Гіпермаркет Знань>>Біологія>>Біологія 10 клас>> Біологія: Елементарний склад живих організмів. Хімічна сталість організмів
Що спільного між живою та неживою природою? Які основні неорганічні сполуки входять до складу живих організмів? Які їхні функції? Що таке катіони і аніони?
Що вивчає біохімія? Науку, що вивчає хімічний склад живих організмів, будову, властивості та роль виявлених у них сполук, шляхи їхнього виникнення та перетворення, називають біологічною хімією, або біохімією. Ця наука як галузь біології сформувалась у другій половині XIX століття. Сучасна біохімія досліджує живу матерію на різних рівнях її організації: молекулярному, клітинному, організмовому. Одне з основних її завдань - з'ясування механізмів регуляції життєдіяльності клітин і організму в цілому, які забезпечують єдність процесів обміну речовин та перетворення енергії в організмі.
Який елементарний хімічний склад живих організмів? Живі організми містять майже всі відомі в природі хімічні елементи. Одні з них виявлені в усіх організмів без вийнятку, інші - лише в окремих або трапляються зрідка (див. таблицю). Хімічний склад живих організмів відносно сталий. У найбільшій кількості в них наявні чотири хімічні елементи: Гідроген, Карбон, Нітроген і Оксиген. Їхня частка у хімічному складі клітини становить майже 98%, і вони належать до макроелементів. Їх називають також органогенними, оскільки насамперед ці елементи входять до складу органічних сполук. До макроелементів також належать Фосфор, Калій, Сульфур, Хлор, Кальцій, Магній, Натрій і Ферум, їхня сумарна частка становить до 1,9%. Понад 50 хімічних елементів відносять до мікроелементів (Йод, Кобальт, Манган, Купрум, Молібден, Цинк тощо). Їхній вміст у клітині - від 10-12 до 10-3 %. Ще менше у клітині ультрамікроелементів: Плюмбуму, Брому, Аргентуму, Ауруму та ін. Хімічні елементи, що містяться в клітині, входять до складу органічних та неорганічних сполук або перебувають у вигляді іонів. Хімічний склад усіх живих організмів відносно подібний. Натомість, у різних компонентів неживої природи він різний. Наприклад, у водній оболонці Землі (гідросфері) переважають Гідроген і Оксиген, у газоподібній (атмосфері) - Оксиген і Нітроген, у твердій (літосфері) — Силіцій, Оксиген та ін.
Елементарний склад організмів
що спільного між живими та неживими системами? Які гормони виділяє щитоподібна залоза? Яка їхня біологічна роль?
Елементний склад живих організмів. Хімічний склад організмів, на відміну від об'єктів неживої природи, відносно сталий. З понад 100 різних типів атомів хімічних елементів та їхніх ізотопів у живих організмах виявляють майже 60. Одні з них є обов'язковими в усіх організмах без винятку, інші - лише в окремих. Разом з тим у живих організмах не виявлено жодного з хімічних елементів, якого б не було в неживій природі. Це одне зі свідчень єдності живої і неживої природи. Найбільше в організмах так званих макроелементів, тобто хімічних елементів, сумарна частка яких - близько 99,9 % їхньої маси. До них належать Гідроген, Карбон, Нітроген, Оксиген, Кальцій, Калій, Натрій, Ферум, Магній, Сульфур, Хлор, Фосфор (див. табл. 4.1). Перші чотири з них відносять до органогенних елементів, оскільки їхня сумарна частка становить майже 98 % маси живих істот. Крім того, ці елементи є основними складовими органічних сполук, про які йтиметься в наступній темі.
Унаслідок цих процесів вивільняється енергія, що забезпечує різноманітні процеси життєдіяльності. Лише деякі організми, переважно бактерії та паразитичні тварини, можуть існувати за відсутності кисню; їх називають анаеробними.
Оскільки Нітроген входить до складу білків та інших органічних речовин, його сполуки необхідні для нормального росту організмів. А ще пригадайте, що Нітроген входить до складу хітину - складової клітинної стінки грибів і зовнішнього скелета членистоногих (мал. 4.2), яка надає їм додаткової міцності. Карбон у складі СО2 забезпечує повітряне живлення рослин і деяких інших організмів, здатних до фотосинтезу (пурпурні та зелені сіркобактерії, ціанобактерії, деякі одноклітинні тварини). Ці автотрофні організми фіксують СО2 й використовують Карбон для синтезу власних органічних речовин. А далі по ланцюгах живлення створені ними органічні сполуки передаються гетеротрофним організмам, наприклад тваринам.
Сполуки Калію необхідні для нормальної діяльності нервової та серцево-судинної систем, мускулатури. Важлива роль сполук Калію і Кальцію в регуляції роботи серця: підвищена концентрація йонів Са2+ прискорює роботу серця, а йонів К+ - уповільнює. Ці особливості впливу йонів К+ використовують для створення ліків, що нормалізують роботу серця. Багато сполук Калію міститься в картоплі, фруктах (абрикосах, сливах тощо). Сполуки Калію та Купруму підвищують холодостійкість рослин і тим самим забезпечують краще переживання зимового періоду.
Ви вже знаєте, що атом Феруму входить до складу дихального пігменту -гемоглобіну (мал. 4.3, 2). Гемоглобін здатний зв'язувати гази (пригадайте, які) та транспортувати їх по організму. Тому за умови нестачі в організмі Феруму чи при порушенні засвоєння цього хімічного елемента можуть порушуватися процеси утворення еритроцитів, виникає захворювання -недокрів'я, або анемія. Сполуки Феруму, необхідні для кровотворення, містяться в яблуках та інших продуктах рослинного походження (абрикосах, зелені петрушки тощо), а також печінці та яйцях. Сполуки Феруму та Магнію необхідні рослинам для того, щоб в їхніх клітинах утворювався пігмент хлорофіл. Атом Магнію входить до складу молекули хлорофілу, а для синтезу хлорофілу необхідна наявність Феруму. За нестачі або відсутності цих хімічних елементів листки рослин стають блідо-зеленими чи взагалі втрачають зелений колір. Унаслідок цього процеси фотосинтезу порушуються або припиняються, і рослина зрештою гине. Таке захворювання має назву хлороз (мал. 4.3, 2). Фосфор сприяє роботі головного мозку, бере участь у формуванні скелета тощо. Сполуки Фосфору в значних кількостях потрібні й рослинам. Зокрема, вони сприяють швидшому дозріванню плодів і забезпечують зимостійкість рослин. Сполуки Фосфору надходять до нашого організму з молоком і молочними продуктами, рибою, яйцями та ін. Понад 60 хімічних елементів належать до групи мікроелементів (Йод, Кобальт, Манган, Купрум, Молібден, Цинк тощо), адже їхній вміст становить 10-12-10-3 % маси живих істот. Серед них виділяють групу ультра-мікроелементів (Плюмбум, Бром, Аргентум, Аурум та ін.), відсотковий вміст яких ще нижчий. Мікроелементи, що містяться в клітині, входять до складу органічних і неорганічних сполук або перебувають у вигляді йонів. Хоча вміст мікроелементів в організмах незначний, їхня роль у забезпеченні нормального функціонування організмів може бути важливою. Пригадайте, Йод необхідний для того, щоб щитоподібна залоза виробляла гормони (тироксин, трийодтиронін). Недостатнє надходження Йоду в організм людини з їжею чи водою може спричинити порушення синтезу цих гормонів. Як ви пригадуєте з курсів Основи здоров'я та Біологія 9-го класу, це може призвести до важких захворювань людини, пов'язаних з порушенням обміну речовин, як-от мікседеми, кретинізму. У людей, що мешкають у місцевостях, де вода та ґрунт містять мало Йоду, часто розвивається захворювання ендемічний зоб (ендемічний у перекладі з грецької -місцевий, притаманний даній місцевості), коли розростаються тканини щитоподібної залози (мал. 4.4). При цьому виробляється менше від норми гормону тироксину. Для профілактики йододефіциту в таких місцевостях йодують сіль: до кухонної солі додають калій йодид. Багато сполук Йоду містять бурі водорості, наприклад ламінарія, або морська капуста. Ви вже знаєте, що до складу емалі зубів входить Флуор, який надає їй міцності. Нестача цього елемента в організмі призводить до руйнування емалі зубів. Як ви пригадуєте, це захворювання називають карієсом (мал. 4.5). Тому, обираючи зубну пасту, звертайте увагу на вміст у ній Флуору і Кальцію, які зміцнюють зуби. Ці елементи є і в деяких продуктах харчування: молоці, сирах, шпинаті тощо. Цинк необхідний для утворення гормонів підшлункової залози, Бром - гормонів гіпофіза. (Пригадайте, які гормони виробляють ці залози) Сполуки Силіцію входять до складу опорних структур деяких організмів: клітинних стінок хвощів, панцирів діатомових водоростей, внутрішньоклітинного скелета радіолярій, скелета деяких губок тощо. Разом з тим потрапляння сполук Силіцію в органи дихання може порушити їхнє функціонування. Так, унаслідок довготривалого вдихання виробничого пилу, що містить 8Ю2, виникає небезпечне захворювання легень - силікоз. Тому людям, робота яких пов'язана з промисловим пилом (наприклад, шахтарям), слід захищати дихальні шляхи за допомогою марлевих пов'язок або респіраторів.
Макроелементи, мікроелементи, органогенні елементи.
Хімічний склад живих організмів, на відміну від об'єктів неживої природи, відносно сталий. У живих організмах трапляється майже 60 хімічних елементів. Одні з них обов'язкові для усіх організмів без винятку, інші - знайдені лише в представників окремих видів. Залежно від вмісту в організмах хімічні елементи поділяють на макро- (вміст понад 99,9 %) та мікроелементи (менше ніж 0,1 %). Гідроген, Карбон, Нітроген, Оксиген відносять до органогенних елементів, оскільки вони найчастіше трапляються у складі органічних сполук, а їхня сумарна частка становить майже 98 % хімічного вмісту живих істот.
Методи біологічних досліджень
Що таке науковий метод. Кожна наука має свою методологію — сукупність принципів та ідей, а також способів отримання нової наукової інформації. Ці прийоми надбання нових знань називаються науковими методами (від. грец. методос — шлях дослідження). Основою будь-якого наукового пошуку, джерелом одержання знань є цілеспрямоване спостереження й чітко спланований експеримент (від лат. експерементум — дослід). Спостереження більш властиві біологічним наукам, що вивчають біологічні процеси, які відбуваються у природі. Наприклад, спостереження за міграцією птахів (мал. 46), коливаннями чисельності комах, поведінкою ссавців є важливими способами пізнання світу тварин, а спостереження за фазами цвітіння (мал. 47) й іншими сезонними явищами в житті рослин — ключовими методами польової ботаніки. Експеримент як метод дослідження більш властивий наукам, що розвиваються в лабораторії (мал. 48): біохімії, біофізиці, фізіології або генетиці. Фізіологи й біохіміки «у пробірці» вивчають, наприклад, вплив біологічно активних речовин на швидкість метаболізму в окремих клітинах; молекулярні біологи — структуру й функції біологічних макромолекул (білків, ДНК); генетики й біофізики разом досліджують вплив рентгенівського випромінювання на генетичний апарат організмів. Усі ці процеси не можна вивчити у природному середовищі. Адже ні рентгенівського випромінювання, ні високого рівня радіації в природі не буває, а тому тільки в лабораторії відстежують процеси, що відбуваються за таких умов. Відкриті при цьому явища можуть бути надалі використані в прикладних аспектах, наприклад у медицині опромінення застосовують у боротьбі із злоякісними пухлинами, а в селекції рослин (мал. 49) в результаті радіаційного впливу на насіння одержують організми-мутанти з новими біологічними властивостями. Крім того, експериментальні дослідження дозволяють значно прискорити науковий пошук. Адже чекати в природі комбінацій певних умов можна роками, а в лабораторії є можливість створити їх штучно. Як випробувати новий сорт пшениці на стійкість до посухи чи заморозків? Можна, звичайно, довго й завзято чекати, коли у природі виникнуть подібні умови, тоді як за допомогою фітотрону (мал. 50) (від грец. фітон — рослина і тронос — місцеперебування) — спеціальної споруди для вирощування рослин, що моделює певні кліматичні умови, — вже після першого досліду стане зрозуміло, чи здатний новий сорт протистояти згубним чинникам середовища.
Таким чином, біологія — це наука, що базується на знаннях, отриманих дослідним шляхом під час спостере-женнь об'єктів живого та експериментів з ними, якими можуть бути клітини, організми, сукупність організмів одного чи різних видів. Перш за все в біології використовуються такі методи, як описовий і порівняльний. Опис — це відносно простий метод дослідження, коли явище або об'єкт характеризуються за основними якостями та властивостями. При цьому не використовуються методи точних наук або математичні прийоми. Оскільки все пізнається у порівнянні, то й опис найкраще робити відносно відомих явищ або предметів, які виступають у якості еталону. Збір та опис фактів були основними прийомами досліджень у ранній період розвитку біології. Однак цей метод не втратив свого значення і дотепер його широко використовують у ботаніці, зоології, анатомії, систематиці та інших біологічних науках. Ще у XVIII ст. було запроваджено порівняльний метод, який дозволив шляхом співставлення вивчати подібність і розбіжність організмів та їх частин. На основі цього методу сформувалася систематика, розроблено клітинну та еволюційну теорії, сформульовано біогенетичний закон, закон подібності зародків, побудовано філогенетичні системи організмів. Історія біології доводить, що справжніх успіхів у вивченні живого можна досягти тільки тоді, коли опис поступається дослідженням живих об'єктів і процесів, які відбуваються з ними. Особливе значення мають дослідження, контрольовані і керовані людиною. Такий спосіб отримання наукової інформації називається експериментальним методом дослідження і в біології, як правило, використовується в поєднанні з досягненнями інших природничих наук, перш за все хімії та фізики. (Пригадайте, що послугувало поштовхом до того, щоб біологія стала самостійною наукою.) Експериментальний метод — це метод, при якому дослідник вивчає певний ізольований об'єкт або процес і намагається досягнути повторюваності результатів у подібних умовах. І. П. Павлов (1849-1936) (мал. 51) стверджував, що спостереження збирає те, що пропонує природа, дослід бере від природи те, що він хоче. (Наведіть приклади експериментів, які увійшли в історію біологічної науки. Які прилади при цьому використовували науковці?)
Ще один метод, який оперує більш короткими часовими відрізками, — моніторинг (від лат. монітор — той, що нагадує) — постійне спостереження за станом певного біологічного об'єкта, найчастіше за угрупованнями організмів. Так, моніторинг видового складу рослин у біосферному заповіднику Асканія-Нова (мал. 54) показав, що за останні 75 років тут з'явилося понад сто нових видів, які витісняють види, властиві європейській степовій зоні, що неминуче приведе до зміни екосистем і в цілому змінить природу заповідника. Ще один тип моніторингу — генетичний — являє собою реєстрацію кількості спадкових порушень і зіставлення темпу їх нарощування в наступних поколіннях порівняно з попередніми. Наприклад, спеціальні дослідження в пологових будинках Києва, проведені після аварії на Чорнобильській АЕС (мал. 53), не довели на той час вірогідного збільшення генетичних вад та спадкових захворювань у новонароджених малюків. (Прокоментуйте цей факт.)
Розвиток будь-якого наукового пошуку завжди пов'язаний з виникненням гіпотези (від грец. гіпотезіс — припущення), яка обов'язково потребує перевірки. Одним з найпростіших способів є створення копії (моделі) біологічного явища з подальшим зіставленням процесів, що відбуваються у моделі (від лат. модулюс — міра, зразок), і тими подіями, які за схожістю виникають у природі. За допомогою таких порівнянь можна одержати науково важливі факти, які неможливо дослідити іншим шляхом. Наочним прикладом такої біологічної моделі слід вважати акваріум (мал. 55), існування риб у якому багато в чому схоже на їхнє життя у природній водоймі. У сучасній біології для створення моделі природного явища все частіше замість фізичних об'єктів використовується математична мова (формули або рівняння) і за допомогою комп'ютерних технологій проводиться імітування біологічних процесів, що відбуваються в клітині, організмі або біоценозі. Такий підхід отримав назву математичне моделювання, коли гіпотеза подається у вигляді математичної формули, за якою вибудовується гіпотетичний процес, що в подальшому зіставляється з реальними подіями. Якщо реальний процес відповідає гіпотетичному, то це означає: гіпотеза, покладена в основу моделі, адекватна і сформульоване вченим припущення правильне. Якщо такої відповідності не спостерігається, то за характером відхилень між реальним і гіпотетичним процесами можна виявити додаткові чинники, які не були враховані в первинній гіпотезі. Однією з перших математичних моделей у біології вважається модель Мальтуса, створена у XVIII ст. Вона описує розмноження особин популяції у вигляді геометричної прогресії. Проте в природі чисельність не зростає з такою швидкістю, оскільки до статевозрілого стану доживає дуже незначна частина потомства. Серед сучасних досліджень заслуговує на увагу спроба моделювання біосферних процесів, здійснена американськими вченими на початку 90-х років минулого століття. В Аризоні було побудовано споруду площею 1,5 га із скляним дахом (мал. 56), що пропускав 50 % сонячного світла. Всередині 7 блоків: тропічний ліс, океан, пустеля (мал. 57), савана, мангровий естуарій (мал. 58), пасовища, житлові приміщення. 8 осіб (4 чоловіки і 4 жінки) та 3000 видів рослин і тварин перебували у герметичній споруді протягом двох років. Однак рівновага швидко була порушена: мікроорганізми і комахи почали розмножуватись, знищувати сільськогосподарські культури, кисень знизився до 15 %, під склом щоранку утворювався конденсат, який випадав рясним дощем, без вітру (регулярного коливання) дерева ставали крихкими та ламалися. (Як ви вважаєте, про що свідчать результати цього експерименту?)
Результатами спостережень чи експериментів є отримання нових фактів (від лат. фактум — зроблене) та їх накопичення. Новий фактичний матеріал дає змогу шляхом умовиводів дійти гіпотези, яку необхідно перевірити експериментально. Якщо результати підтверджують наукове припущення, подальше накопичення фактичного матеріалу дозволяє сформулювати наукові узагальнення, якими можуть бути теорія (від грец. теоріа — дослідження), принцип (від лат. прінці-піум — початок, основа), закон або вчення. Отже, розвиток наукових знань відбувається таким шляхом: факт — умовивід — гіпотеза — експеримент — теорія (закон). Цей шлях, властивий природничим наукам, зокрема біології, називається індукцією (від лат. індукціо — наведення) і полягає в накопиченні окремих фактів та їх узагальненні подібно до того, як з окремих ланок утворюється ланцюг. Існує інший шлях пізнання — дедукція (від лат. дедукціо — відведення). На певному етапі розвитку науки і накопичення фактів формується загальна теорія кожної науки. Так сталося в механіці й фізиці, де виникли теоретична фізика та теоретична механіка. У біології через значну складність вивчення живих об'єктів, відсутність універсальної теорії життя й унеможливлення цілковитої математизації, теоретична біологія вже понад 40 років перебуває на стадії становлення. Саме тому дедукція — метод здобуття нових знань, основою якого є логічно пов'язана ланка умовиводів, у біологічній науці ще не посіла належного місця. (Пригадайте, хто з літературних героїв досконало володів методом дедуктивного мислення.) Одним з дедуктивних методів є метод математичного моделювання.
Зміст уроку конспект уроку і опорний каркас презентація уроку акселеративні методи та інтерактивні технології закриті вправи (тільки для використання вчителями) оцінювання Практика задачі та вправи,самоперевірка практикуми, лабораторні, кейси рівень складності задач: звичайний, високий, олімпійський домашнє завдання Ілюстрації ілюстрації: відеокліпи, аудіо, фотографії, графіки, таблиці, комікси, мультимедіа реферати фішки для допитливих шпаргалки гумор, притчі, приколи, приказки, кросворди, цитати Доповнення зовнішнє незалежне тестування (ЗНТ) підручники основні і допоміжні тематичні свята, девізи статті національні особливості словник термінів інше Тільки для вчителів ідеальні уроки календарний план на рік методичні рекомендації програми обговорення
Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь - Образовательный форум |
Авторські права | Privacy Policy |FAQ | Партнери | Контакти | Кейс-уроки
© Автор системы образования 7W и Гипермаркета Знаний - Владимир Спиваковский
При использовании материалов ресурса
ссылка на edufuture.biz обязательна (для интернет ресурсов -
гиперссылка).
edufuture.biz 2008-© Все права защищены.
Сайт edufuture.biz является порталом, в котором не предусмотрены темы политики, наркомании, алкоголизма, курения и других "взрослых" тем.
Ждем Ваши замечания и предложения на email:
По вопросам рекламы и спонсорства пишите на email: