§ 3 Хімічні елементи в живих системах. Вода та інші неорганічні речовини

• До змісту відповідей

БІОЛОГІЧНИЙ ДЕТЕКТИВ

Чи однаково розподілені хімічні елементи у живій і неживій природі?

Хімічні елементи розподілені у живій і неживій природі неоднаково. Хоча елементний склад організмів подібний до складу навколишнього середовища, концентрація окремих елементів суттєво різниться: наприклад, у живих організмах вміст Карбону становить близько 19 %, тоді як у літосфері його частка мізерна, а в атмосфері — менше 0,04 %.

Який елемент є основою всіх органічних молекул?

Основою всіх органічних молекул є Карбон.

Чому саме він?

Атоми Карбону мають здатність утворювати чотири міцні та стабільні ковалентні зв’язки з іншими атомами Карбону або атомами інших елементів. Це дозволяє формувати різноманітні лінійні, розгалужені ланцюги та кільця, що є «скелетами» для величезної кількості складних молекул.

Чи є у природі інший елемент, що володіє подібними властивостями та міг би стати основою життя деінде?

Подібними властивостями володіє Силіцій, який також знаходиться в IV групі Періодичної системи і здатний утворювати чотири зв’язки. У наукових гіпотезах він розглядається як потенційна основа для альтернативних форм життя, хоча сполуки Силіцію є менш стабільними та різноманітними порівняно з карбоновими.

ТРЕНУЙСЯ ДУМАТИ

1. Вода має ряд унікальних властивостей. Одна з них — розширення за замерзання. Змоделюй ситуацію на Землі, якби вода була позбавлена такої властивості. Як би це вплинуло на зародження та формування життя?

Якби вода не розширювалася під час замерзання, лід мав би більшу густину за рідку воду і тонув би, накопичуючись на дні водойм. Узимку озера, річки та океани промерзали б повністю від дна до поверхні, що призвело б до загибелі більшості водних організмів. Оскільки життя на Землі зародилося у водному середовищі, відсутність цієї властивості зробила б неможливим існування стабільних екосистем у Світовому океані, що критично загальмувало б або повністю унеможливило появу та розвиток життя.

2. Живі організми поглинають важкі метали та отрути із забрудненого довкілля. У яких організмів — рослин, рослиноїдних тварин чи хижаків — уміст важких металів чи отрут найвищий? Обґрунтуй свою думку.

Найвищий уміст важких металів та отрут спостерігається в організмах хижаків. Це зумовлено явищем біологічного накопичення, за якого токсичні речовини, що не виводяться з організму, передаються ланцюгами живлення і їхня концентрація зростає на кожному наступному трофічному рівні.

РОБОТА З ІНФОРМАЦІЄЮ

Переконайся у цьому, аналізуючи інформацію у таблиці.

Аналіз таблиці підтверджує, що хімічний склад живих організмів суттєво відрізняється від складу навколишнього середовища. У живих організмах концентрація Карбону (19%) та Нітрогену (> 3%) значно вища, ніж у літосфері (0,09% та < 0,01% відповідно) чи гідросфері, що свідчить про вибірковість накопичення елементів, необхідних для формування органічних молекул.

Пригадай, яку роль виконують деякі з мікроелементів.

Ознайомся з детальнішою інформацією в e-ДОДАТКУ (завдання 3.1)

Які хвороби називають екологічними?
Екологічними називають гострі та хронічні захворювання людини, спричинені фізичними й хімічними факторами (ксенобіотиками) через забруднення та глобальні зміни навколишнього середовища.

Які причини розвитку екологічних хвороб?
Основною причиною є вплив чужорідних для організму хімічних сполук (ксенобіотиків), а також біологічні, механічні, фізичні та психосоціальні чинники.

Які «японські» хвороби наведено в статті, з накопиченням яких хімічних елементів вони пов’язані?
У статті наведено такі «японські» хвороби: Мінамата (пов’язана з накопиченням метилртуті), Йоккаїтська астма (двоокис сірки), Ітай-ітай (кадмій) та Юшо (поліхлоровані феніли).

Назви кілька заходів профілактики екологічних хвороб на глобальному (або державному) та індивідуальному рівні.
На глобальному рівні необхідні зменшення викидів шкідливих речовин у повітря та водойми, а також суворий контроль за якістю харчових продуктів і довкілля. На індивідуальному рівні варто вживати перевірену та екологічно чисту їжу, використовувати фільтровану воду й намагатися проводити більше часу в чистій місцевості.

ЗАПИТАННЯ І ЗАВДАННЯ

1. Розподіли елементи C, Na, N, P, Cl, K, S на групи: а) зазвичай виконують функції у вигляді йонів; б) зазвичай перебувають у складі сполук.

2. В організмі людини та інших ссавців Ферум можна віднести до макроелементів, тоді як для членистоногих і молюсків — ні. Поміркуй, як це пов’язано з особливостями їхніх транспортних систем.

Високий вміст Феруму в організмі ссавців зумовлений його наявністю у складі білка гемоглобіну, який міститься в еритроцитах і транспортує кисень. У більшості членистоногих і молюсків функцію транспорту газів виконує білок гемоціанін, який містить Купрум, або кисень розноситься безпосередньо через систему трахей. Через відсутність великої кількості залізовмісних дихальних пігментів потреба у Ферумі в цих тварин значно менша, що робить його для них мікроелементом.

3. До складу молекули хлорофілу входить Магній. Які зміни у зовнішньому вигляду та функціонуванні рослин може спричинити нестача Магнію?

Нестача Магнію призводить до порушення синтезу хлорофілу, що зовні проявляється як міжжилковий хлороз — пожовтіння листків, при якому жилки залишаються зеленими. Функціонально це спричиняє зниження інтенсивності фотосинтезу, уповільнення росту рослини, ослаблення кореневої системи та зменшення врожайності.

5. Як біологічні функції води пов’язані з утворенням між молекулами водневих зв’язків? Скористайся малюнком 3.2.

• Універсальний розчинник та транспортна функція: Завдяки постійному виникненню та розриву водневих зв’язків вода має високу текучість і здатність розчиняти полярні (гідрофільні) речовини, що дає змогу транспортувати речовини в організмі.
• Теплорегуляторна функція: Наявність міжмолекулярних водневих зв’язків зумовлює високу теплоємність та високу теплоту випаровування води, що запобігає різким температурним коливанням і забезпечує рівномірний розподіл тепла всередині організму.
• Захисна функція для водойм: Через утворення сітки водневих зв’язків вода розширюється під час замерзання, тому лід має меншу густину, ніж рідка вода, і формується на поверхні водойм, а не на дні, зберігаючи життя під водою.

6. Де в організмі людини і тварин містяться розчинні і нерозчинні солі? Які функції виконує кожна із цих груп?

Нерозчинні солі (переважно фосфати й карбонати Кальцію) містяться в кістках, зубах хребетних тварин, а також у черепашках молюсків і скелетах коралів. Розчинні солі містяться у формі йонів (Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Cl⁻) у цитоплазмі клітин, крові, лімфі та міжклітинній рідині. Нерозчинні солі виконують опорну та захисну функції, забезпечуючи міцність скелетних структур. Розчинні солі відповідають за підтримання осмотичного тиску, проведення нервових імпульсів, скорочення м’язів та забезпечення сталого рівня кислотності (pH) внутрішнього середовища.

СКЛАДАЄМО БІОЛОГІЧНІ ПАЗЛИ (РЕФЛЕКСІЯ)

Назви три факти, які ти дізнався/дізналася після опанування параграфа.

Я дізнався, що Карбон становить близько 19% маси живих організмів і утворює «скелет» усіх органічних сполук. Також я довідався, що лід має меншу густину за рідку воду через її розширення при замерзанні, що рятує водойми від повного промерзання. Крім того, я дізнався, що важкі метали накопичуються в ланцюгах живлення і найбільше шкодять саме хижакам.

Закінчи одне з речень: Я став/стала більш обізнаним/обізнаною щодо… Мене здивувало… Я побачив/побачила зв’язок…

Я побачив/побачила зв’язок між наявністю різних дихальних пігментів (гемоглобіну із Ферумом у ссавців та гемоціаніну з Купрумом у молюсків) і тим, чи є елемент макро- або мікроелементом для конкретного організму.

З якими перешкодами ти зіткнувся/зіткнулася під час опанування параграфа? Як ти подолав/подолала труднощі?

Найскладніше було розібратися з тим, як саме водневі зв’язки впливають на різноманітні властивості води. Я подолав це, уважно вивчивши малюнки й схеми в підручнику та співвіднісши властивості з відповідними біологічними функціями.

Де і як ти зможеш використати знання і набутий досвід?

Ці знання допоможуть мені розуміти важливість якісного питного режиму і правильного харчування, збалансованого за макро- й мікроелементами. Також я краще розумію екологічні ризики забруднення довкілля важкими металами та важливість збереження чистих водойм.