Рассмотрите рисунок 11. Какие химические элементы распространены в земной коре? Приведите примеры веществ, образованных различными химическими элементами. Какими свойствами обладают эти вещества? Каковы их функции в организмах?
Живые тела природы состоят из неорганических и органических веществ. К первым относят воду и минеральные вещества. Основную массу органических веществ составляют четыре класса химических соединений — липиды, углеводы, белки и нуклеиновые кислоты.
Химический состав живого. Все организмы имеют сходный химический состав. В них встречается около 60 элементов периодической системы Д.И. Менделеева. Однако, если сравнить количественное содержание этих элементов в живой и неживой природе, то оно существенно различается. В земной коре на долю кислорода и кремния приходится 75% от общей массы элементов. Основу живого составляют четыре элемента — кислород, углерод, водород и азот, на долю которых приходится около 95% (рис. 11).
В организмах наиболее распространены 20 химических элементов, которые называют элементами—биогенами. К ним относят водород, кислород, углерод, азот, серу, фосфор, кальций, магний, натрий, калий, хлор, железо. Их содержание в разных организмах колеблется от 2 до 0,01%. Многие элементы встречаются в живой природе в микроколичествах. К ним относят йод, фтор, бром, цинк, медь, марганец и многие другие.
Рис. 11. Распространение элементов: 1 — в земной коре; 2 — в организмах
Вода. Самым распространенным веществом в живых телах природы является вода. Ее содержание колеблется от 60 до 98% от общей массы, что зависит от типа клеток, тканей и организмов (рис. 12).
Рис. 12. Вода в живых телах: 1 — тело медузы на 98% состоит из воды; 2 — в сухих семенах фасоли воды 13—14%
Биологическое значение воды связано с ее свойствами: полярностью и способностью молекул образовывать водородные связи, большим поверхностным натяжением и высокими температурами плавления и кипения (рис. 13,1).
Наличием водородных связей объясняется и тот факт, что при обычных условиях вода — жидкость. Благодаря водородным связям при замерзании около О С расстояние между молекулами воды слегка увеличивается. В результате плотность льда уменьшается, и он оказывается легче, чем жидкая вода. Превращаясь в лед в живых клетках и увеличиваясь в объеме, вода может разорвать их стенки и разрушить клетки.
С водородными связями связано и высокое поверхностное натяжение воды. Вода способна слипаться и с другими веществами, чем объясняются ее капиллярные свойства (рис. 13, 2).
Вода обладает высокой теплопроводностью. Благодаря этому свойству тепло быстро и равномерно распределяется по всему объему воды, находящейся в живых клетках, предотвращая перегрев в отдельных местах. При испарении воды происходит существенное охлаждение поверхности, с которой она испаряется. Участие в терморегуляции организмов — еще одна биологическая функция воды.
Рис. 13. Вода и ее капиллярные свойства: 1 — водородные связи между молекулами воды; 2 — вода между частицами почвы и ее транспорт в растение
Вода — универсальный растворитель. Растворимые в воде вещества называют гидрофильными (от греч. ги- дор — вода, филео— люблю). Неполярные вещества, например бензин, жиры, масла, в воде нерастворимы. Такие вещества называют гидрофобными (от греч. гидор — вода, фобос — страх, боязнь).
Вода служит катализатором (ускорителем) многих реакций и средой, где протекают все химические реакции живого. Водные растворы веществ образуют внутреннюю среду клетки. С водой связан и тургор (от лат. тургере — быть набухшим, наполненным) клетки, т. е. напряженное состояние клеточной мембраны, создаваемое давлением внутриклеточной жидкости, которая на 70— 90% состоит из воды. Все свойства и биологические функции воды имеют важное значение для жизни на Земле.
Минеральные вещества. Эти вещества в клетках присутствуют в виде ионов или твердых нерастворимых солей. Они создают кислую либо щелочную реакцию среды в клетках, входят в состав некоторых структур и влияют на протекание в живом различных процессов.
Рис. 14. Минеральные вещества в живых телах: 1 — карбонат и фосфат кальция входит в состав костей и зубов позвоночных животных; 2 — раковины морских простейших радиолярий построены из сульфата стронция
Так, ионы кальция (Са2+) в растениях входят в состав оболочек клеток, у животных — в состав костей и зубов (рис. 14), влияют на свертывание крови. Ионы калия (К") и натрия (Na+) содействуют проведению нервных импульсов, активизируют деятельность ферментов, влияют на рост растений. Ионы хлора (СL-) входят в состав желудочного сока. Ионы магния (Mg2+) содержатся в молекулах хлорофилла. Йод является компонентом гормона щитовидной железы — тироксина. Он влияет на обмен веществ в организме. Ионы железа (Fe2+) входят в состав гемоглобина и участвуют в переносе кислорода. Медь, марганец, бор участвуют в процессах кроветворения, фотосинтеза, повышают урожайность и влияют на ростовые процессы растений. Фтор входит в состав эмали зубов, при его недостатке развивается кариес, а при избытке — флюороз — размягчение костной ткани. Ионы молибдена, хрома, кобальта, цинка активизируют работу ферментов, влияют на обмен веществ. При нехватке этих элементов могут нарушаться процессы жизнедеятельности организмов.
Элементы—биогены, вода, гидрофильные и гидрофобные вещества, минеральные соли.
1. Какие элементы относят к биогенам? 2. Чем определяются уникальные физико-химические свойства воды? Перечислите те из них, которые наиболее важны для организмов. 3. Все живое в основном состоит из углерода, а аналог углерода — кремний, содержание которого в земной коре в 300 раз больше, чем углерода, встречается лишь у очень немногих организмов. Объясните этот факт с точки зрения строения и свойств атомов этих элементов.
Неорганические вещества выполняют биологические функции. Какие? Для ответа на вопрос перечертите в тетрадь и заполните таблицу.
НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА ЖИВОГО
|
Названия веществ |
Биологические функции |