Элементный состав живого вещества биосферы.

Тема: «Элементарный состав живого вещества биосферы»

Цель: изучить особенности элементного состава живого вещества биосферы; познакомиться с функциями макро-, микро- и ультрамикроэлементов; механизмом обеспечения буферности.

Виды деятельности учащихся: характеризуют химические элементы, образующие живое вещество; различают макро- и микроэлементы.

Проверка и оценка знаний, умений, навыков

1.Фронтальный опрос

Вопросы:

1. Что такое цитология?

2. Какие задачи существуют у этой науки?

3. Как человечество решает эти задачи, и какие методы для этого использует?

4. Кем, когда и как была открыта клетка?

5. Что изучает клеточная биология и какое значение имеет клеточная теория для науки?

6. Назовите основной метод в цитологии. Насколько важны результаты этого метода в изучении клетки и ее органелл?

7. Какой вы знаете последний и самый новый метод в цитологии?

2. Примеры биологических гипотез.

3. Проверка оформления лабораторной работы в тетради

Актуализация знаний

Вопросы:

1. Что такое химический элемент?

2. Какие химические элементы преобладают в земной коре?

3. Что вам известно о роли таких химических элементов, как йод, кальций, железо в жизнедеятельности организма?

Содержание урока

Химический состав живых организмов можно выразить в двух видах – атомном и молекулярном.

Атомный (элементный) состав характеризует соотношение атомов элементов, входящих в живые организмы.

Молекулярный (вещественный) состав отражает соотношение молекул веществ.

1. Элементный состав

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.

В живой природе обнаружено около 90 химических элементов, то есть 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.

Только в отношении 27 элементов известно, какие функции они выполняют. Остальные элементы, вероятно, попадают в организм с водой, пищей, воздухом.

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

1. Макроэлементы.

2. Микроэлементы.

3. Ультрамикроэлементы.

2. Макроэлементы

Макроэлементы составляют основную массу процентного состава живых организмов. На их долю приходится около 99% всей массы клетки.

1 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 четырех элементов приходится 98% от массы живых клеток.

2 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 (таблица «Содержание биоэлементов в клетке»).

Таблица «Содержание биоэлементов в клетке»

3. Микроэлементы

Существует большая группа химических элементов, которые содержатся в организмах в очень низких концентрациях: от 0,001 до 0,000001%. К ним относятся преимущественно атомы металлов, входящие в состав ферментов, гормонов и других жизненно важных веществ. Это алюминий, медь, марганец, цинк, ванадий, молибден, кобальт, никель, йод, 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.

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. Йод 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 определенную, очень важную роль в обеспечении жизнедеятельности организма.

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

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

4. Ультрамикроэлементы

Существует группа химических элементов, которые содержатся в организме в следовых, то есть ничтожно малых концентрациях. Концентрация их не превышает 0,000001%. К ним относят уран, радий, золото, ртуть, бериллий, цезий, серебро и другие редкие элементы. Физиологическая роль этих компонентов в живых организмах пока окончательно не установлена.

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

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

Почти 2000 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 йода, население не страдает заболеваниями щитовидной железы.

6. Особенности химического состава клетки

Обнаружено, что некоторые организмы – интенсивные накопители определенных элементов. Так, ряд морских водорослей накапливает йод, хвощи – кремний, лютики накапливают литий, ряска – радий, диатомовые водоросли и злаки – кремний, моллюски и ракообразные – медь, позвоночные – железо, некоторые бактерии – марганец и т. д.

Но количественное содержание тех или иных элементов в живых организмах и в окружающей среде их неживой среде существенно отличается. Например, кремния в почве около 33%, а в растениях лишь 0,15%, кислорода в почве около 49%, а в растениях 70% и т.д.

Панцири одноклеточных диатомовых водорослей содержат большое количество кремния.

Это указывает на избирательную способность организмов использовать только определенные химические элементы, необходимые для построения и жизнедеятельности клеток.

Химические элементы, которые входят в состав живых организмов и при этом выполняют биологические функции, называются биогенными. Даже те из них, которые содержатся в клетках в ничтожно малых количествах, ничем не могут быть заменены и совершенно необходимы для жизни. В основном это макро- и микроэлементы.

7. Ионы в клетке и организме. Буферность. Механизм обеспечения буферности.

В клетке химические элементы находятся в виде ионов либо в составе соединений. Например, углерод, водород и кислород входят в состав углеводов и жиров. В белках к ним добавляются азот, и сера, в нуклеиновых кислотах – азот и фосфор; железо участвует в построении молекулы гемоглобина; магний находится в молекуле хлорофилла; медь обнаружена в некоторых окислительных ферментах; йод содержится в молекуле тироксина (гормона щитовидной железы); натрий и калий – в цитоплазме и межклеточной жидкости; цинк входит в молекулу гормона поджелудочной железы – инсулина; кобальт входит в состав витамина В₁₂.

Из катионов важны K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, а из анионов – H₂PO₄^-, Cl^-, HCO₃^-. Содержание катионов и анионов в клетке обычно значительно отличается от содержания их во внеклеточной среде. В частности, концентрация К⁺ внутри клетки очень высокая, а Na⁺ - низкая. Напротив, в окружающей клетку среде (крови, морской воде) очень мало К⁺ и довольно много Na⁺. Например, в мышечных клетках содержание К⁺ в 30 раз выше, чем в крови, и, наоборот, содержание Na⁺ в 10 раз ниже, чем в окружающей среде. Пока клетка жива, эти различия концентрации К⁺ и Nа⁺ между клеткой и межклеточной средой стойко удерживаются.

От концентрации анионов слабых кислот внутри клетки зависят буферные свойства цитоплазмы. Буферностью называют способность клетки сохранять определенную концентрацию водородных ионов (рН). В клетке поддерживается слабощелочная реакция (рН=7,2).

Имеющиеся в организме нерастворимые минеральные соли, например, фосфат кальция, входят в состав раковин моллюсков, межклеточного вещества костной ткани, обеспечивая прочность этих образований.

Закрепление

Вопросы

1. В чем 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.

Обобщение:

Сформулируйте вывод по уроку.

Домашнее задание:

1. Конспект.

Дополнительный материал (эти таблицы можно распечатать)

Таблица «Группы элементов по их содержанию в живых организмах»

Таблица «Содержание некоторых химических элементов в природных объектах»

Таблица «Роль биогенных элементов в живых организмах»

7