біология Балан, Верес, Поліщук, 10 клас

Раздел I

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 · 1010 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-хими- ческие 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), зара-

Рис. 6.4. Пример современного очистительного сооружения: 1 – распределительный колодец; 2 – отделитель твердых частиц; 3 – отделитель жиросодержащих веществ; 4 – сорбционный фильтр; 5 – контрольный колодец

38

Тема 1. Неорганические вещества организмов

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

реакциях и процессах теплорегуляции.

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

39

Раздел I

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 1

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».

Ход работы

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 % воды от массы тела.

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:

а) медь; б) бор; в) йод; г) фтор.

3.Укажите элемент, который входит в состав молекулы хлорофилла: а) медь; б) бор; в) йод; г) магний.

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.

40

Тема 2. Органические вещества

2.Установите соответствие между свойствами воды и ее функциями в живых организмах.

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, нуклеиновых кислот;

роль органических соединений в обеспечении жизнедеятельности организма человека;

связь между строением молекул органических веществ и их функциями;

применение ферментов в хозяйстве человека.

§7. ОРГАНИЧЕСКИЕЛИПИДЫ ВЕЩЕСТВА ОРГАНИЗМОВ.

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.

41

Раздел I

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).

Таблица 7.1

Основные типы органических соединений, входящих в состав организмов

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

42

Тема 2. Органические вещества

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).

Один из самых известных стероидов – холестерин (рис. 7.2, 2). В организме млекопитающих и человека он служит предшественником при синтезе половых гормонов. В плазме крови холестерин находится в виде сложных эфиров с жирными кислотами, которые он транспортирует. Холестерин синтезируют клетки печени; он входит в состав желчи. Но это соединение попадает в организм и с жирной едой. Избыток холестерина в

43

Раздел I

а

2

Рис. 7.2. Стероиды: 1 – половые гормоны: женский – эстроген (а)

и мужской – тестостерон (б) – влияют на формирование вторичных половых признаков (обратите внимание на яркий хвост самца); 2 – холестерин

результате неправильного питания или повышенной функции печени нарушает нормальное функционирование организма.

• Функции липидов. Одна из важнейших функций липидов – энергетическая. При полном расщеплении 1 г жиров выделяется 38,9 кДж энергии – в два раза больше, чем при полном расщеплении аналогичного количества углеводов или белков.

Не менее важна строительная, или структурная, функция. Фосфолипиды входят в состав клеточных мембран (рис. 7.3, 7.4), жиры – в состав защитной миелиновой оболочки нервных волокон и т. д.

Резервная функция заключается в том, что липиды содержатся в цитоплазме клеток в виде включений (например, в клетках жировой ткани, семян подсолнуха и др.). Запасы жиров организмы используют в качестве резерва питательных веществ и как источник метаболической воды: при окислении 1 г жиров образуется почти 1,1 г воды.

Благодаря запасам жира некоторые животные в течение определенного времени могут существовать без поступления воды извне. Например, верблюды в пустыне выдерживают без воды до 16 суток; медведи, сурки и другие животные во время спячки не потребляют воду свыше двух месяцев.

Жировые включения повышают плавучесть мелких одноклеточных организмов (например, радиолярий, парящих в толще воды).

Запасы жира могут выполнять и защитную функцию. Так, они защищают внутренние органы от механических повреждений. Например,

44

Тема 2. Органические вещества

почки человека и млекопитающих покрыты упругим жировым слоем. Накапливаясь в подкожной жировой клетчатке животных – обитателей территорий с прохладным климатом (китов, тюленей, пингвинов и др.), жиры защищают организм от действия резких изменений температуры (теплоизоляционная функция). Например, у синего кита слой жира в подкожной клетчатке может превышать 50 см. Эта функция жиров определяется их низкой теплопроводимостью. Ранее мы упоминали о защитных свойствах восков, связанных с их гидрофобностью.

Важна и регуляторная функция липидов. Вы помните, что липидную природу имеют некоторые биологически активные вещества: стероидные гормоны, витамины группы D. Они участвуют в регуляции жизненных функций организмов: обмена веществ у позвоночных животных и человека, линьки насекомых и др.

Ключевые термины и понятия. Органические соединения, макромолекулы, биополимеры, мономеры, липиды.

ческие функции.

Подумайте. Верблюды имеют значительные запасы жира, который служит источником метаболической воды. Ведь они обитают в знойных пустынях, где температура днем может достигать +40 С и выше. Синие киты в основном обитают в прохладных водах, и значительные запасы подкожного жира защищают их тело от переохлаждения. Чем отличается характер распределения жировых отложений в теле этих животных?

45

Раздел I

§8. УГЛЕВОДЫ: РАЗНООБРАЗИЕ, СВОЙСТВА

ИФУНКЦИИ

Вспомните: какие организмы называют автотрофными и гетеротрофными? Какие группы автотрофных организмов вы знаете?

Углеводы – это соединения, в которых соотношение атомов С, Н, О в основном отвечает формуле (СН2О)n, где n равно трем и более. Однако есть углеводы, в которых соотношение упомянутых химических элементов несколько иное, а некоторые содержат также атомы азота, фосфора или серы.

Вклетках животных и грибов углеводы содержатся в незначительных количествах (около 1 % сухой массы, в клетках печени и мышц – до 5 %), а в растительных клетках их значительно больше (до 60–90 %).

•Строение и свойства углеводов. В зависимости от количества мономеров, которые входят в состав молекул, углеводы разделяют на моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

Моносахариды имеют общую формулу СnН2nОn. Они могут содержать от 3 до 10 атомов углерода: триозы (3 атома углерода), тетрозы (4), пентозы (5), гексозы (6) и так далее до дексоз (10). В природе наиболее распространены гексозы и пентозы. Примерами гексоз являются глюкоза, фруктоза и др. (рис. 8.1). Эти соединения придают сладкий вкус плодам, меду, а глюкоза является очень важным соединением для осуществления метаболизма. К пентозам относятся, например, рибоза и дезоксирибоза, входящие в состав рибонуклеиновых (РНК) и дезоксирибонуклеиновой (ДНК) кислот. Моносахариды хорошо растворяются в воде.

Олигосахариды – полимерные углеводы, у которых 2–10 моносахаридных звеньев соеденены ковалентными (гликозидными) связями.

Вчастности, дисахариды образованы соединением остатков двух молекул моносахаридов. Примеры дисахаридов: мальтоза (солодовый сахар) – состоит из двух остатков глюкозы; сахароза (свекольный или тростниковый сахар) – состоит из остатков глюкозы и фруктозы; лактоза (молочный сахар) – состоит из глюкозы и галактозы; трегалоза (грибной сахар) –

Рис. 8.1. Моносахариды глюкоза (1) и фруктоза (2): а – химическая формула; б – пространственная модель

46

Тема 2. Органические вещества

липидами).

Энергетическая функция. При расщеплении 1 г полисахаридов или олигосахаридов до моносахаридов выделяется 17,6 кДж тепловой энергии. Углеводы играют ведущую роль в энергетическом обмене: они способны как к окислению, так и к расщеплению (гликолизу) в бескислородных условиях. Это чрезвычайно важно для организмов, которые обитают в условиях дефицита кислорода (например, паразиты внутренних органов человека и животных) или при его полном отсутствии (анаэробы, например дрожжи, некоторые виды бактерий).

Резервная функция. Полисахариды могут откладываться в клетках, чаще всего в виде зерен. В клетках растений накапливается крахмал, животных и грибов – гликоген (рис. 8.3). Эти запасные соединения являются резервом питательных веществ и энергии.

Строительная (структурная) функция углеводов заключается в том, что полисахариды входят в состав определенных структур. Так, азотсодержащий полисахарид хитин входит в состав наружного скелета членистоногих и клеточной стенки грибов; клеточные стенки растений образованы из целлюлозы (рис. 8.4).

Всостав надмембранных структур клеток животных (гликокаликса)

ипрокариот (клеточной стенки) входят углеводы, связанные с белками

илипидами. Они обеспечивают прочное соединение клеток между собой.

47