біология Балан, Верес, Поліщук, 10 клас

Раздел I

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.

28

Тема 1. Неорганические вещества организмов

Химический состав живых организмов, в отличие от объектов неживой природы, относительно постоянный. В зависимости от содержания в организмах химические элементы

химического состава живых существ.

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

§5. РОЛЬ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

ВЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ 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

вводе (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, маг-

ния и др.) и анионами неорганических кислот (Cl–, HSO4–, SO42–, НСО3–, Н2РО4–, НРО42– и др.).

+и К+ снаружи и внутри клеток при-

водит 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

29

Раздел I

1

3

Рис. 5.1. Соли кальция входят в состав: 1 – раковин фораминифер; 2 – колоний коралловых полипов; 3 – раковин моллюсков; 4 – внутреннего

скелета позвоночных животных

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

30

Тема 1. Неорганические вещества организмов

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

ичеловека.

Врезультате 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.

31

Раздел I

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 пылью.

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 почв.

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 по-

Рис. 5.2. Промышленные объекты выбрасывают в атмосферу сернистый газ (1); следствием этого являются кислотные дожди, которые уничтожают леса (2)

32

Тема 1. Неорганические вещества организмов

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 зуют для разработки и внедрения технологий, направленных на ние состояния окружающей среды.

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 дру-

33

Раздел I

Рис. 6.1. Молекула воды состоит из атома кислорода и двух атомов водорода: 1 – электронная модель; 2 – масштабная модель

гой. При этом возникает водородная связь (рис. 6.2), которая в 15–20 раз слабее ковалентной. Когда вода находится в жидком состоянии, ее молекулы непрерывно движутся, и водородные связи постоянно то разрываются, то образуются опять.

Часть молекул воды формирует оболочку вокруг некоторых соединений. Такую воду называют связанной, или

структурированной (4–5 % общего количества воды в организмах). Структурированная вода предотвращает межмолекулярное взаимодействие и участву-

ет 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:

34

Тема 1. Неорганические вещества организмов

H2O H+ + OH–

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 разных 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.

35

Раздел I

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 ОН–.

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 равномер-

ное 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 пе-

36

Тема 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.

37