этанола , который является одновременно пищей и лекарством, но он обеспечивает относительно мало необходимых питательных веществ и связан с дефицитом питательных веществ и другими рисками для здоровья. [35]
У людей плохое питание может вызвать заболевания, связанные с дефицитом питательных веществ, такие как слепота , анемия , цинга , преждевременные роды , мертворождение и кретинизм , [36] или состояния, вызванные избытком питательных веществ, такие как ожирение [37] и метаболический синдром . [38] Другие состояния, на которые могут влиять нарушения питания, включают сердечно-сосудистые заболевания , [39] диабет , [40] [41] и остеопороз . [42] Недостаточное питание может привести к истощению в острых случаях и остановке маразма в хронических случаях недоедания. [36]
У домашних животных , таких как домашние животные , домашний скот и рабочие животные , а также у других животных в неволе , питание осуществляется человеком через корм для животных . Скот снабжается кормами и кормами . Специализированные корма для домашних животных производятся с 1860 года, и последующие исследования и разработки были направлены на удовлетворение пищевых потребностей домашних животных. Корм для собак и корм для кошек, в частности, тщательно изучен и обычно включает все необходимые питательные вещества для этих животных. Кошки чувствительны к некоторым обычным питательным веществам, таким как таурин , и нуждаются в дополнительных питательных веществах, получаемых из мяса. Щенки крупных пород подвержены перееданию, поскольку корм для собак мелких пород содержит больше энергии, чем они могут усвоить. [43]
Большинство растений получают питательные вещества за счет неорганических веществ, поглощаемых из почвы или атмосферы. Углерод, водород, кислород, азот и сера являются важными питательными веществами, которые составляют органический материал в растении и обеспечивают ферментативные процессы. Они поглощают 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. [44]
Растения поглощают необходимые элементы из почвы через корни и из воздуха (состоящего в основном из азота и кислорода) через листья . Поглощение питательных веществ в почве достигается за счет катионного обмена , при котором корневые волоски перекачивают ионы водорода (H + ) в почву посредством протонных насосов . Эти ионы водорода вытесняют катионы , прикрепленные к отрицательно заряженным частицам почвы, так что катионы становятся доступными для поглощения корнями. В листьях устьица открываются, поглощая углекислый газ и вытесняя кислород . [45] Хотя в атмосфере Земли много азота , очень немногие растения могут использовать его напрямую. Поэтому большинству растений необходимо присутствие соединений азота в почве, в которой они растут. Это становится возможным благодаря тому, что в процессе азотфиксации в почве бактериями в основном инертный атмосферный азот превращается в биологически полезные формы. [46]
Поскольку эти питательные вещества не обеспечивают растение энергией, им приходится получать энергию другими способами. Зеленые растения поглощают энергию солнечного света с помощью хлоропластов и преобразуют ее в полезную энергию посредством фотосинтеза . [47]
Грибы — хемогетеротрофы, потребляющие внешние вещества для получения энергии. Большинство грибов поглощают вещества через корневидный мицелий, который растет за счет источника питательных веществ в организме и может распространяться бесконечно. Гриб выделяет внеклеточные ферменты для расщепления окружающих веществ, а затем поглощает питательные вещества через клеточную стенку. Грибы могут быть паразитическими, сапрофитными и симбиотическими. Паразитические грибы прикрепляются к живым хозяевам, таким как животные, растения или другие грибы, и питаются ими. Сапрофитные грибы питаются мертвыми и разлагающимися организмами. Симбиотические грибы растут вокруг других организмов и обмениваются с ними питательными веществами. [48]
К протистам относятся все эукариоты , которые не являются животными, растениями или грибами, что приводит к большому разнообразию между ними. Водоросли — это фотосинтезирующие протисты, которые могут производить энергию из света. Некоторые виды протистов используют мицелий, похожий на мицелий грибов. Простейшие — гетеротрофные протисты, и разные простейшие ищут питательные вещества по-разному. Жгутиковые простейшие используют жгутик для поиска пищи, а некоторые простейшие путешествуют через инфекционные споры и действуют как паразиты. [49] Многие протисты являются миксотрофами, обладая как фототрофными, так и гетеротрофными характеристиками. Миксотрофные протисты обычно зависят от одного источника питательных веществ, используя другой в качестве дополнительного источника или временной альтернативы, когда его основной источник недоступен. [50]
Прокариоты , включая бактерии и археи , сильно различаются по способам получения питательных веществ в разных группах питания. Прокариоты могут переносить только растворимые соединения через клеточные оболочки, но они могут расщеплять химические компоненты вокруг себя. Некоторые литотрофные прокариоты являются экстремофилами , которые могут выживать в среде, лишенной питательных веществ, расщепляя неорганические вещества. [51] Фототрофные прокариоты, такие как цианобактерии и хлорофлексия , могут участвовать в фотосинтезе для получения энергии из солнечного света. Это часто встречается среди бактерий, образующихся в матах на вершинах геотермальных источников. Фототрофные прокариоты обычно получают углерод в результате ассимиляции углекислого газа в рамках цикла Кальвина . [52]
Некоторые прокариоты, такие как Bdellovibrio и Ensifer , являются хищниками и питаются другими одноклеточными организмами. Хищные прокариоты ищут другие организмы посредством хемотаксиса или случайных столкновений, сливаются с организмом, разлагают его и поглощают высвободившиеся питательные вещества. Хищнические стратегии прокариот включают прикрепление к внешней поверхности организма и ее внешнее разрушение, проникновение в цитоплазму организма или проникновение в периплазматическое пространство организма. Группы хищных прокариот могут отказываться от прикрепления, коллективно производя гидролитические ферменты. [53]
