Біологія. 10 клас. Балан

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

§ 6. Функції води в життєдіяльності організмів

Пригадайте: яка будова молекули води? Як відбувається водно-сольовий обмін в організмі людини? Що таке адаптації, транспірація, ковалентний і водневий типи зв’язків між молекулами?

Серед усіх хімічних сполук виняткова роль у забезпеченні процесів життєдіяльності організмів належить воді. Саме у водному середовищі виникло життя на нашій планеті, тому без води неможлива життєдіяльність жодних організмів.

Вміст води в організмах становить 60-70 %, а в деяких випадках - до 98 %. Цитоплазма більшості клітин містить приблизно 80 % води. Кров і лімфа людини містять понад 80 % води. Отже, вода утворює основу внутрішнього середовища організмів (цитоплазми одноклітинних тварин, крові, лімфи, порожнинної рідини багатоклітинних організмів, соків рослин тощо). У водному середовищі відбуваються процеси обміну речовин і перетворення енергії. Вода бере безпосередню участь у реакціях розщеплення органічних сполук.

• Структура, властивості та функції води. Воді притаманні унікальні хімічні й фізичні властивості. Погляньте на малюнок 6.1: молекула води (Н2О) складається з двох атомів Гідрогену, сполучених з атомом Оксигену ковалентними зв’язками. На полюсах молекули води розміщені позитивні і негативний заряди, тобто вона полярна. Завдяки цьому дві сусідні молекули зазвичай взаємно притягуються за рахунок сил електростатичної взаємодії між негативним зарядом атома Оксигену однієї молекули та позитивним зарядом атома Гідрогену іншої. При цьому виникає водневий зв’язок (мал. 6.2), у 15-20 разів слабший за ковалентний. Коли вода перебуває в рідкому стані, її молекули безперервно рухаються і водневі зв’язки постійно то розриваються, то виникають знову.

Мал. 6.1. Молекула води складається з атома Оксигену та двох атомів Гідрогену: 1 - електронна модель; 2 - масштабна модель

Мал. 6.2. Утворення водневих зв’язків (....) між молекулами води

Частина молекул води формує водну оболонку навколо деяких сполук (наприклад, білків). Таку воду називають зв’язаною, або структурованою (4-5 % загальної кількості води в організмах). Структурована вода, що формує водну оболонку навколо певних молекул, запобігає їхній взаємодії. Крім того, вода бере участь у підтриманні структури певних молекул, наприклад білків. Решта 95-96 % води має назву вільної: вона не пов’язана з іншими сполуками.

Залежно від температури середовища вода здатна змінювати агрегатний стан. За зниження температури вода з рідкого стану може переходити в твердий, а за підвищення - у газуватий.

Утворення кристаликів льоду в клітинах організмів руйнує клітинні структури. Це призводить до загибелі клітин і всього організму. Саме тому ссавців і людину неможливо заморозити, а потім - розморозити без втрати здатності відновлювати процеси життєдіяльності.

Мал. 6.3. Льодовичник

Під впливом розчинених у ній речовин вода може змінювати свої властивості, зокрема точки температур замерзання (плавлення) і кипіння, що має важливе біологічне значення. Наприклад, у клітинах рослин з настанням зими підвищується концентрація розчинів вуглеводів, членистоногих - гліцерину, риб - білків тощо. Це знижує температуру, за якої вода переходить у твердий стан, що запобігає промерзанню. Уявіть собі: серед комах відомі льодовичники (мал. 6.3), здатні зберігати активність на сніговому покриві (вони мешкають і в Україні).

Молекулам води притаманна здатність до іонізації, коли вони розщеплюються на йони Гідрогену та гідроксилу. При цьому між молекулами води та йонами встановлюється динамічна рівновага:

Хоча іонізація хімічно чистої води дуже слабка (за температури +25 °С із 107 молекул тільки одна перебуває в іонізованому стані), вона відіграє важливу біологічну роль. Від концентрації йонів Гідрогену, яку оцінюють за водневим показником (pH - значення негативного десяткового логарифма концентрації йонів Н+), залежать структурні особливості та активність макромолекул тощо. Нейтральній реакції розчину відповідає pH 7,0. Якщо його значення нижче - реакція розчину кисла, вище - лужна. У різних частинах організму і навіть однієї клітини можна спостерігати різні значення водневого показника. Це важливо для здійснення процесів обміну речовин, оскільки одні ферменти активні в лужному середовищі, інші - у кислому. Наприклад, в інфузорії-туфельки травні вакуолі періодично «подорожують» по клітині, опиняючись то в кислому, то в лужному середовищі. При цьому послідовно активні то одні травні ферменти, то інші, що сприяє кращому перетравленню поживних речовин. Пригадайте: у людини та ссавців ферменти шлункового соку активні в кислому середовищі, а підшлункового - у лужному.

Водні розчини, здатні протистояти зміні їхнього показника pH при додаванні певної кількості кислоти або лугу, називають буферними системами. Вони складаються зі слабкої кислоти (донора Н+) і основи (акцептора Н+), здатних відповідно зв’язувати йони гідроксилу (ОН-) та Гідрогену (Н+), завдяки чому pH усередині клітини майже не змінюється.

Вода визначає фізичні властивості клітин — об’єм і внутрішньоклітинний тиск (тургор). Порівняно з іншими рідинами в неї відносно високі температури кипіння та плавлення, що зумовлено водневими зв’язками між молекулами води.

Вода - значно кращий розчинник, ніж більшість інших відомих рідин. Тому всі речовини поділяють на такі, що добре розчиняються у воді (гідрофільні) та нерозчинні (гідрофобні).

До гідрофільних сполук належить багато кристалічних солей, наприклад кухонна сіль (NaCl), глюкоза, фруктоза, тростинний цукор тощо. Гідрофільні сполуки містять полярні (частково заряджені) групи, здатні взаємодіяти з молекулами води або іонізуватися (утворювати заряджені йони з нейтральних частин своєї молекули). Це, наприклад, амінокислоти, які містять карбоксильні (-СООН) та амінні (-NH2) групи.

Гідрофобні речовини (майже всі ліпіди, деякі білки) містять неполярні групи, які не взаємодіють з молекулами води. Вони розчиняються переважно в неполярних органічних розчинниках (хлороформ, бензол).

Існують й амфіфільні речовини, наприклад фосфоліпіди (сполуки ліпідів із залишками ортофосфатної кислоти), ліпопротеїди (сполуки ліпідів з білками), багато білків. Одна частина молекули цих сполук виявляє гідрофільні властивості, інша - гідрофобні.

Коли певна сполука переходить у розчин, її молекули набувають здатності до руху і їхня реакційна здатність зростає. Саме тому більша частина біохімічних реакцій відбувається у водних розчинах.

Вода як універсальний розчинник відіграє важливу роль в обміні речовин. Проникнення речовин у клітину та виведення з неї продуктів життєдіяльності можливе здебільшого лише в розчиненому стані.

Вода як універсальний розчинник відіграє надзвичайно важливу роль у транспорті різних сполук у живих організмах. Розчини органічних і неорганічних речовин рослини транспортують по провідних тканинах або міжклітинниках. У тварин таку функцію виконують кров, лімфа, тканинна рідина тощо.

Вода бере участь у складних біохімічних перетвореннях. Наприклад, за участі води відбуваються реакції гідролізу - розщеплення органічних сполук з приєднанням до місць розривів йонів Н+ та ОН-.

З водою пов’язана здатність організмів регулювати свій тепловий режим. Їй властива висока теплоємність, яка зумовлює здатність поглинати тепло за незначних змін власної температури. Теплоємність - кількість тепла, необхідного для нагрівання тіла або середовища на 1 °С. Завдяки цьому вода запобігає різким змінам температури в клітинах та організмі в цілому за різких її коливань у навколишньому середовищі. Оскільки на випаровування води витрачається багато теплоти, організми в такий спосіб захищають себе від перегрівання (наприклад, транспірація у рослин, потовиділення у ссавців, випаровування вологи зі слизових оболонок тварин).

Завдяки високій теплопровідності вода забезпечує рівномірний розподіл теплоти між тканинами та органами організму. Наприклад, завдяки циркуляції рідин внутрішнього середовища у тварин або руху розчинів по тілу рослини.

Водні розчини певних сполук слугують мастилом, яке захищає поверхні, що постійно зазнають тертя. Наприклад, рідина, яка заповнює порожнину суглобів, полегшує ковзання суглобових поверхонь, зменшуючи тертя між ними. Вона також живить хрящ, що вкриває суглобові поверхні кісток.

Кожному виду організмів притаманний водний баланс - певне співвідношення між надходженням води та її витрачанням. Якщо витрати води перевищують її надходження до організму, спостерігають водний дефіцит, що негативно впливає на різні процеси життєдіяльності (у рослин - фотосинтезу, транспірації, у рослин і тварин - терморегуляції, перебігу біохімічних процесів тощо). Тому підтримання водного балансу - одна з умов нормального функціонування будь-якого організму.

• Водний баланс людини. Вміст води в організмі людини становить близько 65 %. Тобто, якщо маса людини становить 60 кг, то з них 39 кг припадає на воду. Слід зазначити, що вміст води залежить і від віку: у новонароджених він становить близько 75-80 %, у період завершення росту - 65-70 %, а в людей похилого віку - лише 55-60 %. Між різними органами і тканинами людини вода розподілена нерівномірно: найбільше її в крові та нирках - 82-83 %, головному мозку - до 80 %, печінці - 75 %, м’язах - 70-76 %, натомість у жировій тканині - близько 30 %, кістках - близько 20%.

Оскільки організм людини щоденно витрачає приблизно 2-2,5 л води (вона виводиться з неперетравленими рештками їжі, сечею, потом, випаровується з поверхні слизових оболонок ротової порожнини та дихальних шляхів), то така сама її кількість має постійно надходити туди. Шляхи надходження води до організму різні. Крім того, близько 1 л води потрапляє з продуктами харчування, ще майже 300 мл води утворюється внаслідок окиснення жирів, білків і вуглеводів (так звана метаболічна вода).

Кількість спожитої за добу води залежить від умов, у яких перебуває людина. Так, у спекотну погоду або під час здійснення важкої фізичної праці витрати води зростають через посилене потовиділення та значне випаровування через слизові оболонки. Зневоднення організму (дегідратація) можливе і внаслідок порушень роботи кишечнику (сильні проноси), значних крововтрат тощо. За таких умов споживання води має збільшитися до 4-7 л на добу. Унаслідок зневоднення уповільнюються процеси травлення та всмоктування поживних речовин, порушуються процеси теплорегуляції; гусне кров, порушується її транспортна функція, у судинах можуть виникати згустки (тромби). Втрата понад 20 % води - смертельно небезпечна для людини.

Людина, яка виконує важку фізичну працю за умов підвищеної температури (наприклад, у доменному цеху), втрачає за годину лише внаслідок посиленого потовиділення до 1,6 л води! Тож добова потреба у воді в неї може зростати до 20 л за добу.

Першим сигналом недостатнього вмісту води в організмі є відчуття спраги, яке виникає при збудженні відповідного центру в гіпоталамусі (структура проміжного мозку). Його рецептори збуджуються як унаслідок зростання концентрації солей в рідинах організму, так і в разі підвищення концентрації йонів Натрію. Ці подразники сприймають різні групи рецепторів. Відчуття спраги виникає, якщо організм людини втрачає близько 1 % вологи свого тіла, і зникає після споживання певної кількості води, в середньому 0,25-0,5 л.

Отже, основні свої потреби у воді людина задовольняє за рахунок питної води. Тому розглянемо вимоги до її якості.

• Питна вода та вимоги до її якості. В Україні вимоги до якості питної води визначені Державним стандартом. Згідно з ним питна вода має бути епідеміологічно безпечною та нешкідливою за хімічним складом. Безпеку води в епідеміологічному відношенні визначають як загальною кількістю мікроорганізмів (не більше 100 в 1 см3 води), так і за кількістю клітин кишкової палички (не більше 3 в 1 дм3 води). Питна вода не повинна містити водні організми, помітні неозброєним оком, та плівку на поверхні.

Основними забруднювачами водних об’єктів у нашій країні є промисловість (понад 55 % від загального скиду) та житлово-комунальне господарство (понад 40 %). Небезпечне забруднення водойм радіонуклідами. Стічні води з високою радіоактивністю (100 і більше Кюрі1 на 1 л води) мають бути поховані в підземних безстічних басейнах або резервуарах.

Вам уже відомо, що в річках, озерах та інших водоймах відбуваються природні процеси самоочищення. У них беруть участь різноманітні організми: бактерії, водорості, одноклітинні тварини, губки, двостулкові молюски тощо. Але ці процеси тривають досить повільно, тому за інтенсивного забруднення неочищеними побутовими та промисловими стоками водні екосистеми нездатні самостійно очиститися.

1 Кюрі (Кі) відповідає активності елемента Радону, який перебуває в стані радіоактивної рівноваги з 1 г радію-226. 1 Кі = 3,7 • 1010 Беккерелів (Бк). 1 Бк дорівнює швидкості розпаду, коли за секунду розпадається ядро радіоактивного ізотопу.

Методи очищення стічних вод поділяють на механічні, фізико-хімічні та біологічні (мал. 6.4). Механічні методи полягають в очищенні стічних вод від завислих у них частинок відстоюванням і фільтрацією. Ці методи дають змогу видаляти з побутових стічних вод до 2/3 нерозчинних домішок, а з промислових - до 9/10.

За допомогою різноманітних фізико-хімічних методів зі стічної води видаляють розчинні неорганічні та органічні домішки, а також завислі в ній найдрібніші часточки.

Завершальним етапом очищення стічних вод є застосування біологічних методів з використанням штучно створених ланцюгів живлення, до яких входять певні види бактерій, одноклітинних і багатоклітинних тварин.

Сира вода з природних водойм, а також недостатньо очищена питна вода може стати джерелом збудників різноманітних захворювань: дизентерії, холери, черевного тифу (сальмонельозу), глистних захворювань тощо. Тому перед споживанням воду з колодязів, струмків, бюветів слід добре прокип’ятити, а водопровідну - профільтрувати через спеціальні очисні побутові фільтри.

Для обмеження втрат і збереження якості прісної води потрібні такі заходи:

- зменшення витрат води для забезпечення роботи промисловості, транспорту та об’єктів сільського господарства;

- зменшення витрат прісної води для побутових потреб1;

Мал. 6.4. Приклад сучасної очисної споруди: 1 - розподільчий колодязь; 2 - відокремлювач твердих часток; 3 - відокремлювач жировмісних речовин; 4 - сорбційний фільтр; 5 - контрольний колодязь

1 Якщо у великих містах Європи кожен мешканець протягом року використовує від 100 до 200 л, то в нашій країні цей показник перевищує 300 л.

- охорона малих річок, які відіграють важливу роль у загальному водному балансі планети, зокрема живлять великі річки, від них залежить рівень підземних вод;

- створення умов для самоочищення водойм;

- проведення лісоохоронних заходів, оскільки внаслідок знищення лісів часто міліють річки та інші водойми;

- упровадження ефективних методів очищення стічних вод, здійснення постійного контролю за санітарним станом водойм і якістю питної води;

- створення замкнених систем водопостачання промислових, аграрних та енергетичних об’єктів.

- постійний контроль за станом джерел питної води.

Ключові терміни та поняття. Гідрофільні, гідрофобні та амфіфільні сполуки, гідроліз, водний баланс.

Коротко про головне

  • Уміст води в організмах становить 60-70 %.
  • Вода утворює основу внутрішнього середовища живих організмів, у якому відбуваються процеси обміну речовин і перетворення енергії. Вода бере безпосередню участь у реакціях розщеплення органічних сполук.
  • Водний баланс - це певне співвідношення між надходженням і витрачанням води живою системою.
  • Вода визначає фізичні властивості клітин - їхній об’єм і внутрішньоклітинний тиск (тургор).
  • Вода - універсальний розчинник. Речовини, здатні добре розчинятися у воді, називають гідрофільними (полярними), нерозчинні - гідрофобними (неполярними).
  • Вода відіграє надзвичайно важливу роль у транспорті різних сполук у живих організмах. Вона бере участь у складних біохімічних реакціях і процесах теплорегуляції організмів.
  • Основні свої потреби людина задовольняє за рахунок питної води певних стандартів якості. Перед споживанням вода має бути очищена. Методи очищення стічних вод поділяють на механічні, фізико-хімічні та біологічні.

Запитання для самоконтролю

1. Чому воду вважають універсальним розчинником? 2. Які властивості води як основи внутрішнього середовища живих організмів? 3. Яка роль води в процесах теплорегуляції організмів? 4. Що таке водний баланс? 5. Що таке гідрофільні та гідрофобні сполуки? 6. Які вимоги висувають до питної води? 7. Які заходи потрібно вживати для збереження джерел питної води та поліпшення її якості?

Поміркуйте

1. Чому вчені вважають, що життя на нашій планеті виникло саме у водному середовищі? 2. Які процеси забезпечують самоочищення природних водойм?

ЛАБОРАТОРНИЙ ПРАКТИКУМ

ПРАКТИЧНА РОБОТА № 1

ВИЗНАЧЕННЯ ВМІСТУ ВОДИ У ВЛАСНОМУ ОРГАНІЗМІ

(виконують учні академічного рівня навчання)

Мета: дослідити залежність вмісту води в організмі людини від вікових змін.

Обладнання: терези, таблиці «Вікові зміни вмісту води в організмі людини».

Хід роботи

1. За допомогою підлогових терезів виміряйте власну масу тіла.

2. Використовуючи таблицю «Вікові зміни вмісту води в організмі людини», визначте вміст води у власному організмі, враховуючи, що в організмі підлітків у середньому міститься 70 % води від маси тіла.

3. Подібним чином визначте вміст води в організмах ваших батьків, дідусів і бабусь.

4. Зробіть висновки.

ТЕСТ НА ЗАКРІПЛЕННЯ ЗНАНЬ

I. ВИБЕРІТЬ ІЗ ЗАПРОПОНОВАНИХ ВІДПОВІДЕЙ ПРАВИЛЬНУ

1. Укажіть атом, який входить до складу молекули гемоглобіну: а) Купрум; б) Кальцій; в) Калій; г) Ферум.

2. Укажіть елемент, який входить до складу гормонів щитоподібної залози: а) Купрум; б) Бор; в) Йод; г) Флуор.

3. Укажіть елемент, який входить до складу молекули хлорофілу: а) Купрум; б) Бор; в) Йод; г) Магній.

4. Укажіть, як називають розчинні у воді сполуки: а) гідрофобними; б) гідрофільними; в) амфіфільними; г) органічними.

II. ВИБЕРІТЬ ІЗ ЗАПРОПОНОВАНИХ ВІДПОВІДЕЙ ДВІ ПРАВИЛЬНІ

1. Укажіть хімічні елементи, які належать до органогенних: а) Флуор; б) Ферум; в) Нітроген; г) Гідроген.

2. Укажіть хімічні елементи, які належать до макроелементів: а) Фосфор; б) Бор; в) Кобальт; г) Сульфур.

3. Укажіть хімічні елементи, які належать до мікроелементів: а) Кальцій; б) Ферум; в) Флуор; г) Цинк.

4. Укажіть йони, що забезпечують регуляцію роботи серця: а) Натрію; б) Калію; в) Феруму; г) Кальцію.

III. ЗАВДАННЯ НА ВСТАНОВЛЕННЯ ВІДПОВІДНОСТІ

1. Установіть відповідність між нестачею зазначеного хімічного елемента в організмі людини та наслідками цього:

Хімічний елемент

Наслідки нестачі хімічного елемента

1 Калій (К)

2 Кальцій (Са)

3 Йод (І)

4 Флуор (F)

А Ендемічний зоб

Б Порушення утворення гормонів підшлункової залози

В Крихкість кісток скелета

Г Порушення регуляції роботи серця

Д Руйнування емалі зубів

2. Установіть відповідність між властивостями води та її функціями в живих організмах:

Властивості води

Функції в живих організмах

1 Полярність молекули

2 Здатність до оборотної іонізації

3 Висока теплоємність

4 Здатність змінювати агрегатний стан

А Створення певного pH середовища

Б Універсальний розчинник

В Охолодження організму в спекотну погоду

Г Джерело енергії

Д Запобігання різким змінам температури організму

IV. ЗАПИТАННЯ ПІДВИЩЕНОЇ СКЛАДНОСТІ

1. Які особливості будови молекул води забезпечують її властивості?

2. Як фізико-хімічні властивості води відіграють важливу роль узабезпеченні процесів життєдіяльності окремих клітин і всього організму?