§ 3 Хімічні основи життя

• До змісту відповідей

ПОМІРКУЙТЕ Й ОБГОВОРІТЬ СИТУАЦІЮ

Чи є в нашій мові вислів зі схожим смислом?

В українській мові існує ідентичний за значенням вислів: «Ми є те, що ми їмо».

Запропонуйте кілька різних пояснень його значення.

Перше пояснення полягає в тому, що всі тканини й органи людини будуються з молекул, які надходять в організм разом із їжею. Друге пояснення стосується стану здоров’я: споживання якісних продуктів забезпечує нормальне функціонування організму, тоді як шкідлива їжа призводить до хвороб. Третє пояснення є енергетичним: їжа є паливом, і від її складу залежить рівень активності та працездатності людини.

Як він пов’язаний із хімічним складом вашого організму та якістю життя?

Організм людини на 98 % складається з таких елементів, як Оксиген, Карбон, Гідроген і Нітроген, які утворюють основні органічні сполуки. Ці елементи, а також необхідні макро- та мікроелементи (Кальцій, Залізо, Йод тощо), потрапляють в організм виключно з їжею та водою. Якість життя напряму залежить від збалансованості цього хімічного складу: дефіцит або надлишок окремих елементів спричиняє порушення обміну речовин, що погіршує фізичний та ментальний стан людини.

ХІМІЧНИЙ СКЛАД ЖИВОГО

1. Зважте на терезах невеликий шматочок м’яса або листки рослини масою до 10 г. Покладіть зразок у сушильну шафу за температури 40–50 °С та витримайте кілька годин або висушіть зважені зразки кілька діб на повітрі. Що відбудеться зі зразком? Досушіть його до постійної маси та визначте вміст сухої речовини.

Під час висушування зразок втрачає воду, через що його загальна маса зменшується, а лінійні розміри скорочуються. Після доведення до постійної маси у зразку залишається лише суха речовина, яка складається з органічних та мінеральних сполук. Вміст сухої речовини визначається як відсоткове відношення кінцевої маси висушеного зразка до його початкової маси.

2. Спаліть сухі зразки, затиснувши їх щипцями з дерев’яною ручкою. Що залишилося після згоряння зразка?

Після повного згоряння сухого зразка всі органічні речовини окиснюються та перетворюються на газоподібні продукти (вуглекислий газ, водяну пару). Незгораємий залишок, що залишається після процесу, — це попіл, який представляє собою суміш мінеральних солей та неорганічних елементів.

3. Попіл розчиніть в 1 %-му розчині хлоридної кислоти. Додайте до розчину кілька крапель натрій гідроксиду та червоної кров’яної солі. Визначте, який елемент наявний у розчині сухого залишку м’яса чи листка.

Додавання червоної кров’яної солі до розчину призводить до появи інтенсивного синього забарвлення, що є якісною реакцією на йони Феруму ($Fe^{2+}$). Таким чином, у розчині сухого залишку м’яса чи листка наявний хімічний елемент Залізо (Ферум).

4. У висновках запишіть: наявність якої речовини в біологічному зразку ви визначили в пункті 1 та який її відсотковий уміст; які речовини згоряють під час спалювання, а які — залишаються в недогарку. Який хімічний елемент ви виявили в пункті 3?

У пункті 1 було визначено наявність води, її відсотковий уміст у біологічних зразках зазвичай становить від 60 % до 90 % залежно від типу тканини. Під час спалювання згоряють органічні речовини (білки, жири, вуглеводи), а в недогарку (попелі) залишаються неорганічні речовини (мінеральні солі). У пункті 3 було виявлено хімічний елемент Залізо.

ПОШУК, ОЦІНЮВАННЯ, СИСТЕМАТИЗАЦІЯ ТА ПРЕЗЕНТАЦІЯ ІНФОРМАЦІЇ

Укладіть презентацію щодо біологічної ролі води. Поясніть, завдяки яким фізичним та хімічним властивостям вода виконує свої функції. Презентуйте доповідь.

1. Вода як універсальний розчинник: Завдяки полярності своїх молекул (дипольності) вода розчиняє велику кількість речовин, забезпечуючи транспорт сполук та перебіг біохімічних реакцій у клітині.
2. Транспортна функція: Плинність та низька в’язкість води дозволяють їй переміщувати поживні речовини, гормони та продукти обміну по всьому організму.
3. Терморегуляційна функція: Висока теплоємність та висока питома теплота випаровування дозволяють воді поглинати надлишок тепла і охолоджувати організм через випаровування (потіння), підтримуючи сталу температуру тіла.
4. Структурна функція: Нестисливість води забезпечує тургор (внутрішній тиск) клітин, що допомагає підтримувати форму органів та цілісність організму.
5. Середовище для життя та пересування: Високий поверхневий натяг дозволяє дрібним організмам, таким як водомірка, утримуватися та пересуватися по водній поверхні.

ЗНАЙДІТЬ ІНФОРМАЦІЮ Й ВИКОНАЙТЕ ЗАВДАННЯ

Ознайомтеся з інфографікою на малюнку 3.1 і випишіть, які хімічні елементи належать до макроелементів (уміст до 0,001 %) та органогенів (із яких побудовані молекули вже відомих вам органічних речовин). Як ви вважаєте, які хімічні елементи називають мікроелементами? Спробуйте навести приклади таких елементів.

До органогенів належать Оксиген (65,0 %), Карбон (18,5 %), Гідроген (9,5 %) та Нітроген (3,2 %). До макроелементів (згідно з даними малюнка 3.1) належать Кальцій (1,5 %), Фосфор (1,0 %), Калій (0,4 %), Сульфур (0,3 %), Натрій (0,2 %), Хлор (0,2 %) та Магній (0,1 %). Мікроелементами називають хімічні елементи, вміст яких в організмі є дуже низьким і становить менше 0,001 %. Прикладами таких елементів є Йод, Кобальт, Мідь, Цинк, Фтор та Манган.

ВІДКРИТИЙ МІКРОФОН

Ґрунтуючись на біологічній ролі сполук Кальцію, спрогнозуйте наслідки його нестачі або порушення обміну цього елемента для вашого організму. Що необхідно робити для профілактики такого дефіциту чи порушення обміну?

Нестача Кальцію або порушення його обміну призводять до зниження щільності та підвищеної крихкості кісток (остеопорозу), руйнування зубної емалі та карієсу. Оскільки Кальцій бере участь у передачі нервових імпульсів та скороченні м’язів, його дефіцит спричиняє м’язові судоми, а через роль у процесах зсідання крові — сповільнює зупинку кровотеч. Для профілактики необхідно вживати продукти з високим вмістом Кальцію (молочні продукти, тверді сири, кунжут, горіхи, рибу), підтримувати достатній рівень вітаміну D, який забезпечує засвоєння елемента, та займатися регулярною фізичною активністю.

РОБОТА В ГРУПІ

Створіть коротку презентацію на тему «Роль неорганічних речовин». Розташуйте на слайдах символ хімічного елемента та ілюстрації, що відображають його біологічне значення. Додайте до презентації інформацію про продукти харчування, які є джерелами відповідних хімічних елементів. Зазначте наслідки нестачі заліза для людей та магнію для рослин, нестачі та надлишку фтору для людей. Проаналізуйте результат роботи іншої групи. Оцініть, наскільки легко вам удалося описати функції елементів за презентацією іншої групи учнів та учениць.

Презентація «Роль неорганічних речовин»:

1. Залізо (Fe): Входить до складу гемоглобіну еритроцитів, забезпечуючи транспорт кисню до тканин та органів. Джерела: червоне м’ясо, печінка, сочевиця, шпинат. Нестача заліза у людей призводить до залізодефіцитної анемії (малокрів’я), що супроводжується слабкістю та задишкою.
2. Магній (Mg): Є центральним атомом у молекулі хлорофілу, необхідний для процесу фотосинтезу. Джерела для людини: горіхи, насіння, зелені листові овочі. Нестача магнію у рослин викликає хлороз — руйнування хлорофілу, через що листя жовтіє між жилками.
3. Фтор (F): Необхідний для формування зубної емалі та кісткової тканини. Джерела: морепродукти, чай, фторована питна вода. Нестача фтору у людей спричиняє розвиток карієсу. Надлишок фтору призводить до флюорозу — появи плям на емалі та підвищеної крихкості кісток.

Аналіз роботи іншої групи: Презентація іншої групи була структурованою, а ілюстрації чітко відображали біологічні функції елементів. Описати функції за їхніми слайдами було легко завдяки вдалому поєднанню візуальних образів та лаконічних підписів.

РОБОТА В ПАРІ

Візьміть набір канцелярських скріпок. Уявіть, що одна скріпка — це мономер (мала молекула). Об’єднайте дві скріпки в ланцюжок — утвориться димер, три скріпки — тример, чотири — тетрамер тощо. Якщо об’єднати, приміром, 20 і більше скріпок у ланцюжок, утвориться невеликий полімер.

Під час моделювання одна скріпка виконує роль мономера, який є структурною одиницею майбутнього ланцюга. Об’єднання двох скріпок демонструє утворення димера, а послідовне додавання нових ланок ілюструє процес полімеризації. Ланцюжок із 20 скріпок наочно представляє будову біополімеру, де властивості всієї молекули залежать від кількості та порядку з’єднання окремих мономерів.

ЗНАЙДІТЬ ІНФОРМАЦІЮ Й ВИКОНАЙТЕ ЗАВДАННЯ

Проведіть аналіз, обробку та презентуйте дані, аби наочно продемонструвати таке. 1) Відмінність за вмістом кальцію в продуктах тваринного та рослинного походження (загалом). 2) Відмінність за вмістом кальцію в рибних, м’ясних та молочних продуктах (загалом). 3) Відсотковий уміст кальцію в 100 г продуктів харчування. Зробіть висновок щодо збалансування вашого раціону харчування достатньою кількістю кальцію на добу.

Аналіз вмісту кальцію в продуктах харчування (на основі даних для 50 г продукту):

1. Продукти тваринного походження загалом містять значно більше кальцію, ніж рослинні продукти. Середній вміст кальцію в обраних тваринних продуктах становить приблизно 47,9 мг на 50 г, тоді як у рослинних — лише 6,7 мг на 50 г.
2. Найвищий вміст кальцію спостерігається в молочних продуктах (середнє значення 142,25 мг/50г). Рибні продукти та морепродукти посідають друге місце (15,5 мг/50г), а м’ясні продукти мають найнижчий показник серед тваринної групи (6,67 мг/50г), що майже дорівнює показникам рослинних продуктів.
3. Відсотковий вміст кальцію в 100 г продуктів коливається від 0,01% до 0,5%. Найбагатшим джерелом є твердий сир.

Висновок: Для забезпечення добової норми кальцію (близько 1000 мг для підлітка) раціон повинен обов’язково включати молочні продукти, особливо твердий сир, оскільки отримати таку кількість елемента виключно з м’яса або овочів фізично важко через їхній низький вміст кальцію.

ПРОЄКТ

Охарактеризуйте біологічну роль хімічного елемента, його джерела для організму. Запропонуйте план експерименту (якщо можете, виконайте його), у якому досліджується вплив надлишку чи нестачі окремих елементів мінерального живлення на проростання насіння.

Хімічний елемент: Магній (Mg).
Біологічна роль: Магній входить до складу хлорофілу, активує численні ферменти енергетичного обміну та синтезу ДНК. Для людини джерелами є цільнозернові продукти, горіхи, бобові та шпинат.

План експерименту «Вплив магнію на розвиток проростків»:

1. Підготувати три групи насіння квасолі (по 10 штук у кожній).
2. Першу групу (контрольну) поливати повним поживним розчином Кнопа, що містить усі необхідні елементи.
3. Другу групу поливати розчином, у якому сульфат магнію замінено на сульфат натрію (моделювання нестачі магнію).
4. Третю групу поливати розчином із п’ятикратною концентрацією магнію (моделювання надлишку).
5. Протягом 14 днів спостерігати за швидкістю проростання, довжиною стебла та кольором перших листків.
6. Очікуваний результат: за нестачі магнію листки матимуть ознаки хлорозу (блідо-жовтий колір), а за надмірного надлишку можливе пригнічення росту кореневої системи.

ЗАПИТАННЯ І ЗАВДАННЯ

1. Запропонуйте кілька способів моделювання будови різних біополімерів.

Існують такі способи моделювання біополімерів:

• Використання об’ємних моделей, де атоми представлені кульками різного кольору, а зв’язки — стержнями.
• Створення ланцюжків із підручних матеріалів (намистини, скріпки, деталі конструктора LEGO), де кожен колір або форма відповідає певному мономеру (амінокислоті чи нуклеотиду).
• Площинне моделювання за допомогою вирізаних із паперу геометричних фігур, що з’єднуються між собою.
• Комп’ютерне 3D-моделювання з використанням спеціалізованого програмного забезпечення для візуалізації третинної структури білків або подвійної спіралі ДНК.

ЗАПИТАННЯ І ЗАВДАННЯ

2. Знайдіть інфографіку щодо вмісту хімічних елементів у гідросфері, літосфері та атмосфері. Порівняйте їх із хімічним складом організму людини. Чи є спільні риси в хімічному складі живої та неживої природи?

У літосфері переважають Оксиген (близько 47 %) та Силіцій (28 %), у гідросфері — Оксиген (85 %) та Гідроген (10 %), а в атмосфері — Нітроген (78 %) та Оксиген (21 %). Хімічний склад людини відрізняється високою концентрацією органогенів: Оксигену (65 %), Карбону (18,5 %), Гідрогену (9,5 %) та Нітрогену (3,2 %). Спільною рисою живої та неживої природи є те, що всі елементи, які входять до складу організмів, містяться і в земній корі, воді та повітрі, що підтверджує єдність матеріального світу. Основна відмінність полягає лише у відсотковому співвідношенні цих елементів.

3. Пригадайте з курсу фізики чи хімії фізичні та хімічні властивості води. Які із цих властивостей забезпечують виконання нею біологічних функцій? Завдяки яким фізичним властивостям води відбувається теплообмін у живих організмів (розподіл тепла організмом, його утримання чи охолодження тіла)? Наведіть приклади розчинних та нерозчинних у воді сполук. Чи є такі в складі вашого організму і харчових продуктах?

Біологічні функції води забезпечуються її полярністю, здатністю утворювати водневі зв’язки, високою теплоємністю та теплотою випаровування. Теплообмін відбувається завдяки високій питомій теплоємності, яка дозволяє воді накопичувати і розподіляти тепло по організму через кров або соки рослин, а висока теплота випаровування забезпечує охолодження тіла під час потовиділення або транспірації. До розчинних (гідрофільних) сполук належать кухонна сіль, цукор (глюкоза) та вітамін С, які присутні в плазмі крові та овочах. Нерозчинними (гідрофобними) сполуками є жири, холестерин та білок кератин, що входять до складу клітинних мембран, підшкірної клітковини та волосся.

4. Знайдіть інформацію про елементози. Чи можна називати анемію, хлороз, флюороз, ендемічний зоб елементозами? Чому виникають ці стани? Запропонуйте способи профілактики елементозів.

Анемію, хлороз, флюороз та ендемічний зоб можна називати елементозами, оскільки це патологічні стани, спричинені дефіцитом, надлишком або дисбалансом хімічних елементів в організмі. Анемія виникає через нестачу Заліза, хлороз у рослин — через дефіцит Магнію або Заліза, флюороз — через надлишок Флуору, а ендемічний зоб — через дефіцит Йоду. Ці стани виникають внаслідок особливостей складу ґрунту та води в певних регіонах, неправильного харчування або порушення обміну речовин. Для профілактики елементозів необхідно забезпечити збалансований раціон, вживати йодовану сіль, використовувати фільтри для води (у разі надлишку певних елементів) та за потреби приймати вітамінно-мінеральні комплекси за рекомендацією лікаря.