Химические элементы и неорганические вещества, входящие в состав клеток

Методические указания по изучению дисциплины

35.03.04..62 «Биология»

Агрономия

__________________________________________

(код и наименование направления подготовки бакалавра)

Агрономия

___________________________________________

(наименование профиля подготовки бакалавра)

 очная

____________________

Полесск

2016

Рецензент

кандидат химических наук О.Л. Косинский

Методические указания по изучению дисциплины «Биология» /сост.

С.А. Ермаков – Полесск: КФ ФГОУ ВО СПбГАУ, 2016. -66 с.

Б2.В.ДВ.4

Методические указания предназначены для преподавания дисциплины Б2.В.ДВ.4 «Биология»

студентам  очной формы обучения.

Составитель ____________________ С.А. Ермаков

2016 г. (подпись)

ВВЕДЕНИЕ

  Жизнь человека, его здоровье, материальное и духовное благополучие зависят от множества факторов, в том числе от правильности решений, принимаемых людьми. В свою очередь, деятельность каждого конкретного человека также влияет на судьбы других людей. Именно поэтому в наше время возрастает значимость науки, образования и культуры в целом. Образование определяет развитие личностных качеств каждого человека, его знаний, умений, формирует его мировоззрение и поведение; в конечном итоге образование определяет экономический, нравственный, культурный и духовный потенциал общества. Знание законов природы – это составная часть общей культуры человека. Усвоить основы биологии как науки о жизни должен каждый культурный человек независимо от рода своей профессиональной деятельности. Игнорирование законов природы привело человечество к современному экологическому кризису. В окружающей среде наблюдаются опасные необратимые явления, которые могут радикально изменить облик планеты и поставить под угрозу жизнь самого человечества. Интенсивная индустриализация и стремительный рост городов в XIX-XX вв. привели к разрушению природной среды и осознанию обществом необходимости согласовывать экономические потребности с возможностями природы.

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ЖИВОЙ ПРИРОДЫ

Определение понятия «жизнь». Из всего, что нас окружает, самое труднообъяснимое явление – жизнь. В повседневности мы привыкли к тому, что жизнь существует вокруг нас и в нас самих, и поэтому утратили способность удивляться этому феномену. Нужно признать, что в науке пока нет общепринятого определения понятия «жизнь». Известно множество его определений, но ни одно из них не охватывает всех особенностей этого уникального явления. Наиболее удачное современное определение жизни принадлежит отечественному ученому М. В. Волькенштейну: «Живые существа, встречающиеся на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот».

Субстрат жизни. Уровень развития биологических знаний в конце XIX в. позволил установить, что основным субстратом жизни (от лат.субстратум – подстилка, подкладка) являются два класса биополимеров – белки и нуклеиновые кислоты. В настоящее время на Земле не известно ни одной живой системы, которая не представляла бы собой совокупность белков и нуклеиновых кислот, обладающих высокой упорядоченностью на молекулярном уровне. В связи с этим известный отечественный биохимик В. А. Энгельгардт подчеркивал, что «в способности живого создавать порядок из хаотического теплового движения молекул состоит наиболее глубокое, коренное отличие живого от неживого». В состав живых систем входят одни и те же химические элементы, что и в неживых телах. Однако соотношение химических элементов в живом и неживом разное. В живых организмах 98% химических элементов приходится на такие элементы, как углерод, кислород, азот, водород. Живые организмы обладают единством химического состава. Основные свойства живых систем. Живые организмы могут быть рассмотрены как особые системы. (Система – совокупность взаимосвязанных элементов, образующих определенную целостность, единство.) Открытость живой системы означает ее способность существовать только при условии постоянного обмена веществом и энергией с окружающей средой. Подавляющее большинство живых организмов используют энергию солнечных лучей. Зеленые растения потребляют эту энергию для синтеза органических веществ, необходимых как самим растениям, так и другим организмам, живущим на Земле. Все организмы используют энергию, содержащуюся в пище, для поддержания своей жизнедеятельности, роста и размножения.

Уровни организации живого.

 Современная биология рассматривает живую природу как совокупность живых систем разного уровня организации. Обычно биологи выделяют следующие организационные уровни.

Молекулярный уровень. Любая живая система, как бы просто или сложно она ни была организована, состоит из макромолекул нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов и других важных органических соединений. На молекулярном уровне проявляются обмен веществ и превращение энергии, происходит передача наследственной информации.

Клеточный уровень. Клетка – структурно-функциональная единица, а также единица размножения всех живых организмов, обитающих на Земле. На клеточном уровне происходят разнообразные процессы жизнедеятельности: рост, развитие, передача информации, превращение веществ и энергии. Организменный уровень. Элементарная единица организменного уровня – особь. Любая особь (организм) – это живая система. В другой форме жизнь на нашей планете не существует.

Организмы бывают одноклеточными и многоклеточными. Многоклеточные организмы состоят из множества клеток. Клетки, сходные по происхождению, строению и выполняемым функциям, образуют ткани. Из тканей формируются органы. Иногда вычленяют тканевый и органный уровни как промежуточные между клеточным и организменным уровнями.

Популяционный уровень. Совокупность особей одного и того же вида, обитающих на общей территории, образует популяцию. Популяция – надорганизменная система, в которой происходят элементарные эволюционные процессы.

Биогеоценотический уровень. Популяции различных видов растений, животных, грибов, бактерий, взаимосвязанных между собой и с условиями неживой природы, составляют биогеоценоз. Основная функция этого комплекса живых организмов и окружающей среды – накопление и перераспределение энергии между ее членами.

Биосферный уровень. Биосферу можно рассматривать как совокупность всех биогеоценозов, как систему, охватывающую все процессы, связанные с жизнью на нашей планете. Все уровни живой природы взаимосвязаны и подчиняются общим закономерностям существования. Каждый предыдущий уровень – структурная единица последующего, что свидетельствует о целостности и дискретности живой природы.

Химические элементы и неорганические вещества, входящие в состав клеток

Группы химических элементов. В живых клетках обнаружено более 80 химических элементов. Их принято делить на три группы: макроэлементы, микроэлементы, ультрамикроэлементы. Макроэлелентысоставляют 99%массы клетки. Из них 98% приходится на такие элементы, как кислород, углерод, водород и азот. Особую роль в составе живых организмов играет углерод. Везде, где его находят, есть жизнь (или когда-то была). Углерод обладает уникальными, наиболее важными для жизни химическими свойствами. Его атомы, соединяясь между собой ковалентными связями, образуют стабильные цепи (прямые или разветвленные) или кольца, создавая «скелет» молекул органических соединений и обеспечивая их бесконечное разнообразие. К макроэлементам относятся также калий, магний, натрий, кальций, железо, сера, фосфор, хлор. Их содержание в клетке исчисляется десятыми и сотыми долями процента. Микроэлементы содержатся в клетках в небольших количествах: от тысячных до миллионных долей процента. К ним относятся кобальт, медь, цинк, йод, бром, фтор. Атомы этих элементов входят в состав ферментов, гормонов, витаминов. Несмотря на незначительное содержание микроэлементов в клетке, в случае их недостатка возникают серьезные нарушения обмена веществ. Ультрамикроэлементыобнаруживаются в клетках в следовых (ничтожно малых) количествах. К ним относятся уран, радий, золото, цезий и др. Физиологическая роль большинства

Неорганические вещества.

 К неорганическим веществам клетки относятся вода и минеральные соли. Минеральные соли обычно находятся в клетке в диссоциированном состоянии, в виде ионов. Положительно заряженные ионы (катионы) – калия, натрия, кальция, магния. Ионы калия и натрия участвуют в передаче нервных импульсов. Основные отрицательно заряженные ионы (анионы) – остатки фосфорной, угольной и соляной кислот – участвуют в поддержании постоянства внутренней среды организма, влияя на кислотно-щелочное равновесие крови и межклеточной жидкости. Ионы могут находиться в клетке в связанном состоянии с органическими веществами. Например, ионы железа входят в состав гемоглобина, а ионы магния содержатся в молекулах хлорофилла, многие ионы (цинка, железа, кобальта, хрома, марганца) влияют на активность некоторых ферментов и других макромолекул. Минеральные соли могут находиться в организмах и в твердом состоянии; в костной ткани (фосфаты кальция и магния), в раковинах моллюсков (карбонат кальция). Почти 80% массы клетки составляет вода. Вода – хороший растворитель. Это связано с тем, что ее молекулы обладают полярностью. В молекуле воды атомы водорода имеют частично положительный заряд, атом кислорода – частично отрицательный. Более электроотрицательный атом кислорода притягивает электроны атомов водорода, получается диполь (два полюса), за счет чего между молекулами воды образуется водородная связь. Если энергия притяжения молекул воды к молекулам какого-либо вещества больше, чем энергия водородных связей между молекулами воды, то вещество растворяется в воде. К водорастворимым веществам относят многие минеральные соли, щелочи, некоторые углеводы (глюкоза, фруктоза, сахароза), спирты. В клетках живых организмов большинство реакций протекает в водных растворах.