Различие между живой и неживой природой

⇐ ПредыдущаяСтр 13 из 23Следующая ⇒

Все клетки животных и растительных организмов, а также микроорганизмов сходны по химическому составу, что свидетельствует о единстве органического мира.

Но нет ни одного химического элемента, содержащегося в живых организмах, который не был бы найден в телах неживой природы. Это подтверждает мнение о единстве материи.

В основном клетки живых существ построены из органических веществ.

В состав клеток входят и неорганические соединения. За исключением воды, они составляют незначительную долю по сравнению, с содержанием органических веществ.

В то время как неорганические соединения существуют и в неживой природе, органические соединения характерны только для живых организмов.

В этом существенное различие между живой и неживой природой.

Проявляется на уровне их химического состава. Если земная кора на 90% состоит из О, Si, Al и Na, то в живых организмах около 95 % составляют C, H, O, N.

Все клетки, независимо от уровня организации, сходны по химическому составу. В живых организмах обнаружено около 80 химических элементов периодической системы Д.И.Менделеева.

Для 24 элементов известны функции, которые они выполняют в клетке. Эти элементы называются биогенными (рис. 4.1, 4.2).

По количественному содержанию в живом веществе элементы делятся на три категории:

Макроэлементы (органогены):

O, C, H, N — около 98% от массы клетки, элементы 1-ой группы, из которых преимущественно состоят органические вещества (белки, углеводы, жиры и т.д.).

Углерод. Он в большей степени, чем все остальные элементы на Земле, способен образовывать крупные молекулы, может соединяться с другими атомами углерода в цепи и кольца. В результате получается сложные молекулы огромного размера, характеризующиеся «бесконечным» разнообразием.

Высокое содержание кислорода и водорода в живых организмах бесспорно связано с наличием окислительных и восстановительных свойств, соответственно.

Азот входит в состав органических веществ, имеющих первостепенное значение для жизненных процессов – белков, АТФ и нуклеиновых кислот.

K, Na, Ca, Mg, S, P, Cl, Fe — 1, 9 % от массы клетки, элементы 2-ой группы. К макроэлементам относят элементы, концентрация которых превышает 0, 001%. Они составляют основную массу живого вещества клетки.

Микроэлементы:

(Zn, Mn, Cu, Co, Mo и многие другие ), доля которых составляет от 0, 001% до 0, 000001% (0, 1 % массы клетки). Входят в состав биологически активных веществ — ферментов, витаминов и гормонов.

Ультрамикроэлементы:

(Au, U, Ra и др.), концентрация которых не превышает 0, 000001%. Роль большинства элементов этой группы до сих пор не выяснена (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Химические элементы клеток

Рис. 4.2. Процентное содержание химических элементов в клетке

Молекулярный состав клетки Химические элементы, входящие в состав клеток, образуют неорганические и органические вещества. Неорганическими (минеральными) веществами называют относительно простые вещества, встречающиеся как в неживой, так и в живой природе.

Многообразные соединения углерода, синтезируемые преимущественно живыми организмами, называют органическими веществами (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Содержание в клетках химических соединений

Неорганические вещества

Вода

Самое распространенное в живых организмах неорганическое соединение. Ее содержание колеблется в широких пределах: в клетках эмали зубов вода составляет по массе около 10%, а в клетках развивающегося зародыша — более 90% (рис. 4.3).

Молекула воды состоит из атома О, связанного с двумя атомами Н полярными ковалентными связями. Характерное расположение электронов в молекуле воды придает ей электрическую асимметрию. Более электроотрицательный атом кислорода притягивает электроны атомов водорода сильнее, в результате общие пары электронов смещены в молекуле воды в его сторону (рис. 4.4)

Поэтому, хотя молекула воды в целом не заряжена, каждый из двух атомов водорода обладает частично положительным зарядом (обозначаемым δ ⁺), а атом кислорода несет частично отрицательный заряд (2δ ^-). Молекула воды поляризована и является диполем (имеет два полюса). Частично отрицательный заряд атома кислорода одной молекулы воды притягивается частично положительными атомами водорода других молекул.

Таким образом, каждая молекула воды стремится связаться водородными связями с четырьмя соседними молекулами воды.

Вода является хорошим растворителем. Благодаря полярности молекул и способности образовывать водородные связи вода легко растворяет ионные соединения (соли, кислоты, основания). Хорошо растворяются в воде и некоторые неионные, но полярные соединения, т. е. в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные) группы, например сахара, простые спирты, аминокислоты. Вещества, хорошо растворимые в воде, называются гидрофильными(от греч. hygros – влажный и philia – дружба, склонность).

Рис. 4.4. Химическое строение молекулы воды

Вода играет важную роль во многих реакциях, происходящих в организме, например в реакциях гидролиза, при которых высокомолекулярные органические вещества (белки, жиры, углеводы) расщепляются благодаря присоединению к ним воды.

С помощью воды обеспечивается перенос необходимых веществ от одной части организма к другой. Чем выше биохимическая активность клетки или ткани, тем выше содержание в них воды.

Вещества, плохо или вовсе нерастворимые в воде, называются гидрофобными(от греч. phobos – страх). К ним относятся жиры, нуклеиновые кислоты, некоторые белки. Такие вещества могут образовывать с водой поверхности раздела, на которых протекают многие химические реакции.

Следовательно, тот факт, что вода не растворяет неполярные вещества, для живых организмов также очень важен. К числу важных в физиологическом отношении свойств воды относится ее способность растворять газы (О₂, СО₂ и др.).

Вода является непосредственным участником многих химических реакций (гиролитическое расщепление белков, углеводов, жиров и др.), необходима как метаболит для реакций фотосинтеза.

Большинство биохимических реакций может идти только в водном растворе; многие вещества поступают в клетку и выводятся из нее в водном растворе. Благодаря большой теплоте испарения воды, происходит охлаждение организма.

Благодаря силам когезии (электростатическому взаимодействию молекул воды, водородным связям) и адгезии (взаимодействию с окружающими ее стенками) вода обладает свойством подниматься по капиллярам – один из факторов, обеспечивающих движение воды в сосудах растений.

Вода обладает высокой теплоемкостью, т. е. способностью поглощать тепловую энергию при минимальном повышении собственной температуры. Большая теплоемкость воды защищает ткани организма от быстрого и сильного повышения температуры.

Многие организмы охлаждаются, испаряя воду (транспирация у растений, потоотделение у животных).

Вода обладает высокой теплопроводностью, обеспечивая равномерное распределение тепла по всему организму. Следовательно, высокая удельная теплоемкость и высокая теплопроводность делают воду идеальной жидкостью для поддержания теплового равновесия клетки и организма.

Вода практически не сжимается, создавая тургорное давление, определяя объем и упругость клеток и тканей. Так, именно гидростатический скелет поддерживает форму у круглых червей, медуз и других организмов.

Итак, значение воды для организма заключается в следующем:

1. Является средой обитания для многих организмов;

2. Является основой внутренней и внутриклеточной среды;

3. Служит растворителем и средой для диффузии;

4. Участвует в реакциях фотосинтеза и гидролиза;

5. Обеспечивает транспорт веществ;

6. Обеспечивает поддержание пространственной структуры растворенных в ней молекул (гидратирует полярные молекулы, окружает неполярные молекулы, способствуя их слипанию);

7. При испарении участвует в терморегуляции организма;

8. Обеспечивает равномерное распределение тепла в организме;

Минеральные соли

Минеральные вещества клетки в основном представлены солями, которые диссоциируют на анионы и катионы, некоторые используются в неионизированной форме (Fe, Mg, Cu, Co, Ni и др.)

Для процессов жизнедеятельности клетки наиболее важны катионы К⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, анионы HPO₄^2-, Cl^-, HCO₃^-. Концентрации ионов в клетке и среде ее обитания, как правило, различны.

В нервных и мышечных клетках концентрация К⁺ внутри клетки в 30-40 раз больше, чем вне клетки; концентрация Na⁺ вне клетки в 10-12 раз больше, нежели в клетке. Ионов Сl^- вне клетки в 30—50 раз больше, чем внутри клетки.

Минеральные соли находятся в организмах в виде анионов и катионов в растворах и в виде соединений с органическими веществами. Важное функциональное значение для нормальной жизнедеятельности клетки имеют катионы К⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ и анионы НР0₄^2-, H₂PO₄^-, НСОз^-, СI^-.

Различные ионы принимают участие во многих процессах жизнедеятельности клетки: катионы К⁺, Na⁺, Ca²⁺ обеспечивают раздражимость живых организмов; катионы Mg²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺, Ca²⁺ и др. необходимы для нормального функционирования многих ферментов; образование углеводов в процессе фотосинтеза невозможно без Mg²⁺ (составная часть хлорофилла).

Существует ряд механизмов, позволяющих клетке поддерживать определенное соотношение ионов в протопласте и внешней среде.

Буферность – способность поддерживать рН на определенном уровне. Величина рН, равная 7, 0 соответствует нейтральному, ниже 7, 0 – кислому, выше 7, 0 – щелочному раствору. В клетке рН = 7, 4.

Буферностью называют способность клетки поддерживать слабощелочную реакцию своего содержимого на постоянном уровне (рН около 7, 4). Внутри клетки буферность обеспечивается главным образом анионами H₂PO₄^- и НРО₄^2-. Во внеклеточной жидкости и в крови роль буфера играют Н₂СО₃ и НСО₃^-.

Рис. 4.5. Буферные системы

В соединении с органическими веществами особое значение имеют сера, входящая в состав многих белков, фосфор как обязательный компонент нуклеотидов ДНК и РНК, железо, находящееся в составе белка крови гемоглобина, и магний, содержащийся в молекуле хлорофилла.

Кроме того, фосфор в форме нерастворимого фосфорнокислого кальция составляет основу костного скелета позвоночных и раковин моллюсков.

⇐ Предыдущая 8 9 10 11 121314 15 16 17 Следующая ⇒