Урок 4 Роль неорганических веществ (воды, кислорода

Урок 4 Роль неорганических веществ (воды, кислорода,
минеральных солей) в жизнедеятельности организмов.
1. Содержание воды в клетке
Вода – одно из самых распространенных веществ на Земле, она покрывает
большую часть земной поверхности и входит в состав всех живых
организмов.
Вода составляет почти 80% массы клетки (в головном мозге – 85%, в клетках
развивающегося зародыша – 90%). Две трети массы человека составляет
вода. Человек может прожить без воды не более 14 дней. Потеря организмом
20% воды может привести к смерти. Однако, не все клетки организмов
содержат одинаковое количество воды. Так, в клетках эмали зубов воды
около 10%, столь же немного ее в клетках покоящихся семян. В клетках
молодого организма воды – около 80%, а в клетках старого – только 60%.
Приведенные данные позволяют сделать вывод: чем больше воды в клетке,
тем интенсивнее в ней идут обменные процессы.
2. Структура и свойства молекулы воды
Уникальные свойства воды объясняются структурой ее молекул и
определяют ее биологические функции. Из курса химии известно, что
формула молекулы воды Н2О. Она состоит из двух атомов водорода и одного
атома кислорода и при этом электронейтральна. Но электрический заряд
внутри молекулы распределен неравномерно: в области атомов водорода
(точнее протонов) преобладает положительный заряд, в области, где
расположен
кислород,
выше
плотность
отрицательного
заряда.
Следовательно, частица воды – диполь.
Большая теплоемкость, теплота плавления и теплота парообразования воды
объясняются тем, что большая часть поглощаемого тепла расходуется на
разрыв водородных связей между молекулами.
Вода обладает высокой теплопроводностью. Она практически не сжимается и
прозрачна в видимом участке спектра. Наконец, вода – вещество, плотность
которого в жидком состоянии больше, чем в твердом (при 4 °С вода имеет
максимальную плотность, у льда плотность меньше, поэтому он поднимается
на поверхность).
Физические и химические свойства делают воду уникальной жидкостью и
определяют ее биологическое значение.
3. Биологическое значение воды
Роль воды к клетках и в организмах велика. Рассмотрим ее биологические
функции, исходя из физических и химических свойств этого уникального
вещества.
1. Вода способна к когезии, т.е. к сцеплению своих молекул под действием
сил притяжения. Вода способна слипаться сама с собой и с другими
веществами (можно, например, воду налить в стакан «с верхом» и она не
прольется). Это возможно благодаря поверхностному натяжению воды, из-за
которого ее поверхность как бы покрыта «кожицей». Эти физические
особенности воды позволяют ей выполнять важную биологическую функцию
– определение физических свойств клетки: ее объема и упругости
(тургесцентностъ). У круглых червей вода полостной жидкости играет роль
гидростатического скелета, выполняя опорную функцию.
2. Способность воды к адгезии. Ее свойство притягиваться любой
поверхностью, несущей электрический заряд, позволяет ей подниматься по
мелким порам в почве и по сосудам ксилемы у растений на большую высоту.
3. Силы сцепления между молекулами воды обеспечивают ее вязкость,
поэтому вода является смазывающим веществом в биологических системах.
Например, синовиальная жидкость в суставах позвоночных.
4. Вода – хороший растворитель ионных (полярных), а также некоторых не
ионных соединений, в молекулах которых присутствуют заряженные
(полярные)
группы.
Любые
полярные
соединения
в
воде
гидратируются (окружаются молекулами воды), при этом молекулы воды
участвуют в образовании структуры молекул органических веществ. Если
энергия притяжения молекул воды к молекулам какого-либо вещества
больше, чем энергия притяжения между молекулами самого вещества, то
вещество
растворяется
в
воде.
По
отношению
к
воде
различают: гидрофильные вещества (от греч.гидрос – вода и филео –
любить), хорошо растворимые в воде, и гидрофобные вещества (от
греч.гидрос и фобос – страх), практически нерастворимые в воде,
амфифильные – проявляют двоякие свойства.
В молекулах гидрофильных веществ преобладают полярные группы (–ОН;
С=О; –СООН; –NH2), которые способны устанавливать с молекулами
воды водородные связи. Гидрофильными свойствами обладают соли,
кислоты, щелочи, белки, углеводы.
Гидрофобные вещества имеют неполярные молекулы, которые
отталкиваются молекулами воды. В воде не растворяются жиры,
бензин, полиэтилен и другие вещества.
Свойство воды как растворителя имеет большое значение для живых
организмов, так как большинство биохимических реакций может идти только
в водном растворе. Кроме того, в качестве растворителя вода обеспечивает
как приток веществ в клетку, так и удаление из нее продуктов
жизнедеятельности.
5. Подвижность молекул воды объясняется тем, что водородные связи,
связывающие соседние молекулы, слабы, что и приводит к постоянным
столкновениям ее молекул в жидкой фазе. Молекулярная подвижность воды
позволяет осуществляться осмосу (диффузии, направленному движению
молекул через полупроницаемую мембрану в более концентрированный
раствор), необходимому для поглощения и движения воды в живых
системах.
Осмос
6. Среди самых распространенных в природе жидкостей вода имеет
наибольшую теплоемкость, поэтому у нее высокая температура кипения
(100 °С) и низкая температура замерзания (0 °С). Подобные свойства воды
позволили ей стать главной составляющей внутриклеточных и
внутриорганизменных жидкостей. Правда, температура замерзания воды
несколько выше, чем было бы идеально для жизни, так как на Земле
обширные территории имеют температуры ниже 0 °С. Если кристаллы льда
образуются в живом организме, то они могут разрушить его тонкие
внутренние структуры и вызвать его гибель. У озимой пшеницы, у ряда
насекомых, у лягушек в организме есть природные антифризы,
предотвращающие образование льда в их клетках.
7.
«Необычная» плотность и
«поведение»
воды вблизи
точки
замерзания приводят к тому, что лед плавает на поверхности водоемов,
создавая изолирующий слой, который при низких температурах защищает
водных обитателей и водоем от полного промерзания.
8. Вода обладает большой удельной теплотой парообразования,
поэтому, испаряясь, вода способствует охлаждению тела (при испарении 1
г воды тело теряет 2430 Дж энергии). Известно, что за день тяжелой работы
человек теряет до 10 л пота. Если бы пот во время работы не выделялся и не
испарялся, то организм «нагрелся» бы до 100 °С. Испарение воды с
поверхности листьев растений в ходе транспирации также способствует
охлаждению.
9. Вода является реагентом во многих химических реакциях. Например,
гидролитическое расщепление белков, углеводов, жиров и т.д. Вода играет
роль источника кислорода, выделяемого при фотосинтезе, и водорода,
который используется для восстановления продуктов ассимиляции
углекислого газа.
10.
Большая
теплоемкость
и
теплопроводность
воды
способствует равномерному распределению тепла в клетке и в организме.
Таким образом, вода – самая удивительная жидкость на Земле, свойства
которой превосходят всякую фантазию. Уникальные свойства воды
позволяют ей выполнять не менее уникальные биологические функции.
Таблица 3. Биологические функции воды
Свойства воды
Биологическое значение
1. Высокая температура
кипения
Образует основу внутренней среды
организмов
2. Расширение при замерзании
Лед защищает водоемы от промерзания, а
водных обитателей замерзающих озер,
прудов и рек от гибели
3. Хороший растворитель
4. Сочетание высокой
теплоемкости и высокой
теплопроводности
В водных растворах протекает большинство
биохимических реакций
5. Капиллярность
Поддержание теплового равновесия
организма, обеспечение его
термостабильности
6. Высокая скрытая теплота
парообразования
7. Прозрачность
Подъем воды и растворенных в ней веществ
на большую высоту в почве и в теле
растений
8. Практически полная
несжимаемость
Охлаждение организма при минимальной
потере воды
9. Подвижность молекул
Возможность фотосинтеза на небольшой
глубине
10. Вязкость
Поддержание формы организмов
Возможность осмоса
Смазывающие свойства
Домашнее задание
Изучить параграф учебника (строение, свойства и биологические функции
воды), конспект.
Творческое задание (выполнить 1 задание на выбор)
Карточка 1. Прочитайте отрывок из стихотворения М. Дудника:
Говорят, что на восемьдесят процентов
Из воды состоит человек.
Из воды – добавлю – родных его рек.
Из воды – добавлю – дождей, что его напоили.
Из воды – добавлю – из древней воды родников,
Из которых его и деды, и прадеды пили...
Как вы понимаете этот текст с точки зрения знаний о составе живого
вещества и роли воды в живой природе?
Карточка 2. Если растереть в ступке таблетку фенолфталеина и добавить
несколько гранул щелочи, то между этими веществами реакция не
наблюдается – окрашивания не происходит. Что надо сделать, чтобы реакция
происходила?
Карточка 3. Большой сосуд с водой, помещенный в погреб, предохраняет
овощи от замерзания. Почему?
Карточка 4. В ясный весенний день температура воздуха 10 °С,
относительная влажность воздуха 80%. Будет ли ночью заморозок? Почему
перед заморозком рассаду помидоров и огурцов обильно поливают?
Карточка 5. Почему альпийские растения низкорослы? Почему во всех
частях этих растений сахара накапливается больше, чем у таких же растений,
находящихся вне альпийской зоны?
Карточка 6. В самые сухие и жаркие дни пчелы на верхних стенках каморок в
улье «развешивают» капельки воды. Зачем?
Карточка 7. В результате эволюции в живой природе создалась богатейшая
кладовая химических соединений. Известно, что мир растений наиболее
богат химическими соединениями, активно используемыми человеком. Чем
можно объяснить изобилие химических веществ именно в мире растений, а
не в мире животных? В каких районах Земли можно ожидать произрастание
растительных сообществ, наиболее богатых химическими соединениями?
Карточка 8. Всем известно, что водомерки бегают по воде, как посуху. Воду
можно налить в стакан «с верхом», и она не прольется, в отличие от других
жидкостей. Как вы объясните это явление? Благодаря какому свойству воды
оно возможно?