Меню

Элементы в жизни растений и животных

Таблица Менделеева в живых организмах

Введение

Все живые существа состоят из химических элементов, содержание которых в них колеблется в широких пределах. Поэтому важно знать, какие элементы и в каком количестве полезны для растений, животных и человека, а какие вредны.

Само понятие «химический элемент», пожалуй, одно из самых важных в естествознании. Согласно одной из версий, оно образовалось при последовательном произношении букв латинского алфавита – l, m, n, t. Этим как бы подчеркивается, что все тела складываются из элементов так же, как слова из букв.

На разных этапах развития науки в понятие «элемент» вкладывался различный смысл. Древнегреческие философы «элементами» называли четыре «стихии»: тепло, холод, сухость и влажность, которые, сочетаясь попарно, образовывали четыре «начала» всех вещей – огонь, воду, воздух и землю. В Средние века к «началам» добавились соль, сера и ртуть. В XVII в. Р.Бойль высказал предположение, что все элементы материальны, их число может быть достаточно велико, и многие из них еще предстоит открыть. Элементами стали называть простые тела, которые не удалось разложить химическими методами на более простые. В 1789 г. французский химик А.Лавуазье составил «Таблицу простых тел», в которую включил все известные к тому времени элементы, а также, как оказалось впоследствии, и некоторые сложные вещества.

В начале XIX в. английский ученый Д.Дальтон приписал каждому элементу количественную характеристику – атомный вес (атомную массу). Элемент стали рассматривать как химическую индивидуальность.

В 1871 г. Д.И. Менделеев четко разграничил понятия «простое тело» и «элемент». Он писал: «Простое тело есть вещество, металл или металлоид, с рядом физических признаков и химических реакций. Под именем элементов должно подразумевать те материальные части простых или сложных тел, которые придают им известную совокупность физических и химических свойств». Менделеев считал, что углерод – элемент, а уголь, графит, алмаз – простые вещества. Понятие «элемент» было отвлеченным. Оно получило конкретное определение с разработкой модели атома.

Теперь под понятием «химический элемент» понимают совокупность атомов с одинаковыми зарядами ядер (Z). Для каждого элемента известны разновидности атомов, различающиеся по массе (точнее по числу нейтронов в ядрах). Эти разновидности называются изотопами.

В Периодической системе ныне размещено 118 элементов. Около 90 элементов существуют в природе, остальные получены искусственно, с помощью ядерных реакций. Некоторые недавно синтезированные элементы (с Z=112–118) имеют пока временные названия и символы, а остальные уже получили свои постоянные имена:

108-й элемент – хассий (Hs), атомная масса – 269 у.е.;

109-й – мейтнерий (Mt), атомная масса – 268 у.е.;

110-й – дармштадтий (Ds), атомная масса – 281 у.е.;

111-й – рентгений (Rg), атомная масса – 280 у.е.

Как показало изучение более 2 млн спектров около 15 тыс. звезд и Солнца, повсюду во Вселенной существуют одни и те же химические элементы, но распространяются они по-разному (табл.1, 2).

Таблица 1. Содержание во Вселенной некоторых наиболее распространенных элементов

Химический элемент

Относительное содержание
(число атомов на 10 млн
атомов водорода)

Литий (Li)

Таблица 2. Содержание химических элементов в земной коре

Химический элемент

Количество, %

Химический элемент

Количество, %

Палладий (Pd)

В отличие от Космоса, где преобладают водород и гелий, на нашей планете больше всего кислорода и кремния. По мере роста заряда ядра атома (Z) и на Земле, и в Космосе содержание элементов уменьшается.

В состав клеток живых организмов входит около 70 химических элементов, встречающихся и в неживой природе. Это одно из доказательств общности живой и неживой природы. Однако соотношение химических элементов в живых организмах и в объектах неживой природы резко различаются.

В зависимости от содержания в живых организмах выделяют три группы элементов.

1. Макроэлементы – содержание в живых организмах от 80 до 0,01%. Это кислород (O), углерод (C), водород (H), азот (N), фосфор (P), калий (K), сера (S), хлор (Cl), кальций (Ca), магний (Mg), натрий (Na). На долю водорода, кислорода, углерода и азота приходится около 98% живого вещества. Эти четыре элемента вместе с серой и фосфором часто называют биоэлементами, т.к. они являются необходимыми составными частями молекул биологических полимеров (от греч. polys – много; meros – часть): белков, нуклеиновых кислот, углеводов и липидов.

2. Микроэлементы – содержание в живых организмах от 0,01% до 0,000001%. Сюда относятся железо (Fe), йод (I), цинк (Zn), фтор (F), кобальт (Co), медь (Cu), селен (Se), хром (Cr), бор (B), молибден (Mo), марганец (Mn) и др.

3. Ультрамикроэлементы – содержание в живом организме менее 0,000001%. В группу входят серебро (Ag), ртуть (Hg), золото (Au), титан (Ti), никель (Ni), ванадий (V) и др.

Микроэлементы и ультрамикроэлементы в сумме составляют менее 1–2 % живого организма, но они нужны ему не меньше, чем макроэлементы.

Микроэлементы необходимы для протекания многих важнейших биохимических процессов (табл. 3). Их недостаток замедляет эти процессы и даже останавливает их. Около 30 микроэлементов входят в состав ферментов, коферментов, гормонов, витаминов, пигментов и других жизненно важных соединений. Активность почти 1/4 всех ферментов – катализаторов биологических реакций – регулируется ионами металлов: например амилаза, гидролизующая крахмал (Ca, Zn); АТФаза, гидролизующая АТФ (Mg); нитратредуктаза, восстанавливающая HNO3 в HNO2 (Мо, Fe); некоторые пептидазы, гидролизующие белки и пептиды (Zn, Mn, Co, Cu, Ca). Такие ферменты называют металлоферментами, а сами микроэлементы известный российский ученый-агрохимик А.В. Петербургский назвал катализаторами катализаторов.

Таблица 3. Участие микроэлементов в биохимических процессах в живых организмах и почве

Биохимический процесс

Микроэлементы

Дыхание
Фотосинтез
Синтез белков
Кроветворение
Углеводный, жировой, белковый обмены
Синтез гумуса
Фиксация молекулярного азота

Медь (Cu), цинк (Zn), марганец (Mn), кобальт (Co)
Марганец (Mn), медь (Cu)
Марганец (Mn), кобальт (Co), медь (Cu), никель (Ni), хром (Cr)
Кобальт (Co), медь (Cu), марганец (Mn), никель(Ni), цинк (Zn)
Молибден (Mo), ванадий (V), кобальт (Co), вольфрам (W), марганец (Mn), цинк (Zn)
Медь (Cu)
Молибден (Mo)

Таблица 4. Дневная норма потребления химических элементов для человека

Химический элемент

Суточная потребность, мг

Для каждого организма микроэлементы требуются в определенных количествах. Полное отсутствие их в питании так же, как избыток, вызывает заболевание и гибель живых организмов от болезней, связанных с резким нарушением обмена веществ.

Растения извлекают микроэлементы из почвы, а животные и человек получают их из пищи и воды.

Некоторые химические элементы, обычно содержащиеся в организмах в малых количествах, по своей природе являются токсичными, например ртуть (Hg), свинец (Pb), кадмий (Cd) и некоторые другие. Но и обычные микроэлементы, если их слишком много, могут стать токсичными. Таким образом, можно заключить, что для организма токсичны не сами элементы, а их концентации.

В этой работе мы рассмотрим 38 химических элементов, наиболее распространенных в живых организмах.

Водород

Биоэлемент, является структурной единицей органических соединений, участвующих в построении организмов и обеспечении их жизнедеятельности (витамины, гормоны, ферменты, белки, жиры, углеводы). На долю водорода на Земле, включая воду и воздух, приходится около 1% по массе.
Водород в соединении с кислородом образует воду.

Роль в жизни растений

Водород составляет 6,3% от массы растения, входя в состав всех его клеток и тканей.

Растения на 70–80% состоят из воды. Совокупность процессов поглощения, усвоения и выделения воды растением называется водным режимом растения. Вода является средой для биохимических реакций, участвует в фотосинтезе, обеспечивает структуру коллоидов цитоплазмы, определяет конформацию и функциональную активность ферментов и структурных белков клеточных мембран и органоидов. Насыщенность клеток водой (тургор) определяет их рост растяжением, придает тканям упругость и ориентирует органы растения в пространстве.

Поглощение и передвижение воды в растении происходит под действием присасывающей силы транспирации (испарения) и нагнетающей силы корневого давления в системе почва–растение–атмосфера. Вода, поглощаемая корнями (главным образом в зоне корневых волосков), поступает в сосуды центрального цилиндра и далее в побеги. С током воды транспортируются и растворенные в ней питательные вещества, поглощаемые (ионы минеральных солей) или синтезируемые (аминокислоты, цитокинины и др.) в корнях. Достигнув листовой поверхности, меньшая часть воды расходуется на рост и метаболизм листовых клеток, а большая (до 90%) – выделяется в атмосферу при транспирации и гуттации (выделение листьями растений через водяные устьица – гидатоды, расположенные на краях и кончиках листьев, капелек жидкости под воздействием корневого давления при избытке воды в растении). Некоторое количество воды образуется самим растением в процессе дыхания. Вода, заполняющая сосуды проводящей системы, представляет единую гидростатическую систему и, обладая большой силой сцепления молекул, может подниматься на высоту более 10 м. Скорость передвижения воды в растениях зависит от внешних факторов (температуры и влажности воздуха, освещенности, влажности и засоленности почвы и т.д.), а также от особенностей самого растения (величины листовой поверхности, протяженности корневой системы). У хвойных она может достигать 0,5–1 см/ч, а у лиственных – более 40 см/ч. В течение суток эти величины меняются, увеличиваясь днем.

Масштабы потребления и расходования воды растениями очень велики. Так, одно растение кукурузы за сутки испаряет 0,800 л воды, капуста – 1 л, а береза – больше 60 л. За вегетационный период одно растение кукурузы испаряет 200 л воды, 1 га посевов пшеницы – 2–3 тыс. л, 35-летняя яблоня – до 26 тыс. л.

В процессе эволюции растения приспособились к регуляции водного режима в конкретных условиях обитания. По этим признакам их относят к разным экологическим группам.

1. Гидатофиты (от греч. гидатос – вода, фитон – растение) – водные растения (элодея, кувшинки, лотос и др.). Гидатофиты полностью погружены в воду. Стебли почти не имеют механических тканей и поддерживаются водой. В тканях растений имеется много крупных межклетников, заполненных воздухом.

2. Гидрофиты (от греч. гидрос – водный) – растения, частично погруженные в воду (стрелолист, камыш, тростник, рогоз и др.). Обычно обитают по берегам сырых водоемов, на сырых лугах.

Читайте также:  Примеры сожительства растений с грибами и бактериями

3. Гигрофиты (от греч. гигра – влага) – растения влажных мест обитания (калужница, осоки, ситник).

4. Мезофиты (от греч. мезос – средний) – растения, живущие в условиях умеренного увлажнения и хорошего минерального питания (сурепка, нивяник, ландыш, земляника, яблоня, ель, дуб и др.). Растут в лесах, на лугах, в поле. Большинство сельскохозяйственных растений – мезофиты. Они лучше развиваются при дополнительном поливе.

5. Ксерофиты (от греч. ксерос – сухой) – растения сухих местообитаний, где воды в почве мало, а воздух сухой (алоэ, кактусы, саксаул и др.). Среди ксерофитов различают сухие и сочные. Сочные ксерофиты запасают воду в мясистых листьях (алоэ, толстянки и др.) или стеблях (кактусы – опунция, маммиллярия) и называются суккулентами. Сухие ксерофиты – склерофиты (от греч. склерос – жесткий) приспособлены к жесткой экономии воды, к уменьшению испарения (ковыль, саксаул, кермек, верблюжья колючка и др.).

Многие бактерии обитают во влажной среде. В почве широко распространены водородные бактерии, которые в процессе хемосинтеза окисляют водород, постоянно образующийся при анаэробном (бескислородном) разложении различных органических остатков микроорганизмами почвы:

Роль в жизни животных и человека

Общее содержание воды в организме кишечнополостных (медузы, гребневики) составляет 95–98%, млекопитающих – 60–70%, насекомых – 45–65%. У человека при общем содержании воды около 60% от массы тела, на внутриклеточную воду приходится 40%, межклеточную жидкость – 16%, внутрисосудистую – около 4,5%.

Вода с растворенными в ней минеральными веществами включается в водно-солевой обмен – совокупность процессов потребления, всасывания и выделения воды и солей. Водно-солевой обмен обеспечивает постоянство осмотической концентрации, ионного состава, кислотно-щелочного равновесия и объема жидкостей внутренней среды организма. В ходе эволюции сформировалась система жидкостей внутренней среды и выработались механизмы поддержания водного баланса и ионного состава, зависящие от уровня организации и экологической специализации животных. Первые живые существа возникли в океане; существует сходство (по соотношению основных ионов) между жидкостями внутренней среды у многих современных морских беспозвоночных и морской водой.

Характер физико-химических процессов в тканях определяют растворенные в воде ионы Na + , K + , Ca 2+ , Mg 2+ , Cl – , SO4 2– , HCO3 – и др., а также микроэлементы. Всасывание электролитов происходит в кишечнике, а у пресноводных животных также в покровах или слизистых оболочках ротовой полости и клоаки. Затем они поступают в кровь и с кровью и лимфой переносятся к клеткам организма. По своему составу вне- и внутриклеточные жидкости резко различаются: в клетках высоко содержание K + , Mg 2+ и фосфатов, вне клеток – Na + , Ca 2+ , Cl – . Ионная асимметрия обеспечивается деятельностью плазматической мембраны и связыванием ряда ионов химическими компонентами клеток. Внутри клеток ионы также распределены неравномерно: Na + больше в ядре, чем в цитоплазме, Ca 2+ – в митохондриях.

Основные источники поступления воды в организм

Питьевая вода.
Продукты питания животного и растительного происхождения.

Наиболее распространенные соединения

Н2О – оксид водорода, вода.
Н2О2 – пероксид водорода, перекись водорода.

Знаете ли вы, что…

Водород был открыт Х.Кавендишем (Англия) в 1766 г. Свое название получил от греч. хидор – вода и генес – род, происхождение.

Потеряв 50% своей массы в результате голодания, человек может остаться в живых, но потеря 15–20% массы в результате обезвоживания смертельна.

В растениях наименьшее количество воды содержится в семенах злаков и бобов 8–12%.

Морские животные пьют морскую воду и опресняют ее, экскретируя избыток солей хлоридными клетками жаберного аппарата, а пресмыкающиеся и птицы – солевыми железами.

1–2% водный раствор перекиси водорода (Н2О2) – отличный антисептик.

Строение молекулы воды. Геометрическая схема (а), плоская модель (б) и пространственная электронная структура (в) мономера H2O. Два из четырех электронов внешней оболочки атома кислорода участвуют в создании ковалентных связей с атомами водорода, а два других образуют сильно вытянутые электронные орбиты, плоскость которых перпендикулярна плоскости H-O-H

Кислород

Кислород – биоэлемент. В атмосфере Земли на его долю приходится 21% (по объему) и 23,15% (по массе). В живых организмах в среднем около 62–70% кислорода. Кислород необходим для дыхания, он главный участник окислительно-восстановительных реакций. Как структурная единица органических соединений участвует в построении организмов и обеспечении их жизнедеятельности (биополимеры, витамины, гормоны, аминокислоты, белки).

Роль в жизни растений

Кислород составляет 42–70% от массы растения, участвует в процессе фотосинтеза и дыхания.

Весь свободный кислород Земли возник благодаря жизнедеятельности зеленых растений суши и Мирового океана и цианобактерий (синезеленых водорослей), выделяющих кислород на свету в процессе фотосинтеза. Растения поглощают атмосферный кислород О2 для дыхания, окисления органических веществ.

Роль в жизни животных и человека

Большинство живых организмов используют кислород для дыхания и называются аэробами, или аэробными организмами.

На долю кислорода приходится около 62% от массы тела человека. Кислород входит в состав белков, нуклеиновых кислот и других жизненно важных органических и неорганических компонентов организма.

Окисление пищи является источником энергии, за счет которой живет организм. Кислород доставляется гемоглобином крови, который способен образовывать непрочное соединение – оксигемоглобин. Окисленный гемоглобин (оксигемоглобин) окисляет белки, жиры и углеводы (составные части пищи), образуя углекислый газ и воду и освобождая энергию, необходимую для жизнедеятельности.

При повышенном давлении увеличивается содержание кислорода в крови. В барокамерах проводят сложные хирургические операции, лечат некоторые формы сердечной недостаточности, повреждения мозга, почек, мягких и костной тканей.

Выводится кислород из организма через легкие и почки.

Основные источники поступления в организм

Воздух. Вода. Продукты питания растительного и животного происхождения.

Наиболее распространенные соединения

Знаете ли вы, что…

Кислород открыли и впервые получили почти одновременно выдающиеся химики – швед К.Шееле путем нагревания селитры KNO3 и англичанин Д.Пристли при нагревании оксида ртути (II) HgO. Французский химик А.Лавуазье дал название этому элементу – oxygenium дал, что означает «рождающий кислоты» или «кислород» (от греч. оксис – кислый, кислотный и генес – род, происхождение).

В теле человека 1,7 х 10 27 атомов кислорода, а в одной клетке – 1,7 х 10 13 .

В организме человека массой 70 кг до 43 кг О2.

В сутки в организм человека с воздухом поступает 600–920 г кислорода, а с продуктами питания – 1800–2600 г.

Человеку, впервые попавшему в горы, «не хватает воздуха», точнее – кислорода. А почему? Ведь относительная концентрация этого элемента в земной атмосфере с высотой практически не меняется. Но на высоте парциальное давление кислорода, как и общее давление, понижено. В разреженном воздухе кровь не успевает «насытиться» кислородом, поэтому наступает кислородное голодание. Люди, постоянно живущие в горных районах, кислородной недостаточностью не страдают. Их организм приспособился к горным условиям: интенсивнее протекают процессы кровообращения, вырабатывается больше гемоглобина, увеличивается количество эритроцитов. Тем самым пониженное парциальное давление кислорода в воздухе компенсируется.

Известно аллотропное видоизменение кислорода – озон (О3). Это нестойкий токсичный газ, синего цвета, сильнейший окислитель. В природе озон образуется во время грозы. На высоте 15–25 км над Землей озон образует защитный экран, защищающий Землю от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей.

Источник

Элементы жизни. 9-й класс

Разделы: Химия

Класс: 9

Наиболее полно использовать воспитательные возможности учебного предмета позволяет внеклассная работа, самыми популярными формами которой были и остаются химические вечера. Их можно проводить как устные журналы с элементами театрализации, обязательно включив демонстрацию занимательных опытов, что усиливает эмоциональную отдачу этих мероприятий. В творческую группу по подготовке вечера входят учащиеся 9 классов, а среди гостей праздника — родители участников, учащиеся разных классов, учителя.

Цель: расширить и углубить знания учащихся о химических элементах, их значении для жизни человека, животных и растений.

Задачи:

  • рассмотреть свойства и значение макро- и микроэлементов – металлов и неметаллов в окружающей среде и жизни человека;
  • повторить характеристику групп периодической системы, к которой принадлежат рассматриваемые элементы;
  • осуществить межпредметные связи химии с биологическими дисциплинами.

План устного журнала:

  • Вступительное слово учителя.
  • Страницы устного журнала: сообщения учащихся о кислороде, водороде, углероде, азоте, фосфоре, железе и микроэлементах.
  • Кроссворд (приложение 1)
  • Демонстрация опытов. (приложение 2)

Оборудование: портреты ученых, музыка, оборудование для опытов, электронные презентации о химических элементах.

Ход мероприятия

Вступительное слово учителя.

Земную кору составляет сравнительно небольшое число элементов. Около ½ массы земной коры приходится на кислород. Более ¼ на кремний. Всего 18 элементов: О, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg, H, Ti, C, Cl, P, S, N, Mn, F, Ba – составляют 99,8% массы земной коры. Из них на 8 элементов (О, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg) приходится 98% массы земной коры. В живом организме (приложение 3) преобладают 6 элементов: С, Н, О, N, P, S – на которые приходится 97,4% массы организма. Эти элементы называются органогенами. Возникает вопрос: почему некоторые элементы преобладают именно в живых организмах? Каковы должны быть свойства этих элементов? Об этом мы узнаем на страницах нашего журнала.

Страница первая. Кислород – вездесущ.

Кислород – элемент VI группы периодической системы; атомный номер 8, атомная масса 16. Название происходит от греч. oxygens (образующий кислоты). Открыт в 1774 году Дж. Пристли (Англия) и независимо от него К. Шееле (Швеция).

Кислород – вездесущ. Он самый распространенный элемент на Земле и существует в основном в виде двух элементных формах: О2 (кислород) и О3 (озон). В значительных количествах кислород входит в состав воздуха, воды, почвы, животных и растений. Подавляющее большинство окружающих нас веществ, продукты питания содержат кислород.

При обычных условиях простое вещество – кислород бесцветен, без вкуса и запаха, поэтому не ощутим никакими органами чувств. Однако недостаток, а тем более его отсутствие мы обнаружили бы очень быстро.

Кислород не зависимо друг от друга открыли выдающиеся химики XVIII века: швед Карл Вильгельм Шееле (1772) и англичанин Джозеф Пристли (1774). До конца своих дней они остались ярыми защитниками теории флогистона. Вот почему позже Ф. Энгельс писал, что Пристли и Шееле «не знали, что оказалось у них в руках… Элемент, которому суждено было ниспровергнуть все флогистонные воззрения и революционизировать химию, пропадал в их руках совершенно бесследно. Если даже Лавуазье и не дал описание кислорода…, то все же по существу дела открыл кислород он, а не те двое, которые только описали его, даже не догадываясь о том, что именно они описали» (Маркс К., Энгельс Ф. Соч., т. 24, с.19.)

Читайте также:  Путешествие в страну растений конспект

А. Лавуазье (1777) при изучении процессов горения и дыхания пришел к выводу, что воздух состоит из смеси газов: азота («нежизненного» газа), не поддерживающего ни дыхания, ни горения, и кислорода («жизненного» газа), необходимого и для горения веществ, и для дыхания животных. Необходимость в теории флогистона отпала, так как на смену ей пришла кислородная теория горения.

Кислород обладает окислительными свойствами. Он способен окислять почти все химические элементы. Условия взаимодействия кислорода с веществами различны. С фосфором кислород реагирует при нагревании до 60°С, с серой – до 250°С, с углеродом (графитом) – до 800°С. Однако такие вещества, как оксид азота (II), оксид меди (I) и гемоглобин крови реагирует с кислородом при комнатной температуре.

Высокая окислительная способность кислорода лежит в основе горения всех видов топлива и медленного окисления веществ с выделением энергии.

Содержание кислорода в организме взрослого человека составляет около 62% от массы тела (43 кг на 70 кг массы тела).

Вместе с водородом кислород образует молекулу воды, содержание которой в организме взрослого человека в среднем составляет около 55-65%.

Кислород входит в состав белков, НК и других жизненно-необходимых компонентов организма. Он необходим для дыхания, окисления жиров, белков, углеводов, аминокислот, а также для многих других биохимических процессов.

Человеку при усиленной нагрузке требуется около 6 л. кислорода в минуту, но при этом через легкие должно пройти 120 л. воздуха.

Кровь – «река жизни», она разносит кислород и питательные вещества (глюкозу, витамины, аминокислоты, жиры, соли), очищает ткани от «шлаков» — ядовитых продуктов обмена веществ.

Переносчиками кислорода в крови являются эритроциты. Их около 25 000 млрд. у взрослого человека. Форма эритроцита – лепешка с утолщенными краями. Такая форма способствует лучшему проникновению кислорода в клетки и присоединению к гемоглобину – белку, способному связывать кислород. Эритроциты, изменяя свою форму, способны продвигаться в самых узких кровеносных сосудах – капиллярах, доставляя кислород во все отдаленные уголки организма.

Существует такое мнение, что в большие морозы птицы гибнут на лету. Но погибают они не от холода, а от голода. Пока в организме есть запас энергии, движущему организму смерть от холода не грозит: энергия при мышечной работе превращается в теплоту.

Ученые установили, что кислород может применяться для лечения различных болезней. В медицине кислород используют для ингаляций при затрудненном дыхании, состояниях кислородной недостаточности, отравлении угарным газом и цианидами. В лечебных целях применяют дозированное воздействие кислорода на организм под повышенным давлением, в результате чего улучшается гемодинамика и кислородное снабжение тканей. При сердечнососудистых заболеваниях для улучшения обменных процессов в желудок вводят кислородную пену («кислородный коктейль»). Подкожное введение кислорода используют при трофических язвах, слоновости, гангрене. Также применяется искусственное обогащение озоном воздуха для его обеззараживания и дезодорации. Озонирование питьевой воды используется для ее очистки и обеззараживания. Радиоактивный изотоп кислорода 15 О используют для исследований скорости кровотока, легочной вентиляции и обмена кислорода в миокарде и головном мозге. Атомы кислорода являются составной частью молекул множества лекарственных веществ.

Страница вторая. Углерод – основа жизни.

Углерод – элемент IV группы периодической системы; атомный номер 6, атомная масса 12. Углерод известен с доисторических времен. Его название происходит от лат. carbo (уголь).

В настоящее время известны миллионы соединений углерода. Все же остальные элементы, вместе взятые, образуют немногим более пятидесяти тысяч соединений. На углеродной основе построена жизнь, хотя углерод – одиннадцатый по распространенности элемент на Земле.

Это объясняется тем, что: а) ни у одного из элементов не развита так способность к усложнению, как у углерода, б) углерод способен соединяться с большинством элементов, причем самыми разнообразными способами, в) связь атомов углерода между собой и с атомами водорода, кислорода, азота, серы, фосфора и других элементов, входящих в состав органических веществ, может разрушаться под воздействием природных факторов.

Самые разные конструкции молекул образуются в том случае, если участвует в реакции углерод. Так, например, из двадцати атомов углерода и сорока двух атомов водорода можно получить 366319 различных углеводородов состава С20Н42. Где углерод – там многообразие. Где углерод – там сложные и самые различные конструкции молекул. Например, простые цепочки – как в бутане, разветвление структуры – как в изобутане и циклические – как в бензоле. Наиболее сложную структуру молекул имеют нуклеиновые кислоты и белки. В середине XX столетия был осуществлен полный химический синтез молекулы инсулина. Это один из простейших по строению белков, ответственный за углеводный обмен в организме. В молекуле его две цепи, связанные дисульфидным мостиком. В молекулах белков – много тысяч атомов, но обязательно есть углерод, водород, кислород и сера. Без углерода нет жизни – во всяком случае, на Земле. Все живые организмы, составляющие биосферу, построены из соединений углерода, и он составляет 18% из массы. Есть организмы, в которых содержание элемента углерода всего 0,1%. В ряске, затягивающей стоячий пруд, 2,5%, в другом растении – колокольчике его уже 10,2%, а в организме кошки на долю углерода приходится 20,56%, а в организме человека около 21% (15 кг на 70 кг общей массы тела). Углерод составляет 2/3 массы мышц и 1/3 массы костной ткани. Выводится из организма преимущественно с выдыхаемым воздухом (углекислый газ) и мочой (мочевина).

Необходимые органические вещества (углеводы, белки, жиры) растения синтезируют из углекислого газа, воды и минеральных солей, используя энергию солнечного света. Этот процесс называется фотосинтезом. Животные же получают углерод с пищей растения.

Ежегодно растительный мир суши и океана забирает для своих нужд из воздуха и воды около 10 10 т. углерода. Однако атмосфера не обедняется углеродом благодаря тому, что на Земле происходит беспрерывное выделение углекислого газа при дыхании человека и животных, при гниении органических остатков, брожении, извержении вулканов. Много углерода возвращается в атмосферу вследствие деятельности человека – при работе машин, фабрик, заводов. В природе идет постоянный круговорот углерода.

Имя первооткрывателя углерода неизвестно. Неизвестно и то, какое из аллотропных видоизменений углерода (алмаз или графит) было открыто раньше. Можно лишь утверждать, что до алмаза и графита было открыто вещество, которое еще несколько десятилетий назад считали третьей аморфной модификацией углерода, — уголь. Но в действительности уголь, даже древесный, — это не чистый углерод. В нем есть и водород, и кислород, и следы других элементов. Структурный анализ показал, что аморфный углерод – это том же графит. Но кристаллы его очень мелкие и имеют много дефектов. После этого стали считать, что углерод в природе существует в двух аллотропных модификациях – в виде графита и алмаза.

Кроме аллотропных модификаций углерода в природе существуют и другие соединения, в состав которых входит углерод: монооксид углерода СО, диоксид углерода СО2, карбиды (CaC2, Al4C3), угольная кислота и ее соли (Na2CO3 – кальцинированная сода, K2CO3 – поташ, NaHCO3 – питьевая сода), фосген СCl2O, карбамид СО(NH2)2, циан С2N2.

Физиологическая роль углерода определяется тем, что этот элемент входит с состав всех органических соединений и принимает участие практически во всех биохимических процессах в организме. Окисление соединений углерода под действием кислорода приводит к образованию воды и углекислого газа; этот процесс служит для организма источником энергии. Двуокись углерода СО2 (углекислый газ) образуется в процессе обмена веществ и является стимулятором дыхательного центра, играет важную роль в регуляции дыхания и кровообращения.

В свободном виде углерод не токсичен, но многие его соединения обладают значительной токсичностью: окись углерода СО (угарный газ), четыреххлористый углерод СCl4, сероуглерод СS2, соли цианистой кислоты HCN, бензол С6Н6 и другие. Углекислый газ в концентрации свыше 10% вызывает ацидоз (снижение рН крови), одышку и паралич дыхательного центра.

Длительное вдыхание каменноугольной пыли может привести к антракозу – заболеванию, которое сопровождается отложением угольной пыли в ткани легких и лимфатических узлах, склеротическими изменениями легочной ткани. Токсичное действие углеводородов и других соединений нефти у рабочих, занятых в нефтедобывающей промышленности может проявиться в огрубении кожи, появлении трещин и язв, развитии хронических дерматитов.

Страница третья. Азот – рождающий жизнь.

Азот – элемент V группы периодической системы, атомный номер 7, атомная масса 14. Название происходит от греч. nitron genes (образующий селитру); а – отрицательная частица, zoe – жизнь («не поддерживающий дыхание и горение).

В 1772 г. английский химик Даниэль Резерфорд открыл новый газ, а в 1773 г. французский химик Антуан Лавуазье обнаружил, что мыши погибают в атмосфере этого газа и дал ему название «азот», что значит — «негодный для жизни». На самом деле азот вполне заслужил бы имя «биогениум», что значит «рождающий жизнь». Основой любого живого организма является белок. Белок – высокомолекулярное соединение, состоящие из сотен и даже тысяч звеньев, каждое из которых представляет собой остаток аминокислоты. Молекула аминокислоты состоит из углеводородного радикала, связанного с карбоксильной группой и с аминогруппой. В каждую аминогруппу обязательно входит азот. Установлено, что азот – это составная часть каждой клетки живого организма не зависимо от того, будет ли это невесомая бактерия или 150-тонная туша кита. Для животных и человека источником азота является пища.

Читайте также:  Железо и его значение для растений

Азот – газ без цвета и запаха. N2 в молекулярной форме занимает 78% объема земной атмосферы.

Азот – главная составная часть воздуха, очень много азота в виде различных органических и минеральных соединений в почве.

Содержание азота в организме взрослого человека составляет около 3% от массы тела (2,1 кг на 70 кг массы тела).

Азот поступает в организм с пищевыми продуктами, в состав которых входят белки и другие азотсодержащие вещества.

Азот в газообразном состоянии используется для создания условий, для хранения и перевозки огнеопасных продуктов при формировании полиамидных волокон. Жидкий азот широко применяется в медицине: в косметологии при удалении гемацитом, миндалин, невусов, других доброкачественных образований; для хранения спермы, тканей и органов.

Широкое применение имеют и соединения азота: в медицине соединения азота применяют в качестве наркотических (закись азота), мочегонных (хлорид аммония), антиангинальных (нитроглицерин), противоопухолевых (эмбихин), радиозащитных (меркамин) средств. Огромное значение в функционировании ЦНС имеют физиологически активные вещества, относящиеся к биогенным моноаминам – адреналин, норадреналин, дофамин. Адреналин, эфедрин, фенамин используют при падении кровяного давления, шоке, остановке сердца – в качестве средств, возбуждающих нервную систему. Водный раствор аммиака – нашатырный спирт широко используется как средство для возбуждения дыхательного центра, для оказания первой помощи при угаре, мытье рук перед операцией и т.д.

Страница четвертая. Фосфор – элемент жизни и мысли.

Фосфор – элемент V группы периодической системы; атомный номер 15, атомная масса 31. Название фосфора происходит от греч. phosphorus (несущий свет). Открыт алхимиком Х. Брандом (Германия) в 1669 году. Позднее Либих установил, что фосфор и фосфорная кислота имеют огромное значение для жизнедеятельности растений.

Фосфор – аналог азота. Хотя физические и химические свойства этих элементов сильно различаются, есть у них и общее, в частности то, что оба эти элемента совершенно необходимы животных и растениям. Академик А.Е. Ферсман назвал фосфор «элементом жизни и мысли», и это не литературное преувеличение. Фосфор обнаружен во всех органах зеленых растений: в стеблях, корнях, листьях, но больше всего его в плодах и семенах. Растения накапливают фосфор и снабжают им животных.

В организме животных фосфор сосредоточен главным образом в скелете, мышцах и нервной ткани. Содержание фосфора в теле взрослого человека около 1% (примерно 700 г на 70 кг массы тела), суточная потребность человека в фосфоре составляет 1,3 г. В организме основное количество фосфора содержится в костях (85%), много фосфора в мышцах и нервной ткани. Вместе с кальцием, фтором и хлором фосфор формирует зубную эмаль. Из организма фосфор выводится с мочой и калом.

Почти все физиологические процессы, происходящие в нашем организме, связаны с превращениями фосфорорганических веществ. В состав костей фосфор входит главным образом в виде фосфата кальция. Зубная эмаль – это тоже соединение фосфора, которое по составу и кристаллическому строению соответствует минералу апатиту, содержащему фосфат кальция и фторид кальция или хлорид кальция.

Значение фосфора для организма человека огромно. Он присутствует во всех тканях, входит в состав белков, НК, нуклеотидов, фосфолипидов. Соединения фосфора АДФ и АТФ являются универсальным источником энергии для всех живых клеток. Значительная часть энергии, образующейся при распаде углеводов и других соединений, аккумулируется в богатых энергией органических соединениях фосфорной кислоты.

В растениях фосфор содержится в виде минеральных и органических соединений. Минеральные соединения представлены главным образом кальциевыми, магниевыми и калиевыми солями ортофосфорной кислоты. Главную роль в жизни растений играет фосфор, входящий в органические соединения и в первую очередь в нуклеиновые кислоты, обеспечивающие передачу наследственных свойств организмов и принимающие непосредственное участие в синтезе белков в клетках. Кроме нуклеиновых кислот, к соединениям фосфора в растениях относятся фосфопротеиды. Это соединения белковых веществ с фосфорной кислотой. Необходимой частью клетки являются фосфатиды – сложные эфиры глицерина, высокомолекулярных жирных кислот и фосфорной кислоты, связанной с другими соединениями. Фосфатиды имеют большое значение при регулировании проницаемости клеточных оболочек различных растений. Фосфор входит в состав фитина – эфира многоатомного циклического спирта и фосфорной кислоты, но больше всего его в семенах. Здесь он является как бы хранителем запасов фосфора, необходимого при прорастании семян. Фосфор влияет на азотный обмен в растениях.

Страница пятая. Железо внутри нас.

Железо – элемент VIII группы периодической системы; атомный номер 26, атомная масса 56; d-элемент. Название этого элемента произошло от лат. ferrum (твердый). Железо известно человеку со времен древних цивилизаций.

Железо – блестящий, серебристо-белый, мягкий металл. Входит в состав сотен минералов, встречается и в виде самородного железа.

В организме взрослого человека содержится 3-5 г железа; почти 2/3 этого количества входит в состав гемоглобина. Это очень немного по сравнению, например, с кальцием, которого в организме больше 1 кг. Но если мы сравним не общее содержание этих элементов, а их концентрацию только в крови, то здесь железа раз в пять больше, чем кальция. В эритроцитах крови сконцентрирована основная масса железа, входящего в состав организма. Эритроциты содержат гемоглобин, который переносит кислород из легких во все органы и ткани тела. А железо – непременная составная часть гемоглобина.

Гемоглобин – сложный белок, молекула которого состоит из двух частей: белковой – глобина и железосодержащей – гемма. Эритроцит очень мал – его диаметр всего 7 мк. Но в каждом эритроците 280 миллионов молекул гемоглобина. А в организме человека циркулирует около двадцати пяти триллионов эритроцитов, и в них находится большая часть всего железа массой около 2,45 г.

Гемоглобин в организме человека — главное, но не единственное соединение, в состав которого входит железо. Оно содержится в мышечном белке – миоглобине и во многих ферментах. Какая-то часть железа (около 1%) постоянно циркулирует в плазме – жидкой части крови. Это железо носит название транспортного, потому что здесь оно находится лишь временно – на пути к тому или иному месту своего использования. Кроме того, в мышцах и различных органах тела всегда есть какой-то запас железа, составляющий долю в 18-37% от его общей массы в организме.

Главное «депо» железа – печень: здесь у взрослого мужчины может быть запасено до 1 г железа. Между всеми тканями и органами, содержащими железо, происходит постоянный обмен. Около 10% железа кровь приносит в костный мозг.

Небольшая доля железа расходуется на рост покровных тканей организма – кожи, ногтей. Оно входит в состав пигмента, окрашивающего волосы.

Страница шестая. Кальций – «скелет» организма.

Кальций – элемент II группы периодической системы; атомный номер 20, атомная масса 40. Название элемента происходит от лат. calx (известь). Кальций впервые выделен в 1808 г. Дэви (Англия).

Кальций в больших количествах содержится во многих пищевых продуктах и ежедневно поступает в организм с пищей (сливки, молоко, творог, петрушка, бобы, фасоль, орехи, рыба). Суточная потребность организма в кальции (800-1500 мг) обычно покрывается за счет пищи.

Содержание кальция в организме взрослого человека составляет около 1,4% (1000 г на 70 кг от массы тела). В организме кальций распределен неравномерно: около 99% его количества приходится на костную ткань и лишь 1% содержится в других тканях (1 г в плазме крови, 6-8 г в мягких тканях). Кальций обеспечивает опорную функцию костей. В то же время костная ткань выполняет функцию «депо» кальция в организме. Выводится кальций из организма через кишечник и почки.

Кальция обладает высокой биологической активностью, выполняет в организме многообразные функции, среди которых:

  • формирование костной ткани, минерализация зубов;
  • регуляция внутриклеточных процессов;
  • регуляция процессов нервной проводимости и мышечных сокращений;
  • участие в процессах свертывания крови;
  • регуляция проницаемости клеточных мембран;
  • поддерживание стабильной сердечной деятельности.

Страница седьмая. Микроэлементы (марганец, медь).

Элемент марганец входит в состав растений и животных и составляет в среднем на 100 г массы около 0,1 мг. Марганец концентрируется в теле некоторых видов муравьев, а также – хрущей. В теле млекопитающих его относительно меньше (на 100 г массы приходится не более 0,05 мг). Среди различных органов млекопитающих марганец распределяется неравномерно: больше – в печени, меньше – в почках и трубчатых костях и меньше всего – в легких. Биологическая роль марганца значительна. Он усиливает рост молодых организмов, влияет на кроветворение. Считается, что в организме человека и животных марганец влияет на обмен углеводов и усиливает эффективность действия витаминов С и В, а также активизирует ферменты. Марганец стимулирует дыхание растений, окислительно-восстановительные процессы, фотосинтез, образование и передвижение сахаров. Он содержится во многих ферментах, ускоряющих разложение органических кислот, усиливает действие гормонов (в том числе и инсулина).

Медь была обнаружена в организмах беспозвоночных и позвоночных животных. Устрицы и осьминоги активно поглощают соединения меди. На 1 кг массы растений приходится 1 мг меди. Из пищевых продуктов особенно богаты соединениями меди картофель, томаты, свекла. Медные удобрения на торфяных почвах в два и три раза повышают урожай зерновых культур. Многие беспозвоночные содержат медь в виде сложного соединения – гемоцианина. Это вещество выполняет ту же роль, что и гемоглобин у высших животных, т.е. роль переносчика кислорода. Высшим животных медь необходима для нормального течения процесса кроветворения. Образование гемоглобина протекает при обязательном участии меди. Потребность взрослого человека в меди составляет около 2 мг в день, потребность сельскохозяйственных животных больше – от 6 до 12 мг на 1 кг массы. Недостаток меди в пище животных вызывает у них анемию – малокровие. Так, удаление меди из соединительной ткани приводит к заболеванию, которое называется «красная волчанка». Накопление меди в печени и мозге приводит к ревматоидному артриту – болезни Вильсона. Медь является жизненно важным элементом, который входит в состав многих витаминов, гормонов, ферментов, участвует в процессах обмена веществ. Этот биоэлемент присутствует в системе антиоксидантной защиты организма, повышает устойчивость к некоторым инфекциям.

Источник