Неорганические молекулы живого вещества
Скачать реферат: Неорганические молекулы живого вещества |
|||
|
|
Содержание реферата
Введение
1. Химические элементы клетки
2. Особенности химического состава клетки
3. Значение углерода
4.
Неорганические ионы
5. Важная роль воды
6. Биологические функции воды
7. Рождение воды
8. Круговорот воды
9. Аскетизм животных и растений
Заключение
Список литературы
Введение
Химию живых существ - животных, растений, бактерий и грибов - отличают две особенности:
во-первых, живые существа состоят главным образом из воды и, во-вторых, молекулы
химических веществ, свойственных только живому, имеют углеродные «скелеты».
Рассмотрим общую картину строения вещества, причем в первую очередь воду и углеродсодержащие
компоненты живого.
1. Химические элементы клетки
В земной коре встречается около 100 химических элементов, но для жизни необходимы
только 16 из них.
- Главные элементы. Ионы. Микроэлементы органических молекул.
Н водород, Na+ натрий, Mn марганец, B бор, С углерод, Mg2+
магний, Fe железо, Al алюминий, N азот, Cl хлор, Co кобальт, Si кремний, О кислород,
К+ калий, Cu медь, V ванадий, Р фосфор, Са2+ кальций, Zn цинк, Mo молибден,
S сера, J йод.
(Элементы, перечисленные в трех первых строках, встречаются во всех организмах.
По А. Lehninger, Biochemistry, Worth, N.Y., 1970).
Наиболее распространены в живых организмах (в порядке убывающего числа атомов) четыре
элемента: водород, углерод, кислород и азот. На их долю приходится более 99 % как
массы, так и числа атомов, входящих в состав всех живых организмов. Однако в земной
коре первые четыре места по распространенности занимают кислород, кремний, алюминий
и натрий. Биологическое значение водорода, кислорода, азота и углерода связано в
основном с их валентностью, равной соответственно 1, 2, 3, 4.
- I. МАКРОЭЛЕМЕНТЫ
Они составляют основную массу вещества клетки. На их долю приходится около 99 %
всей массы клетки. Особенно высока концентрация четырех элементов: кислорода, углерода,
азота, водорода (98 % всех макроэлементов). К макроэлементам относят также элементы,
содержание которых в клетке исчисляется десятыми и сотыми долями процента. Это,
например, такие элементы, как калий, магний, натрий, кальций, железо, сера, фосфор,
хлор.
- II. МИКРОЭЛЕМЕНТЫ
К ним относятся преимущественно ионы тяжелых металлов, входящие в состав ферментов,
гормонов и других жизненно важных веществ. В организме эти элементы содержатся в
очень небольших количествах: от 0,001 % до одной миллионной %, в числе таких элементов
бор, кобальт, медь, молибден, цинк, ванадий, йод, бром и другие.
- III. УЛЬТРАМИКРОЭЛЕМЕНТЫ
Концентрация их не превышает одной миллионной %. Физиологическая роль большинства
этих элементов в организмах растений, животных и в клетках бактерий пока устанавливается.
К ним относятся уран, радий, золото, ртуть, бериллий, цезий, селен и другие редкие
элементы.
2. Особенности химического состава клетки
Обнаружено, что некоторые организмы - интенсивные накопители определенных элементов.
Так, ряд морских водорослей накапливают йод, лютики накапливают литий, ряска - радий,
диатомовые водоросли и злаки - кремний, моллюски и ракообразные - медь, позвоночные
- железо, некоторые бактерии - марганец и т. д. Элементарный состав организмов и
химический состав окружающей среды существенно отличается. Например, кремния в почве
около 33 %, а в растениях лишь 0,15 %, кислорода в почве около 49 %, а в растениях
70 % и т. д. Это указывает на избирательную способность организмов использовать
только определенные химические элементы, необходимые для построения и жизнедеятельности
клеток. По содержанию элементы, входящие в состав клетки, можно разделить на три
группы.
Химические элементы, которые входят в состав клеток и выполняют биологические функции,
называются биогенными.
Все химические элементы в виде ионов либо в составе тех или иных соединений участвуют
в построении организма. Например, углерод, водород и кислород входят в состав углеводов
и жиров. В составе белков к ним добавляются азот и сера, в составе нуклеиновых кислот
- азот, фосфор, железо, участвующие в построении молекулы гемоглобина; магний находится
в составе хлорофилла; медь обнаружена в некоторых окислительных ферментах; йод содержится
в составе молекулы тироксина (гормона щитовидной железы); натрий и калий обеспечивают
электрический заряд на мембранах нервных клеток и нервных волокон; цинк входит в
молекулу гормона поджелудочной железы - инсулина; кобальт находится в составе витамина
В12.
3. Значение углерода
Углерод имеет ряд уникальных химических свойств, фундаментальных для жизни. Изучением
углерода и его соединений занимается отдельная отрасль химии - органическая химия.
В чем заключаются уникальные свойства углерода? Его атомный номер равен 6, потому
что в его ядре обращается шесть электронов. Ядро содержит еще и шесть нейтронов,
так что атомная масса углерода равна 12. Вступая в химическую реакцию, углерод приобретает
заполненную (стабильную) оболочку из восьми электронов путем обобществления четырех
электронов. Он, следовательно, образует ковалентные связи (обобществленные электроны),
и валентность его равна 4 (он обобществляет четыре электрона).
Значение углерода определяется тем, что он способен образовывать стабильные, прочные
ковалентные связи. Эти связи он образует как с другими углеродными атомами, так
и с атомами других элементов.
Углерод обладает способностью, не свойственной (во всяком случае в такой мере) ни
одному другому элементу: соединяясь между собой ковалентными связями, его атомы
образуют стабильные цепи или кольца. Именно этой стабильностью углерода и объясняются
в первую очередь чрезвычайно разнообразные органические соединения: С-С-связи можно
рассматривать как скелет органических молекул.
Углеродные атомы образуют обычные ковалентные связи с атомами Н, N, О, Р, S. Соединение
с этими и с другими элементами в различных комбинациях обеспечивает большое разнообразие
органических соединений.
Кратные связи. Еще одно важное свойство углерода заключается в его способности образовывать
кратные связи; этим же свойством обладают кислород и фосфор. Известны следующие
кратные связи:
Двойные связи )C=С( )С=О )С=N-
Тройные связи -C C- -C N
Соединения, содержащие двойные связи (=) или тройные () углерод-углеродные
связи, называются ненасыщенными. В насыщенном соединении имеются только простые
(одинарные) углерод-углеродные связи.
Суммируем важные химические свойства углерода:
1. Его атомы сравнительно малы, атомная масса невелика;
2. Он способен образовывать четыре прочные ковалентные связи;
3. Он образует углерод-углеродные связи, строя таким путем длинные
углеродные скелеты
молекул в виде цепей и колец;
4. Он образует кратные ковалентные связи с другими углеродными атомами, а также
с кислородом и азотом.
Это уникальное сочетание свойств обеспечивает колоссальное
разнообразие органических
молекул. Разнообразие проявляется в размере молекул, определяемых их углеродным
скелетом, в химических свойствах, которые зависят от присоединенных к скелету элементов
и химических групп, а также от степени насыщенности скелета, и, наконец, в различной
форме молекул, определяемой геометрией, т. е. углами связей.
4. Неорганические ионы
Многие элементы в клетке содержатся в виде ионов - это катионы (К+,
Na+, Са2+, Mg2+, NH3+) и
анионы (Cl-, HPO42-, H3PO4-,
HCO3-, NO3-) минеральных солей. Концентрация
катионов и анионов в клетке и в окружающей ее среде резко различна. Внутри клетки
присутствуют ионы К+ и крупные органические ионы, в околоклеточных жидкостях всегда
больше ионов Na+ и Cl-. Вследствие этого образуется разность
зарядов внешней и внутренней поверхностей мембраны клетки, между ними возникает
разность потенциалов, обуславливающая такие важные процессы, как передача возбуждения
по нерву или мышце.
Содержащиеся в организме ионы имеют важное значение для поддержания постоянства
реакций среды в клетке и в окружающих ее растворах, т. е. являются компонентами
буферных систем. Наиболее значимая буферная система млекопитающих - фосфатная и
бикарбонатная.
Фосфатная буферная система состоит из H2PO4- и
HPO42- и поддерживает рН внутриклеточной жидкости в пределах
6,9 - 7,4. Главной буферной системой внеклеточной среды (плазмы крови) служит бикарбонатная
система, состоящая из H2CO3 и HCO3-
и поддерживающая рН на уровне 7,4.
Соединения азота, фосфора, кальция и другие
неорганические вещества служат источником
строительного материала для синтеза органических молекул (аминокислот, белков, нуклеиновых
кислот и др.) и входят в состав ряда опорных структур клетки и организма.
Некоторые
неорганическое ионы (например, ионы кальция и магния) являются активаторами
и компонентами многих ферментов, гормонов и витаминов. При недостатке этих ионов
нарушаются жизненно важные процессы в клетке.
Немаловажные функции в живых организмах выполняют
неорганические кислоты и их соли.
Соляная кислота входит в состав желудочного сока животных и человека, ускоряя процесс
переваривания белков пищи. Остатки серной кислоты, присоединяясь к нерастворимым
в воде чужеродным веществам, придают им растворимость, способствуя выведению из
организма. Неорганические натриевые и калиевые соли азотистой и фосфорной кислот
служат важными компонентами минерального питания растений, их вносят в почву в качестве
удобрений. Соли кальция и фосфора входят в состав костной ткани животных.
5. Важная роль воды
Без воды жизнь на нашей планете не могла бы существовать. Вода важна для живых организмов
вдвойне, ибо она не только необходимый компонент живых клеток, но для многих еще
и среда обитания.
Химические и физические свойства воды довольно необычны и связаны главным образом
с малыми размерами ее молекул, с полярностью ее молекул и с их способностью соединяться
друг с другом водородными связями. Под полярностью подразумевают неравномерное распределение
зарядов в молекуле. У воды один конец молекулы несет небольшой положительный заряд,
а другой - отрицательный. Такую молекулу называют диполем. Более электроотрицательный
атом кислорода притягивает электроны водородных атомов. В результате между молекулами
воды возникает электростатическое взаимодействие, а поскольку противоположные заряды
притягиваются, молекулы как бы склонны ｫсклеиваться . Эти взаимодействия,
более слабые, чем обычные ионные связи, называются водородными связями. Учитывая
данную особенность воды, можно рассмотреть ее биологическое значение.
Вода - превосходный растворитель для полярных веществ. К ним относятся ионные соединения,
такие, как соли, у которых заряженные частицы (ионы) диссоциируют (отделяются друг
от друга) в воде, когда вещество растворяется, а также некоторые неионные соединения,
например сахара и простые спирты, в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные)
группы (у сахаров и спиртов это ОН-группы).
Когда вещество переходит в раствор, его молекулы или ионы получают возможность двигаться
более свободно и, соответственно, его реакционная способность возрастает. По этой
причине в клетке большая часть химических реакций протекает в водных растворах.
Неполярные вещества, например липиды, не смешиваются с водой и потому могут разделять
водные растворы на отдельные компартменты, подобно тому, как их разделяют мембраны.
Неполярные части молекул отталкиваются водой и в ее присутствии притягиваются друг
к другу, как это бывает, например, когда капельки масла сливаются в более крупные
капли; иначе говоря, неполярные молекулы гидрофобны. Подобные гидрофобные взаимодействия
играют важную роль в обеспечении стабильности мембран, а также многих белковых молекул,
нуклеиновых кислот.
Присущие воде свойства растворителя означают также, что вода служит средой для транспорта
различных веществ. Эту роль она выполняет в крови, в лимфатической и экскреторной
системах, в пищеварительном тракте и во флоэме и ксилеме растений.
Вода обладает большой теплоемкостью. Это значит, что существенное увеличение тепловой
энергии вызывает лишь сравнительно небольшое повышение ее температуры. Объясняется
такое явление тем, что значительная часть этой энергии расходуется на разрыв водородных
связей, ограничивающих подвижность молекул воды, т. е. на преодоление ее ｫклейкости .
Большая теплоемкость воды сводит к минимуму происходящие в ней температурные изменения.
Благодаря этому биохимические процессы протекают в меньшем интервале температур,
с более постоянной скоростью, и опасность нарушения этих процессов от резких отклонений
температуры грозит им не столь сильно. Вода служит для многих клеток и организмов
средой обитания, для которой характерно довольно значительное постоянство условий.
Для воды характерна большая теплота испарения. Скрытая теплота испарения (или относительная
скрытая теплота испарения) есть мера количества тепловой энергии, которую необходимо
сообщить жидкости для ее перехода в пар, т. е. для преодоления сил молекулярного
сцепления в жидкости. Испарение воды требует довольно значительных количеств энергии.
Это объясняется существованием водородных связей между молекулами воды. Именно в
силу этого температура кипения воды - вещества со столь малыми молекулами - необычно
высока.
Энергия, необходимая молекулам воды для испарения, черпается из их окружения. Таким
образом, испарение сопровождается охлаждением. Это явление используется у животных
при потоотделении, при тепловой одышке у млекопитающих или у некоторых рептилий
(например, у крокодилов), которые на солнцепеке сидят с открытым ртом; возможно,
оно играет заметную роль и в охлаждении транспирирующих листьев.
Скрытая теплота плавления (или относительная скрытая теплота плавления) есть мера
тепловой энергии, необходимой для расплавления твердого вещества (льда). Воде для
плавления (таяния) необходимо сравнительно большое количество энергии. Справедливо
и обратное: при замерзании вода должна отдать большое количество тепловой энергии.
Это уменьшает вероятность замерзания содержимого клеток и окружающей их жидкости.
Кристаллы льда особенно губительны для живого, когда они образуются внутри клеток.
Вода - единственное вещество, обладающее в жидком состоянии большей плотностью,
чем в твердом.
Поскольку лед плавает в воде, он образуется при замерзании сначала на ее поверхности
и лишь под конец в придонных слоях. Если бы замерзание прудов шло в обратном порядке,
снизу вверх, то в областях с умеренным или холодным климатом жизнь в пресноводных
водоемах вообще не могла бы существовать. Лед покрывает толщу воды как одеялом,
что повышает шансы на выживание у организмов, обитающих в ней. Это важно в условиях
холодного климата и в холодное время года, но, несомненно, особенно важную роль
это играло в ледниковый период. Находясь на поверхности, лед быстрее и тает. То
обстоятельство, что слои воды, температура которых упала ниже 4 град., поднимаются
вверх, обуславливает их перемещение в больших водоемах. Вместе с водой циркулируют
и находящиеся в ней питательные вещества, благодаря чему водоемы заселяются живыми
организмами на большую глубину.
У воды большое поверхностное натяжение и когезия. Когезия - это сцепление молекул
физического тела друг с другом под действием сил притяжения. На поверхности жидкости
существует поверхностное натяжение - результат действующих между молекулами сил
когезии, направленных внутрь. Благодаря поверхностному натяжению жидкость стремится
принять такую форму, чтобы площадь ее поверхности была минимальной (в идеале - форму
шара). Из всех жидкостей самое большое поверхностное натяжение у воды. Значительная
когезия, характерная для молекул воды, играет важную роль в живых клетках, а также
при движении воды по сосудам ксилемы в растениях. Многие мелкие организмы извлекают
для себя пользу из поверхностного натяжения: оно позволяет им удерживаться на воде
или скользить по ее поверхности.
- ВОДА КАК РЕАГЕНТ
Биологическое значение воды определяется и тем, что она представляет собой один
из необходимых метаболитов, т. е. участвует в метаболических реакциях. Вода используется,
например, в качестве источника водорода в процессе фотосинтеза, а также участвует
в реакциях гидролиза.
- ВОДА И ПРОЦЕСС ЭВОЛЮЦИИ
Роль воды для живых организмов находит свое отражение, в частности, в том, что одним
из главных факторов естественного отбора, влияющих на видообразование, является
недостаток воды (ограничение распространения некоторых растений, имеющих подвижные
гаметы). Все наземные организмы приспособлены к тому, чтобы добывать и сберегать
воду; в крайних своих проявлениях - у ксерофитов, у обитающих в пустыне животных
и т. п. Такого рода приспособления представляются подлинным чудом ｫизобретательности
природы.
6. Биологические функции воды
У всех организмов:
1) обеспечивает поддержание структуры (высокое содержание воды в протоплазме);
2) служит растворителем и средой для диффузии;
3) участвует в реакциях гидролиза;
4) служит средой, в которой происходит оплодотворение;
5) обеспечивает распространение семян, гамет и личиночных стадий водных организмов,
а также семян некоторых наземных растений, например кокосовой пальмы.
У растений:
1) обуславливает осмос и тургесцентность (от которых зависит многое: рост (увеличение
клеток), поддержание структуры, движения устьиц и т. д.);
2) участвует в фотосинтезе;
3) обеспечивает транспорт неорганических ионов и органических молекул;
4) обеспечивает прорастание семян - набухание, разрыв семенной кожуры и дальнейшее
развитие.
У животных:
1) обеспечивает транспорт веществ;
2) обуславливает осморегуляцию;
3) способствует охлаждению тела (потоотделение, тепловая одышка);
4) служит одним из компонентов смазки, например в суставах;
5) несет опорные функции (гидростатический скелет);
6) выполняет защитную функцию, например в слезной жидкости и в слизи;
7) способствует миграции (морские течения).
7. Рождение воды
Глубоко проникает в тьму времен острый луч прожектора науки. Но время образования
нашей планеты безмерно далеко. Луч слабеет, дрожит и колеблется... Возникла Земля
из огненного солнечного вещества или из газо-пылевого облака? Горячая или холодная
была сначала Земля? От решения этой проблемы зависит и решение вопроса о происхождении
воды.
По представлениям О. Ю. Шмидта, в первоначальной стадии образования Земли молекулы
воды намораживались на твердые частицы уплотнявшегося газо-пылевого облака. Потом,
под влиянием радиоактивных процессов, Земля стала разогреваться. Накопившееся тепло
начало ｫизгонять воду из недр Земли. Количество воды на поверхности
планеты с течением времени увеличивалось, потекли реки, образовались океаны и моря.
Сторонники этой гипотезы считают, что нарастание гидросферы продолжается и поныне.
Мировой океан медленно поглощает сушу.
Существует и противоположная точка зрения. На Земле развиваются геологические процессы,
химически связывающие воду. В глине, например, химически связано 14 % воды, а в
гипсе - 21 %. Вода в подобных случаях связана ｫнавеки , если не произойдет
катастрофы, которая ввергнет эти породы в подкорковую зону земного шара, в зону
огромных давлений и высоких температур. Академик Ф. Ю. Левинсон-Лессинг считал,
что эти геологические процессы ｫпрочат полное обезвоживание поверхности Земли,
уничтожение всего живущего и печальную физиономию Луны . К этому же заключению,
видимо, но из других соображений, присоединяется аргентинский геолог Гейнсгеймер.
Он полагает, что Земля заметно теряет воду при разложении паров в верхних слоях
атмосферы на кислород и водород, которое происходит под влиянием космических лучей,
причем водород безвозвратно уносится в мировое пространство.
Однако из всех гипотез наиболее убедительно выглядит гипотеза В. И. Вернадского.
Он считал, что количество воды на поверхности Земли остается неизменным, а моря,
заливавшие временами сушу во время даже самых мощных океанских трансгрессий, - это
только ｫвсплески всемирного океана .
В настоящее время советские ученые установили, что, действительно, в верхних слоях
атмосферы происходит разложение водяных паров на кислород и водород. Но убыль воды
от этого ничтожна. На протяжении всей истории Земли она могла вызвать понижение
уровня океана всего на 2-3 м. Голландский геолог Ф. Кюэнен сделал интересный расчет,
касающийся выделения первичной или, как говорят, ювенильной воды, происходящего
при вулканической деятельности. Так вот, оно составляет около 1/25 км3 в год. Следовательно,
со времени палеозоя, за последние 270 млн лет, количество воды, освободившееся из
недр Земли, составляет незначительную долю общей массы океанской воды.
Однако вернемся к вопросу о происхождении воды на Земле. Намораживание ее молекул
на твердые частицы холодной Земли не объясняет происхождения этих молекул, следовательно,
и самой воды. Гораздо правдоподобнее другая гипотеза.
В бурных реакциях созидания, происходивших в плазме солнечного вещества новорожденной
Земли, наряду с прочими элементами, металлами и минералами возникли и пары воды.
При остывании планеты они низвергались на ее поверхность и образовали гидросферу.
По мнению академика Д. И. Щербакова, вода более или менее ровным слоем покрывала
первоначально всю планету. Затем во впадинах образовались моря и океаны, потекли
реки, а после того, как слой рыхлых осадков покрыл первозданные скалы, медленно
стали сочиться подземные воды. Итак, надо думать, что земная кора и вода образовались
почти одновременно, а общая масса воды на нашей планете практически неизменна, и
потому Матушке-Земле не грозит ни всемирный потоп, ни превращение в безводную пустыню.
8. Круговорот воды
Между судьбами капель воды и судьбами людей есть нечто общее. Как бы велико ни было
число тех и других, судьбы у всех у них разные. Если бы проследить за жизнью одной
единственной молекулы воды со времени ее образования и до наших дней, можно было
бы написать самую увлекательную сказку для детей или не менее увлекательный роман
для взрослых.
Вместе с миллионами других молекул она точила и растворяла первозданные горы, в
виде тончайших кристаллов тысячи лет хранилась в высокогорных ледниках, совершила
не одно кругосветное путешествие вместе с морскими течениями, затопляла села и города
во время наводнений, плавала в облаках над поверхностью океанов и материков, разбивала
корабли о прибрежные скалы, обильно насыщала влагой древние папоротниковые деревья,
современные пальмы и сосны; каплей росы она сверкала на душистых лепестках розы,
струилась в термах Помпеи и акведуках Карфагена, взращивала посевы и питала виноградную
лозу; вместе с хмелем она дурманила голову человеку, несла жизнь усталому путнику
в безводной пустыне и умерщвляла человека, растворяя таинственные средневековые
яды семейства Борджиа.
Посмотрим, какими путями движется вода на Земле в наше время.
Первоисточник воды на нашей планете - Мировой океан. Преодолевая силу тяжести, мощная
тепловая машина, приводимая в движение энергией Солнца, ежегодно поднимает с поверхности
всего земного шара в атмосферу 511 тыс. км3 воды. 411 тыс. км3 поднимается с одной
только поверхности океана; из них примерно две трети возвращается в виде атмосферных
осадков обратно в океан. Это малый круговорот воды на Земле.
Оставшаяся треть испарений уносится ветрами с поверхности океана на сушу. Она присоединяется
к водяным парам, поднимающимся в атмосферу с растительного покрова, из почвы и водоемов
суши. Одна треть - это, кажется, не так уж много. Но если бы океан этой третью не
пополнял убыль воды, стекающей в него с суши, материки давно превратились бы в пустыни.
На суше в виде осадков ежегодно выпадает примерно 100 тыс. км3 воды. Здесь путь
воды длиннее, разнообразнее и сложнее. Часть воды после дождя сейчас же возвращается
в атмосферу, особенно если это происходит летом или в засушливых южных странах.
Выпал, например, в пустыне ночной дождь. Дневное жаркое солнце накалило и высушило
песок, а с наступлением ночной прохлады вода, испарившаяся днем, опять вернулась
на землю в виде росы.
Вот первые капли дождя упали на жаждущую влаги почву. Вода просачивается сквозь
поры сначала быстро, потом медленнее. Сила тяжести влечет ее все ниже и ниже, пока
на пути не встретится непроницаемый скальный или глинистый пласт. Скопившаяся над
ним вода начинает медленно течь в порах грунта вдоль по его уклону. Она может снова
выйти на поверхность земли в ближайшем овраге, слиться с другими подземными водоносными
слоями в невидимую многоводную ｫреку или в углублении водонепроницаемого
пласта образовать целое подземное озеро-губку.
Вода проникает в земную кору на глубину сотен и тысяч метров. Извилистыми подземными
путями она порой течет на очень дальние расстояния и выходит на поверхность в виде
гейзеров, ручьев и болот, питает реки в засушливое время года или прямо стекает
в моря и океаны, образуя на дне их удивительные источники пресной воды. Но когда
почва, вдоволь насыщенная влагой, отказывается уже принимать дождевую воду, вода
стекает по ее поверхности, собираясь в наземные ручейки, образует паводки и, в конечном
итоге, опять-таки попадает в океан.
Часть увлажнившей почву воды всасывают корни растений. Насыщенная питательными солями,
она поднимается по стволам и стеблям и возвращается в атмосферу через листья в виде
водяных паров.
Вода может выпасть на землю в форме снега. Тогда в своем стремлении к океану она
задержится до весны. А если снег выпадает на вершины высоких снеговых гор, в Антарктиде
или в Гренландии, он может пролежать многие десятки, сотни и даже тысячи лет; с
течением времени он превратится в лед медленно сползающих вниз ледников. Как видите,
у воды на Земле много путей, и, действительно, нельзя заранее сказать, какая судьба,
какой путь - длинный или короткий, прямой или извилистый - предстоит капле воды,
покинувшей океан, прежде чем она вернется на свою родину. Это большой круговорот
воды на Земле.
Воздух и вода - главные и, пожалуй, единственные вещества неживой природы, подвижные
в полном смысле этого слова. Благодаря плотности, во много раз превышающей плотность
воздуха, вода выполняет на Земле роль главного транспортного средства. В океанах
и морях волны и течения, на суше - реки и ледники переносят огромные количества
глины, камней и песка. Движущаяся вода, кроме того, служит единственным средством
перемещения для многих живых организмов, не обладающих способностью самостоятельно
передвигаться на дальние расстояния. Ветер по сравнению с водой более подвижен,
более шумлив, но и более ｫленив . Он не в состоянии выполнять и тысячной
доли той работы, которую выполняет вода. А между тем своей кинетической энергией
вода в основном обязана именно ветру - движению атмосферы. Ветер вздымает волны
в океане и возбуждает океанские течения, с усилением ветра увеличиваются испарения,
ветер уносит на сушу образовавшиеся над морем облака и питает ими реки.
Впрочем, и океан оказывает большое влияние на движение атмосферы. Летом, например,
преобладают ветры со стороны относительно холодного океана в сторону нагретой суши,
зимой - наоборот. Над океаном образуются грозные тропические циклоны и воздушные
течения.
Круг, аким образом, амыкается. Воздух вызывает движение воды, вода возбуждает движение
воздуха. А за этим мощным и непрерывным круговоротом воды, оживляющим нашу планету,
стоит величественное Солнце, главный источник энергии и всякого движения на Земле.
9. Аскетизм животных и растений
Не только кочевники среднеазиатских и африканских пустынь научились противостоять
жестокой жаре - к ней приспособились животные и растения.
Для обитателей пустыни жизнь начинается с наступлением темноты. Днем большинство
из них спит, зарывшись в песок или укрывшись от палящих лучей солнца среди скал.
Суслики в разгар зноя погружаются в летнюю спячку. Крупные млекопитающие в пустынях
отличаются поджарым телом, длинными ногами и быстротой бега. Газели, антилопы, джейраны,
куланы и другие копытные животные в поисках пищи и воды способны за несколько часов
покрывать огромные расстояния. Рябки носят в зобу для своих птенцов по полстакана
воды. Глаза, уши, нос у животных защищены от песка. У верблюда, например, такие
ресницы, которым может позавидовать любая киноактриса. У сайги широко расставлены
и сдвинуты назад ноздри, чтобы при щипании травы в них не попадал песок. Многие
животные в пустыне имеют темную окраску, что предохраняет их от ультрафиолетовых
лучей; некоторые, например газели, обладают такой защитной окраской, что их не отличишь
от песка и камня. Хищники в пустыне пополняют запас влаги в организме кровью своей
добычи.
Существуют обитатели пустынь, которые совсем не пьют. Они получают влагу из корней
и клубней растений, которые употребляют в пищу, а некоторые отчасти или даже полностью
компенсируют расход влаги метаболической водой. Так называют воду, образующуюся
внутри организма при обмене веществ, при расщеплении и окислении белков, углеводов
(крахмала) и жиров.
Хорошо всем известная ковровая моль живет без воды, в то же время в отложенных ею
яичках вода составляет 80 % от их веса.
Тушканчики, которые водятся в Европе и Азии, и американская кенгуровая крыса совершенно
не нуждаются в воде не только в природных условиях, но и в неволе. На каждую калорию
тепловой энергии, освобождающейся при окислительных процессах, в организме кенгуровой
крысы выделяется от 0,09 до 1,3 г метаболической воды. Как и все животные, тушканчики
и кенгуровые крысы теряют воду при выдохе и вместе с прочими выделениями тела, но
их организм приспособился выделять вдвое меньше воды, чем у других животных такого
же размера, например у обыкновенной крысы. Благодаря этому для нормального существования
им совершенно достаточно метаболической воды, хотя они, конечно, пользуются и влагой
растений. Кстати заметим, что организм человека тоже вырабатывает воду, но не более
0,5 л в сутки.
В Ливийской пустыне среди скал и отмерших кустарников водятся тысячи змей. Эти змеи
пьют росу, а выделение влаги у них, как у всех змей, в 10 раз меньше, чем у теплокровных
животных. Для человека, оказавшегося в пустыне, содержащаяся в их теле жидкость
может заменить воду. Людям в виде опыта при температуре воздуха около 40 град. давали
в сутки по 1,5-2,5 л жидкости, извлеченной из тела змеи. Если не считать очень большой
слабости, на вторые сутки подвергнутые испытанию чувствовали себя относительно хорошо.
У человека потеря влаги в организме влечет за собой сгущение крови; у верблюда,
потерявшего при испытании 50 л влаги, что составило 20 % его веса, количество крови
уменьшилось всего на 1 л. Верблюд теряет влагу главным образом за счет жидкости,
содержащейся в тканях и в связках его тела, что, очевидно, не так опасно, как потеря
влаги из крови.
У человека, как мы уже знаем, температура в сухой жаркой пустыне поднимается днем
только на 1 град., после чего терморегулирующий аппарат организма удерживает ее
на одном уровне путем обильного выделения пота. У верблюда в жаркий день температура
поднимается от 34 град. утром до 40-41 град. днем и только после этого начинает
работать ｫводный аппарат терморегуляции. Безвредный для организма
перегрев на 6-7 град. дает возможность верблюду экономнее расходовать влагу. Что
же касается запаса воды в верблюжьем желудке, то оказалось, что его нет. При вскрытии
в пазухах желудка была обнаружена жидкость, по составу близкая к крови и желудочным
сокам. Она имела дурной запах и вкус, но, конечно, в крайнем случае могла пригодиться
и для питья. Взамен воды у верблюда в горбах запасен жир, как и у курдючных овец,
у которых жир откладывается в хвостах. Этот жир служит одновременно и запасом пищи,
и источником метаболической воды.
Приспособились к недостатку воды и растения в пустыне. Годами могут лежать в сухом
песке семена. Первый дождь воскрешает их, но большинство из них живут недолго. Это
так называемые эфемеры, жизнь их коротка. Кочевники-скотоводы в Сахаре все время
меняют свои становища в поисках районов, где выпал случайный дождь и где на несколько
недель после этого зацветает высушенная солнцем и, казалось, совершенно мертвая
до этого земля.
На пустынном мексиканском плоскогорье растут кактусы. Вот как описывают эти удивительные
растения Ильф и Петров: ｫЦелый лес кактусов торчал из песка по обе стороны
дороги. Их ветви, такие же толстые, как сам ствол, казались искалеченными в пытке,
как бы обрубленными до локтя, растопыренными руками . Человеку, идущему ночью
при лунном свете через лес кактусов, кажется, что он окружен чудовищами, которые
вот-вот растерзают его своими страшными когтями. Когти-шипы отпугивают от растения
животных, которые в ином случае совершенно уничтожили бы эти зеленые бочки с драгоценной
в пустыне влагой. Кактус содержит 96 % воды, а благодаря строению своего тела он
умеет ее хранить круглый год, несмотря на то, что три четверти года здесь не бывает
дождей.
Весной пустыня Карру, как и многие другие пустыни, расцветает. К ней устремляются
стада антилоп, полосатых зебр и стаи длинноногих страусов. Откуда же берутся на
такой почве и в таком климате растения? Здесь это большей частью многолетние растения
- яркие амариллисы, кринумы и другие луковичные. В засушливый период они бережно
хранят жизнь в луковицах, скрытых под землей и облаченных кожицей, которая защищает
их от жары и потери влаги.
Типичная для всех пустынь растительность - чахлые деревья и сухие кустарники, защищенные
от животных иглами. Корни их глубоко протянулись в землю в поисках грунтовой воды
и широко раскинулись у самой поверхности, чтобы не пропустить ни одной капли влаги,
которую случится обронить на землю заблудившейся тучке.
Аскетизм организмов в пустыне - свидетельство неистощимой способности живой природы
приспосабливаться.
Заключение
В состав организмов входит более половины элементов периодической системы Менделеева,
причем около 20 из них являются обязательными и обнаруживаются почти во всех типах
клеток.
Клетки сходны не только по строению, но и по химическому составу. Клетки всех живых
организмов содержат хотя и неодинаковые, но сходные вещества в близких количествах.
Сходство в строении и химическом составе у разных клеток свидетельствует о единстве
их происхождения.
Список литературы
1. Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология: В 3-х томах. Т. 1: Пер. с анг. // Под
ред. Р. Сопера. М.: Мир, 1990, 368 с.
2. Биология для поступающих в вузы. Под ред. В. Н. Ярыгина. М.: Высш. шк.,
1995, 478 с.
3. Кемп П. Армс К. Введение в биологию: Пер. с англ. М.: Мир, 1988, 671 с.
4. Голрский Н. Н. Вода - чудо природы. Изд. ｫАкадемия наук , научно-популярная
серия.
