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第六节生物化学能及其价值转化

一切机器的运转都需要消耗能量（如电能），机器的运转过程实际就是不同能量形式之间的相互转化过程，其中，火力发电机是化学能转化为电能的过程，水力发电机是水力动能转化为电能的过程，电动机是电能转化为机械能的过程，能量是一切机器运转的动力源。生命机体是一种复杂的、有生命的“机器”，其生命过程需要消耗价值，生命机体的生命过程实际上就是不同价值形式之间的相互转化过程，价值是一切生命机体运转的动力源。人类所有高层次的价值都是从低层次的价值转化而来，其中，最低层次的价值形式就是食物中所蕴含的生物化学能。

一、新陈代谢

生物体与外界环境之间的物质和能量交换以及生物体内物质和能量的转变过程叫做新陈代谢。新陈代谢可分为物质代谢和能量代谢两大类：

物质代谢：是指生物体与外界环境之间物质的交换和生物体内物质的转变过程。物质代谢可细分为物质同化作用与物质异化作用两种具体形式。其中，物质同化作用是指生物体从外界摄取营养物质并转变为自身物质；物质异化作用是指生物体内的部分物质被氧化分解并排出代谢废物。

能量代谢：是指生物体与外界环境之间能量的交换和生物体内能量的转变过程。能量代谢可细分为能量同化作用与能量异化作用两种具体形式，其中，能量同化作用是指生物体储存能量；能量异化作用是指生物体释放能量。

物质代谢与能量代谢之间的关系：能量代谢是新陈代谢的本质内容，物质代谢与新陈代谢的形式体现；物质代谢与能量代谢相互促进、共同发展。

二、动物能量代谢的具体内容

动物体内的营养物质主要有糖、脂肪、蛋白质三种，它们经消化转变成为可吸收的小分子营养物质而被吸收入血。在细胞中，这些营养物质经过同化作用（合成代谢），构筑机体的组成成分或更新衰老的组织，并储存能量；同时，这些营养物质经过异化作用（分解代谢）分解为代谢产物，并释放能量。

动物体内的糖、脂肪和蛋白质来源于食物，这些能源物质分子结构中的碳氢键蕴藏着化学能，在氧化过程中碳氢键断裂，生成CO2和H2O，同时释放出蕴藏的能。这些能量的50%以上迅速转化为热能，用于维持体温，并向体外散发。其余不足50%则以高能磷酸键的形式贮存于体内，供机体利用。体内最主要的高能磷酸键化学物是三磷酸腺苷（ATP），机体利用ATP去合成各种细胞组成分子、各种生物活性物质和其他一些物质；细胞利用ATP去进行各种离子和其它一些物质的主动转运，维持细胞两侧离子浓度差所形成的势能；肌肉还可利用ATP所载荷的自由能进行收缩和舒张，完成多种机械功。总的看来，除骨骼肌运动时所完成的机械功（外功）以外，其余的能量最后都转变为热能。

三磷酸腺苷（ATP）由一分子腺苷与三个相连的磷酸根组成的化合物；二磷酸腺苷（ADP）由一分子腺苷与两个相连的磷酸根组成的化合物。当一个ATP分子的磷酸根水解断裂时，会产生二磷酸腺苷，并释放出7.3千卡的能量；反之，二磷酸腺苷与磷酸根反应会生成三磷酸腺苷，这是一种吸能反应。其反应公式是：ADP+Pi+能量=ATP。

对于动物和人类来说，ADP转化成ATP时所需要的能量，来自呼吸作用；对于绿色植物来说，ADP转化成ATP时所需要的能量，来自呼吸作用和光合作用。构成生物体的活细胞，内部时刻进行着ATP与ADP的相互转化，同时也就伴随有能量的释放和储存。因其是能量“携带”和“转运”者，生物学家称ATP为“能量通货”。人体中ATP的总量只有大约0.1摩尔。人体细胞每天的能量需要水解200-300摩尔的ATP，这意味着每个ATP分子每天要被重复利用2000-3000次。ATP不能被储存，因为ATP的合成后必须在短时间内被消耗。

总之，动物的能量代谢主要是依靠三磷酸腺苷（ATP）来完成的。三磷酸腺苷（ATP）作为细胞内能量传递的“分子通货”，是有序化的生物化学能的核心部分，是完成动物能量代谢过程的主角，它的基本功能就是在动物体内储存和传递化学能。

三、新陈代谢的基本过程

动物的新陈代谢可以分解为五个基本过程：

1、从周围环境中获得有机营养物质；

2、分解和吸收有机营养物质；

3、将有机营养物质转变为自身需要的结构元件，即大分子的组成前体；

4、将结构元件装配成自身的大分子，例如蛋白质、核酸、脂质等；

5、提供生命活动所需的一切能量。

四、生物化学能的本质

动物的食物中通常蕴含多种形式的化学能，但是，并不是食物中所蕴含的所有化学能都能够被动物所吸收和利用，一方面是因为食物在消化吸收过程中总会存在或多或少的吸收效率，二方面因为食物中总会存在部分无法被动物消化系统所吸收的能量形式，这些无法吸收的能量将作为废物排出体外。因此，统一价值论所谓的“生物化学能”是指能够被动物所充分吸收和有效利用的那部分生物化学能，是能够进行有序化转化的生物化学能。

生物化学能：生物化学能是指能够被动物所吸收和利用的那部分生物化学能，是能够进行有序化转化的那部分生物化学能。而且，价值的本质就是直接或间接的有序化能量，那么，生物化学能就是动物最基本的价值形式。由于这些有序化的生物化学能主要用于动物的新陈代谢过程，因此也称之为“代谢性价值”。

由于消化系统以及其它相关生理系统的性质不同，不同生命机体对于食物中所蕴含的生物化学能的吸收和利用情况不同，因此同一种食物对于不同种类的动物，将具有不同数量的有序化的生物化学能。同理，同一种食物对于同一种类的不同动物个体，将具有不同数量的有序化的生物化学能。

生物化学能蕴含于食物中的糖、脂肪、蛋白质之中，它们经消化转变成为可吸收的小分子营养物质而被吸收入血。这些小分子营养物质中的碳氢键蕴藏着化学能，在氧化过程中碳氢键断裂，生成CO2和H2O，同时释放出蕴藏的生物化学能。这些生物化学能的50%以上迅速转化为热能，用于维持体温，并向体外散发，其余不足50%则以高能磷酸键的形式贮存于体内，作为动物一切生命活动的动力源。

总之，有序化的生物化学能是蕴含在动物体内的第一种过渡性价值形式，动物以它作为代谢性生命活动的动力源。

五、代谢性消费过程与代谢性消费价值

代谢性消费过程：就是将食物类价值经过消费以后转化为生物化学能的过程，即生物化学能的形成过程。

上述的第二、第三、第四个过程属于代谢性消费过程。

代谢性消费价值：用于代谢性消费过程的价值就是代谢性消费，也就是食物类价值。

食物中所蕴含的生物化学能是能够被生物体有效利用的，因而是一种有序化的化学能。价值的基本特征就是直接或间接的有序化能量，因此食物中的生物化学能是直接的有序化能量，因此它是最基本的价值形式。食物的价值量大小取决于它生物体所转化的有效生物化学能的数量，由于存在转化效率的问题，因此食物的真实价值通常要小于它实际蕴含的生物化学能，即食物中有些生物化学能并不能全部转化为有序化的生物化学能。

六、代谢性生产过程与代谢性生产价值

代谢性生产过程：就是将以生物化学能为动力源，推动各个运动器官的活动，并获取新的食物类价值的过程，即生物化学能的释放过程。

上述的第一和第五个过程属于代谢性生产过程。

代谢性生产价值：用于代谢性生产过程的价值就是代谢性生产价值，也就是生物化学能。

极低等生物的代谢性消费过程与代谢性生产过程是几乎同时进行的，如营腐生或寄生生活的真菌、大多数种类的细菌。一方面，是因为它们的身体体积很小，体内能够积累和贮存的生物化学能极少，无法长期提供体内的能量代谢所需要的生物化学能；二是，是因为它们的生理器官很简单，生命活动的具体内容也较少。当生物体内的生物化学能快要用尽时，如果生物体还没有得到生物化学能的供应时，它们只能通过休眠、停顿、衰减、延缓或死亡等方式来进行应对。

七、生物化学能的来源

新陈代谢可以分为自养型、异养型和兼性营养型三种，生物化学能的来源也相应地分为三种。

1、自养型。绿色植物直接从外界环境摄取无机物及其生物化学能，通过光合作用，将无机物制造成复杂的有机物，并且储存能量，来维持自身生命活动的进行，这样的新陈代谢类型属于自养型。少数种类的细菌，不能够进行光合作用，而能够利用体外环境中的某些无机物氧化时所释放出的能量来制造有机物，并且依靠这些有机物氧化分解时所释放出的能量来维持自身的生命活动，这种合成作用叫做化能合成作用。例如，硝化细菌能够将土壤中的氨（NH3）转化成亚硝酸(HNO2）和硝酸(HNO3），并且利用这个氧化过程所释放出的能量来合成有机物。总之，生物体在同化作用的过程中，能够把从外界环境中摄取的无机物转变成为自身的组成物质，并且储存能量，这种新陈代谢类型叫做自养型。

2、异养型。人和动物不能像绿色植物那样进行光合作用，也不能像硝化细菌那样进行化能合成作用，它们只能依靠摄取外界环境中现成的有机物及其生物化学能，来维持自身的生命活动，这样的新陈代谢类型属于异养型。此外，营腐生或寄生生活的真菌、大多数种类的细菌，它们的新陈代谢类型也属于异养型。总之，生物体在同化作用的过程中，把从外界环境中摄取的现成的有机物转变成为自身的组成物质，并且储存能量，这种新陈代谢类型叫做异养型。

3、兼性营养型。有些生物（如红螺菌）在没有有机物的条件下，能够利用光能固定二氧化碳并以此合成有机物，从而满足自己的生长发育需要；在有现成的有机物的时候，这些生物就会利用现成的有机物来满足自己的生长发育的需要。

八、能量代谢率

生物化学所确定的“能量代谢率”是指机体的能量代谢率是指单位时间单位表面积所消耗的能量，其表示单位为kJ/(m2·h)。要直接测定糖、脂肪和蛋白质在体内氧化时释放的能量是很难的。但根据能量守恒定律，机体消耗的能量应该等于产生的热能和所做的外功之和。若机体在某一段时间内避免做外功，那么所消耗的能量就等于单位时间内产生的热能。由于人的体温是恒定的，因此单位时间的产热量应该等于向外界散发的总热量，所以测定机体在一定时间内散发的总热量，便可知道机体的能量代谢率。机体在一定时间内的产热量一般是以间接测热法推算出来的。我们知道，每一种食物在氧化过程中消耗的氧量，产生的CO2量及热量之间均有一定的比例，例如 1mol的葡萄糖氧化时消耗6molO2，产生6molCO2和一定的热量。我们将某种食物氧化时消耗1LO2所产生的热量称为该食物的氧热价，而将产生的CO2量与耗O2量的比值称为该物质的呼吸商。

基础代谢率（BMR）：是指人体在清醒而又极端安静的状态下，不受肌肉活动、环境温度、食物及精神紧张等影响时的能量代谢率，用BMR来表示。测定基础代谢率，要在清晨未进早餐以前，静卧休息半小时（但要保持清醒），室温维持20℃上下，按间接测热法利用仪器进行测定。基础代谢率的单位为KJ/m2/h（千焦/平方米/小时），即每小时每平方米体表所散发的热量千焦数。

统一价值论中所谓的“能量代谢率”和“基础代谢率”并不考虑生物机体的表面积，因此重新做出如下定义。

能量代谢率（EMR）：生物机体在单位时间所消耗的生物化学能量，用EMR来表示，其度量单位是：千焦/小时。

相对能量代谢率（relative metabolic rate; RMR）：是指实际能量代谢率与基础代谢率之比值，即：

相对能量代谢率（RMR)=能量代谢率/基础代谢率=EMR/BMR

九、生物化学能的价值转化过程

极低等动物的能量代谢过程就是生物化学能与食物类价值（或产品价值）之间的价值转化过程，能量代谢过程包括两个部分：代谢性消费过程与代谢性生产过程，这两个过程通常是相互混合在一起的，没有明显的分离与独立，即极低等动物在进行代谢性消费过程的同时进行着代谢性生产过程，其中，代谢性消费过程是将食物类价值转化为生物化学能的过程，代谢性生产过程是将生物化学能转化为新的食物类价值的过程。就是生物化学能的运行过程（即极低等动物的生命过程）如下图所示：

随着动物的逐渐进化，低等动物的体内能够以脂肪等形式贮存少量的生物化学能，因此它们的代谢性消费过程与代谢性生产过程出现了明显的分离与独立。代谢性消费过程就是动物对于食物类价值的消化吸收过程，代谢性生产过程就是动物对于食物类价值的获取过程，其价值运行过程如下图所示。

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