Зашто жива бића морају да се хране, да дишу, да излучују? Зашто је за одржање живота, као предуслов, неопходно одвијање метаболизма?

Постоји неколико углова посматрања овог питања и сви они дају увид и чине део објашњења, а овде ћемо дати два најважнија. Први припада такозваној функционалној биологији, која сагледава појаве у живом свету покушавајући да одговори на питања „Како...?” тј. да објасни механизме. Други прати логику еволуционе биологије, чија питања мало чешће почињу са „Зашто... (зашто баш тако, а не другачије)”, тј. зашто је такав исход однео превагу над неким другим и зашто и како је до тога дошло током еволуционе историје.

1. Функционални, физички поглед на неопходност метаболизма

Жива бића су високо уређени системи. Уређеност и ред нису баш тако спонтане појаве у природи. Знате да се енергија не може створити ни уништити, већ да само може мењати облик. При сваком процесу, енергија може само да промени облик и да се пренесе с једног физичког тела на друго, а да притом укупна количина енергија остаје иста. Поред тога, уређеност система који је затворен (изолован, нема размене супстанце и енергије с околином) може спонтано само да опада. Једноставнијим језиком речено, у затвореном систему, спонтано је само повећање нереда! Поменуту неуређеност зовемо још и ентропија. С повећањем ентропије (нереда), смањује се количина искористиве енергије. Ово вам је можда познато из свакодневног живота: за свако одржавање реда, па и оног у вашој соби, потребно је много рада, тј. промета енергије.

У одсуству било ког дејства, системи, у овом случају соба, постају спонтано све више хаотични, неуређени. То је такође део и нашег знања о живим бићима – ако их изолујемо од околине, тј. спречимо размену материје и енергије с околином, она нису у стању да одржавају сопствену уређеност и даље одржавање живота постаје немогуће. То значи да су неред и хаос спонтани, а ред, уређеност и организација (сложеност) нису, јер захтевају рад. Рад се користи за „испумпавање” нереда и „изградњу” реда тј. уређености. С повећањем уређености, по правилу се повећава и количина искористиве енергије.

Управо ту се крије једна од најфасцинантнијих особина живе материје – она је способна да повећава степен сопствене уређености, да се усложњава, „усисава” нову супстанцу у себе и да је организује на само себи својствен начин, уређујући је по својим рецептима, по својој „слици и прилици”. Велики, организовани молекули, садрже много више искористиве енергије него „неорганизовани” атоми или мали молекули.

Питање које нам се намеће је: ако укупна неуређеност може само да расте, како онда живи систем може да повећава уређеност? Зар нису раст, развиће и размножавање – повећање уређености? Рекосмо малопре да су живи системи отворени. То значи, да бисмо могли да применимо правило о спонтаном повећању нереда, ми морамо да живи систем посматрамо заједно са целокупним његовим окружењем.

Да би живи систем повећао сопствену уређеност, смањење уређености, тј. повећање нереда у окружењу мора да буде још веће. Живи систем на неки начин „испумпава” неред ван себе, повећавајући сопствену уређеност, на рачун још већег повећања неуређености у околини.

Биљка, као аутотроф, уз помоћ хлорофила хвата, тј. усваја само одређене таласне дужине видљиве светлости. То сматрамо „уређеним” обликом енергије. Она енергију Сунца претвара у искористиву енергију органских једињења хране, коју потом користи за раст и одржавање уређености тела. У биљном телу, као и у телу хетеротрофа, при сваком метаболичком процесу, део енергије „побегне” у облику топлоте, тј. као „неуређени” облик енергије. Притом, сваки метаболички процес подразумева и промет или промену облика енергије.

Све ово би се могло сликовито представити и овако: у живе системе енергија улази у неком „уређенијем” облику, који се може искористити за вршење рада, тј. погон животних процеса, а излази у облику који је неуређен и хаотичан, а то је топлота. Облици „уређене” енергије које жива бића могу да узимају из средине су или хемијска енергија, у облику хране, или електромагнетно зрачење, тј. његов видљиви део – светлост. Жива бића не могу користити топлоту за одвијање животних процеса, тј. не могу је претворити у друге облике енергије. Стога је топлота, која се увек ослобађа при свим процесима промета и трансформације енергије, у ствари отпадна енергија и не може се користити за метаболичке процесе. Код неких живих бића, део те топлоте помаже одржавању телесне температуре на вредностима погодним за одвијање метаболичких процеса.

Код живих бића је цело тело на приближно истој температури. Она зато не могу да обезбеде себи употребљиву енергију из топлоте и да је претварају у друге облике енергије.

Практично, сви екосистеми, па и цела биосфера (тј. жива бића у њима), спрегнути су између светлости, која као искористиви облик енергије у њих улази, претварајући се одмах у искористиву хемијску енергију у ћелијама, и топлоте, која непрекидно излази из сваког живог бића. Између тог улаза и излаза, енергетски су спрегнуте све метаболичке реакције које чине и покрећу све животне процесе, у читавој биосфери.

2. Еволуциони поглед на неопходност метаболизма

Поред функционалног, физичког погледа на неопходност метаболизма као протока и трансформације енергије (ради одржавања уређености), можемо цео феномен сагледати и с друге, биолошке тј. еволуционе тачке гледишта. Жива бића су непрекидно у компетицији (надметању) једна с другима за храну (хетеротрофи), за простор, уопште за ресурсе које користе из тог простора. То се на крају своди на компетицију за градивне супстанце (C, H, O, N, P, S, Na, K, Ca, Mg, Fe... и њихова једињења) и за енергију (било да је у питању светлосна или хемијска). Она жива бића која су у том такмичењу успешна, узеће за себе више градивних материја и енергије, искористити их за раст, размножавање и одржавање сопствене уређености и, што је најважније, уградити их у сопствено тело или тело својих потомака! У сваком случају, више градивних материја ће узети и уградити, тј. уредити, према „рецептима” својег наследног материјала. Тиме ће их учинити недоступним за друга, мање успешна жива бића, с којима се такмиче.

Да би се то десило, све те градивне материје морају да прођу кроз њихов метаболизам и буду прерађене по њиховим наследним упутствима. На пример, кад једемо пасуљ или свињетину, протеини из њих се разлажу на аминокиселине и оне се поново користе за изградњу протеина, али наших, према упутствима у нашој ДНК. Наравно, уз све то се троши и додатна енергија, јер сав тај рад разградње и поновне изградње не може да се одвија без утрошка енергије.

Жива бића која на ефикаснији начин узимају, прерађују и реорганизују ресурсе спољашње средине (градивне материје и енергију), ефикасније ће их употребити за раст, размножавање и одржавање уређености свог тела. Успешније ће се и размножавати и природна селекција ће полако деловати у њихову корист. Опстаће и њихови потомци, који су наследили њихове гене, током дужег времена или ће их с временом чак бити све више. Природна селекција на тај начин даје преимућство оним живим бићима која имају наследне информације, тј. „рецепте”, за успешне метаболичке процесе.

Она жива бића која немају наследна упутства за успешно одвијање метаболичких процеса, неће опстати, било услед неуспеха у компетицији (за храну, простор, градивне материје или енергију из спољашње средине), или зато што рецимо нису успела да издрже врућину, хладноћу, оскудицу воде или неповољно дејство било ког другог еколошког фактора.