ЛЮДИНА Й НАВКОЛИШНЄ СЕРЕДОВИЩЕ

Ще за давніх часів люди розуміли, що не можна тривалий час ігнорувати закони природи, які підтримують у рівновазі вся величезна біологічна розмаїтість нашої планети. Так, англійський філософ Фрэнсис Бэкон в XVII ст. писав: «Ми не можемо управляти природою інакше, чим підкоряючись їй». На те, як уникнути глобальної екологічної кризи, указував і видатний український учений В. И. Вернадський (мал. 1), що створив у першій половині XX ст. вчення про ноосферу (від греч. ноос - розум і сфера - оболонка), в основу якого покладена ідея про гармонійне входження людини і його господарської діяльності в біогенний круговорот речовин на Землі. Для цього необхідно об'єднати зусилля всього людства, спрямовані на раціональне використання природних ресурсів, розробити нові прогресивні технології, що не наносять шкоду природі, що оточує людини. Ідейною основою цього є повернення до ойкуменическому (від греч. ойкос - будинок, житло) світогляду технічно нерозвинених суспільств минулого, але вже на новому техногенному рівні. Це дозволить вирішити дві, на перший погляд взаємовиключні, проблеми: забезпечити комфортні умови життя всіх людей і зберегти биосферу.

Вивчаючи цей розділ, ви довідаєтеся про:

- хімічному складі живих організмів;

- молекулярному рівні організації живої матерії;

- властивостях і функціях основних класів хімічних сполук живих організмів.

§ ¹ • ХІМІЧНИЙ СКЛАД ЖИВИХ ОРГАНІЗМІВ

Згадаєте! Що загального між живою й неживою природою? Які основні класи неорганічних з'єднань входять до складу організмів? Які їхні загальні характеристики?

Наука, що вивчає хімічний склад живих організмів, будова, властивості, розташування й роль виявлених у них з'єднань, шляхи їхніх перетворень, які в сукупності забезпечують обмін речовин і енергії, називається біологічною хімією, або біохімією. Ця наука як галузь біології сформувалася в другій половині XIX ст.

Сучасна біохімія досліджує живу матерію на різних рівнях організації: молекулярному, клітинному, тихорєцькому, организменном. Одне з основних завдань біохімії - з'ясування механізмів регуляції життєдіяльності клітин і організму в цілому, що забезпечують єдність обміну речовин і енергії в організмі.

Елементарний хімічний склад живих ог,т~ --• — -- - Живі організми містять майже всі відомі в природі хімічні елементи. Одні з них обов'язкові для всіх без винятку організмів, інших - властиві тільки певним видам і тому зустрічаються в організмах рідко.

У живих організмах у найбільшій кількості присутні чотири хімічних елементи: водень, вуглець, азот і кисень. Це так звані органогенні елементи, на їхню частку доводиться майже 98% хімічного складу клітин. Наступну групу становлять макроелементи: фосфор, калій, сірка (сульфур), хлор, кальцій, магній, натрій і залізо (феррум), сумарна частка яких становить до 1,9%. Більше 50 хімічних елементів належить до групи мікроелементів [йод, кобальт, мар-

ганец (манган), мідь (купрум), молібден, цинк і ін.], содержа-щихся в клітині від 10~¹² до 10~³ %. Ще менше в клітині ультрамікроелементів - свинцю (плюмбума), брому, срібла (аргенту-ма), золота (аурума) і ін.

Хімічні елементи, які втримуються в клітині, входять до складу органічних і неорганічних з'єднань або перебувають у вигляді іонів. Якщо хімічний склад всіх живих організмів відносно однаковий, то в компонентів неживої природи він різний. Наприклад, у водній оболонці Землі (гідросфері) переважають водень і кисень, у газоподібній (атмосфері) - кисень і азот, у твердій (літосфері) - кремній і кисень.

Неорганічні з'єднання. Серед неорганічних з'єднань живих організмів особлива роль належить воді. Вона є основним середовищем, у якій відбуваються процеси обміну речовин і енергії. Зміст води в більшості живих організмів становить 60-70%, а в деяких (напр., медузи) - до 98%.

Вода має унікальні хімічні й фізичні властивості. У порівнянні з іншими рідинами в неї відносно високі температури кипіння й випару, що обумовлено взаємодією молекул води між собою. Молекула води (Н₂ПРО) складається із двох атомів водню, з'єднаних ковалентним зв'язком з атомом кисню {мал. 2). Цей зв'язок обумовлений виникненням загальної пари електронів між кожним атомом водню

і атомом кисню. Молекула води электронейтральна, але на її різних полюсах розташовані позитивні й негативний електричні заряди, тобто вона полярна. Тому сусідні молекули можуть притягатися одна до іншої за рахунок сил електростатичної взаємодії, що виникають між негативним зарядом на атомі кисню однієї молекули й позитивним зарядом на атомі водню іншої. Такий тип зв'язку називається водневим, він в 15-20 разів слабкіше, ніж ковалентний зв'язок.

Коли вода перебуває в рідкому стані, її молекули безупинно перебувають у русі й водневих зв'язках те розриваються, то виникають знову. Завдяки цьому вода являє собою не грузлу, а текучу рідину.

Вода визначає обсяг і внутрішньоклітинний тиск (тургор) клітин. Вона здатна формувати водну оболонку навколо деяких з'єднань (напр., білків), чим перешкоджає їхній взаємодії. Таку воду називають зв'язаною {структурованої). Вона становить 4-5% загальної кількості води в організмі. Інша частина води (95-96%) називається вільної. Саме вона є універсальним розчинником, кращим, чим більшість інших відомих рідин.

Всі речовини умовно ділять на добре розчинні у воді - полярні, або гідрофільні (від греч. гидро - вода й філія -дружба), і нерозчинні в ній - неполярні, або гідрофобні (від греч. фобос - страх).

До гідрофільних речовин належить більшість солей, наприклад, поварена сіль (NaCl). Вода розчиняє речовини, які містять групи (-ВІН, -СООН і ін.), здатні іонізуватися (розпадатися на электрически заряджені частки) під час взаємодії з нею.

Гідрофобні речовини (майже всі ліпіди, деякі білки й ін.) містять неполярні групи (-СН₂, -СН₂СН₃ і ін.), які не взаємодіють із водою.

Воді як універсальному розчиннику належить надзвичайно важлива роль. Більшість хімічних реакцій в організмі відбувається тільки у водяних розчинах. Речовини проникають у клітини, а продукти життєдіяльності виводяться з її в основному в розчиненому виді. Вода бере безпосередню участь у біохімічних перетвореннях.

З водою зв'язана також регуляція теплового режиму організмів. Їй властива висока теплоємність, тобто здатність поглинати тепло при незначних змінах власної температури. Завдяки цьому вода запобігає різким змінам температури в клітинах і в організмі в цілому при значних її коливаннях у навколишнім середовищі. При випарі води організмами затрачається багато теплоти, що захищає їх від перегріву (напр., випар води в рослин, потоотделение в ссавців тварин і людини). Завдяки високої теп-

лопроводности вода забезпечує рівномірний розподіл теплоти між тканинами організму (напр., через систему кровообігу, циркуляцію рідини в порожнинах тіла).

Розчинені у воді речовини можуть змінювати її властивості, зокрема, температури замерзання й кипіння, що має важливе біологічне значення. Так, у клітинах і тканинах морозотривких рослин і холоднокровних тварин з настанням зими підвищується концентрація розчинних вуглеводів і інших з'єднань, що знижують температуру переходу води в кристалічний стан, що й запобігає замерзанню цих організмів.

На протікання біохімічних реакцій у водяних розчинах істотно впливає концентрація іонів водню у воді, що оцінюється по водневому показнику - рн (значення негативного десяткового логарифма концентрації іонів водню).

Для підтримки життєдіяльності клітин і організму в цілому важливе значення мають солі неорганічних (мінеральних) речовин. У живих організмах вони перебувають у вигляді твердих з'єднань або розчинені у воді (у вигляді іонів). Іони утворяться катіонами металів (калію, натрію, кальцію, магнію й ін.) і аніонами кислот [хлористоводородной (соляний) - З1~, сарною - HSO₄~, SO₄"²; вугільної - НСО₃, фосфорної - Н₂РО ⁴, НРО"⁴, РО₃ ⁴ і ін.].

Різна концентрація ДО⁺ і Na⁺ зовні й усередині клітин приводить до виникнення різниці електричних потенціалів на плазматичних мембранах, що дуже важливо для передачі нервових імпульсів, а також для транспорту речовин через мембрани. Регуляторну функцію й активізацію багатьох ферментів здійснюють Са²⁺ і Mg²⁺. З'єднання кальцію (СаСО₃) входять до складу кістяка хребетних тварин і людини, раковин молюсків і форамініфер, панцирів ракоподібних і ін. тварин. У деяких найпростіших (радіолярій) внутрішньоклітинний кістяк побудований із двоокису кремнію (Si₂) або сірчанокислий стронції (SrSO₄).

Важливі функції в організмі виконують також неорганічні кислоти. Так, соляна кислота створює кисле середовище в шлунку хребетних тварин і людини, забезпечуючи тим самим активність ферментів шлункового соку. Залишки сірчаної кислоти, приєднуючись до нерозчинного у воді речовинам, забезпечують їхня розчинність, що сприяє виведенню цих з'єднань із клітин і організму з водою.

Загальний зміст неорганічних речовин у різних клітинах варіює в межах від одного до декількох відсотків.

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ:

1. Що вивчає біохімія? 2. Який хімічний склад мають живі організми? 3. Які основні функції води в живих організмах? 4. У якому стані в клітині втримуються мінеральні речовини? Яка їхня роль?

Подумайте! Які особливості будови молекул води забезпечують її властивості?

Поиск по сайту: