§ 8. Химия и биология

Определения и обозначения

Химический состав живых организмов — это набор химических элементов и веществ, входящих в клетки и ткани. Например, в организме есть вода, минеральные вещества, белки, жиры и углеводы. Знание состава помогает понять, из чего построены клетки и какие вещества нужны организму для жизни.

Органические вещества — вещества, характерные для живых организмов и участвующие в их строении и работе. К ним относятся белки, жиры и углеводы: одни вещества служат материалом для клеток, другие могут быть источником энергии. Это понятие помогает отличать крупные группы веществ и разбираться, как организм использует пищу.

Неорганические вещества организма — вещества, к которым относят воду и минеральные вещества. Вода нужна как среда для многих процессов, а минеральные вещества участвуют в работе организма. Их наличие показывает, что живому организму необходимы не только органические вещества.

Обмен веществ — превращения веществ в организме, которые обеспечивают его рост, работу и получение энергии. Поступившие вещества могут расщепляться или использоваться для построения клеток. Понимание обмена веществ помогает связать питание организма с химическими реакциями, происходящими в нём.

Как это устроено

Живые организмы не состоят из особых химических элементов, которых нет в окружающем мире. Те же элементы встречаются в воздухе, воде, горных породах и телах живых существ. Различие заключается в том, какие вещества образованы из этих элементов и как они распределены. Поэтому изучение химического состава помогает увидеть, как неживая природа связана с живой.

Вода и минеральные вещества нужны клеткам, хотя сами по себе не являются органическими веществами. Многие процессы в организме происходят в водной среде: вещества растворяются в воде и могут перемещаться. Минеральные вещества также необходимы для нормальной работы организма. Органические вещества выполняют другие важные задачи: белки участвуют в построении клеток, а углеводы и жиры могут давать организму энергию.

Пища приносит в организм вещества, которые затем меняются. При пищеварении крупные вещества расщепляются на более простые, а клетка использует полученные части для своих нужд. Одни вещества идут на построение и обновление клеток, другие участвуют в реакциях, связанных с получением энергии. Все эти превращения входят в обмен веществ, поэтому питание обеспечивает не только рост, но и повседневную работу организма.

Растения способны образовывать органические вещества из воды и углекислого газа. Для этого нужен свет: его энергия помогает провести химические превращения, в результате которых запасается энергия в органических веществах. Этот процесс называется фотосинтезом. В темноте световой энергии нет, поэтому фотосинтез не идёт; минеральные вещества из почвы сами по себе не заменяют растению образуемую им органическую пищу.

При дыхании органические вещества окисляются, и энергия высвобождается для работы организма. Фотосинтез и дыхание поэтому связаны с разными направлениями превращений: при фотосинтезе органические вещества образуются, а при дыхании расходуются. Растению нужны оба процесса: оно создаёт органические вещества на свету, а клетки используют их при дыхании. Химические знания позволяют объяснять эти процессы и применять понимание состава веществ, например, при создании лекарств, медицинских материалов и средств защиты растений.

Основные группы веществ в организме

Чтобы воспользоваться таблицей, сначала определите группу вещества, а затем найдите его пример и основную роль. Последний столбец показывает, что вещества не просто присутствуют в организме, а участвуют в его химических превращениях. Помните, что одна группа может выполнять несколько функций.

Разбор задач

Задача 1. Распределите воду, белки, минеральные соли и углеводы на органические и неорганические вещества. Сначала нужно определить, какие вещества относятся к основным группам состава организма. Не следует считать вещество органическим только потому, что оно встречается в живом теле. Сравним каждый пример с известными группами.

1. Вода относится к неорганическим веществам, хотя входит в состав клеток.
2. Минеральные соли тоже неорганические: они поступают в организм и необходимы для его работы.
3. Белки и углеводы — органические вещества организма.

Ответ: к органическим относятся белки и углеводы, к неорганическим — вода и минеральные соли. Проверить распределение можно по примерам: вода и минеральные вещества составляют неорганическую часть, а белки и углеводы относятся к органическим веществам.

Задача 2. Объясните, почему растение на свету может образовывать органические вещества, а в темноте фотосинтез не происходит. Нужно вспомнить, из каких веществ растение создаёт органические вещества и что обеспечивает эту реакцию. Вода и углекислый газ служат исходными веществами, но одного их присутствия недостаточно. Для фотосинтеза необходим источник энергии.

1. Растение получает воду, а углекислый газ — из окружающей среды.
2. При наличии света растение использует его энергию для превращения этих веществ в органические.
3. В темноте световой энергии нет, поэтому фотосинтез не происходит.

Ответ: на свету энергия света обеспечивает образование органических веществ из воды и углекислого газа. В темноте такая энергия недоступна, поэтому фотосинтез не идёт. Это не означает, что растение перестаёт дышать: дыхание — другой процесс.

Задача 3. Сопоставьте фотосинтез и дыхание растения: укажите, какие вещества расходуются и образуются и как изменяется энергия. Чтобы не перепутать процессы, сначала определите их направление. При фотосинтезе растение создаёт органические вещества, а при дыхании расходует их. Затем сравните, что происходит с энергией.

1. При фотосинтезе расходуются вода и углекислый газ, образуются органические вещества; для превращения используется энергия света.
2. При дыхании расходуются органические вещества и кислород, а образуются углекислый газ и вода.
3. При фотосинтезе энергия света запасается в органических веществах, а при дыхании энергия высвобождается.

Ответ: фотосинтез создаёт органические вещества с использованием энергии света, а дыхание окисляет их и высвобождает энергию. Сравнение по расходуемым и образующимся веществам помогает не смешивать эти процессы.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что живые организмы состоят из особых элементов, которых нет в неживой природе. Так можно подумать, потому что живое сильно отличается от камней или воды по своим свойствам. На самом деле элементы встречаются и там, и там, но вещества и их сочетания различаются. Проверьте себя вопросом: речь идёт о новом химическом элементе или об особом составе организма?

Ошибка — называть воду органическим веществом, потому что она входит в состав клеток. Здесь путают принадлежность вещества организму с его химической группой. Вода относится к неорганическим веществам, как и минеральные соли. Для проверки вспомните примеры органических веществ: белки, жиры и углеводы.

Ошибка — смешивать фотосинтез и дыхание. Оба процесса связаны с превращениями веществ, поэтому их легко объединить в одно. Но при фотосинтезе органические вещества образуются с использованием энергии света, а при дыхании они расщепляются и энергия высвобождается. Проверьте себя: в каком процессе органическое вещество создаётся, а в каком расходуется?

Ошибка — считать, что растения получают готовые органические вещества из почвы. Такое предположение возникает потому, что корни всасывают вещества из почвы. Однако оттуда растение получает воду и минеральные вещества, а органические вещества образует само при фотосинтезе. Чтобы проверить ответ, разделите поступающие через корни вещества на воду и минеральные вещества, с одной стороны, и органическую пищу — с другой.

Связь с другими темами

Чтобы понять химический состав организма, нужно знать, что вещества состоят из химических элементов и могут вступать в реакции. Это помогает объяснить, почему клетки содержат разные вещества и как они превращаются. Основы химии дают язык для описания процессов, которые изучает биология.

Тема напрямую связана с биологией: составом клетки, питанием, фотосинтезом и дыханием организмов. Химические превращения объясняют, откуда берутся вещества для роста и как клетки получают энергию. Поэтому знания из двух предметов дополняют друг друга.

Представления об обмене веществ пригодятся при дальнейшем изучении органических веществ и пищеварения. Они также помогают рассматривать химические процессы в окружающей среде и понимать, как вещества перемещаются между организмами и природой. Так химия связывает работу клетки с более широкими природными явлениями.

Что запомнить

• Живые организмы состоят из химических элементов и веществ.
• Вода и минеральные вещества относятся к неорганическим веществам.
• Белки, жиры и углеводы — примеры органических веществ организма.
• Пища поставляет организму вещества, которые участвуют в обмене веществ.
• Фотосинтез использует энергию света для образования органических веществ.
• При дыхании органические вещества расщепляются, и энергия высвобождается.