Страница - 8

§13. Вода и химические элементы. Их значение для живых организмов

Понятие о химических веществах и элемен­тах. Все тела в природе, как живые, так и не­живые, состоят из химических веществ, которые, в свою очередь, состоят из молекул химических элементов. Все химические элементы включены в Периодическую систему Д. И. Менделеева. Вы познакомитесь со свойствами и особенностями не­которых элементов, а также их значением для живых организмов.

Основные свойства воды. Вода по своим свой­ствам - вещество уникальное. Жизнь без нее была бы невозможна. В живых организмах воды содер­жится больше, чем какого-либо другого вещества.

Принято считать, что в среднем воды в организмах более 70%. При этом в костях и сухих семенах воды может быть менее 50%, а в организмах медуз, клетках мозга или зародышей человека - более 92%. Какие же свойства делают воду такой необходимой для жизни?

Поверхностное натяжение - способность мельчайших частиц воды притягиваться друг к другу. Сила поверхностного натяжения позволяет молекулам воды не только удерживаться рядом, но и удер­живать на себе легкие предметы: листья, мелкие семена, водомерок, бумажные кораблики и многое другое (рис. 46).

Именно сила поверхностного натяжения позволяет нам выдувать мыльные пузыри. В условиях невесомости вода принимает форму шара. Считается, что у нее самая большая сила поверхностного на­тяжения.

Это свойство имеет огромное значение для растений. Благодаря силам на­тяжения вода, находящаяся внутри растений, способна подниматься вверх от корня к листьям. В экспериментах доказано, что сила натяжения столба воды внутри тончайшей трубки, похожей на микроскопические сосуды в телах растений, достигает 264 бар. А для того чтобы поднять воду от поверх­ности земли до верхушки секвойи, высота которой достигает 110 м, доста­точно силы всего в 20 бар. Она также играет роль в процессах смачивания, будь то смачивание почвы при поливе или смачивание пищи слюной или желудочным соком.

Температура кипения воды равна 100°С. Именно при такой тем­пературе вода превращается в пар. Замерзает вода при 0°С, т. е. при такой температуре она превращается в лед. Итак, у воды есть три агрегатных состояния: твердое, жидкое и газообразное. В жидком состоянии она находится при температуре от 0° до 100°С.

Важным свойством воды является и ее теплоемкость. Благодаря высокой теплоемкости вода медленно замерзает и медленно остывает. Она является более стабильной, чем окружающая среда.

Еще одно важнейшее уникальное свойство воды - способность к самоочищению. Может быть, вам приходилось видеть, как загрязненная вода, оставленная на несколько дней, стала более прозрачной, а на дне образовался осадок из осевших частиц. Это свойство позволяет водоемам сопротивляться загрязнению, хотя бы частично.

Следующее свойство воды - ее максимальная плотность при тем­пературе +4°С, т. е. твердый лед, образующийся при 0°С, легче воды. Вода - единственное вещество на Земле, плотность которого в жидком состоянии больше, чем в твердом. Поэтому лед всегда образуется на по­верхности водоема, а если он попал туда извне, то всплывает. Это свой­ство позволяет водным организмам выживать в зимнее время, так как водоемы никогда не начинают замерзать со дна, а только с поверхности.

Но самое важное свойство воды - ее способность растворять ве­щества. Конечно, не все вещества растворяются в воде. В ней, напри­мер, не растворяются жиры и некоторые металлы. Но такое количество веществ, которые способны растворяться в воде, не может растворить больше ни одна жидкость. Поэтому воду называют универсальным рас творителем. Большинство веществ могут транспортироваться в жи­вых организмах и взаимодействовать друг с другом, находясь только в растворенном состоянии.

Важнейшие элементы живых организмов. Учитывая, что вы еще не знакомы с основами химии, мы перечислим самые важные элемен­ты, указав их основную роль.

Водород (Н) и кислород (О₂) входят в состав воды, а вместе с угле родом (С) встречаются почти во всех органических веществах. Углерод вместе с кислородом, но без водорода, входит в состав углекислого газа (СО₂), который выделяется всеми организмами при дыхании. Он необ­ходим растениям для жизни и поглощается в ходе фотосинтеза вместе с энергией солнечного света и водой.

Азот (N₂) входит в состав важнейших органических веществ - бел­ков и нуклеиновых кислот, таких как ДНК. Этот элемент необходим растениям для выработки хлорофилла.

Фосфор (Р) есть в составе ДНК и других нуклеиновых кислот, а также мембран клеток. Он необходим растениям для формирования корней, созревания плодов. Участвует в процессе повышения сахари­стости и накоплении масел в семенах. У животных и человека входит в состав зубов и костей.

Калий (К) необходим растениям для формирования стеблей и функционирования клеток. У животных он обязателен в ходе биоэлек­трических явлений в клетках.

Кальции (Са) вместе с фосфором придает твердость костям, зубам, ракушкам и раковинам. В виде отдельных заряженных микрочастиц он входит в состав крови. При недостатке кальция в крови она не сво­рачивается и при порезах не прекращает течь. У растений кальций входит в состав веществ, обеспечивающих соединение клеток растений друг с другом в многоклеточном организме.

Железо (Ғе) встречается в крови всех животных, у которых она красного цвета. Элемент нужен для того, чтобы присоединять кисло­род в органах дыхания и переносить его с током крови к каждой клет­ке организма. Если в почве вообще нет железа, у растений не образу­ется хлорофилл. И хотя в состав хлорофилла само железо никогда не входит, оно необходимо при его образовании в клетках растений.

Знание и понимание:

1. Как вы попили смысл терминов «химические элементы», «химиче­ские вещества»?
2. Перечислите агрегатные состояния воды.

Применение:

1. Сколько воды в составе костей, сухих семян, организма медуз, клеток мозга и зародыша человека?
2. Укажите температуру кипения и замерзания воды.

Анализ:

1. Опираясь на изученный материал, составьте таблицу, отразив в ней свойства воды.
2. Проанализируйте значение важнейших элементов для живых организ­мов.

Синтез:

1. Напишите эссе на тему «Вода - источник жизни», используя дополни­тельный материал и интернет.
2. Объясните, благодаря каким свойствам вода способна подняться от корней к листьям, от поверхности земли - к верхушкам деревьев.

Оценка:

1. Оцените значение воды как универсального растворителя для жизни.
2. Оцените значение для живых организмов таких свойств воды, как вы­сокая теплоемкость и максимальная плотность.

№2. Исследование свойств и значения воды для живых организмов. См. с. 233.

§14. Органические и неорганические вещества

Две группы веществ в составе живого. Все вещества, участвующие в химических процессах в живых организмах, подразделяются на две большие группы: неорганические и органические. Неорганические ве­щества встречаются в больших количествах в неживой природе. Са­мым значимым из них является вода.

Кроме воды к неорганическим веществам относятся кислород, во­дород, железо и все другие простые вещества, состоящие из одного хи­мического элемента. Также к неорганическим относятся такие слож­ные вещества, как соли, например фосфаты кальция, или кислоты, например фосфорная кислота (схема 4).

Органические вещества, в основном, образуются в живых орга­низмах.

Характеристика органических веществ. К органическим веще­ствам относятся нуклеиновые кислоты, углеводы, белки и жиры. Ну­клеиновые кислоты, например ДНК, нужны для сохранения наслед­ственности.

Углеводы по-иному называют еще сахарами. Как вы догадались, они сладкие на вкус. Много углеводов содержат все сладкие плоды: виноград, дыни, арбузы, абрикосы, груши, яблоки. Также они встре­чаются в семенах злаков: риса, пшеницы, овса, ячменя, кукурузы

Схема 4

(рис. 47). Молоко содержит примерно поровну белков, жиров и углево­дов, но больше всего в нем воды, поэтому оно и жидкое.

Белки - основные органические вещества клетки. Если убрать из организмов воду, то в среднем белки составят 70-80%. Это больше, чем всех других веществ, не считая воды. Белки, как и углеводы, дают 17,2 кДж энергии при распаде 1 г. Но углеводы в первую очередь дают энергию, а белки кроме того являются еще и строительным материа­лом клеток. Не зря же их так много в составе живого. Именно поэтому молодым людям, чей организм растет, спортсменам, наращивающим мышечную массу, а также беременным женщинам, в организме кото­рых развивается плод, особенно необходима пища, богатая белками.

Много белков содержится в продуктах животного происхождения. Это в первую очередь мясо, рыба, а также яйца, творог, молоко. Сыры чаще содержат больше жиров, чем белков. Процентный состав белков, жиров и углеводов обычно указывают на упаковке пищевых продуктов.

Белки - основной органический компонент клеток, поэтому они обязательно есть и в растительных продуктах. Из растений наиболее богаты белком бобы, горох, фасоль, соя.

Жиры - самые энергоемкие органические вещества. При распаде 1 г жиров выделяется около 39 кДж энергии. Животные жиры - это курдючное и свиное сало, коровье масло, рыбий жир и др.

Растения, семена которых богаты жирами, используются для по­лучения растительных масел. Например, хлопок, подсолнечник, рапс, горчица, сафлор и т. д.

В целом, чтобы организм получал необходимые вещества, нужно питаться разнообразной пищей.

Знание и понимание:

1. Перечислите неорганические и органические вещества.
2. Какого вещества больше всего в живых организмах?

Применение:

1. Назовите, в каких продуктах содержатся белки, жиры, углеводы.
2. Сколько энергии выделяется при их распаде?

Анализ:

1. Проанализируйте значение белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот в организме.
2. Разрекламируйте значение продуктов в зависимости от роли органиче­ских веществ, содержащихся в них.

Синтез:

1. Напишите эссе на тему "Значение органических веществ", используя материалы учебника.
2. Как вы думаете, является ли правильное питание основной задачей человека?

Оценка:

Оцените питание разнообразной пищей как источник получения организ­мом необходимых веществ.

Дискуссия:

Как вы думаете, что полезнее - вегетарианство или разнообразная пища?

№3. Исследование наличия углеводов, белков н жиров в продуктах пи­тания. См. с. 233.