«На протяжении предыдущих лет обучения вы ознакомились с разнообразным миром организмов: бактерий, растений, грибов, животных. Вы также детально изучали строение и процессы жизнедеятельности человека. В 10-м классе вы ...»

Дорогие десятиклассники!

На протяжении предыдущих лет обучения вы ознакомились с разнообразным миром организмов: бактерий, растений, грибов, животных.

Вы также детально изучали строение и процессы жизнедеятельности человека.

В 10-м классе вы ознакомитесь с достижениями таких биологических

наук, как биохимия, цитология, гистология и др. Вы узнаете об общих

закономерностях функционирования живой природы на различных уровнях ее организации (молекулярном, клеточном и организменном) и обобщите полученные ранее знания. Эти знания помогут вам лучше сориентироваться в сложном, разнообразном и чрезвычайно интересном мире живых существ, понять их взаимосвязи со средой обитания, единство органического мира. Надеемся, что вы осознаете необходимость беречь окружающую природную среду и улучшать ее состояние, охранять и рационально использовать природные ресурсы.

Важными составляющими урока биологии являются лабораторные и практические работы, которые помогут вам глубже усвоить теоретический материал и приобрести элементарные практические навыки в разных отраслях биологии. Учебник, кроме обязательных для уровня стандарта данных, содержит материал, изучение которого предусмотрено программой для учащихся, осваивающих биологию на академическом уровне. Этот материал особым образом выделен в тексте. Впрочем, эти сведения интересны и полезны и для десятиклассников, изучающих основы биологии на уровне стандарта.

Краткий словарь терминов и понятий облегчит вам работу с учебником.

Жизнь на нашей планете поражает сложностью и разнообразием проявлений. Охватить их все в школьном курсе невозможно, поэтому рассмотрим лишь основные общие закономерности. Надо помнить, что и теперь, когда биология достигла значительных успехов в изучении живой природы, перед этой наукой поставлено много нерешенных вопросов, на которые ученые еще не могут дать аргументированных ответов. Много положений современной биологии являются только предположениями, и, возможно, вы станете свидетелями новых выдающихся открытий.

Итак, успехов вам в познании сложного и интересного мира живых организмов! Надеемся, что полученные при изучении биологии знания пригодятся вам в будущем.

Введение Система биологических наук;

значение биологии в жизни человека;

уровни организации живой материи;

методы исследований в биологии;

основные достижения современной биологии;

основные задачи биологических наук на современном этапе.

§ 1. СИСТЕМА БИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК.

СВЯЗЬ БИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК

С ДРУГИМИ НАУКАМИ

Вспомните: какие биологические науки вам известны? Каких вы знаете выдающихся ученых-биологов?

• Биология – комплексная наука о живой природе. Вы уже знаете, что биология исследует разные проявления жизни. Как самостоятельная естественная наука биология зародилась еще до нашей эры, а ее название предложили в 1802 г. независимо друг от друга французский ученый Жан-Батист Ламарк (1744–1829) и немецкий – Готфрид Рейнхольд Тревиранус (1766–1837).

В течение предыдущих лет обучения вы уже познакомились с основами таких биологических наук, как ботаника, микология, зоология, анатомия и физиология человека и др. В следующем году вы узнаете также о достижениях других наук: биохимии, цитологии, вирусологии, биологии индивидуального развития, генетики, экологии, эволюционного учения, систематики, палеонтологии и др. Данные этих и многих других биологических наук позволяют изучать закономерности, присущие всем живым организмам. Рассмотрите рисунок 1.1 и ознакомьтесь с краткими характеристиками основных биологических наук. (Подумайте, какие из биологических наук, приведенных на схеме, по вашему мнению, тесно связаны между собой.) Биологию называют ведущей наукой ХХІ ст. Без достижений биологии в настоящее время невозможны прогресс аграрных наук, здравоохранения, биотехнологии, сохранение окружающей естественной среды и т. п.

• Взаимосвязи биологии с другими науками. Биология тесно связана с другими естественными и гуманитарными науками. В результате взаимоВведение Биология – система наук о жизни на разных уровнях ее организации;

обобщает закономерности, присущие всем организмам;

ее задание – познание сути жизни Биохимия – наука о химическом Молекулярная биология изучает составе живых организмов и проис- процессы, происходящие в живых ходящих в них химических процессах системах на молекулярном уровне Цитология – наука о строении и про- Гистология – наука о строении и цессах жизнедеятельности клеток функциях тканей животных (ткани растений изучает анатомия растений) Биотехнология – прикладная наука, которая разрабатывает и внедряет в Эмбриология – наука о зародышепроизводство промышленные мето- вом этапе развития организмов ды по использованию живых организмов и биологических процессов Вирусология – наука о неклеточной форме жизни – вирусах Биология индивидуального развития – наука о закономерностях индиГенетика – наука о закономерностях видуального развития организмов от наследственности и изменчивости, зарождения до смерти механизмах передачи наследственной информации от родителей потомству Экология – наука о взаимосвязях организмов между собой и условиями Селекция – прикладная наука о создасреды обитания, структуре и функцио- нии новых штаммов микроорганизмов, нировании многовидовых систем сортов растений и пород животных (экосистем, биосферы). Экологические принципы служат теоретической Эволюционное учение – наука, основой охраны природы устанавливающая закономерности исторического развития живой матеБотаника – наука о растениях рии на нашей планете Систематика – наука о видовом раз- Филогения – наука о конкретных нообразии современных и вымерших путях и этапах исторического развиорганизмов. Систематики описывают тия живой материи на нашей планете новые для науки виды, относят их к высшим систематическим единицам – родам, семействам и т. д. и на основе обобщения достижений других областей биологии упорядочивают (классифицируют) знания о живой материи, Микология – наука о грибах создавая систему организмов. Ее задача: описание новых для науки видов, Зоология – наука о животных Физиология – наука о процессах жизнедеятельности организмов.

Подразделы физиологии: физиолоанатомия растений гия растений, животных, человека Рис. 1.1. Краткая характеристика основных биологических наук действия с химией возникла биохимия, а с физикой – биофизика. Биогеография – комплексная наука о распространении живых организмов на Земле – разработана усилиями нескольких поколений ученых, которые изучали флору, фауну, надвидовые сообщества в различных географических областях нашей планеты. Во всех отраслях биологии применяют математические методы обработки собранного материала.

В результате взаимодействия экологии с гуманитарными науками возникла социоэкология (изучает закономерности взаимосвязей человеческого общества и окружающей среды), а биологии человека с гуманитарными науками – антропология, которая исследует появление и эволюцию человека как особенного биосоциального вида, человеческие расы и др.

Философия биологии – наука, которая возникла в результате взаимодействия классической философии с биологией. Она изучает проблемы мировоззрения в свете достижений биологии.

Данные биологических наук о человеке (анатомии, физиологии, генетики человека и т. п.) служат теоретической базой медицины (науки о здоровье человека и его сохранении, заболеваниях, методах их диагностики и лечения).

Во второй половине ХХ ст. благодаря успехам разных естественных наук (физики, математики, кибернетики, химии и проч.) сформировались новые направления биологических исследований:

космическая биология – изучает особенности функционирования живых систем в условиях космических аппаратов и Вселенной;

бионика – исследует особенности строения и жизнедеятельности организмов с целью создания разнообразных технических систем и приборов;

радиобиология – наука о влиянии разных видов ионизирующего излучения на живые системы;

криобиология – наука о влиянии на живую материю низких температур.

Современное общество часто сталкивается с проблемами, находящимися на стыке с другими науками. Например, для оценки последствий антропогенных влияний на живые системы (радиационных, химических и т. п.) необходимы совместные усилия биологов, медиков, физиков, химиков и др. Создание биоинформационных технологий (например, для изучения структуры и функций наборов наследственной информации организмов) невозможно без специальных компьютерных программ. Изучение наследственных болезней человека – также задание для многих наук (генетики, биохимии, медицины и др.).

Ключевые термины и понятия. Биология, система биологических наук.

Биология – комплекс наук, которые исследуют разные проявКратко ления жизни. Название «биология» предложили в 1802 г. франо цузский ученый Ж.-Б. Ламарк и немецкий – Г.Р. Тревиранус.

главном Биология тесно связана с другими естественными и гуманитарными науками.

1. Кто и когда предложил термин «биология»? 2. Какие основные Вопросы для самоконтроля Подумайте. Прочтите очерк об истории развития биологической науки. Какие изобретения человечества способствовали развитию биологии?

Проведите семинарское занятие, на котором, используя разносеминарское занятие, образные источники информации, подготовьте краткие сообщения о жизни и деятельности всемирно известных ученых, сделавших Задание весомый вклад в развитие украинской биологической науки:

для занятия А.О. Ковалевского, И.И. Мечникова, С.Г. Навашина, В.И. ВернадА.О. Ковалевского, в группах ского, И.И. Шмальгаузена, А.В. Фомина, Н.Г. Холодного, Н.Н. Гришко, К.Ф. Кесслера, В.А. Караваева, В.А. Топачевского, А.В. Палладина, С.М. Гершензона, Д.К. Заболотного, А.А. Богомольца, В.Ю. Чаговца,

ОЧЕРК ОБ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ НАУКИ

Человек как составная часть природы издавна стремился изучать окружавших его животных и растения, ведь от этого зависело его выживание. Первые попытки упорядочить накопленные данные о строении животных и растений, процессах их жизнедеятельности и разнообразии принадлежат ученым Древней Греции – Аристотелю (рис. 1.2) и Теофрасту. Аристотель создал первую научную систему для приблизительно 500 видов известных на то время животных и заложил фундамент сравнительной анатомии (попробуйте определить задание этой науки).

Он считал, что живая материя возникла из неживой. Теофраст (372–287 гг. до н. э.) описал разные органы растений и заложил основы ботанической классификации. СиРис. 1.2. Аристотель стемы живой природы этих двух ученых стали основой для европейской биологической науки и существенно не изменялись вплоть до VIII ст. н. э.

В период средневековья (V–XV ст. н. э.) биология развивалась в основном как описательная наука. Накопленные факты в те времена часто были искажены. Так, описывали разных мифических существ, например «морского монаха», который будто являлся морякам перед штормом, или морских звезд с лицом человека и т. п.

В эпоху Возрождения стремительное развитие промышленности, сельского хозяйства, выдающиеся географические открытия поставили перед наукой новые задачи, чем стимулировали ее развитие. Так, становление цитологии связано с изобретением светового микроскопа.

Световой микроскоп с окуляром и объективом появился в начале XVII ст., однако его изобретатель точно неизвестен; в частности, великий итальянский ученый Г. Галилей демонстрировал изобретенный им двухлинзовый увеличительный прибор еще в 1609 г. А в 1665 году, изучая с помощью собственноручно усовершенствованного микроскопа тонкие срезы пробки бузины, моркови и др., Роберт Гук (рис. 1.3) открыл клеточное строение растительных тканей и предложил сам термин «клетка». Приблизительно в это же время голландский натуралист Антони ван Левенгук (рис. 1.4) изготовил уникальные линзы с 150–300-кратным увеличением, через которые впервые наблюдал микроскопические организмы (одноклеточных животных и бактерий), сперматозоиды, эритроциты и их движение в капиллярах.

Все накопленные научные факты о многообразии живого обобщил выдающийся шведский ученый XVIII ст.

напоминают друг друга по особенностям строения, требованиями к окружающей среде, населяют определенную собой и давать плодовитых потомков. Такие группы, каждая из которых имеет определенные отличия от других, он считал видами. Линней положил начало современной систематике, а также создал собственную классификацию Рис. 1.5. Карл растений и животных. Он ввел латинские научные назваЛинней (1707–1778) ния видов, родов и других систематических категорий, Рис. 1.6. Теодор впоследствии дополненные немецким цитологом РудольШванн (1810–1882) В начале ХІХ ст. Жан-Батист Ламарк (рис. 1.7) предложил первую целостную эволюционную гипотезу (1809), эволюции живых существ. Наиболее весомый вклад в последующее развитие эволюционных взглядов внес один из (1859) положила начало теоретической биологии и значительно повлияла на развитие других естественных наук.

Учение Ч. Дарвина впоследствии было дополнено и расРис. 1.7. Жан- ширено трудами его последователей и в качестве заверБатист Ламарк шенной системы взглядов под названием «дарвинизм»

(1744–1829) окончательно сформировалось в начале ХХ ст. Наибольшую роль в развитии дарвинизма того времени сыграл пытался выяснить и схематически отобразить пути исторического развития разных систематических групп животных и растений, заложив основы филогении.

животных и человека внесли русские ученые – Иван Михайлович Сеченов и Иван Петрович Павлов (рис. 1.10, 1.11), о Рис. 1.8. Чарльз Дарвин (1809–1882) В середине XIX ст. был заложен фундамент науки о закономерностях наследственности и изменчивости организмов – генетики. Датой ее рождения считают 1900 год, когда трое ученых, которые проводили опыты по гибридизации растений, – голландец Гуго де Фриз (1848–1935) (ему принадлежит термин мутация), немец Карл Эрих Корренс (1864–1933) и австриец Эрих Чермак (1871–1962) – независимо друг от друга наткнулись на забытую работу чешского исследователя Грегора Менделя (рис. 1.12) «Опыты над растительными гибридами», опубликованную еще в 1865 году. Эти ученые были поражены тем, наРис. 1.9. Эрнст сколько результаты их опытов совпадали с полученными Г. Менделем. Впоследствии законы наследственности, установленные Г. Менделем, признали ученые разных стран, а тщательные исследования доказали их универсальный характер. Название «генетика» предложил в 1906 г. английский ученый Уильям Бетсон (1861–1926).

Огромный вклад в развитие генетики внес американский ученый Томас Хант Морган (рис. 1.13) со своими сотрудниками. Итогом их исследований стало создание хромосомной теории наследственности, которая повлияла на последующее развитие не только генетики, но и биологии в целом. В настоящее время генетика стремительно развивается и занимает одно из центральных мест в биологии.

В конце XIX ст. (1892) русский ученый Дмитрий Иоси- Рис. 1.10. И.М. Сефович Ивановский (1864–1920) открыл неклеточные фор- ченов (1829–1905) мы жизни – вирусы. Это название вскоре предложил голландский исследователь Мартин Виллем Бейеринк (1851–1931). Однако развитие современной вирусологии стало возможно лишь с изобретением электронного микроскопа (30-е годы XX ст.), способного увеличивать объекты в десятки и сотни тысяч раз. Благодаря электронному микроскопу человек смог детально изучить клеточные мембраны, мельчайшие органеллы и включения.

В XX ст. бурно развивались молекулярная биология, генетическая инженерия, биотехнология и т. п. Американский ученый-биохимик Джеймс Уотсон, английские – биолог Френсис Крик (рис. 1.14) и биофизик Моррис Уил- Рис. 1.11. И.П. Павкинс (1916–2004) в 1953 году открыли структуру ДНК (за лов (1849–1936) Рис. 1.12. Грегор Рис. 1.13. Томас Рис. 1.14. Джеймс Уотсон это всем троим в 1962 году присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине), а впоследствии выяснили роль нуклеиновых кислот в сохранении и передаче наследственной информации.

А.О. Ковалевский Генетическая инженерия – это прикладная отрасль молекулярной генетики и биохимии, которая разрабатывает методы перестройки наследственного материала организмов Х.Г. Хорана. В том же году впервые удалось выделить в чистом виде гены бактерии – кишечной палочки. За последние Рис. 1.16. десятилетия ученые расшифровали структуру наследственИ.И. Шмальгаузен ного материала разных организмов (мух-дрозофил, кукурузы и др.) и человека в частности. Это позволяет решить много проблем, например лечение разнообразных заболеваний, увеличение срока жизни человека, обеспечение человечества продуктами питания и др.

За свои исследования в отрасли биохимии в 1953 г. получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине Альберт Липман (1899–1986) за открытие цикла биохимических реакций во время кислородного этапа энергетического обмена (назван циклом Кребса). Американский Рис. 1.17. химик Мелвин Калвин (1911–1997) изучил этапы превраИ.И. Мечников щения оксида углерода в углеводы во время темновой фазы (1845–1916) фотосинтеза (цикл Кельвина), за что получил Нобелевскую врачу-биохимику Стенли Прузинеру (1942 г. р.) была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине за способных вызывать смертельно опасные заболевания головного мозга человека и сельскохозяйственных животных Значительный вклад в развитие биологии сделали украинские ученые. В частности, исследования Александра открыл явление фагоцитоза и развил теорию клеточного имВведение мунитета, за что ему в 1908 году была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине. Он также предложил гипотезу происхождения многоклеточных животных.

А.О. Ковалевского и И.И. Мечникова справедливо считают основателями эволюционной эмбриологии. Всемирную славу украинской ботанической школе принес Сергей Гавриилович Навашин (рис. 1.18), который в 1898 году открыл процесс двойного оплодотворения у цветковых растений.

Трудно представить современное развитие экологии без трудов нашего выдающегося соотечественника – Владимира Ивановича Вернадского (рис. 1.19). Он создал учение о биосфере – единой глобальной экосистеме планеты Земля, а Рис. 1.19.

также ноосфере – новом состоянии биосферы, вызванном ум- В.И. Вернадский ственной деятельностью человека. Как это часто бывает, идеи (1863–1945) В.И. Вернадского опередили свое время. Лишь теперь его прогнозы о ноосфере рассматривают как своеобразную программу, призванную обеспечить гармоничное сосуществование человека и окружающей естественной среды, которое опирается на экологизацию всех сфер деятельности человека: промышленности, транспорта, животноводства и полеводства. В.И. Вернадский основал новую науку – биогеохимию, которая изучает биохимическую деятельность живых организмов по преобразованию геологических оболочек нашей планеты.

Большие достижения в украинской ботанической науке принадлежат Александру Васильевичу Фомину, Николаю Григорьевичу Холодному, Николаю Николаевичу Гришко (1901–1964), зоологической – Карлу Федоровичу Кесслеру (1815– 1881), Владимиру Афанасьевичу Караваеву (1864–1939), Вадиму Александровичу Топачевскому (1930–2004), биохимии – Александру Владимировичу Палладину, Николаю Евдокимовичу Кучеренко (1938–2008), гидробиологии – Александру Рис. 1.20. Отечественные ученые-биологи: 1 – А.В. Фомин (1869–1935);

2 – Н.Г. Холодный (1882–1953); 3 – А.В. Палладин (1885–1972);

4 – С.М. Гершензон (1906–1998); 5 – А.А. Богомолец (1881–1946);

6 –Д.К. Заболотный (1866–1929); 7 – П.Г. Костюк (1924–2010) Викторовичу Топачевскому (1897–1975), радиобиологии – Дмитрию Михайловичу Гродзинскому (в 1929 г. р.), генетике – Сергею Михайловичу Гершензону, микробиологии – Даниилу Кирилловичу Заболотному, физиологии человека и животных – Александру Александровичу Богомольцу, Василию Юриевичу Чаговцу (1873–1941), Платону Григорьевичу Костюку, паразитологии – Александру Прокофьевичу Маркевичу (1905–1999) и многим другим (рис. 1.20).

§ 2. УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИЗНИ

Вспомните: какие признаки присущи растениям, грибам, бактериям и животным? Что такое раздражимость? Какие организмы называют эукариотами и прокариотами? Что такое регенерация, рефлексы, размножение? Что такое популяция, экосистема, биосфера, круговорот веществ?

и клеточное строение листа (1); животное и клеточное строение его ткани (2) Живой материи присущ обмен веществами и энергией с окружающей средой. Организмы способны создавать органические соединения, причем многие из них синтезируют эти вещества из неорганических (растения, цианобактерии, некоторые бактерии и одноклеточные животные).

Питательные вещества (а также Н2О, СО2, О2) живые существа получают из окружающей среды, то есть питаются и дышат. Соединения, которые поступили в живые организмы, изменяются. Часть из них используется для обеспечения собственных потребностей организма в энергии, а другая часть – в качестве строительного материала, необходимого для роста и обновления отдельных клеток и организма в целом. Напомним, что энергия освобождается в результате расщепления органических соединений.

Обмен веществ (метаболизм) – это совокупность физических и химических процессов, которые происходят как в отдельных клетках, так и в целостном многоклеточном организме. Конечные продукты обмена веществ организмы выводят в окружающую среду. Туда же выделяется и часть энергии. Следовательно, любой организм является открытой системой.

Это значит, что он может длительное время функционировать лишь при условиях поступления извне энергии, питательных и других веществ.

Каждая биологическая система способна к саморегуляции. Обмен веществ обеспечивает одно из самых главных условий существования живых существ – поддержание гомеостаза – способности биологических систем сохранять относительное постоянство своего состава и свойств при изменениях условий окружающей среды. Поддержание гомеостаза обеспечивают системы, регулирующие жизненные функции. У многих животных к регуляторным системам относятся нервная, иммунная и эндокринная, у растений – отдельные клетки, которые выделяют биологически активные вещества (фитогормоны, фитонциды и др.). Все процессы жизнедеятельности клетки или организма согласованы между собой.

Биологическим системам присуща способность к поддержанию своей специфической структуры. Например, многие многоклеточные организмы способны к регенерации – восстановлению потерянных или поврежденных частей. Иногда способность к регенерации может быть очень ярко выражена: некоторых губок можно растереть в ступке до кашицеобразного состояния; при помещении такой «кашки» в водную среду отдельные клетки опять объединяются, формируя целостный организм. Из прикопанного небольшого побега ивы со временем вырастает новое дерево.

Характерная черта организмов – способность к движениям. Движения свойственны не только животным, но и растениям (рис. 2.2). Различные микроскопические одноклеточные водоросли, животные или бактерии двигаются в воде с помощью органелл движения – жгутиков.

Живой материи присуща раздражимость – способность воспринимать раздражители внешней и внутренней (то есть те, которые возникают внутри Рис. 2.2. Круговые живой системы) среды и определенным образом на движения лиан вокруг них реагировать. Например, прикосновение к ли- ствола дерева сту мимозы стыдливой (произрастает в Крыму) вызывает его провисание.

У животных реакции на раздражители, осуществляемые при участии нервной системы, называют рефлексами.

Все биологические системы способны к самовоспроизведению (производить себе подобных). Организмы могут воспроизводить себе подобных, то есть размножаться. Благодаря способности к размножению существуют не только отдельные виды, но и жизнь в целом.

Живые организмы способны к росту и развитию. Благодаря росту они увеличивают свои размеры и массу. При этом одни организмы (например, растения, рыбы) растут в течение всей жизни, другие (например, птицы, млекопитающие, человек) – на протяжении лишь определенного времени. Рост обычно сопровождается развитием – качественными изменениями, связанными с приобретением новых черт строения и особенностей функционирования.

Существование организмов тесно связано с сохранением наследственной информации и ее передачей потомству при размножении. Это обеспечивает стабильность существования видов, ведь потомки обычно похожи на своих родителей. В то же время живым существам присуща также изменчивость – способность приобретать новые признаки во время индивидуального развития. Благодаря изменчивости организмы способны приспосабливаться к изменениям окружающей среды. Изменчивость – необходимая предпосылка как для возникновения новых видов, так и для 1 Биологические системы способны к адаптациям. Напомним, что адаптациями называют появление приспособлений у живых систем в ответ на изменения, происходящие в их могут быть связаны с изменениями особенностей строения (вспомните плавательные перепонки у водоплавающих птиц или крокодилов), процессов жизнедеятельности (зимняя птиц) и т. д. Адаптации определяют возможность обитания живых существ в разнообразных условиях окружающей среды.

Таким образом, организмы и надорганизменные формы организации живой материи – это целостные биологические системы, зайца-беляка вались в процессе ее исторического развития.

• Уровни организации живой материи. Различают такие уровни организации живой материи: молекулярный, клеточный, организменный, популяционно-видовой, экосистемный, или биогеоценотический, и биосферный (рис. 2.4).

На молекулярном уровне (рис. 2.4, 1) происходят химические процессы и превращение энергии, а также сохраняется, изменяется и реализуется наследственная информация. Взаимодействия молекул неорганических (вода, соли, неорганические кислоты) и органических (белки, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты и т. п.) соединений лежат в основе процессов жизнедеятельности организмов, в частности обмена веществ. На молекулярном уровне существуют элементарные биологические системы, например вирусы. Этот уровень организации живой материи исследуют молекулярная биология, биохимия, генетика, вирусология.

Клеточный уровень организации живой материи (рис. 2.4, 2) характеризуется тем, что в каждой клетке как одноклеточных, так и многоклеточных организмов происходят обмен веществ и превращение энергии, сохраняется и реализуется наследственная информация. Клетки способны к размножению и передаче наследственной информации дочерним клеткам. Следовательно, клетка является элементарной единицей строения, жизнедеятельности и развития живой материи. Клеточный уровень организации живой материи изучают цитология, гистология, анатомия растений.

Организменный уровень (рис. 2.4, 3). У многоклеточных организмов во время индивидуального развития клетки специализируются по строению и выполняемым функциям, часто формируя ткани. Из тканей формируются органы. Разные органы взаимодействуют между собой в составе определенной системы органов (например, пищеварительной, кровеносной). Этим обеспечивается функционирование целостного организма как интегрированной биологической системы (у одноклеточных организмов организменный уровень совпадает с клеточным).

Организменный уровень организации живой материи изучают много наук. Отдельные группы организмов исследуют ботаника (объект исследования – растения), зоология (объект исследования – животные), микология (объект исследования – грибы), бактериология (объект исследования – бактерии). Строение организмов изучает анатомия, а процессы жизнедеятельности – физиология.

Популяционно-видовой уровень. Все живые организмы относятся к определенным биологическим видам. Организмы одного вида имеют общие особенности строения и процессов жизнедеятельности, экологические требования к среде обитания. Они способны оставлять плодовитых потомков. Особи одного вида объединяются в группы – популяции, которые обитают на определенных частях территории распространения данного вида (рис. 2.4, 4). Популяции одного вида более или менее отграничены от других. Популяции являются не только элементарными единицами вида, но и эволюции, поскольку в них происходят все самые элементарные эволюционные процессы, способные обеспечить формирование новых видов. Это поддерживает биологическое многообразие нашей планеты. На нашей планете обитает почти 2,5 млн видов бактерий, цианобактерий, растений, грибов, животных.

Рис. 2.4. Уровни организации живой материи: 1 – молекулярный (происходят биохимические реакции, кодируется наследственная информация); 2 – клеточный (клетки состоят из молекул); 3 – организменный (многоклеточные организмы состоят из клеток); 4 – популяционно-видовой (виды состоят из популяций, а популяции – из отдельных особей); 5 – экосистемный, или биогеоценотический (состоит из разных видов); 6 – биосферный (биосфера – совокупность всех экосистем планеты) Экосистемный, или биогеоценотический, уровень. Популяции разных видов, которые населяют общую территорию, взаимодействуют между собой и с факторами неживой природы, входят в состав надвидовых биологических систем – экосистем (рис. 2.4, 5). Напомним, что экосистемы, которые занимают территорию с подобными физико-климатическими условиями, называют также биогеоценозами. Биогеоценозы способны к самовоспроизведению. Для них характерны постоянные потоки энергии между популяциями разных видов, а также постоянный обмен веществом между живой и неживой частями биогеоценоза, то есть круговорот веществ.

Биосферный уровень. Отдельные экосистемы нашей планеты в совокупности образуют биосферу – часть оболочек Земли, населенную живыми организмами (рис. 2.4, 6). Биосфера – это целостная экосистема нашей планеты. Биосферный уровень организации живой материи характеризуется глобальным круговоротом веществ и потоками энергии, которые обеспечивают функционирование биосферы. Надорганизменные уровни организации живой материи – популяции, экосистемы и биосферу в целом – изучает экология.

Запомните: все уровни организации живой материи взаимосвязаны между собой: низшие уровни входят в состав более высоких.

Ключевые термины и понятия. Гомеостаз, открытая система, адаптация, биологическая система, популяция, круговорот веществ.

Основные свойства живой материи:

Каждое живое существо, или организм, состоит из отдельных структурно-функциональных единиц – клеток. Неклеточные формы жизни – вирусы – паразитируют внутри клеток других организмов.

Живые организмы и неживые объекты отличаются соотношеКратко нием химических элементов, входящих в их состав. В живых организмах преобладают четыре химических элемента: водоглавном род, углерод, азот и кислород.

Живые системы открыты, то есть способны к обмену веществ и энергией с окружающей средой.

Каждая биологическая система способна к саморегуляции путем поддержания гомеостаза.

Характерная черта большинства живых организмов – способность к движениям.

Живой материи присуща раздражимость, то есть способность воспринимать раздражители внешней и внутренней среды и определенным образом на них реагировать. Для всех биологических систем характерна способность к самовоспроизведению.

Организмам свойственны рост и развитие.

Существование организмов тесно связано с сохранением наследственной информации и ее передачей потомкам во время размножения.

Биологические системы способны к адаптациям – приспособлениям к изменениям, которые происходят во внешней или во внутренней средах.

Различают такие уровни организации живой материи: молекулярный, клеточный, организменный, популяционно-видовой, экосистемный, или биогеоценотический, и биосферный.

1. Какие химические элементы наиболее распространены в живых Какие химические элементы наиболее распространены живых организмах? 2. Почему биологические системы относятся к открыорганизмах?

тым? 3. Что такое гомеостаз? 4. Какие вы знаете уровни организации Вопросы для живой материи? 5. Как соотносятся разные уровни организации самоконтроля живой материи между собой? 6. Чем обеспечивается функционирование биосферы?

Подумайте. 1. Чем можно объяснить наличие разных уровней организации живой материи? 2. Пользуясь материалом параграфа, попробуйте сформулировать понятие «жизнь». Можно ли считать его полным?

§ 3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ В БИОЛОГИИ.

ЗНАЧЕНИЕ ДОСТИЖЕНИЙ

БИОЛОГИЧЕСКОЙ НАУКИ В ЖИЗНИ

ЧЕЛОВЕКА И ОБЩЕСТВА

Вспомните: с помощью каких методов исследуют одноклеточные организмы?

• Основные методы биологических исследований. Живую материю на разных уровнях организации изучают с помощью различных методов, основные из которых – сравнительно-описательный, экспериментальный, мониторинг и моделирование. Полученные результаты обрабатывают математически с помощью методов статистического анализа.

Сравнительно-описательный метод служит для описания организмов, процессов или явлений. Его основал древнегреческий ученый Аристотель.

Однако часто недостаточно просто описать новый вид организмов, процесс, ранее неизвестное явление и т. п. Чтобы установить своеобразие объекта исследований, его необходимо сравнить с другими подобными объектами, процессами или явлениями. Например, открытие новых для науки видов невозможно без анализа их сходства и отличия относительно близких форм. То же касается органических соединений, биохимических процессов, строения и функций клеток, тканей, организмов, экосистем и т. п.

Для научного исследования любой биологический объект нужно классифицировать, то есть определить его принадлежность к той или иной группе (например, органических веществ – к белкам, липидам, углеводам или нуклеиновым кислотам и т. п., живых существ – к соответствующему виду, роду, семейству и т. д.). Сравнение объектов исследования возможно лишь в пределах определенного уровня организации (например, сравнение определенной молекулы с другими молекулами, клетки – с другими клетками, вида – с другими видами и т. п.).

Экспериментальный метод заключается в том, что исследователи активно вмешиваются в строение объектов исследований, ход естественных Рис. 3.1. Современные биологические лаборатории процессов или явлений и наблюдают результаты такого вмешательства.

Эксперименты бывают полевые и лабораторные. Полевые эксперименты проводят в естественных условиях: на экспериментальных участках изучают действие определенных веществ на рост растений, испытывают методы борьбы с вредителями, исследуют влияние хозяйственной деятельности человека на естественные экосистемы и т. п. Лабораторные эксперименты проводят в специально оборудованных помещениях (лабораториях) (рис. 3.1). В таких исследованиях часто используют подопытные организмы, которых ученые размножают и содержат также в искусственных условиях (лабораторные культуры). Некоторые лабораторные культуры дали начало промышленным культурам, которые используют для получения необходимых человеку продуктов. Это одно из направлений исследований в биотехнологии (например, использование дрожжей в хлебопекарском деле; бактерий и грибов – для получения антибиотиков и т. п.).

Мониторинг – постоянное наблюдение за ходом определенных процессов в отдельных популяциях, экосистемах, биосфере в целом или за состоянием определенных биологических объектов. Его осуществляют в основном на популяционно-видовом, биогеоценотическом или биосферном уровнях. Мониторинг позволяет не только определять состояние определенных объектов, но и прогнозировать возможные изменения, анализировать их последствия. Например, изменения в климате нашей планеты возможны в связи с накоплением в атмосфере углекислого газа.

Осуществляя мониторинг этого явления, можно предположить, как оно будет влиять на изменения климата отдельных частей нашей планеты.

Таким образом, мониторинг помогает своевременно обнаруживать и спрогнозировать негативные изменения в структуре и функционировании отдельных популяций, экосистем или биосфере и вовремя разработать мероприятия по устранению таких изменений.

Моделирование – метод исследования и демонстрации структур, функций, процессов с помощью их упрощенной имитации. Моделирование является обязательным этапом многих научных исследований, потому что позволяет изучать объекты и процессы, которые невозможно непосредственно наблюдать или воспроизводить экспериментально. Любая модель неминуемо упрощена. Она не может показать всю сложность объектов, в природе, а отображает лишь их общие черты или вероятный ход. С помощью моделирования ученые прогнозируют возможные последствия тех или Рис. 3.2. Аквариум в качестве модели водной экосистемы Модели могут быть статическими и динамическими. Примеры статических моделей вам не раз демонстрировали на уроках биологии, например модели строения цветка, головного мозга или других органов. Их можно рассматривать, не вмешиваясь в их структуру. А вот с помощью аквариума (рис. 3.2) можно создать динамическую модель водной экосистемы. Изменяя видовой состав организмов, химические показатели воды, концентрацию отдельных растворенных в ней веществ и т. п., можно наблюдать за результатами такого вмешательства.

Теоретические основы математических моделей биологических процессов и явлений разрабатывает математическая биология. Математическая модель – это численное выражение парных связей (в виде системы дифференциальных уравнений) в пределах определенного объекта, процесса или явления. Изменяя числовое значение одного из показателей, введенных в модель, можно наблюдать, как будут изменяться и другие, то есть, как поведет себя данная система при определенных условиях. Например, можно создать модель пищевых связей в экосистеме, описывая связи между отдельными видами: растение – травоядный вид, травоядный вид – хищник и т. д. (рис. 3.3).

Математическое моделирование в биологии – совокупность математических методов анализа сложных количественных взаимосвязей и закономерностей в биологических системах. Его осуществляют с помощью компьютерной техники, которая позволяет хранить огромные объемы данных и быстро их обрабатывать с помощью специальных программ.

Математическое моделирование дает возможность наблюдать за возможРис. 3.3. Пищевые связи между организмами можно описать с помощью математической модели. (Решите задачу. Зайцу, для того чтобы увеличить массу на 5 кг, надо съесть 50 кг растений. Лисица, если съест одного зайца массой 5 кг, увеличит свою массу только на 500 г. Определите, какая часть пищи усваивается в организме, а какая – теряется) ными вариантами хода событий, выделять отдельные связи, комбинировать их и т. д. Предпосылкой создания правильной математической модели служит накопление базы данных наблюдений или экспериментов об определенных явлениях или процессах.

Математическую модель создают в несколько этапов. Последовательно выдвигают рабочую гипотезу и формулируют вопросы, ответы на которые должна предоставить модель; разрабатывают соответствующий математический аппарат; на его основе высчитывают определенные данные; сравнивают их с результатами наблюдений и экспериментов, проверяя правильность модели. В случае существенных расхождений результатов моделирования с реальными данными модель основательно переделывают или отбрасывают, поскольку это свидетельствует об ошибочности рабочей гипотезы или неправильном применении математического аппарата.

Математические модели, например, позволяют определять оптимальное количество особей промысловых животных, которое можно изымать из естественных популяций, чтобы не подорвать их численность; прогнозировать массовые размножения вредителей; последствия антропогенного влияния на отдельные экосистемы и биосферу (например, как увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере влияет на отдельные группы организмов и климат планеты в целом) и т. п.

Статистический метод. Любой накопленный материал, полученный в результате наблюдений, экспериментов или моделирования, нуждается в статистической (математической) обработке. Масса собранных фактов, не проанализированных и не обработанных статистически, не позволяет обнаружить весь объем информации, установить определенные закономерности. Перед обработкой результатов исследователи определяют задания, которые нужно решить, и в зависимости от этого избирают метод математической статистики. Математическая обработка необходима для определения степени достоверности и правильного обобщения полученных результатов.

Статистически достоверную закономерность в биологии можно считать правилом либо научным законом. Биологические законы – это статистически выверенные закономерности, которые обычно не имеют исключений и могут быть истолкованы лишь определенным образом (вспомните законы, какие вы изучали по другим предметам). Со временем вы ознакомитесь с основными биологическими законами, в частности эволюционными, наследственности и др.

• Значение биологии в жизни человека. Бурное развитие наук о жизни во второй половине ХХ ст. способствовало многим открытиям в различных направлениях биологии. Это, в частности, открытие и расшифровка генетического кода, главных звеньев синтеза белка, многих процессов обмена веществ в живой клетке; продолжается интенсивная работа по расшифровке наследственной информации человека, растений и животных.

С участием ученых-биологов достигнут значительный прогресс в своевременном установлении причин (диагностике) разнообразных заболеваний человека, домашних животных и культурных растений, их профилактике и лечении. На основе биологически активных веществ, которые вырабатывают различные организмы, исследователи создают эффективные лекарственные препараты. Современные ученые способны искусВведение ственно изменять наследственный материал организмов. Например, в геном клетки бактерии кишечной палочки введены гены, которые отвечают за образование гормонов, необходимых для лечения ряда заболеваний человека (карликовость, сахарный диабет и др.) (вспомните о причинах этих заболеваний). Раньше эти вещества добывали из животных в небольших количествах, а теперь их можно получать в микробиологических лабораториях соответственно потребностям.

Организмы с измененным наследственным материалом (их называют генетически модифицированными организмами, или ГМО) отличаются устойчивостью к заболеваниям, высокой продуктивностью и т. п. Однако применение этих организмов для производства продуктов питания в настоящее время ограничено, поскольку еще недостаточно исследовано влияние их потребления на здоровье человека и домашних животных.

Современные исследования в областях молекулярной биологии и генетики позволяют обнаруживать дефектные гены, которые приводят к наследственным заболеваниям, и заменять их нормальными копиями.

Экология – наука, призванная своими исследованиями убедить людей в необходимости заботливого отношения к природе, жить по ее законам, а не пытаться их изменить любым способом. Поэтому она служит теоретической базой для планирования и осуществления охраны окружающей природной среды. На базе экологических исследований создаются новые направления охраны как отдельных видов организмов, так и их сообществ.

• Задачи современной биологии в первую очередь заключаются в решении важнейших проблем человечества: увеличение продовольственного потенциала планеты; улучшение экологического состояния среды обитания человека, сохранения его здоровья и долголетия; получение альтернативных источников энергии. Поэтому актуальными в ближайшем будущем будут такие направления исследований:

– установление контроля над самовоспроизведением биоресурсов;

– создание искусственных биологических систем с нужными человеку компонентами, без нарушения экологического равновесия;

– изучение сложных физиолого-генетических функций организма для лечения и предупреждения онкологических и других опасных заболеваний человека;

– использование генетически модифицированных организмов для получения от них белков, антител, ферментов, гормонов, вакцин для нужд пищевой промышленности, медицины и ветеринарии;

– изучение энергетических и синтетических процессов в клетке для внедрения их в промышленные биотехнологии.

Ключевые термины и понятия. Мониторинг, моделирование.

Живую материю на разных уровнях организации исследуют Кратко различными методами, основные из которых – сравнительноо описательный, экспериментальный, мониторинг и моделироглавном вание. Полученные в результате исследований результаты обрабатывают с помощью математико-статистического анализа.

1. Какие вы знаете методы исследований в биологии? 2. Для чего применяют сравнительно-описательный метод исследования?

применяют сравнительно-описательный метод исследования?

3. Чем характеризуется экспериментальный метод? 4. Какое Вопросы для самоконтроля Под Под Подумайте. 1. Какие возможности открывает компьютерная графика в биологичео ских исследованиях? 2. Ознакомьтесь с коротким очерком развития биологической науки (с. 7–12). Какие современные достижения биологической науки, по вашему мнению, помогут решить такие главные проблемы настоящего, как обеспечение человечества продовольствием и энергией?

ТЕСТ НА ЗАКРЕПЛЕНИЕ ЗНАНИЙ

І. ВЫБЕРИТЕ ИЗ ПРЕДЛОЖЕННЫХ ОТВЕТОВ ПРАВИЛЬНЫЙ

1. Укажите, как называют совокупность процессов поступления питательных веществ из внешней среды, их превращения в организме и выделения продуктов жизнедеятельности: а) фагоцитоз; б) метаболизм; в) гомеостаз; г) раздражимость.

2. Определите, как называют способность биологических систем сохранять относительное постоянство состава и свойств своей внутренней среды:

а) фагоцитоз; б) метаболизм; в) гомеостаз; г) адаптация.

3. Отметьте биологические системы, которые находятся на молекулярном уровне организации живой материи: а) грибы; б) растения; в) цианобактерии;

г) вирусы.

4. Определите наивысший уровень организации живой материи: а) популяционно-видовой; б) биосферный; в) организменный; г) экосистемный.

ІІ. ВЫБЕРИТЕ ИЗ ПРЕДЛОЖЕННЫХ ОТВЕТОВ ДВА ПРАВИЛЬНЫХ

1. Укажите биологические системы, способные к саморегуляции: а) популяция в дикой природе; б) порода животных; в) поле пшеницы; г) биогеоценоз.

2. Назовите объекты, которые относятся к надорганизменным биологическим системам: а) экосистема; б) хлоропласт; в) популяция; г) митохондрия.

3. Укажите особенности биологических систем, которые отличают их от неживых объектов: а) способность к саморегуляции; б) способность к росту; в) наличие особенных химических элементов; г) способность к восприятию раздражителей.

4. Укажите, какие надвидовые уровни организации живой материи изучает экология: а) клеточный; б) популяционно-видовой; в) экосистемный; г) биосферный.

ІІІ. ЗАДАНИЕ НА УСТАНОВЛЕНИЕ СООТВЕТСТВИЯ

Установите соответствие между объектами, процессами, явлениями и уровнями организации живой материи, которым они отвечают.

Объекты, процессы и явления Уровни организации живой материи 2 Глобальный круговорот веществ Б Клеточный 4 Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) Г Экосистемный

IV. ВОПРОС ПОВЫШЕННОЙ СЛОЖНОСТИ

Что общего и отличного в проявлениях раздражимости у многоклеточных растений и многоклеточных животных?

ТЕМА 1. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА

ОРГАНИЗМОВ

Химический состав живых организмов и особенности свойства и функции неорганических соединений живых необходимость контроля химического состава питья и возможности устранения заболеваний человека, возникших из-за недостатка или избытка в его рационе

§ 4. ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ ОРГАНИЗМОВ

Вспомните: что общего между живыми и неживыми системами? Какие гормоны выделяет щитовидная железа? Какая их биологическая роль?

Вы уже знаете, что науку, изучающую химический состав живых организмов, строение, свойства и роль обнаруженных в них соединений, пути их возникновения и превращения, называют биологической химией, или биохимией. Она исследует процессы обмена веществ и превращение энергии в организмах на молекулярном уровне. Одна из основных задач биохимии – выяснение механизмов регуляции жизнедеятельности клеток и организма в целом, которые обеспечивают единство процессов обмена веществ и превращение энергии в организме.

• Элементный состав живых организмов. Химический состав организмов, в отличие от объектов неживой природы, относительно постоянный.

Из более 100 разных типов атомов химических элементов и их изотопов в живых организмах обнаружено почти 60. Одни из них являются обязательными для всех без исключения организмов, другие – лишь для отдельных видов. Вместе с тем в живых организмах не обнаружен ни один из химических элементов, какого бы не было в неживой природе. Это одно из свидетельств единства живой и неживой природы.

Более всего в организмах так называемых макроэлементов, то есть химических элементов, суммарная доля которых составляет около 99,9 % массы организма. К ним относятся водород, углерод, азот, кислород, кальций, калий, натрий, железо, магний, сера, хлор, фосфор. Первые четыре из них относят к органогенным элементам, поскольку их суммарная доля составляет почти 98 % массы живых существ. Кроме того, эти элементы являются основными составляющими органических соединений.

Трудно переоценить роль органогенных элементов в обеспечении нормального функционирования организмов. Например, из атомов водорода и кислорода состоят молекулы воды. Стоит вспомнить роль кислорода (О2) в процессе дыхания организмов. Поступая в организм живого существа во время дыхания, он окисляет разные органические соединения. В результате этих процессов высвобождается энергия, которая обеспечивает разнообразные процессы жизнедеятельности. Лишь некоторые организмы, преимущественно бактерии и паразитические одноклеточные животные, могут существовать при отсутствии кислорода; их называют анаэробными.

Атомы азота входят в состав минеральных соединений, которые потребляют из почвы растения. Соединения азота способствуют росту растений, повышению их холодоустойчивости. Азот (N2) преобладает среди других атмосферных газов (около 79 %). И хотя для большинства живых существ этот газ инертен, его могут усваивать из атмосферы некоторые организмы (азотфиксирующие бактерии, цианобактерии). Они поставляют соединения азота в почву, повышая ее плодородие (рис. 4.1).

Поскольку азот входит в состав белков и других органических веществ, его соединения необходимы для нормального роста организмов. А еще вспомните, что азот входит в состав хитина – составляющего компонента клеточной стенки грибов и внешнего скелета членистоногих (рис. 4.2), который придает им дополнительную прочность.

Углерод в составе углекислого газа СО2 обеспечивает воздушное питание растений и некоторых других организмов, способных к фотосинтезу (пурпурные и зеленые серобактерии, цианобактерии, некоторые одноклеточные животные). Эти автотрофные организмы фиксируют СО и используют углерод для синтеза собственных органических веществ.

А далее по цепям питания созданные ими органические соединения передаются гетеротрофным организмам, например грибам и животным.

Соединения кальция входят в состав раковин моллюсков, некоторых одноклеточных животных (фораминифер), панцирей раков, костей и зубов позвоночных животных и др. Важное значение имеет достаточное поступление соединений кальция в организм детей и беременных женщин.

Недостаток соединений кальция у детей может привести к искривлению Рис. 4.1. Круговорот азота в природе: атмосферный азот (1) в результате ряда химических реакций (2, 3) превращается в нитрат-ионы (4); растения (5) поглощают их с помощью корневой системы и синтезируют молекулы, которые потребляют животные (6); останки растений (7) и животных (8) разлагают бактерии (9), возвращая соединения азота в виде нитрат-ионов в почву (4) Соединения калия необходимы для нормальной деятельности нервной и сердечно-сосудистой систем, мускулатуры. Важная роль калия и кальция в регуляции работы сердца: повышенная концентрация ионов Са2+ ускоряет работу сердца, а ионов К+ используют для создания лекарств, которые замедляют сокращения сердечной мышцы.

Рис. 4.2. Азот входит Вы уже знаете, что атом железа входит в состав в состав хитина – дыхательного пигмента – гемоглобина (рис. 4.3, компонента клеточГемоглобин способен связывать газы (вспомных стенок грибов (1) членистоногих (2) или при недостаточном усвоении этого химического элемента могут нарушаться процессы синтеза гемоглобина, возникает заболевание – малокровие, или анемия. Соединения железа, необходимые для кроветворения, содержатся в яблоках и других продуктах растительного происхождения (абрикосах, зелени петрушки и др.), а также печени и яйцах.

Соединения железа и магния необходимы растениям для того, чтобы в их клетках образовывался пигмент хлорофилл. Атом магния входит в состав молекулы хлорофилла, а железо необходимо для синтеза этого соединения. При недостатке или отсутствии этих химических элементов листья растений становятся бледно-зелеными или вообще теряют зеленый цвет. В результате процессы фотосинтеза нарушаются или прекращаются, и растение в конечном итоге погибает. Такое заболевание получило название хлороз (рис. 4.3, 2).

Фосфор способствует работе головного мозга, участвует в формировании скелета и т. п. Соединения фосфора в значительных количествах нужны и растениям. В частности, они способствуют более быстрому созреванию плодов и обеспечивают холодоустойчивость. Соединения фосфора поступают в наш организм с молоком и молочными продуктами, рыбой, яйцами и др.

Свыше 50 химических элементов относятся к группе микроэлементов (йод, кобальт, марганец, медь, молибден, цинк и т. д.), ведь их количество составляет 10–12–10–3 % массы живых существ. Среди них выделяют группу ультрамикроэлементов (свинец, бром, серебро, золото и др.), процентное содержание которых еще ниже. Микроэлементы клетки входят в состав органических и неорганических соединений или находятся в виде ионов.

Хотя содержание микроэлементов в организмах незначительно, их роль в обеспечении нормального функционирования может быть огромной. Вспомните, йод необходим для того, чтобы щитовидная железа производила гормоны (тироксин, трийодтиронин). Недостаточное поступление йода в организм человека с едой или водой может повлечь нарушение синтеза этих гормонов. Как вы помните из курсов Основы здоровья и Биология 9-го класса, это может привести к тяжелым заболеваниям человека, связанным с нарушением обмена веществ, например микседеме, Рис. 4.3. Роль железа в жизни организмов:

1 – эритроциты, в состав которых вхо- дит пигмент гемоглобин; 2 – молекула гемоглобина, в состав которой входит атом железа; 3 – недостаток железа в почве вызывает хлороз растений Рис. 4.4. Эндемический зоб – следствие Рис. 4.5. Недостаток фтора приводит недостатка йода в воде и пище к кариесу – разрушению эмали зубов кретинизму. У людей, проживающих в местностях, где вода и почва содержат мало йода, часто развивается заболевание эндемический зоб (эндемический в переводе из греческого – местный, присущий данной местности), когда разрастаются ткани щитовидной железы (рис. 4.4).

При этом железа синтезирует меньше нормы гормона тироксина. Для профилактики йододефицита в таких местностях йодируют соль: к поваренной соли добавляют йодид калия. Много соединений йода содержат бурые водоросли, например ламинария, или морская капуста.

Вы уже знаете, что в состав эмали зубов входит фтор, который придает ей прочность. Недостаток этого элемента в организме ведет к разрушению эмали. Это заболевание называют кариесом (рис. 4.5). Поэтому, выбирая зубную пасту, обращайте внимание на содержание в ней фтора и кальция, которые укрепляют зубы. Эти элементы есть и в продуктах питания: молоке, сырах, шпинате и др. Цинк необходим для образования гормонов поджелудочной железы, бром – гормонов гипофиза. (Вспомните, какие гормоны производят эти железы.) Кобальт и медь необходимы для процессов кроветворения (вспомните, в состав дыхательных пигментов каких животных входит медь). Кобальт – составляющая витамина В12 (цианкобаламина), недостаток которого в организме приводит к злокачественному малокровию (анемии).

Для человека основным источником поступления витамина В12 служат продукты питания животного происхождения – печень крупного рогатого скота, почки, мясо, сыр, рыбные продукты и т. п.

Соединения кремния входят в состав опорных структур некоторых организмов: клеточных стенок хвощей, панцирей диатомовых водорослей, внутриклеточного скелета радиолярий, скелета некоторых губок и др.

Вместе с тем попадание соединений кремния в органы дыхания может нарушить их функционирование. Так, в результате продолжительного вдыхания производственной пыли, содержащей SiO2, возникает опасное заболевание легких – силикоз. Поэтому людям, работа которых связана с промышленной пылью (например, шахтерам), следует защищать дыхательные пути марлевыми повязками или респираторами.

Ключевые термины и понятия. Макроэлементы, микроэлементы, органогенные элементы.

Химический состав живых организмов, в отличие от объектов неживой природы, относительно постоянный. В зависимости от содержания в организмах химические элементы делят на макро- (свыше 99,9 %) и микроэлементы (меньше чем 0,1 %).

Водород, углерод, азот, кислород относят к органогенным элементам, поскольку их суммарная доля составляет почти 98 % химического состава живых существ.

1. На какие группы разделяют химические элементы в зависимости какие группы разделяют химические элементы зависимости от их процентного содержания в составе живых существ? 2. Какие Вопросы для меры их биологических функций. 3. Какие химические элементы меры их биологических функций. 3. Какие химические элементы самоконтроля называют органогенными почему? Какие химические элементы называют органогенными и почему? 4. Какие химические элементы относят микроэлементам? Какова их роль организмах?

относят к микроэлементам? Какова их роль в организмах?

Под Под Подумайте. О чем может свидетельствовать тот факт, что в организмах отсуто ствуют химические элементы, которые не найдены в неживой природе?

§ 5. РОЛЬ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

В ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОРГАНИЗМОВ

Вспомните: какие основные классы неорганических соединений обнаруживают в живых организмах? Каковы их функции? Что такое радионуклиды, изотопы?

Вам уже известно, что все химические вещества делят на органические и неорганические. Общее содержание неорганических веществ (кроме воды) в разных клетках варьирует в пределах от одного до нескольких процентов. Среди неорганических веществ важную роль в обеспечении функционирования отдельных клеток и целостных организмов играют вода, неорганические кислоты, щелочи и соли.

• Соли неорганических кислот внутри живых организмов растворены в воде (в виде ионов) или находятся в твердом состоянии (например, соли кальция и фосфора в составе скелета человека и большинства позвоночных животных) (рис. 5.1).

Ионы образованы катионами металлов (калия, натрия, кальция, магния и др.) и анионами неорганических кислот (Cl–, HSO4, SO4 НСО3, Разная концентрация ионов Na+ и К+ снаружи и внутри клеток приводит к возникновению разницы электрических потенциалов на окружающих клетки мембранах. Это обеспечивает транспорт веществ через мембраны, а также передачу нервных импульсов. В состав многих ферментов входят ионы Са2+ и Mg2+, которые обеспечивают их активность. Присутствие в плазме крови ионов Са2+ – необходимое условие свертывания крови. При недостатке солей кальция нарушается работа сердечной и скелетных мышц (в частности, возникают судороги).

Постоянное содержание хлорида натрия (0,9 %) в плазме крови необходимо для поддержания гомеостаза нашего организма. Раствор хлорида Рис. 5.1. Соли кальция входят в состав: 1 – раковин фораминифер;

2 – колоний коралловых полипов; 3 – раковин моллюсков; 4 – внутреннего натрия такой концентрации называют физиологическим. Его используют при инъекциях определенных лекарств или вводят при незначительных кровопотерях (вспомните, с какой целью). Ежесуточно в организм человека должно поступать 12–15 г поваренной соли (NaCl).

Всасывание солей начинается еще в желудке, а завершается в кишечнике. Рецепторы, расположенные в стенках кровеносных сосудов и тканях, способны определять концентрацию солей. Импульсы от этих рецепторов поступают к гипоталамусу, который, в свою очередь, регулирует деятельность желез внутренней секреции. В зависимости от содержания солей в организме в результате нейрогуморальной регуляции изменяется их содержание в моче.

Из-за нарушения обмена веществ соли могут откладываться в суставах, что приводит к тяжелым заболеваниям – остеохондрозу и подагре.

Эти заболевания могут привести к снижению подвижности суставов и позвоночника и потере работоспособности. Чтобы избежать этого, необходимо вести активный образ жизни, не злоупотреблять мясными и жирными блюдами, солью и другими приправами, отказаться от алкоголя.

В полостях органов или их выводных протоков могут формироваться плотные образования – «камни». Чаще всего они образуются в желчном пузыре, почечных лоханках и мочевом пузыре при откладывании там солей органических (мочевой) или неорганических (угольной и фосфорной) кислот. В результате развивается мочекаменная болезнь.

Важные функции выполняют в организме и неорганические кислоты.

Мы уже вспоминали, что соляная кислота создает кислую среду в желудке позвоночных животных и человека, обеспечивая активность ферментов желудочного сока. У людей, клетки стенки желудка которых производят недостаточное количество соляной кислоты, нарушаются процессы переваривания белков, увеличивается риск размножения большого количества вредных бактерий и т. п. Увеличение секреции соляной кислоты также опасно для организма человека, так как вызывает изжогу, а со временем – язву желудка.

Остатки серной кислоты, присоединяясь к нерастворимым в воде соединениям, обеспечивают их растворимость. Это способствует выведению таких веществ в растворенном состоянии из клеток и организма. Фосфорная кислота необходима для синтеза АТФ (универсальный накопитель энергии в клетке) и разных типов нуклеиновых кислот.

• Кислотно-щелочной баланс. Внутренняя среда человека имеет определенное соотношение положительных и отрицательных ионов – кислотнощелочной баланс. При его нарушении могут возникать тяжелые заболевания. В частности, при повышении содержания положительных ионов организм плохо усваивает кальций, натрий, калий, а при возрастании содержания отрицательных – медленнее усваивается еда, что негативно влияет на функции печени и почек, способствуют возникновению аллергических состояний, обострению хронических болезней и т. п.

• Экологические заболевания. Не все вещества, поступающие в организм с питьем и едой, полезны. Например, для организма человека опасно поступление солей тяжелых металлов (свинца, хрома и др.) и радионуклидов. Большое количество тяжелых металлов содержится в транспортных выбросах. Поэтому на обочинах автомобильных трасс не следует собирать грибы: они способны накапливать в своем теле эти вещества, а также радионуклиды. Эти соединения могут сыграть роль канцерогенных, то есть способствовать образованию в организме доброкачественных и злокачественных опухолей; приводят к массовому размножению клеток крови:

лейкоцитов (лейкозы), реже – эритроцитов (эритроцитозы). Попадая в организм беременных женщин, радионуклиды могут вызвать нарушения развития плода.

Для организма человека и животных опасны радиоактивные изотопы многих химических элементов: йода, цезия, стронция, урана и др.

Попадая в организм, стронций-90 может откладываться в костях, замещая кальций. В результате этого кости становятся хрупкими. Изотоп йода нарушает функции щитовидной железы. Растения также способны накапливать значительные концентрации радионуклидов. С растительной пищей эти вещества впоследствии попадают в организмы животных и человека.

В результате аварии на ЧАЭС радионуклидами загрязнено свыше 8,4 млн гектаров земель Украины, из них 3,5 млн гектаров пахотные. Если учесть загрязненность почв Украины также тяжелыми металлами и ядохимикатами (пестицидами), то в настоящее время в неудовлетворительном состоянии находится около 20 % территории нашей страны. Наивысший уровень загрязненности почв тяжелыми металлами зафиксирован в Донецкой и Закарпатской областях. В Донецкой области это связано с деятельностью промышленных предприятий и горнодобывающих шахт, а в Закарпатской – неоднократными авариями на горнодобывающих предприятиях Румынии, в результате чего значительное количество тяжелых металлов попали в р. Тису, а во времена ее разливов – на сельскохозяйственные угодья.

Следует отметить, что вокруг больших промышленных предприятий радиус загрязнения токсичными веществами составляет от 1 до 20 км, и их концентрация может превышать предельно допустимую в 5–10 раз. Существенным фактором загрязнения почв являются выбросы выхлопных газов транспортом.

Содержание свинца в почве даже на расстоянии 50 км от трассы может превышать допустимый уровень в 3–4 раза.

Вредно для организма человека и высокое содержание нитратов в питье и пище. Поэтому за содержанием нитратов, например в овощах, должен осуществляться постоянный контроль. Разработаны специальные государственные нормы содержания нитратов и других вредных соединений в продуктах питания и воде. Согласно им определены так называемые предельно допустимые концентрации (ПДК). Если содержание вредных веществ в питье или продуктах питания превышает показатели ПДК, то их к потреблению населением не допускают.

Атмосферу загрязняют выбросы вредных для здоровья человека и других организмов отходов промышленных предприятий, выхлопных газов автомобильного транспорта (соединения серы, азота, угарный газ СО, тяжелые металлы и т. п.). Предприятия строительной и угольной промышленности (цементные и гипсовые заводы, открытые угольные карьеры и др.) являются источниками загрязнения атмосферы Особую опасность для окружающей среды составляют кислотные дожди, вызванные загрязнением атмосферы сернистым газом SO2 (промышленные предприятия и автотранспорт выбрасывают в атмосферу свыше 160 млн тонн сернистого газа ежегодно) и оксидами азота (N2O, N2O3 и NO2). При соединении с водой эти вещества образуют сильные неорганические кислоты. На обширных территориях промышленно развитых стран выпадают осадки, кислотность которых превышает нормальную от 10 до 1000 раз. Из-за кислотных дождей разрушаются экосистемы пресных водоемов, погибают леса (рис. 5.2), резко снижается плодородие Под руководством Международного союза охраны природы и природных ресурсов (МСОП) в настоящее время разработаны стратегические принципы построения экологически стабильного общества, согласованные с правительствами большинства стран мира. Одним из условий поРис. 5.2. Промышленные объекты выбрасывают в атмосферу сернистый газ (1);

следствием этого являются кислотные дожди, которые уничтожают леса (2) строения такого общества является четкое ограничение (квотирование) промышленных выбросов каждой страной. При этом страны, которые не полностью используют свои квоты (это касается, в частности, Украины), могут продавать оставшуюся часть другим. Полученные средства используют для разработки и внедрения технологий, направленных на улучшение состояния окружающей среды.

Общее содержание неорганических веществ (кроме воды) в клетках разных типов варьирует в пределах от одного до Кратко о нескольких процентов. Среди этих соединений важную роль в главном обеспечении нормального функционирования отдельных клеток и целостных организмов играют кислоты, щелочи и соли.

низмов? Какова роль неорганических соединений обеспечении низмов? 2. Какова роль неорганических соединений в обеспечении функционирования организмов? 3. Как радионуклиды влияют на Вопросы для самоконтроля Под Под Подумайте. Во время Чернобыльской катастрофы 1986 г. детям и взрослым из пострадавших территорий давали препараты, содержащие соединения йода. С какой целью это делали?

§ 6. ФУНКЦИИ ВОДЫ В ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

ОРГАНИЗМОВ

Вспомните: какое строение молекулы воды? Как происходит водно-солевой обмен в организме человека? Что такое адаптация, транспирация, ковалентный и водородный типы связей между молекулами?

Из всех химических соединений исключительная роль в обеспечении процессов жизнедеятельности организмов принадлежит воде. Именно в водной среде изначально появилась жизнь на нашей планете, без воды невозможно существование живой материи.

Содержание воды в организмах составляет 60–70 %, а в некоторых случаях – до 98 %. Цитоплазма большинства клеток содержит приблизительно 80 %, а кровь и лимфа человека – свыше 90 % воды. Следовательно, вода образует основу внутренней среды клеток и организмов (цитоплазмы, крови, лимфы, полостной жидкости многоклеточных животных, соков растений и т. п.). В водной среде происходят процессы обмена веществ и превращений энергии. Вода непосредственно участвует в реакциях расщепления органических соединений.

• Структура, свойства и функции воды. Воде присущи уникальные химические и физические свойства. Взгляните на рисунок 6.1: молекула воды (Н2О) состоит из двух атомов водорода, соединенных с атомом кислорода ковалентными связями. На полюсах молекулы воды находятся положительные и отрицательные заряды, то есть она полярная. Благодаря этому две соседние молекулы обычно взаимно притягиваются за счет сил электростатического взаимодействия между отрицательным зарядом атома кислорода одной молекулы и положительным зарядом атома водорода друРаздел I Рис. 6.1. Молекула воды состоит из атома кислорода и двух атомов водорода:

молекулярное взаимодействие и участвует в поддержании структуры некоторых молекул, например белков.

Остальные 95–96 % молекул имеют общее название свободной воды: она не связана с другими соединениями.

В зависимости от температуры среды вода способна изменять агрегатное состояние. При понижении температуры вода из жидкого состояния может переходить в твердое, а при повышении – в газообразное.

Образование кристалликов льда разрушает клеточные структуры. Это приводит к гибели клеток и всего организма. Именно поэтому млекопитающих и человека невозможно заморозить, а затем – разморозить без потери способности возобновления процессов жизнедеятельности.

Под воздействием растворенных в ней веществ вода может изменять свои свойства, в частности точки температур замерзания (плавления) и кипения, что имеет важное биологическое значение. Например, в клетках растений с наступлением зимы повышается концентрация растворов углеводов, членистоногих – глицерина, рыб – белков и т. п. Это снижает температуру, при которой вода переходит в твердое состояние, что предотвращает ее замерзание. Представьте себе: среди насекомых известны ледничники (рис. 6.3), способные не только сохранять активность, но и спариваться на снежном покрове (они обитают и в Украине).

Молекулам воды присуща способность к ионизации, когда они расщепляются на ионы водорода и гидроксила. При этом между молекулами воды и ионами устанавливается динамическое равновесие:

Хотя ионизация химически чистой воды очень слабая (при температуре +25 оС из 10 млн молекул только одна находится в ионизированном состоянии), она играет важную биологическую роль. От концентрации ионов водорода, которую оценивают по водородному показателю (рН – значение негативного десятичного логарифма концентрации ионов Н+), зависят структурные особенности, активность макромолекул и т. п. Нейтральной реакции раствора отвечает рН 7,0. Если его значение ниже – реакция раствора кислая, выше – щелочная. В раз- Рис. 6.3. Ледничник ных частях организма и даже одной клетки значения водородного показателя весьма изменчивы. Это важно для протекания процессов обмена веществ, поскольку одни ферменты активны в щелочной среде, другие – в кислой. Например, у инфузории-туфельки пищеварительные вакуоли периодически «путешествуют» по клетке, оказываясь то в кислой, то в щелочной среде. При этом последовательно активизируются то одни ферменты, то другие, что способствует лучшему перевариванию питательных веществ. Вспомните: у человека и млекопитающих ферменты желудочного сока активны в кислой среде, а поджелудочного – в щелочной.

Растворы, способные противостоять изменению собственного показателя рН при добавлении определенного количества кислоты или щелочи, называют буферными системами. Они состоят из слабой кислоты (донора Н+) и основания (акцептора Н+), способных соответственно связывать ионы гидроксила (ОН–) и водорода (Н+), благодаря чему рН внутри клетки почти не меняется.

Вода определяет физические свойства клеток – объем и внутриклеточное давление (тургор). По сравнению с другими жидкостями у нее относительно высокие температуры кипения и плавления, которые обусловлены водородными связями между молекулами воды.

Вода – значительно лучший растворитель, чем большинство других известных жидкостей. Поэтому все вещества делят на хорошо растворимые (гидрофильные) и нерастворимые (гидрофобные) в воде. К гидрофильным соединениям относится много кристаллических солей, например поваренная соль (NaCl), а также глюкоза, фруктоза, тростниковый сахар и т. п. Гидрофильные соединения содержат полярные (частично электрически заряженные) группы, способные взаимодействовать с молекулами воды или ионизироваться (образовывать ионы из нейтральных частей своей молекулы). Это, например, аминокислоты и белки, которые содержат карбоксильные группы (–СООН) и аминогруппы (–NH2). Гидрофобные вещества (почти все липиды, некоторые белки) содержат неполярные группы, которые не взаимодействуют с молекулами воды. Они растворяются преимущественно в неполярных органических растворителях (хлороформ, бензол и др.).

В состав живой материи также входят амфифильные вещества, например фосфолипиды (соединения липидов с остатками фосфорной кислоты), липопротеиды (соединения липидов с белками), многие белки.

Одна часть молекулы этих соединений проявляет гидрофильные свойства, другая – гидрофобные.

Когда определенное соединение переходит в раствор, его молекулы начинают двигаться и их химическая активность возрастает. Именно поэтому большая часть биохимических реакций происходит в водных растворах.

Вода как универсальный растворитель играет важную роль в обмене веществ. Проникновение в клетку веществ и выведение из нее продуктов жизнедеятельности возможно в основном в растворенном состоянии.

Вода как универсальный растворитель играет чрезвычайно важную роль в транспорте разных соединений в живых организмах. Так, растворы органических и неорганических веществ растения транспортируются по проводящим тканям. У животных такую функцию выполняют кровь, лимфа, тканевая жидкость и т. п.

Вода участвует в сложных биохимических превращениях. Например, при ее участии происходят реакции гидролиза – расщепления органических соединений с присоединением к местам разрывов ионов Н+ или С водой связана способность организмов регулировать свой тепловой режим. Для нее характерна высокая теплоемкость, которая обусловливает способность поглощать тепло при незначительных изменениях собственной температуры. Теплоемкость – количество тепла, необходимого для нагревания тела или среды на 1 С. Благодаря этому вода предупреждает резкие изменения температуры в клетках и организме при ее значительных колебаниях в окружающей среде. Поскольку на испарение воды тратится много теплоты, организмы таким образом защищают себя от перегрева (например, транспирация у растений, потоотделение у млекопитающих, испарение влаги со слизистых оболочек или через кожу у многих животных).

Благодаря высокой теплопроводимости вода обеспечивает равномерное распределение теплоты между тканями и органами организма через кровообращение, лимфообращение, циркуляцию жидкости полости тела у животных, движение растворов по телу растений и т. п.

Водные растворы определенных соединений служат смазкой, которая защищает поверхности, постоянно испытывающие трение.

Например, жидкость, выделяемая внутренней поверхностью суставных сумок, облегчает скольжение суставных поверхностей, уменьшая трение между ними. Она также питает хрящ, который покрывает суставные поверхности костей.

Всем организмам присущ водный баланс – определенное соотношение между поступлением и расходом воды. Если расход воды превышает ее поступление в организм, развивается водный дефицит, который отрицательно влияет на разные процессы жизнедеятельности (у растений – на фотосинтез, транспирацию; у растений и животных – терморегуляцию, протекание и интенсивность физиологических процессов и т. п.). Поэтому поддержание водного баланса – одно из условий нормального функционирования любого организма.

• Водный баланс человека. Содержание воды в организме человека составляет около 65 %. То есть, если масса человека составляет 60 кг, то из них 39 кг приходится на воду. Следует отметить, что содержание воды зависит и от возраста: у новорожденных оно составляет около 75–80 %, в пеТема 1. Неорганические вещества организмов риод завершения роста – 65–70 %, а у пожилых людей – лишь 55–60 %.

Между различными органами и тканями человека вода распределена неравномерно: больше всего ее в крови и почках – 82–83 %, головном мозге – до 80 %, печени – 75 %, мышцах – 70–76 %, в жировой ткани – около 30 %, костях – около 20 %.

Поскольку организм человека ежедневно тратит приблизительно 2–2,5 л воды (она выводится с непереваренными остатками пищи, мочой, потом, испаряется с поверхностей слизистых оболочек ротовой полости и дыхательных путей), то такое же ее количество должно постоянно поступать туда. Пути поступления воды в организм человека разные. Около 1 л воды попадает с продуктами питания, еще почти 300 мл образуется в результате окисления жиров, белков и углеводов (так называемая метаболическая вода), остальная часть поступает в виде питья.

Количество потребленной за сутки воды зависит от условий, в которых находится человек. Так, в зной или при тяжелом физическом труде затраты воды возрастают из-за усиленного потоотделения и значительного испарения через слизистые оболочки. Обезвоживание организма (дегидратация) также возможно в результате нарушений работы кишечника (сильный понос), значительных кровопотерь и т. п. При таких условиях потребление воды необходимо увеличить до 4–7 л на сутки. Вследствие обезвоживания замедляются процессы пищеварения и всасывания питательных веществ, нарушается теплорегуляция; сгущается кровь, нарушается ее транспортная функция, в сосудах могут образовываться сгустки (тромбы). Для человека смертельно опасна потеря свыше 20 % воды.

Человек, который выполняет тяжелый физический труд в условиях повышенной температуры (например, в доменном цехе), теряет лишь в результате усиленного потоотделения до 1,6 л воды за час! Поэтому суточная потребность в воде у него может возрасти до 20 л.

Первым сигналом недостатка воды в организме является ощущение жажды, которое возникает при возбуждении соответствующего центра в гипоталамусе (структура промежуточного мозга). Его специфические рецепторы возбуждаются при увеличении концентрации солей в жидкостях организма или повышении концентрации ионов натрия. Ощущение жажды появляется, если организм человека теряет около 1 % влаги, и исчезает после потребления определенного количества воды, в среднем 0,25–0,5 л.

Таким образом, основные потребности в воде человек удовлетворяет за счет питьевой воды. Поэтому рассмотрим требования к ее качеству.

• Питьевая вода и требования к ее качеству. В Украине требования к качеству питьевой воды определены Государственным стандартом. Согласно ему питьевая вода должна быть эпидемиологически безопасной и безвредной по химическому составу. Безопасность воды в эпидемиологическом отношении определяют как общим количеством микроорганизмов (не более 100 в 1 см3 воды), так и концентрацией клеток кишечной палочки (не больше 3 в 1 дм3 воды). Питьевая вода не должна содержать водные организмы, заметные невооруженным глазом, и пленку на поверхности.

Основными загрязнителями водных объектов в нашей стране являются промышленность (свыше 55 % от общего сброса) и жилищно-коммунальное хозяйство (свыше 40 %). Опасно загрязнение водоемов радионуклидами.

Сточные воды с высокой радиоактивностью (100 и больше Кюри на 1 л воды) должны быть захоронены в подземных бессточных бассейнах или резервуарах.

Кюри (Кi) отвечает активности элемента радона, который находится в состоянии радиоактивного равновесия с 1 г радия-226. 1 Кi = 3,7 · Беккерелей (Бк). 1 Бк равен скорости распада, когда за секунду распадается ядро радиоактивного изотопа.

Вам уже известно, что в реках, озерах и других водоемах происходят естественные процессы самоочищения. В них участвуют разнообразные организмы: бактерии, водоросли, одноклеточные животные, губки, двустворчатые моллюски и др. Скорость этих процессов довольно низкая, поэтому при интенсивном постоянном загрязнении неочищенными бытовыми и промышленными стоками водные экосистемы не успевают самостоятельно очиститься.

Методы очистки сточных вод делят на механические, физико-химические и биологические (рис. 6.4). Механические методы заключаются в очистке воды от взвешенных в ней частиц отстаиванием и фильтрацией.

Эти методы позволяют удалять из бытовых сточных вод до 2/3 нерастворимых примесей, а из промышленных – до 9/10.

С помощью разнообразных физико-химических методов из сточной воды удаляют растворимые неорганические и органические примеси, а также взвешенные в ней мельчайшие частицы.

Завершающим этапом очистки сточных вод является применение биологических методов с использованием искусственно созданных цепей питания, в которые входят определенные виды бактерий, одноклеточных и многоклеточных животных.

Сырая вода из естественных водоемов, а также недостаточно очищенная питьевая вода может стать источником возбудителей разнообразных заболеваний: дизентерии, холеры, брюшного тифа (сальмонеллеза), зараРис. 6.4. Пример современного очистительного сооружения: 1 – распределительный колодец; 2 – отделитель твердых частиц; 3 – отделитель жиросодержащих веществ; 4 – сорбционный фильтр; 5 – контрольный колодец жения паразитическими червями (гельминтами) и т. п. Поэтому перед употреблением воду из колодцев, ручьев, бюветов следует хорошо прокипятить, а водопроводную – профильтровать через специальные очистительные бытовые фильтры.

Для ограничения потерь и сохранения качества пресной воды необходимы такие мероприятия:

– уменьшение расходов воды для обеспечения работы промышленности, транспорта и объектов сельского хозяйства;

– уменьшение расходов пресной воды для бытовых потребностей;

– охрана малых рек, которые играют важную роль в общем водном балансе планеты, в частности – питают большие реки, поддерживают уровень подземных вод;

– создание условий для самоочищения водоемов;

– проведение лесоохранных мероприятий, поскольку в результате уничтожения лесов часто мелеют реки и другие водоемы;

– внедрение эффективных методов очистки сточных вод, осуществление постоянного контроля за санитарным состоянием водоемов и качеством питьевой воды;

– создание замкнутых систем водоснабжения промышленных, аграрных и энергетических объектов.

Ключевые термины и понятия. Гидрофильные, гидрофобные и амфифильные соединения, гидролиз, водный баланс.

Вода составляет основу внутренней среды живых организмов, где происходят процессы обмена веществ и превращения энергии. Вода непосредственно участвует в реакциях расщепления органических соединений.

Водный баланс – это определенное соотношение между постуглавном плением и расходованием воды живой системой.

Вода – универсальный растворитель. Вещества, способные хорошо растворяться в воде, называют гидрофильными (полярными), нерастворимые – гидрофобными (неполярными).

Вода играет ведущую роль в транспорте разных соединений в живых организмах, участвует в сложных биохимических реакциях и процессах теплорегуляции.

1. Почему воду считают универсальным растворителем? 2. Каковы Почему воду считают универсальным растворителем?

свойства воды ка основы внутренней среды живых организмов?

3. Какова роль воды в процессах теплорегуляции организмов?

Вопросы для 4. Что такое водный баланс? 5. Какие соединения называют гидротакое водный баланс?

самоконтроля фильными, гидрофобными амфифильными?

фильными, гидрофобными и амфифильными? 6. Какие требования предъявляют качеству питьевой воды?

Под Под Подумайте. 1. Почему ученые считают, что жизнь на нашей планете возникла именно в водной среде? 2. Какие процессы обеспечивают самоочищение естественных водоемов?

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ВОДЫ

В СОБСТВЕННОМ ОРГАНИЗМЕ

(выполняют учащиеся академического уровня обучения) Цель: исследовать зависимость содержания воды в организме человека от возрастных изменений.

Оборудование: весы, таблицы «Возрастные изменения содержания воды в организме человека».

1. С помощью напольных весов измерьте собственную массу тела.

2. Используя таблицу «Возрастные изменения содержания воды в организме человека», определите содержание воды в собственном организме, учитывая, что в организме подростков в среднем содержится 70 % 3. Подобным образом определите содержание воды в организмах ваших родителей, дедушек и бабушек.

4. Сделайте выводы.

ТЕСТ НА ЗАКРЕПЛЕНИЕ ЗНАНИЙ

1. ВЫБЕРИТЕ ИЗ ПРЕДЛОЖЕННЫХ ОТВЕТОВ ПРАВИЛЬНЫЙ

1. Укажите металл, атом которого входит в состав молекулы гемоглобина:

а) медь; б) кальций; в) калий; г) железо.

2. Укажите элемент, который входит в состав гормонов щитовидной железы:

3. Укажите элемент, который входит в состав молекулы хлорофилла: а) медь;

4. Укажите, как называют растворимые в воде соединения: а) гидрофобные;

б) гидрофильные; в) неорганические; г) органические.

ІІ. ВЫБЕРИТЕ ИЗ ПРЕДЛОЖЕННЫХ ОТВЕТОВ ДВА ПРАВИЛЬНЫХ

1. Укажите химические элементы, которые относятся к органогенным: а) фтор;

б) железо; в) азот; г) водород.

2. Укажите химические элементы, которые относятся к макроэлементам:

а) фосфор; б) бор; в) кобальт; г) сера.

3. Укажите химические элементы, которые относятся к микроэлементам:

а) кальций; б) железо; в) фтор; г) цинк.

ІІІ. ЗАДАНИЯ НА УСТАНОВЛЕНИЕ СООТВЕТСТВИЯ

1. Установите соответствие между недостатком приведенного химического элемента в организме человека и последствиями этого явления.

Химический элемент Последствия недостатка химического элемента 2 Железо (Fe) Б Нарушение образования гормонов поджелудочной железы 2. Установите соответствие между свойствами воды и ее функциями в живых организмах.

1 Полярность молекулы А Создание определенного рН среды 2 Способность к обратимой Б Универсальный растворитель 3 Высокая теплоемкость Г Источник энергии 4 Способность изменять агрегатное Д Предотвращение резких изменений

IV. ВОПРОСЫ ПОВЫШЕННОЙ СЛОЖНОСТИ

1. Какие особенности строения молекул воды обеспечивают ее свойства?

2. В чем заключается роль физико-химических свойств воды в обеспечении процессов жизнедеятельности отдельных клеток и всего организма?

ТЕМА 2. ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА

Строение, свойства и функции основных групп органических соединений: липидов, углеводов, белков, роль органических соединений в обеспечении жизнедеятельности организма человека;

связь между строением молекул органических веществ применение ферментов в хозяйстве человека.

§ 7. ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА ОРГАНИЗМОВ.

ЛИПИДЫ

Вспомните: какие элементы называют органогенными, какие вещества – органическими, гидрофильными и гидрофобными? Какую связь называют ковалентной? Какие функции жиров в живых организмах?

Какие вещества называют гормонами? Какие функции в организме человека выполняют гормоны коры надпочечников и половые гормоны? Каковы функции желчи? Что такое жировое тело членистоногих?

• Органические вещества – это соединения углерода с другими элементами, которые образовались в живых существах. Органические вещества находятся в атмосфере, поверхностных и подземных водах, осадках, почвах и горных породах. В составе органических соединений преобладают органогенные химические элементы (водород, кислород, азот и углерод), а ковалентно соединенные атомы углерода образуют цепочки или ряды колец (так называемый скелет молекулы).

В состав клеток входят различные органические соединения: липиды, углеводы, белки, нуклеиновые кислоты и др. Многие молекулы органических веществ (макромолекулы) имеют большую молекулярную массу.

Так, молекулярная масса большинства белков составляет от 6000 до 1 000 000, некоторых нуклеиновых кислот достигает нескольких миллиардов дальтон (1 дальтон отвечает 1/12 атомной массы изотопа С12, или 1,67 • 10–21 г). Высокомолекулярные органические соединения могут состоять из большого количества одинаковых или разных по химическому строению звеньев (простых молекул – мономеров). Такие соединения называют биополимерами, или макромолекулами. Например, молекулы белков состоят из остатков аминокислот, нуклеиновых кислот – из нуклеотидов, а сложных углеводов (полисахаридов) – из моносахаридов (см. таблицу 7.1).

Органические жиры Остатки трехатомного спирта защитная, регуляторная стероиды Полициклические гидрофобные Биополимеры:

Биологически активные вещества (ферменты, гормоны, витамины, некоторые яды и др.) влияют на процессы обмена веществ и превращения энергии в целом или на отдельные их звенья. Многие из них осуществляют гуморальную регуляцию процессов жизнедеятельности разнообразных организмов. Таким образом, органическими соединениями называют вещества, образованные атомами углерода, соединенными крепкими ковалентными связями. Содержание органических соединений в клетках составляет в среднем 20–30 %. Обзор основных классов этих веществ начнем с липидов.

Липиды – преимущественно гидрофобные органические соединения, которые растворяются в неполярных веществах (эфире, хлороформе, ацетоне и др.). Молекулярная масса липидов обычно составляет 50–1500.

Большинство липидов – производные высших жирных кислот, спиртов или альдегидов.

• Разнообразие липидов. Среди липидов различают простые и сложные. К простым липидам относятся вещества, состоящие из соединенных Рис. 7.1. Воски покрывают поверхность плодов и входят в состав кутикулы листьев (1); из восков медоносные пчелы строят соты (2) между собой остатков жирных кислот (или альдегидов) и спиртов, например жиры и воски.

Сложные липиды – соединения, образованные в результате взаимодействия молекул простых липидов с другими веществами. К ним относятся липопротеиды (соединения липидов и белков), гликолипиды (липидов и углеводов), фосфолипиды (липидов и фосфорной кислоты).

Жиры – сложные эфиры, образованные трехатомным спиртом глицерином и тремя остатками жирных кислот. Они откладываются в виде жировых включений в растительных и животных клетках. Повышенное содержание жиров (до 90 %) характерно для клеток почек, подкожной клетчатки позвоночных, желтого тела членистоногих. У некоторых растений (подсолнечника, грецкого ореха, маслин и др.) много жиров содержится в семенах и плодах.

Воски выполняют в основном защитную функцию. У млекопитающих воски выделяют сальные железы кожи: они придают эластичность коже и уменьшают износ волосяного покрова. У птиц воск выделяет копчиковая железа, расположенная над основой хвоста. Ее секрет придает водоотталкивающие свойства перьевому покрову (вспомните: эта железа хорошо развита именно у водоплавающих птиц). Восковый слой покрывает листья наземных растений и поверхность внешнего скелета членистоногих – обитателей суши, предотвращая избыточное испарение воды поверхностью тела. Хорошо развитые восковые железы расположены в брюшке медоносных рабочих пчел. Как вы помните, из воска пчелы строят соты (рис. 7.1). Воск широко используют в медицине, промышленности и других сферах деятельности человека.

Еще одна важная группа липидов – гидрофобные спирты стероиды.

Углеродная цепочка стероидов образует несколько колец, потому они относятся к так называемым циклическим органическим соединениям.

Стероидную природу, в частности, имеют половые гормоны человека – эстрогены (женские) и андрогены (мужские), а также гормоны надпочечников (кортикостероиды) (рис. 7.2, 1).