Биология. Общая биология. 11 класс. Базовый уровень Сивоглазов Владислав

ТЕМЫ

• История изучения клетки. Клеточная теория

• Химический состав клетки

• Строение эукариотической и прокариотической клеток

• Реализация наследственной информации в клетке

• Вирусы

Удивительный и загадочный мир окружает нас, жителей планеты, образуя глобальную структуру – биосферу, и мы являемся неотъемлемой её частью. Не менее загадочным и во многом ещё не познанным является мир отдельного организма, будь то человек или птица, гриб или растение. Но в основе существования всех этих миров лежит универсальная единица всего живого, функционирование которой обеспечивает нашу жизнедеятельность, формирует нас и придаёт нам индивидуальные черты; которая даёт начало всему живому и при этом сама является живым организмом. Речь идёт о клетке.

4. История изучения клетки. Клеточная теория

Вспомните!

Что такое клетка?

Чем клетки отличаются друг от друга?

С помощью какого научного прибора была открыта клетка?

Какие ещё методы изучения клетки вам известны?

Открытие и изучение клетки. Люди узнали о существовании клетки лишь в XVII в. Незадолго до этого, в 1590 г., голландский шлифовальщик стёкол Захарий Янсен, соединив вместе две линзы, впервые изобрёл примитивный микроскоп. Именно благодаря этому изобретению учёные в дальнейшем смогли раскрыть тайну клеточного строения всего живого.

Первый, кто оценил значение увеличительного прибора и применил его для исследования срезов растительных и животных тканей, был английский физик и ботаник Роберт Гук. В 1665 г., изучая срез пробки, он обнаружил структуры, похожие по строению на пчелиные соты, и назвал их ячейками или клетками (рис. 6). С тех пор этот термин прочно утвердился в биологии. Правда, надо отметить, что Р. Гук считал, что клетки пустые, а живое вещество – это клеточные стенки.

Примерно в это же время, во второй половине XVII в., известный голландский исследователь Антони ван Левенгук усовершенствовал микроскоп и смог наблюдать живые клетки с увеличением более чем в 200 раз. Именно он впервые в 1683 г. описал бактерии.

Ещё до открытия клетки, в середине XVII в., известный английский врач Уильям Гарвей предположил, что все живые организмы развиваются из яйца. Это предположение блестяще доказал российский учёный Карл Максимович Бэр, который в 1827 г. обнаружил яйцеклетку млекопитающих. Данное открытие позволило ему сделать вывод, что каждый организм развивается из одной клетки.

Рис. 6. Микроскоп Роберта Гука и сделанный им рисунок микроскопической структуры тонкого среза пробки

В 1831–1833 гг. Роберт Броун обнаружил в растительных клетках сферическую структуру, которую назвал ядром.

Создание клеточной теории. Для понимания роли клетки в живых организмах огромное значение имели труды ботаника Маттиаса Шлейдена и зоолога Теодора Шванна. Проанализировав все существующие на тот момент знания о клеточном строении живой природы, Т. Шванн сформулировал первую версию клеточной теории. Она постулировала, что все организмы, и растительные, и животные, состоят из простейших частей – клеток. Причём каждая клетка в определённом смысле – некое индивидуальное самостоятельное целое. Но в одном организме все клетки действуют совместно, формируя гармоничное единство.

Правда, Шлейден и Шванн ошибались, считая, что новые клетки могут возникать из неклеточного вещества. Это заблуждение было опровергнуто немецким учёным Рудольфом Вирховом, который показал, что все клетки образуются из других клеток путём клеточного деления. В 1858 г. Р. Вирхов написал: «Всякая клетка происходит из другой клетки… Там, где возникает клетка, ей должна предшествовать клетка, подобно тому, как животное происходит только от животного, растение – только от растения».

Клеточная теория оказала огромное влияние на развитие биологии и на формирование современной естественно-научной картины мира. По определению Ф. Энгельса, клеточная теория, закон превращения энергии и эволюционная теория Ч. Дарвина являются тремя величайшими открытиями естествознания XIX в. На основе клеточной теории в середине XIX в. возникла цитология (от греч. цитос – вместилище, клетка) – наука, изучающая структуру и функции клетки.

К концу XIX в. благодаря усовершенствованию микроскопической техники были открыты основные структурные компоненты клетки и изучен процесс её деления. Немецкий естествоиспытатель Август Вейсман окончательно установил, что хранение и передача наследственных признаков в клетке осуществляются с помощью ядра. Изобретённый в 30-е гг. XX в. электронный микроскоп дал возможность исследовать ультраструктуру клетки. Было обнаружено удивительное сходство в тонком строении клеток различных организмов.

Каждая клетка покрыта плазматической мембраной и имеет внутреннее содержимое – цитоплазму. Любая клетка обладает генетическим материалом, содержащим наследственную информацию о строении и функционировании самой клетки и всего организма в целом. В зависимости от расположения этого генетического материала все клетки разделяют на прокариотические (доядерные), наследственный материал которых находится непосредственно в цитоплазме, и эукариотические (ядерные), чей генетический материал отделён от цитоплазмы ядерной оболочкой, т. е. находится в ядре.

Клетка функционирует как единое целое, отвечая на воздействия внешней среды, взаимодействуя с другими клетками, входя в состав многоклеточных организмов. Она обеспечивает связь между поколениями, являясь носителем наследственной информации. Клетка может представлять целый самостоятельный организм, как, например, амёба, и в этом случае её деятельность гораздо разнообразнее, чем работа специализированной клетки многоклеточного организма.

Несмотря на принципиальное сходство во внутреннем строении, клетки могут существенно отличаться по размеру и форме. Например, человеческий организм состоит из сотни видов клеток (рис. 7). Самой крупной среди них является яйцеклетка (до 200 мкм), а одними из самых мелких – некоторые клетки в нервной ткани (около 5 мкм). Эритроциты человека имеют форму двояковогнутого диска, клетки гладкой мышечной ткани похожи на длинное узкое веретено, клетки эпителия могут быть кубическими, плоскими, цилиндрическими, а лейкоциты вообще не имеют постоянной формы. Крупные остеоциты с многочисленными отростками входят в состав костной ткани, а разнообразные нервные клетки звёздчатой, веретеновидной, пирамидальной и иной формы имеют сложные ветвящиеся отростки, длина которых может достигать 1 м и более.

При всём этом разнообразии клеткам присущи общие признаки. Все клетки являются открытыми системами, которые обмениваются веществом и энергией с окружающей средой. Рост и развитие, размножение и раздражимость – эти свойства, необходимые для поддержания жизни, характерны для всех клеток.

Рис. 7. Разнообразные типы клеток человека: А – клетка костной ткани; Б – клетки жировой ткани; В – эпителиальные клетки щеки; Г – клетки щитовидной железы

Основные положения клеточной теории. Основные положения клеточной теории Т. Шванна, как важнейшего биологического обобщения XIX в., актуальны и в наше время, когда современная цитология, вобрав в себя достижения генетики, молекулярной и физико-химической биологии, превратилась в бурно развивающуюся науку – клеточную биологию.

Однако в свете современных знаний сформировались более глубокие представления о структуре и функциях клетки. Рассмотрим основные положения современной клеточной теории.

Клетка – элементарная единица живого. Клетка является наименьшей структурно-функциональной единицей живого и представляет собой открытую, саморегулирующуюся, самовоспроизводящуюся систему. Вне клетки жизни нет.

Существование вирусов – неклеточной формы жизни – не противоречит этому положению клеточной теории, потому что размножаться вирусы могут только внутри живых клеток. Являясь паразитами на генетическом уровне, вне клетки они не способны к самовоспроизведению и метаболизму.

Все клетки сходны по своему химическому составу и имеют общий план строения. Общий принцип организации клеток определяется обязательными функциями, необходимыми для поддержания собственной жизнедеятельности. Однако клетки обладают и специфическими особенностями, связанными с выполнением клетками специальных функций и возникающими в результате клеточной дифференцировки.

Клетка происходит только от клетки. Размножение (увеличение числа) клеток происходит только путём деления предшествующих клеток. Миллиарды клеток, из которых состоит живой организм, возникли в результате делений оплодотворённого яйца (зиготы), поэтому все клетки организма генетически одинаковы.

Многоклеточные организмы представляют собой сложно организованные интегрированные системы, состоящие из взаимодействующих клеток. Кроме клеток в состав многоклеточных организмов входят неклеточные компоненты и гигантские многоядерные образования. Многоклеточный организм обладает новыми специфическими чертами и свойствами, которые не являются простым суммированием свойств составляющих его клеток.

Сходное клеточное строение организмов – свидетельство того, что всё живое имеет единое происхождение.

Вопросы для повторения и задания

1. Расскажите об истории открытия клетки.

2. Кем и когда впервые была сформулирована клеточная теория?

3. Перечислите современные положения клеточной теории.

4. Охарактеризуйте значение клеточной теории для развития биологии.

5. Подумайте, для каких представителей органического мира понятия «клетка» и «организм» совпадают.

6. Раскройте более детально последнее положение клеточной теории (о сходном клеточном строении организмов).

7. Как вы думаете, почему яйцеклетка является самой крупной клеткой человеческого организма?

Подумайте! Выполните!

1. Какое преимущество даёт клеточное строение живым организмам?

2. Какое из положений клеточной теории было установлено самым первым? Почему?

3. Почему оформление клеточной теории шло одновременно с развитием и усовершенствованием техники?

4. Назовите три основных открытия естествознания XIX в., которые определили формирование современной естественно-научной картины мира. Если бы вас попросили расширить этот список, какие ещё открытия XIX и XX вв. вы бы в него добавили? Объясните свой выбор.

Работа с компьютером

Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал и выполните задания.

5. Химический состав клетки

Вспомните!

Что такое химический элемент?

Какие химические элементы преобладают в земной коре?

Что вам известно о роли таких химических элементов, как иод, кальций, железо, в жизнедеятельности организмов?

Одним из основных общих признаков живых организмов является единство их элементного химического состава. Независимо от того, к какому царству, типу или классу принадлежит то или иное живое существо, в состав его тела входят одни и те же так называемые универсальные химические элементы. Сходство в химическом составе разных клеток свидетельствует о единстве их происхождения.

Рис. 8. Панцири одноклеточных диатомовых водорослей содержат большое количество кремния

В живой природе обнаружено около 90 химических элементов, т. е. большая часть всех известных на сегодняшний день. Никаких специальных элементов, характерных только для живых организмов, не существует, и это является одним из доказательств общности живой и неживой природы. Но количественное содержание тех или иных элементов в живых организмах и в окружающей их неживой среде существенно отличается. Например, кремния в почве около 33 %, а в наземных растениях лишь 0,15 %. Подобные различия указывают на способность живых организмов накапливать только те элементы, которые необходимы им для жизнедеятельности (рис. 8).

В зависимости от содержания все химические элементы, входящие в состав живой природы, разделяют на несколько групп.

Макроэлементы. I группа. Главными компонентами всех органических соединений, выполняющих биологические функции, являются кислород, углерод, водород и азот. Все углеводы и липиды содержат водород, углерод и кислород, а в состав белков и нуклеиновых кислот, кроме этих компонентов, входит азот. На долю этих четырёх элементов приходится 98 % от массы живых клеток.

II группа. К группе макроэлементов относятся также фосфор, сера, калий, магний, натрий, кальций, железо, хлор. Эти химические элементы являются обязательными компонентами всех живых организмов. Содержание каждого из них в клетке составляет от десятых до сотых долей процента от общей массы.

Натрий, калий и хлор обеспечивают возникновение и проведение электрических импульсов в нервной ткани. Поддержание нормального сердечного ритма зависит от концентрации в организме натрия, калия и кальция. Железо участвует в биосинтезе хлорофилла, входит в состав гемоглобина (белка-переносчика кислорода в крови) и миоглобина (белка, содержащего запас кислорода в мышцах). Магний в клетках растений входит в состав хлорофилла, а в животном организме участвует в формировании ферментов, необходимых для нормального функционирования мышечной, нервной и костной тканей. В состав белков часто входит сера, а все нуклеиновые кислоты содержат фосфор. Фосфор также является компонентом всех мембранных структур.

Среди обеих групп макроэлементов кислород, углерод, водород, азот, фосфор и сера объединяются в группу биоэлементов, или органогенов, на основании того, что они составляют основу большинства органических молекул (табл. 1).

Микроэлементы. Существует большая группа химических элементов, которые содержатся в организмах в очень низких концентрациях. Это алюминий, медь, марганец, цинк, молибден, кобальт, никель, иод, селен, бром, фтор, бор и многие другие. На долю каждого из них приходится не более тысячных долей процента, а общий вклад этих элементов в массу клетки – около 0,02 %. В растения и микроорганизмы микроэлементы поступают из почвы и воды, а в организм животных – с пищей, водой и воздухом. Роль и функции элементов этой группы в различных организмах весьма разнообразны. Как правило, микроэлементы входят в состав биологически активных соединений (ферментов, витаминов и гормонов), и их действие проявляется главным образом в том, как они влияют на обмен веществ.

Таблица 1. Содержание биоэлементов в клетке

Кобальт входит в состав витамина В₁₂ и принимает участие в синтезе гемоглобина, его недостаток приводит к анемии. Молибден в составе ферментов участвует в фиксации азота у бактерий и обеспечивает работу устьичного аппарата у растений. Медь является компонентом фермента, участвующего в синтезе меланина (пигмента кожи), влияет на рост и размножение растений, на процессы кроветворения у животных организмов. Иод у всех позвоночных животных входит в состав гормона щитовидной железы – тироксина. Бор влияет на ростовые процессы у растений, его недостаток приводит к отмиранию верхушечных почек, цветков и завязей. Цинк действует на рост животных и растений, а также входит в состав гормона поджелудочной железы – инсулина. Нехватка селена приводит к возникновению у человека и животных раковых заболеваний. Каждый элемент играет свою определённую, очень важную роль в обеспечении жизнедеятельности организма.

Как правило, биологический эффект того или иного микроэлемента зависит от присутствия в организме других элементов, т. е. каждый живой организм – это уникальная сбалансированная система, нормальная работа которой зависит, в том числе, и от правильного соотношения её компонентов на любом уровне организации. Так, например, марганец улучшает усвоение организмом меди, а фтор влияет на метаболизм стронция.

Обнаружено, что некоторые организмы интенсивно накапливают определённые элементы. Например, многие морские водоросли накапливают иод, хвощи – кремний, лютики – литий, а моллюски отличаются повышенным содержанием меди.

Микроэлементы широко используют в современном сельском хозяйстве в виде микроудобрений для повышения урожайности культур и в качестве добавок к кормам для увеличения продуктивности животных. Применяют микроэлементы и в медицине.

Ультрамикроэлементы. Существует группа химических элементов, которые содержатся в организмах в следовых, т. е. ничтожно малых, концентрациях. К ним относят золото, бериллий, серебро и другие элементы. Физиологическая роль этих компонентов в живых организмах пока окончательно не установлена.

Роль внешних факторов в формировании химического состава живой природы. Содержание тех или иных элементов в организме определяется не только особенностями данного организма, но также составом среды, в которой он обитает, и той пищей, которую он использует. Геологическая история нашей планеты, особенности почвообразовательных процессов привели к тому, что на поверхности Земли сформировались области, которые отличаются друг от друга по содержанию химических элементов. Резкий недостаток или, наоборот, избыток какого-либо химического элемента вызывает в пределах таких зон возникновение биогеохимических эндемий – заболеваний растений, животных и человека.

Во многих районах нашей страны – на Урале и Алтае, в Приморье и в Ростовской области количество иода в почве и в воде значительно снижено.

Если человек не получает с пищей нужного количества иода, у него снижается синтез тироксина. Щитовидная железа, пытаясь компенсировать нехватку гормона, разрастается, что приводит к образованию так называемого эндемического зоба. Особенно тяжёлые последствия от недостатка иода возникают у детей. Сниженное количество тироксина приводит к резкому отставанию в умственном и физическом развитии.

Чтобы предотвратить заболевания щитовидной железы, врачи рекомендуют подсаливать пищу специальной солью, обогащённой иодидом калия, употреблять рыбные блюда и морскую капусту.

Почти 2 тыс. лет назад правитель одной из северо-восточных провинций Китая издал указ, в котором обязал всех своих подданных съедать по 2 кг морской капусты в год. С тех пор жители послушно соблюдают древний указ, и, несмотря на то, что в этом районе существует явный недостаток иода, население не страдает заболеваниями щитовидной железы.

Вопросы для повторения и задания

1. В чём заключается сходство биологических систем и объектов неживой природы?

2. Перечислите биоэлементы и объясните, каково их значение в образовании живой материи.

3. Что такое микроэлементы? Приведите примеры и охарактеризуйте биологическое значение этих элементов.

4. Как отразится на жизнедеятельности клетки и организма недостаток какого-либо микроэлемента? Приведите примеры таких явлений.

5. Расскажите об ультрамикроэлементах. Каково их содержание в организме? Что известно об их роли в живых организмах?

6. Приведите примеры известных вам биохимических эндемий. Объясните причины их происхождения.

7. Составьте схему, иллюстрирующую элементный химический состав живых организмов.

Подумайте! Выполните!

1. По какому принципу все химические элементы, входящие в состав живой природы, разделяют на макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы? Предложите свою, альтернативную, классификацию химических элементов, основанную на другом принципе.

2. Иногда в учебниках и пособиях вместо словосочетания «элементный химический состав» можно встретить выражение «элементарный химический состав». Объясните, в чём некорректность такой формулировки.

3. Выясните, существуют ли какие-либо особенности химического состава воды в местности, где вы живёте (например, избыток железа или нехватка фтора и т. д.). Используя дополнительную литературу и ресурсы Интернета, определите, какое влияние это может оказать на организм человека.

Работа с компьютером

Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал и выполните задания.

Растения

Удобрения. Азот необходим растениям для нормального формирования вегетативных органов. При дополнительном внесении в почву азотных и азотистых удобрений усиливается рост наземных побегов. Фосфор влияет на развитие и созревание плодов. Калий способствует оттоку органических веществ от листьев к корням, влияет на подготовку растения к зиме.

Все элементы в составе минеральных солей растения получают из почвы. Для того чтобы были высокие урожаи, необходимо поддерживать плодородие почвы, вносить удобрения. В современном сельском хозяйстве используют органические и минеральные удобрения, благодаря которым культурные растения получают необходимые элементы питания.

Органические удобрения (навоз, торф, перегной, птичий помёт и др.) содержат все необходимые растению питательные вещества. При внесении органических удобрений в почву попадают микроорганизмы, которые минерализуют органические остатки и тем самым повышают плодородие почвы. Навоз необходимо вносить задолго до посева семян, при осенней обработке почвы.

Минеральные удобрения обычно содержат те элементы, которых не хватает в почве: азот (натриевая и калиевая селитры, хлористый аммоний, мочевина и др.), калий (хлористый калий, сульфат калия), фосфор (суперфосфаты, фосфоритная мука и пр.). Удобрения, содержащие азот, обычно вносят весной или в начале лета, так как они быстро вымываются из почвы. Калийные и фосфорные удобрения сохраняются дольше, поэтому их вносят осенью. Излишек удобрений столь же вреден для растений, как и их недостаток.

6. Неорганические вещества клетки

Вспомните!

Что такое неорганические вещества?

Какими физическими и химическими свойствами обладает вода?

Что называют ионами, анионами и катионами?

Значительная часть соединений, входящих в состав клетки, встречается в больших количествах только в живой природе. Это органические вещества. Однако есть соединение, которое одинаково характерно как для живой, так и для неживой природы. Это вода (рис. 9).

Вода. Считается, что миллиарды лет тому назад в первичном океане на нашей планете зародилась жизнь и вся дальнейшая эволюция природы была неразрывно связана с водой. Уникальные свойства этой относительно небольшой молекулы позволили нашей планете стать такой, какая она есть сейчас. Все жители Земли, растения и животные, грибы и бактерии, обязаны воде жизнью. В чём же заключается особенность этого вещества?

Молекула воды – это диполь, т. е. на одной стороне молекулы сосредоточен частичный положительный заряд, а на другом конце – частичный отрицательный (рис. 10). Именно эта особенность строения молекулы воды определяет её свойство универсального растворителя. Любые вещества, имеющие заряженные группы, растворяются в воде (рис. 11). Такие соединения называют гидрофильными (от греч. hydros – вода и phileo – люблю). Большинство веществ, присутствующих в клетке, относится к этой группе, например соли, аминокислоты, сахара, белки, простые спирты. Когда вещество переходит в раст вор, его реакционная способность увеличивается. Однако есть соединения, которые в воде растворяются очень плохо или вовсе не растворяются. Такие вещества называют гидрофобными (от греч. hydros – вода и phobos – страх), к ним относятся, в частности, жиры (липиды), жироподобные вещества (липоиды), полисахариды и некоторые белки.

Рис. 9. Вещества, входящие в состав живых организмов

Рис. 10. Диполь. Схематичное изображение молекулы воды

Рис. 11. Растворение в воде хлорида натрия

Большинство процессов, которые протекают внутри клетки, могут осуществляться только в водной среде. Но вода не только обеспечивает условия химических реакций, она сама участвует во многих метаболических процессах. В реакциях гидролиза[1] белки расщепляются до аминокислот, а крахмал – до глюкозы. Высвобождение энергии в организме происходит при взаимодействии с водой главной энергетической молекулы – АТФ. Вода участвует в реакциях фотосинтеза и в синтезе АТФ в митохондриях.

Отрицательные и положительные полюсы разных молекул воды притягиваются друг к другу, что приводит к образованию водородных связей. Наличие этих связей придаёт воде структурированность, что объясняет многие её необычные свойства: высокую температуру кипения, плавления, высокую теплоёмкость.

Сочетание высокой теплоёмкости и теплопроводности делает воду идеальной жидкостью для поддержания теплового равновесия. Тепло быстро и равномерно распределяется между всеми частями организма.

Рис. 12. Уменьшение количества воды в клетках приводит к увяданию растений

Высокая интенсивность испарения приводит к быстрой потере тепла и предохраняет от перегрева: испарение у растений и потоотделение у животных являются защитными реакциями и позволяют при минимальной потере воды существенно снизить температуру тела.

Практически полная несжимаемость воды обеспечивает поддержание формы клетки (рис. 12), а вязкость придаёт воде свойства смазки.

Высокая сила поверхностного натяжения воды обеспечивает восходящий и нисходящий транспорт веществ в растениях и движение крови в капиллярах. Многие мелкие организмы легко удерживаются и передвигаются по поверхности воды благодаря наличию плёнки поверхностного натяжения.

Полость тела круглых червей заполнена жидкостью, находящейся под давлением и образующей гидроскелет, что придаёт этим организмам постоянную форму. Свойство несжимаемости воды используется медузами, чьё тело на 95 % состоит из этого вещества.

Жидкость в подчерепном пространстве предохраняет от сотрясения головной мозг, а околоплодные воды в матке защищают и поддерживают плод у млекопитающих.

Жидкость в околосердечной сумке – перикарде – облегчает движения сердца при его сокращениях, а в плевральной полости снижает трение при дыхании.

Благодаря высокому тургорному давлению растительные ткани обладают упругостью, а стебли травянистых растений поддерживают вертикальное положение.

Соли. Важную роль в жизнедеятельности клетки играют минеральные соли, представленные в основном катионами калия (K⁺), натрия (Na⁺), кальция (Ca²⁺), магния (Mg²⁺) и анионами соляной (Сl^–), угольной (HCO₃^–), фосфорной (HPO₄^2–, H₂PO₄^–) и некоторых других кислот. Многие ионы неравномерно распределены между клеткой и окружающей средой, так, например, в цитоплазме концентрация ионов калия в 20–30 раз выше, чем снаружи, а концентрация ионов натрия внутри клетки, наоборот, в 10 раз ниже. Именно благодаря существованию подобных градиентов концентраций осуществляются многие важные процессы жизнедеятельности, такие как возбуждение нервных клеток, сокращение мышечных волокон. После гибели клетки концентрация катионов снаружи и внутри быстро выравнивается.

Анионы слабых кислот (HCO₃^–, HPO₄^2–) участвуют в поддержании кислотно-щелочного баланса (рН) клетки. Анионы фосфорной кислоты необходимы для синтеза нуклеотидов и нуклеиновых кислот.

Минеральные соли в живых организмах находятся не только в виде ионов, но и в твёрдом состоянии. Кости нашего скелета в основном состоят из фосфатов кальция и магния. Раковины моллюсков формируются из карбоната кальция.

Вопросы для повторения и задания

1. Каковы особенности пространственной организации молекул воды, обусловливающие её биологическое значение?

2. В чём заключается биологическая роль воды?

3. Какие вещества называют гидрофильными; гидрофобными? Приведите примеры.

4. Какие вещества поддерживают pH клетки на постоянном уровне? Объясните, почему жизнедеятельность клетки возможна только при определённом значении pH.

5. Расскажите о роли минеральных солей в жизнедеятельности клетки.

Подумайте! Выполните!

1. Почему при работе в горячих цехах для утоления жажды рекомендуют пить минеральную или подсоленную воду?

2. Известно, что ионный состав внутреннего содержимого клетки имеет большое сходство с ионным составом морской воды. Какой вывод можно из этого сделать?

3. Как изменяется количество воды в теле человека с возрастом?

4. Вспомните из курса биологии растений, какие структуры покровной ткани растений обеспечивают испарение воды. Каков принцип их работы?

5. Выполните исследовательскую работу «Изучение процесса осмоса в растительных клетках». Исследуйте влияние гипо– и гипертонических растворов на мембрану типичной вакуолизированной растительной клетки.

Работа с компьютером

Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал и выполните задания.

Растения

Поглощение корнями воды и минеральных веществ. Большая часть воды с растворёнными в ней минеральными веществами поглощается корнем с помощью корневых волосков в зоне всасывания. Всасывание воды происходит пассивно, посредством осмоса, так как концентрация осмотически активных веществ (минеральных солей и органических веществ) в клетках корня больше, чем в почвенном растворе. Интенсивность поглощения воды корневыми волосками называют сосущей силой (S). Она равна разнице между осмотическим (P) и тургорным (T) давлением: S = P – T. Когда осмотическое давление равно тургорному (P = T), то S = 0 и вода перестаёт поступать в корневой волосок. Если же концентрация веществ в почвенном растворе будет выше, чем внутри клеток корня, то вода будет выходить из клеток и растение завянет (см. рис. 12). Такое явление наблюдается при засухе или при неумеренном внесении удобрения в почву.

Животные

Первично– и вторичноводные животные. Кроме систематического деления на классы, подтип Позвоночные обычно условно подразделяют ещё на две группы, не имеющие таксономического значения: первичноводные (анамнии) и первичноназемные (амниоты). Жизнь и размножение животных, относящихся к анамниям, неразрывно связаны с водой. В качестве органов дыхания у них в течение всей жизни или на личиночной стадии функционируют жабры. При развитии оплодотворённой яйцеклетки не образуются защитные зародышевые оболочки. К этой группе относят классы Круглоротые, Хрящевые рыбы, Костные рыбы, Земноводные.

Размножение первичноназемных животных не связано с водой. Жаберного дыхания нет ни на одной из жизненных стадий. При развитии зародыша формируются зародышевые оболочки. К группе амниот относят классы Пресмыкающиеся, Птицы, Млекопитающие.

Вторичноводными называют амниот, которые вернулись к обитанию в воде. Такими животными, например, являются китообразные, которые полностью перешли к водному образу жизни. Их передние конечности превратились в ласты, задние – редуцированы.

Человек

Водный и минеральный обмены. Ткани взрослого человека содержат в среднем до 60 % воды. В сутки организм человека теряет около 2,0–2,5 л воды. В составе мочи выводится 1,2–1,5 л, с потом – около 0,5–0,7 л, с парами воздуха через лёгкие – 0,3–0,5 л, через кишечник с калом – около 0,1 л. Столько же воды в сумме организм получает с питьём (1,0 л) и пищей (1,0 л), а часть воды образуется при обмене белков, жиров, углеводов (0,3–0,4 л). Для нормальной жизнедеятельности важно, чтобы поступление воды полностью покрывало её расход. Отношение количества потреблённой воды к количеству выделенной называют водным балансом. Обезвоживание организма приводит к быстрой гибели, без воды человек может прожить не более 5–6 дней. Однако обильное избыточное питьё тоже вредно, оно повышает нагрузку на организм и нарушает работу сердца и почек.

Минеральные соли поступают в организм человека с пищей и водой. И хотя они составляют не более 4 % от массы тела, набор их очень разнообразен. В сутки в организм человека должно поступать не менее 4,4 г натрия, 5 г хлора, 2 г калия, 1 г кальция, 1 г фосфора, 0,2 г железа. Из различных минеральных солей специально в пищу мы добавляем только поваренную соль (NaCl), около 10 г в сутки. Все остальные минеральные соли содержатся в натуральных продуктах. Вода и растворённые в ней минеральные соли всасываются по всему желудочно-кишечному тракту, но больше всего в тонком кишечнике.

7. Органические вещества. Общая характеристика. Липиды

Вспомните!

В чём особенность строения атома углерода?

Какую связь называют ковалентной?

Какие вещества называют органическими?

Какие продукты питания содержат большое количество жира?

Общая характеристика органических веществ. Среди всех химических элементов есть один, который наиболее тесно связан с живыми организмами. Это углерод. Известно уже более миллиона различных молекул, построенных на его основе. Наиболее интересна уникальная способность атомов углерода вступать в ковалентную связь друг с другом, образуя длинные цепи, сложные кольца и иные структуры. Органические вещества – это сложные углеродсодержащие соединения. Прежде считали, что только живые организмы способны их синтезировать. Однако сейчас путём химического синтеза уже получено огромное число различных органических соединений.

Простейшие углеродные соединения – это углеводороды, молекулы которых состоят из атомов только углерода и водорода. Самый простой углеводород – метан. В ранний период истории Земли метан входил в состав её первичной атмосферы. Возможно, именно он и положил начало бесчисленному разнообразию углеродсодержащих соединений, которые возникали по мере развития жизни и которые сейчас являются основой жизни.

В современных живых ор га низ мах углеводороды встречаются нечасто.

Сорок атомов углерода входит в состав углеводорода каротина – оранжево-жёлтого пигмента. Богаты каротином плоды шиповника и смородины, морковь и томаты, яичный желток. Очень важен для полноценного питания животных и человека -каротин – провитамин А, который в организме превращается в витамин А.

Некоторые млекопитающие способны избирательно накапливать провитамин А в жировой клетчатке и молоке. При недостатке витамина А снижается сопротивляемость к инфекционным заболеваниям, страдает репродуктивная функция, возникают проблемы с кожей и развивается так называемая куриная слепота – нарушается темновая адаптация.

Однако подавляющее большинство органических соединений устроено гораздо более сложно, нежели углеводороды.

Органические вещества живой природы чрезвычайно разнообразны по своим размерам, строению и функциям. Поэтому создать единую классификацию, которая учитывала бы все характерные особенности каждого соединения, практически невозможно. Наиболее распространено деление всех органических соединений на низкомолекулярные (аминокислоты, липиды, органические кислоты и др.) и высокомолекулярные, или биополимеры. Полимеры – это молекулы, состоящие из повторяющихся структурных единиц – мономеров. В свою очередь, все биополимеры подразделяют на две группы: гомополимеры, или регулярные, построенные из мономеров одного типа (например, гликоген, крахмал и целлюлоза состоят из молекул глюкозы), и гетерополимеры, или нерегулярные, в состав которых входят отличающиеся друг от друга мономеры (например, белки состоят из 20 типов аминокислот, а нуклеиновые кислоты – из 8 типов нуклеотидов: ДНК – из 4 типов, РНК – из 4 типов (см. § 8, 9)).

Рассмотрим наиболее важные группы органических соединений, которые определяют основные свойства клеток и организмов (рис. 13).

Липиды. Среди низкомолекулярных органических соединений, входящих в состав живых организмов, важную роль играют липиды, к которым относят жиры, воски и разнообразные жироподобные вещества. Это гидрофобные соединения, нерастворимые в воде. Обычно общее содержание липидов в клетке колеблется в пределах 5–15 % от массы сухого вещества.

Рис. 13. Основные группы органических веществ

Рис. 14. Модель (А) и схема строения (Б) молекулы нейтрального жира

Однако в клетках подкожной жировой клетчатки их количество возрастает до 90 %.

Широко распространены в природе нейтральные жиры, которые представляют собой соединения высокомолекулярных жирных кислот и трёхатомного спирта глицерина (рис. 14). В цитоплазме клеток нейтральные жиры откладываются в виде жировых капель.

Жиры являются источником энергии. При окислении 1 г жира до углекислого газа и воды выделяется 38,9 кДж энергии (при окислении 1 г глюкозы – всего 17 кДж).

Жиры служат источником метаболической воды, из 1 г жира образуется 1,1 г воды. Используя свои жировые запасы, верблюды или впадающие в зимнюю спячку суслики могут обходиться без воды длительное время.

Жиры в основном откладываются в клетках жировой ткани. Эта ткань служит энергетическим депо организма, предохраняет его от потери тепла и выполняет защитную функцию. В полости тела между внутренними органами у позвоночных животных формируются упругие жировые прокладки, которые защищают органы от повреждений, а подкожная жировая клетчатка создаёт теплоизоляционный слой.

Воски – пластичные вещества, обладающие водоотталкивающими свойствами. У насекомых они служат материалом для постройки сот. Восковой налёт на поверхности листьев, стеблей, плодов защищает растения от механических повреждений, ультрафиолетового излучения и играет важную роль в регуляции водного баланса.

Не менее важное значение в организме имеют жироподобные вещества.

Представители этой группы – фосфолипиды – формируют основу всех биологических мембран. По своей структуре фосфолипиды сходны с жирами, но в их молекуле один или два остатка жирных кислот замещены остатком фосфорной кислоты.

Важную роль в жизнедеятельности всех живых организмов, особенно животных, играет жироподобное вещество – холестерин. В корковом слое надпочечников, в половых железах и в плаценте из него образуются стероидные гормоны (кортикостероиды и половые гормоны). В клетках печени из холестерина синтезируются желчные кислоты, необходимые для нормального переваривания жиров.

При неправильном питании, если рацион человека чрезмерно богат жирами, содержание холестерина в крови резко возрастает. Это может привести к образованию на стенках кровеносных сосудов холестериновых бляшек, которые сужают и даже полностью перекрывают просвет сосудов, тем самым нарушая кровоснабжение органов и тканей. Развивается заболевание – атеросклероз.

К жироподобным веществам относят также жирорастворимые витамины А, D, E, K, обладающие высокой биологической активностью.

Вопросы для повторения и задания

1. Какие органические вещества входят в состав клетки?

2. Что такое липиды? Опишите их химический состав.

3. Какова роль липидов в обеспечении жизнедеятельности организма?

4. В чём заключается биологическое значение жироподобных веществ?

5. Вспомните из курса «Человек и его здоровье» функции витаминов; симптомы их недостаточности.

6. Составьте схемы – классификации органических веществ. На основе каких критериев созданы ваши схемы?

Подумайте! Выполните!

1. Какие вы знаете биологически активные вещества в организме человека, относящиеся к группе липидов? Каковы их функции?

2. Объясните, как восковой слой на поверхности листьев участвует в регуляции водного баланса растений.

3. В организме может существовать запас витаминов. Подумайте, какие витамины – жирорастворимые или водорастворимые – могут депонироваться в тканях. Объясните свою точку зрения.

Работа с компьютером

Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал и выполните задания.

Человек

Обмен липидов. В организм человека липиды поступают с разнообразной животной и растительной пищей. Потребность в липидах (жирах) определяется общей интенсивностью процессов энергетического и пластического обмена, составляя в среднем 80–100 г в сутки. Избыток липидов откладывается в подкожной жировой клетчатке и стенках внутренних органов. В результате образуются депо, способные покрывать наши затраты энергии в течение многих суток. Как и углеводы, липиды с участием кислорода распадаются до CO₂ и H₂O.

Наибольшую ценность имеют липиды растительного происхождения. Молекулы, подобные растительным липидам, наш организм не способен синтезировать самостоятельно. Следовательно, они относятся к разряду незаменимых компонентов питания. Важно, чтобы доля растительных липидов (подсолнечное, оливковое, кукурузное, соевое масло) в пище была не ниже 30–40 %. При их дефиците страдают в первую очередь органы и ткани, где происходит интенсивное образование новых клеток (кожа, слизистые, красный костный мозг). Избыток гликогена, хранящегося в печени, может превращаться в жиры. В результате чрезмерное поступление углеводов и липидов с пищей приводит к накоплению жировых запасов, росту массы тела, увеличению риска многих заболеваний.

Жирорастворимые витамины. Жирорастворимые витамины необходимы для нормального функционирования организма. Витамин А (ретинол) выполняет в организме две группы функций. Первая связана со зрением, вторая – с общим состоянием клеточных мембран. Ретинол входит в состав родопсина – вещества, обеспечивающего работу части рецепторов глаза (палочек; чёрно-белое зрение). Информация от палочек особенно важна для нас в сумерках, когда рецепторы цветового зрения не работают. Следовательно, первым признаком дефицита витамина А является ухудшение сумеречного зрения («куриная слепота»).