Хімічні елементи

ВСТУП

Термін «біологія» ввів французький учений Ж.-В. Ламарк (1744-1829) — автор першої еволюційної гіпотези.

Біологія (від грец. bios — життя та logos — слово, вчення) — наука, яка вивчає живі організми, їхню різноманітність, будову та життєдіяльність.

Біологія — система наук про живу природу:

— ботаніка — наука про рослини;

— зоологія — наука про тварин;

— мікробіологія — наука про мікроорганізми;

— анатомія людини — наука про будову тіла людини;

— цитологія — наука, що вивчає будову, хімічний склад та процеси життєдіяльності клітини;

— гістологія — наука про будову, функції та походження тканин;

— генетика — наука про спадковість і мінливість організмів;

— систематика — наука про різноманітність живих істот, яка на основі даних усіх інших біологічних наук класифікує організми в певні групи відповідно до ступеня їх історичної спорідненості;

— палеонтологія — наука про викопні рештки живих істот;

— екологія — наука про взаємозв’язки організмів та угруповань організмів між собою та навколишнім середовищем.

Молекулярна біологія вивчає будову, функції і взаємодію макромолекул і їх сполук, з яких складаються живі клітини. Хімічні процеси в клітині вивчає біохімія; фізичні явища, характерні для біологічних сполук та структур, — біофізика; молекули, що є носіями спадкової інформації, — молекулярна генетика. Генна інженерія — це зміна генотипу введенням або вилученням з клітин генів чи їх груп.

 Рівні організації живої матерії

Рівень організації живої матерії — це функціональне місце біологічної структури певного ступеня складності в загальній системі живої матерії.

Молекулярний рівень — це специфічні для живих організмів види органічних сполук (білки, жири, вуглеводи, нуклеїнові кислоти тощо), їх взаємодія між собою і з неорганічними компонентами і роль в обміні речовин та енергії в організмі.

Клітинно-тканинний рівень визначає будову і властивості більшості живих організмів, оскільки клітина є головною функціональною одиницею організації живої матерії. Тканинний рівень як результат спеціалізації та диференціації клітин характерний лише для багатоклітинних організмів.

Організмовий рівень. Елементарна одиниця цього рівня — особина в її розвитку від моменту зародження до припинення існування в якості живої системи. Закономірні зміни організму в індивідуальному розвитку складають елементарне явище даного рівня. Ці зміни забезпечують ріст організму, диференціацію його частин і водночас інтеграцію розвитку в єдине ціле.

Популяційно-видовий рівень визначається взаємовідносинами організмів одного виду між собою всередині популяції. Популяція — надорганізмова система, у якій здійснюються елементарні еволюційні перетворення,

Біогеоценотичний рівень виявляється в тому, що в певній ділянці біосфери з визначеними абіотичними показниками співіснують популяції різних видів, пов’язані між собою ланцюгами живлення (біогеоценози). Ці екосистеми здатні до саморегуляції і самовідтворення.

Біосферний рівень. Біосфера — це частина планети, населена живими організмами. Вона являє собою єдине ціле і має свої закономірності, які відрізняють її від інших рівнів організації живого. На цьому рівні відбувається колообіг речовин.

 Основні ознаки живого організму

Живі організми — це цілісні біологічні системи, здатні до саморегуляції та самовідтворення. У їхньому хімічному складі переважають органічні сполуки: білки, ліпіди, вуглеводи, нуклеїнові кислоти. їх утворюють чотири хімічні елементи: Карбон, Гідроген, Оксиген, Нітроген. Біологічні системи постійно самооновлюються: замість хімічних сполук і структур, термін існування яких вичерпаний, утворюються нові.

Кожна біологічна система здатна й до саморегуляції, тобто до регулювання власних життєвих функцій та підтримання сталості свого внутрішнього середовища.

Необхідною умовою існування живих істот є обмін речовин. Живий організм як відкрита система одержує потрібні йому сполуки з навколишнього середовища, виводячи туди кінцеві продукти свого обміну речовин.

Важлива властивість живих організмів — здатність до самовідтворення. Оскільки життя окремого організму як біологічної системи обмежене певним терміном, існування кожного виду забезпечується розмноженням окремих особин.

Фізіологічні властивості живих клітин, які спочатку вивчали на одноклітинних організмах, вважаються властивостями живих істот, необхідними для виконання всіх тих функцій, без яких неможливе життя. Сюди відносять цілий ряд показників, які характеризують життя.

Подразливість виявляється активними реакціями живих організмів на зовнішню дію. Завдяки подразливості організми вибірково реагують на умови навколишнього середовища. Зокрема, реакціями на подразнення можуть бути: провідність, скоротливість, поглинання і засвоєння, секреція, екскреція, дихання, ріст, розмноження, спадковість, диференціація.

Провідність виявляється у виникненні хвилі збудження у зоні впливу подразника та її поширенні по поверхні клітини до елементів її внутрішньої будови. Цей процес супроводжується зміною електричного потенціалу, який піддається вимірюванню.

Скоротливість — це реакція на подразнення, яка виявляється у вкороченні клітини.

Поглинання і засвоєння. Усі клітини мають здатність поглинати поживні речовини своєю поверхнею та використовувати їх.

Секреція — це процес синтезу потрібних організмові сполук і виділення їх (секретування) для використання організму.

Екскреція — це видалення клітиною непотрібних, іноді навіть шкідливих продуктів, які утворюються в результаті метаболізму поживних речовин.

Дихання полягає у поглинанні клітиною кисню, який використовується для окиснення поживних речовин у процесі клітинного дихання і супроводжується звільненням енергії.

Ріст — це приріст маси та розмірів організму до певної межі.

Розмноження клітин звичайно характерне для багатоклітинних організмів; завдяки розмноженню відбувається ріст організму.

Спадковість — властивість перенесення інформації про ознаки організму від батьківської особини до дочірньої. Ця інформація закодована в структурі ДНК.

Диференціація — виникнення відмінностей між однорідними утвореннями в процесі розвитку організму.

 БІОЛОГІЯ КЛІТИНИ

Серед організмів є одноклітинні, колоніальні та багатоклітинні. Існують і неклітинні форми життя — віруси. Клітини багатоклітинних організмів диференціюються і утворюють тканини, органи та системи органів.

Термін «клітина» вперше застосував Роберт Гук у 1665 р. Розглядаючи тонкий зріз корка за допомогою сконструйованого ним мікроскопа, Гук побачив, що корок складається з комірок — клітин. Одноклітинні організми відкрив голландський дослідник Антоні ван Левенгук наприкінці XVII ст. Роздивляючись у мікроскоп краплини води, він помітив одноклітинні організми і описав їх.

Клітинну теорію сформулював німецький зоолог Т. Шванн у 1838 р. При цьому він спирався на праці німецького ботаніка М. Шлейдена. Цю теорію пізніше доповнили німецький вчений Р. Вірхов та російський учений К. Бер. Сучасна клітинна теорія включає такі положення:

1) клітина — основна одиниця будови і розвитку всіх живих організмів, найменша одиниця живого;

2) клітини всіх одноклітинних та багатоклітинних організмів подібні за своєю будовою, хімічним складом, основними проявами життєдіяльності та обміном речовин;

3) клітини розмножуються поділом, і кожна нова клітина утворюється внаслідок поділу материнської клітини;

4) у складних багатоклітинних організмів клітини спеціалізовані за виконуваною ними функцією й утворюють тканини;

5) із тканин складаються органи, які тісно пов’язані між собою й підпорядковані нервовим та гуморальним системам регуляції.

Хімічний склад клітини

Вміст у клітині хімічних сполук (у відсотках)

Живі організми містять майже всі відомі хімічні елементи. Хімічний склад живих організмів відносно сталий. У найбільшій кількості в них наявні чотири хімічні елементи: Гідроген, Карбон, Нітроген, Оксиген. Їхня частка у хімічному складі клітини становить майже 98 %, і вони належать до макроелементів. їх називають органогенними, оскільки насамперед ці елементи входять до складу органічних сполук. До макроелементів також належать Фосфор, Калій, Сульфур, Хлор, Кальцій, Магній, Натрій, 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 — 10-12 до 10-13 %. 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.

Функції хімічних елементів

Елемент	Вміст у клітині, %	Функції
Карбон(С)	15-18	Входить до складу молекул органічних сполук, кісток, черепашок
Оксиген (О)	65-75	Входить до складу молекул води й органічних сполук; забезпечує реакції окиснення
Гідроген (Н)	8-10	Входить до складу молекул води й органічних сполук
Нітроген (N)	1,5-3,0	Структурний компонент білків, нуклеїнових кислот, АТФ
Сульфур (S)	0,15-0,20	Входить до складу білків та інших біомолекул
Калій (К)	0,15-0,20	Забезпечує транспорт речовин через клітинні мембрани; впливає на діяльність серця людини
Кальцій (Са)	0,04-2,00	Входить до складу кісток, бере участь у регуляції метаболічних процесів, скорочень м’язів, діяльності серця людини
Хлор (Сl)	0,05-0,1	Основний негативно заряджений іон в організмі тварини
Натрій (Na)	0,02-0,03	Один із головних внутрішньоклітинних позитивно заряджених іонів, забезпечує транспорт речовин через клітинні мембрани
Магній (Mg)	0,02-0,03	Активізує діяльність ферментів; структурний компонент хлорофілу
Ферум (Fе)	0,01-0,015	Входить до складу багатьох біомолекул, у тому числі гемоглобіну
Цинк (Zn)	0,0003	Входить до складу ферментів
Купрум (Сu)	0,0002	Входить до складу деяких ферментів, які беруть участь у реакціях окиснення
Йод (І)	0,0001	Входить до складу гормонів щитоподібної залози
Флуор (F)	0,0001	Входить до складу емалі зубів

 Неорганічні речовини

Серед неорганічних сполук живих організмів особлива роль належить воді. Вода є основним середовищем, у якому відбуваються процеси обміну речовин та перетворення енергії. Вміст води в більшості живих організмів становить 60-70 %. Вода утворює основу внутрішнього середовища живих організмів (крові, лімфи, міжклітинної рідини). Унікальні властивості води визначаються структурою її молекул. У молекулі води один атом Оксигену ковалентно зв’язаний з двома атомами Гідрогену. Молекула води полярна (диполь). Позитивний заряд зосереджений на атомах Гідрогену, оскільки Оксиген є більш електронегативним, ніж Гідроген. Негативно заряджений атом Оксигену однієї молекули води притягується до позитивно зарядженого атома Гідрогену іншої молекули, утворюючи при цьому водневий зв’язок, який у 15-20 разів слабший, ніж ковалентний. Тому водневі зв’язки легко розриваються, що спостерігається, наприклад, при випаровуванні води. Внаслідок теплового руху молекул у воді деякі водневі зв’язки розриваються, деякі утворюються. Таким чином, молекули є рухомими у рідкому стані, що дуже важливо для процесів обміну речовин. Молекули води легко проникають через клітинні мембрани. Завдяки високій полярності молекул вода є розчинником інших полярних сполук. Залежно від здатності розчинюватися певних сполук у воді, їх умовно поділяють на гідрофільні, або полярні, та гідрофобні, або неполярні. До гідрофільних сполук, розчинних у воді, належить більшість солей. Гідрофобні сполуки (майже всі жири, деякі білки) містять неполярні групи, які не утворюють водневі зв’язки, тому ці сполуки не розчиняються у воді. Вона має високу теплоємність і одночасно високу для рідин теплопровідність. Ці властивості роблять воду ідеальною для підтримання теплової рівноваги організму.

Для підтримання процесів життєдіяльності окремих клітин і організму в цілому важливе значення мають мінеральні солі. Живі організми містять як розчинені солі (у вигляді іонів), так і солі у твердому стані. Іони поділяються на позитивні (катіони металевих елементів К⁺, Nа⁺, Са²⁺, М²⁺тощо) та негативні (аніони кислот хлоридної — Сl^-, сульфатної — НSO₄^-, SО₄^2-, карбонатної — НСО₃^-, фосфатної — Н₂РО₄^-, НРО₄^2- та ін.). Різна концентрація катіонів К⁺ і Nа⁺ у клітині та міжклітинній рідині спричиняє різницю потенціалів на мембрані клітини; зміна проникності мембрани щодо К⁺ і Nа⁺ під впливом подразнення забезпечує виникнення нервового і м’язового збудження. Аніони фосфатної кислоти підтримують нейтральну реакцію внутрішньоклітинного середовища (рН = 6,9), аніони карбонової кислоти — слабколужну реакцію плазми крові (рН = 7,4). Сполуки кальцію (СаСO₃) входять до складу черепашок молюсків і найпростіших, панцирів раків. Хлоридна кислота створює кисле середовище в шлунку хребетних тварин і людини, забезпечує цим активність ферментів шлункового соку. Залишки сульфатної кислоти, приєднуючись до нерозчинних у воді сполук, забезпечують їхню розчинність, що сприяє виведенню даних сполук з клітин і організму.

 БІОЛОГІЯ КЛІТИНИ

Дата добавления: 2015-05-24