Какое значение для организмов имеют капиллярные свойства воды
Ст. 35
Рассмотрите рис. 24 — 27. Какие химические элементы входят в состав организмов? Какие химические соединения их образуют? Какую роль в клетке выполняют вода и минеральные вещества?
См. таб. 2 стр. 37. Основу организмов составляют четыре элемента – кислород, углерод, водород и азот.
Жизнь на нашей планете возникла в воде, что и обусловило её исключительное значение. Строение всех биосистем связано с уникальными свойствами воды: полярностью её молекул, их способностью к образованию водородных связей, большим поверхностным натяжением, аномально высокой теплоёмкостью, а также высокими температурами плавления и кипения.
Ионы калия (К+) и натрия (Na+) создают трансмембранный потенциал клетки, обеспечивающий возбудимость её наружной мембраны и проведение нервного импульса.
Ионы кальция (Са2+) – компоненты клеточной оболочки растений, из них формируются кости и зубы животных, они влияют на реакцию свёртывания крови, сокращения скелетных мышц.
Ионы хлора (С1~) входят в состав соляной кислоты, которая является компонентом желудочного сока, активизирует деятельность пищеварительных ферментов и обеззараживает пищу.
Ионы магния (Mg2+) – компонент молекулы хлорофилла, они содержатся в костях и зубах животных, принимают участие в синтезе ДНК, активизируют энергетический обмен в клетке.
Ионы йода (I — ) входят в состав гормона щитовидной железы – тироксина, влияющего на скорость обмена веществ в организме и потребление кислорода. При его недостатке или избытке развиваются гормональные заболевания, например микседема и базедова болезнь.
Ионы железа (Fe2+) входят в состав гемоглобина, миоглобина (кислород — связывающий белок скелетных и сердечной мышц), хрусталика и роговицы глаза, они являются активаторами ферментов, участвуют в синтезе хлорофилла. Очень важна роль железа, входящего в состав гемоглобина (обеспечивает транспорт кислорода к тканям и органам) и миоглобина (депонирует молекулярный кислород и передаёт его окислительным системам клетки).
Медь участвует в процессах кроветворения, фотосинтеза, катализирует внутриклеточные окислительные процессы. Марганец способствует повышению урожайности растений, активизирует процесс фотосинтеза. Бор воздействует на ростовые процессы растений. Фтор входит в состав эмали зубов, при его недостатке развивается кариес, при избытке – флюороз (размягчение костной ткани). Флюорозом страдают люди, связанные с производством фтора и фторсодержащих веществ. Ионы молибдена, хрома, кобальта, цинка служат активаторами ряда ферментов, влияют на процессы кроветворения, обмена веществ. При нехватке этих элементов могут нарушаться процессы жизнедеятельности организмов.
Ст. 41
1. С чем связаны уникальные физико — химические свойства воды? Перечислите те их них, которые наиболее важны для организмов.
Строение всех биосистем связано с уникальными свойствами воды: полярностью её молекул, их способностью к образованию водородных связей, большим поверхностным натяжением, аномально высокой теплоёмкостью, а также высокими температурами плавления и кипения.
2. За счет чего происходит подъем воды по волокнам бумаги? Какое значение для организмов имеют капиллярные свойства воды?
За счёт полярности и водородных связей молекулы воды способны соединяться между собой и с другими веществами. В результате такого соединения на поверхности образуется «плёнка», что и объясняет высокое поверхностное натяжение воды и её капиллярные свойства.
Капиллярные явления играют существенную роль в водоснабжении растений и перемещении влаги в почве. В сухую погоду почва ссыхается, и в ней образуются трещины – капилляры. По ним вода поднимается из — под земли вверх и испаряется.
3. Почему зимой, когда вода замерзает, растения и холоднокровные животные не погибают при охлаждении температуры их тела ниже 0˚С?
Внутренняя среда этих организмов содержит особые вещества — антифризы, препятствующие замерзанию воды.
4. Всем известно, что клопы — водомерки бегают по воде, как по твердой поверхности. Как вы объясните это явление? Благодаря какому свойству воды такое возможно?
Это возможно, благодаря такому свойству воды, как поверхностное натяжение. Водомерка передвигается по воде с довольно большой скоростью и широко расставленными ногами.
5. Все живое состоит в основном из углерода. Аналог же углерода – кремний, содержание которого в земной коре в 300 раз больше, чем углерода, – встречается в составе очень немногих организмов. Объясните этот факт с точки зрения строения атомов и свойств этих элементов.
Атомы кремния имеют большую массу и радиус, они сложнее образуют двойную или тройную ковалентную связь, что может помешать образованию биополимеров. Соединения кремния не могут быть настолько разнообразны, как соединения углерода.
Диоксид кремния, являющийся аналогом углекислого газа в углеродных формах жизни, представляет собой твердое, плохорастворимое вещество. Это создает трудности для поступления кремния в биологические системы, основанные на водных растворах, даже если окажется возможным существование биологических молекул на его основе.
6. Какие функции в организме выполняют ионы элементов, приведенных в табл. 2?
Кислород: Основной (фактически единственной) функцией кислорода является его участие как окислителя в окислительно — восстановительных реакциях в организме. Благодаря наличию кислорода, организмы всех животных способны утилизировать (фактически «сжигать») различные вещества (углеводы, жиры, белки) с извлечением определенной энергии «сгорания» для собственных нужд.
Углерод: Как и другие элементы — органогены, углерод в виде отдельного элемента не обладает биологическим значением, – биологической ролью обладают его соединения.
— из различных соединений углерода (белки, жиры, углеводы, нуклеотиды, гормоны, амино — и карбоновые кислоты и др.) состоят все ткани организма
— является структурным компонентом всех органических соединений
— его соединения участвуют во всех биохимических процессах
— при окислении соединений углерода образуется необходимая для организма энергия
— оксид углерода (IV) CO2, образующаяся в результате окисления соединений углерода, стимулирует дыхательный центр, регулирует значение рН крови
Водород: Водород как отдельный элемент не обладает биологической ценностью. Наибольшую ценность, конечно, представляет соединение водорода с кислородом – вода, которая фактически является средой существования всех клеток организма.
Азот: Биологическая роль азота обусловлена его соединениями. Так в составе аминокислот он образует пептиды и белки (наиболее важный компонент всех живых организмов); в составе нуклеотидов образует ДНК и РНК (посредством которых передается вся информация внутри клетки и по наследству); в составе гемоглобина участвует в транспорте кислорода от легких по органам и тканей.
Фосфор: Участвует в построении всех клеток организма, во всех обменных процессах, очень важен для работы мозга, участвует в образовании гормонов.
Сера: Как и элементы органогены, сера в виде отдельного элемента не обладает биологическим значением. Ее биологическая роль состоит в том, что она входит в структуру таких аминокислот, как цистеин и метионин, которые и выполняют в животных организмах (в том числе у человека), ряд незаменимых функций:
— придает необходимую для их функционирования пространственную организацию молекулам белков за счет образования дисульфидных мостиков
— является компонентом многих ферментов, гормонов (в частности – инсулина), и серосодержащих аминокислот
— является компонентом таких активных веществ, как гистамин, витамина и др.
— сульфгидрильные группы образуют активные центры ряда ферментов
— обеспечивает передачу энергии в клетке: атом серы принимает на свободную орбиталь один из электронов кислорода
— участвует в переносе метильных групп
— входит в состав коэнзимов, включая коэнзим А
Калий: Главная биологическая функция калия – формирование совместно с другими электролитами (натрий, хлор) разницы потенциалов на мембранах клеток и передача ее изменения по клеточной мембране, за счет обмена с ионами натрия, что особенно важно для нервных и мышечных клеток.
Кальций: Формирование костной ткани, минерализация зубов. Участие в процессах свертывания крови. Регуляция проницаемости клеточных мембран. Регуляция процессов нервной проводимости и мышечных сокращений. Поддержание стабильной сердечной деятельности. Активатор ферментов и гормонов.
Натрий: Обеспечивает кислотно — щелочное равновесие. Помогает тканям удерживать воду. Формирование электрического потенциала путем обмена с ионами калия («калиево — натриевый насос»)
Магний: Участие в обменных процессах, взаимодействие с калием, натрием, кальцием. Активатор для множества ферментативных реакций. Регуляции нервно — мышечной проводимости, тонуса гладкой мускулатуры
Железо: Участвует в производстве гемоглобина и дыхательных ферментов. Стимулирует кроветворение.
Хлор: входит в состав соляной кислоты, которая является компонентом желудочного сока, активизирует деятельность пищеварительных ферментов и обеззараживает пищу.
Кремний: – является одним из необходимых компонентов костей
— участвует в формировании костей и хряща, минерализации костной ткани
— участвует в синтезе гликозаминогликанов и коллагена
— возможно тормозит развитие атеросклеротических процессов
Алюминий: Алюминий играет очень важную роль – он принимает участие в процессе регенерации (восстановления) эпителиальной и соединительной тканей, поддержания крепости костей, в образовании пептидов и фосфатных комплексов. Алюминий влияет на функцию околощитовидных желез, оказывает как активизирующее, так и тормозящее действие на пищеварительные ферменты
Марганец: Участвует в окислительных процессах, обмене жирных кислот и контролирует уровень холестерина.
Цинк: Помогает клеткам поджелудочной железы вырабатывать инсулин. Участвует в жировом, белковом и витаминном обмене, синтезе ряда гормонов. Стимулирует репродуктивную функцию у мужчин, общий иммунитет, сопротивляемость инфекциям.
Медь: Участвует в синтезе красных кровяных телец, коллагена (он отвечает за упругость кожи), обновлении кожных клеток. Способствует правильному усвоению железа.
Бром: Бром избирательно усиливает ряд тормозных процессов в центральной нервной системе (ранее препараты брома назначали как успокаивающее средство).
Йод: Играет важную роль в образовании гормона щитовидной железы – тироксина.
Селен: Замедляет процессы старения, укрепляет иммунитет. Является естественным антиоксидантом – защищает клетки от рака.
Серебро: Ионы серебра участвуют в обменных процессах организма. Установлено, что его катионы способны не только стимулировать, но и угнетать активность ряда ферментов. Это зависит от концентрации серебра. Серебро способствует улучшению функции головного мозга. Катионы серебра принимают участие в регуляции энергетического обмена.
Золото: На сегодняшний день установлено, что золото обладает бактерицидным действием само по себе, а в смеси с серебром оно усиливается многократно. Оно также оказывает заметное антисклеротическое действие.
Ртуть: Биохимическая роль ртути сводится к тому, что она способна реагировать по обратимому типу с некоторыми функционально активными группами белков и пептидов.
Бериллий: Бром является антагонистом йода и тем самым защищает организм от гиперфункции щитовидной железы, которая синтезирует гормон тироксин
7. Перечертите в тетрадь и начните заполнять таблицу «Химический состав клетки». Внесите в нее сведения о воде и минеральных веществах.
Минеральные вещества и их биологические функции – см. вопрос 6.
Источник
Вода (H2O) — важнейшее неорганическое вещество клетки. В клетке в количественном отношении вода занимает первое место среди других химических соединений. Вода выполняет различные функции: сохранение объёма, упругости клетки, участие во всех химических реакциях. Все биохимические реакции происходят в водных растворах. Чем выше интенсивность обмена веществ в той или иной клетке, тем больше в ней содержится воды.
Обрати внимание!
Вода в клетке находится в двух формах: свободной и связанной.
Свободная вода находится в межклеточных пространствах, сосудах, вакуолях, полостях органов. Она служит для переноса веществ из окружающей среды в клетку и наоборот.
Связанная вода входит в состав некоторых клеточных структур, находясь между молекулами белка, мембранами, волокнами, и соединена с некоторыми белками.
Вода обладает рядом свойств, имеющих исключительное значение для живых организмов.
Структура молекулы воды
Уникальные свойства воды определяются структурой её молекулы.
Между отдельными молекулами воды образуются водородные связи, определяющие физические и химические свойства воды.
Характерное расположение электронов в молекуле воды придаёт ей электрическую асимметрию. Более электроотрицательный атом кислорода притягивает электроны атомов водорода сильнее, в результате молекула воды является диполем (обладает полярностью). Каждый из двух атомов водорода обладает частично положительным зарядом, а атом кислорода несёт частично отрицательный заряд.
Частично отрицательный заряд атома кислорода одной молекулы воды притягивается частично положительными атомами водорода других молекул. Таким образом, каждая молекула воды стремится связаться водородной связью с четырьмя соседними молекулами воды.
Свойства воды
Так как молекулы воды полярны, то вода обладает свойством растворять полярные молекулы других веществ.
Вещества, растворимые в воде, называются гидрофильными (соли, сахара, простые спирты, аминокислоты, неорганические кислоты). Когда вещество переходит в раствор, его молекулы или ионы могут двигаться более свободно и, следовательно, реакционная способность вещества возрастает.
Вещества, нерастворимые в воде, называются гидрофобными (жиры, нуклеиновые кислоты, некоторые белки). Такие вещества могут образовывать с водой поверхности раздела, на которых протекают многие химические реакции. Следовательно, тот факт, что вода не растворяет некоторые вещества, для живых организмов также очень важен.
Вода обладает высокой удельной теплоёмкостью, т. е. способностью поглощать тепловую энергию при минимальном повышении собственной температуры. Чтобы разорвать многочисленные водородные связи, имеющиеся между молекулами воды, требуется поглотить большое количество энергии. Это свойство воды обеспечивает поддержание теплового баланса в организме. Большая теплоёмкость воды защищает ткани организма от быстрого и сильного повышения температуры.
Для испарения воды необходима довольно большая энергия. Использование значительного количества энергии на разрыв водородных связей при испарении способствует его охлаждению. Это свойство воды предохраняет организм от перегрева.
Пример:
примерами этого могут являться транспирация у растений и потоотделение у животных.
Вода обладает также высокой теплопроводностью, обеспечивая равномерное распределение тепла по всему организму.
Обрати внимание!
Высокая удельная теплоёмкость и высокая теплопроводность делает воду идеальной жидкостью для поддержания теплового равновесия клетки и организма.
Вода практически не сжимается, создавая тургорное давление, определяя объём и упругость клеток и тканей.
Пример:
гидростатический скелет поддерживает форму у круглых червей, медуз и других организмов.
Благодаря силам сцепления молекул на поверхности воды создаётся плёнка, обладающая такой характеристикой, как поверхностное натяжение.
Пример:
благодаря силе поверхностного натяжения происходит капиллярный кровоток, восходящий и нисходящий токи растворов в растениях.
К числу важных в физиологическом отношении свойств воды относится её способность растворять газы (O2, CO2 и др.).
Вода является также источником кислорода и водорода, выделяемых при фотолизе в световую фазу фотосинтеза.
Биологические функции воды
- Вода обеспечивает передвижение веществ в клетке и организме, поглощение веществ и выведение продуктов метаболизма. В природе вода переносит продукты жизнедеятельности в почву и к водоёмам.
- Вода — активный участник реакций обмена веществ.
- Вода участвует в образовании смазывающих жидкостей и слизей, секретов и соков в организме (эти жидкости находятся в суставах позвоночных животных, в плевральной полости, в околосердечной сумке).
- Вода входит в состав слизей, которые облегчают передвижение веществ по кишечнику, создают влажную среду на слизистых оболочках дыхательных путей. Водную основу имеют и секреты, выделяемые некоторыми железами и органами: слюна, слёзы, желчь, сперма и т. д.
Источники:
Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. 9 класс // ДРОФА.
Каменский А. А., Криксунов Е. А., Пасечник В. В. Биология. Общая биология (базовый уровень) 10–11 класс // ДРОФА.
Лернер Г. И. Биология: Полный справочник для подготовки к ЕГЭ: АСТ, Астрель.
https://infourok.ru/prezentaciya_po_biologii_na_temu_mineralnye_veschestva_i_voda-409343.htm
https://otvet.mail.ru/question/182353364
https://www.studfiles.ru/html/2706/741/html_fBK8q_mH0r.UWHS/htmlconvd-PYhDG9_html_1c3325a2.png
Источник
Среди процессов, которые можно объяснить с помощью поверхностного натяжения и смачивания жидкостей, стоит особо выделить капиллярные явления. Физика – это загадочная и необыкновенная наука, без которой жизнь на Земле была бы невозможна. Давайте рассмотрим наиболее яркий пример этой важной дисциплины.
В жизненной практике такие интересные с точки зрения физики процессы, как капиллярные явления, встречаются весьма часто. Все дело в том, что в повседневной жизни нас окружает много тел, которые легко впитывают в себя жидкость. Причина этому – их пористая структура и элементарные законы физики, а результат – капиллярные явления.
Узкие трубки
Капилляр – это очень узкая трубка, в которой жидкость ведет себя особым образом. Примеров таких сосудов много в природе – капилляры кровеносной системы, пористых тел, почвы, растений и т. д.
Капиллярным явлением называется подъем или опускание жидкостей по узким трубкам. Такие процессы наблюдаются в естественных каналах человека, растений и других тел, а также в специальных узких сосудах из стекла. На картинке видно, что в сообщающихся трубках разной толщины установился разный уровень воды. Отмечено, что чем тоньше сосуд, тем выше уровень воды.
Эти явления лежат в основе впитывающих свойств полотенца, питания растений, движения чернил по стержню и многих других процессов.
Капиллярные явления в природе
Описанный выше процесс чрезвычайно важен для поддержания жизнедеятельности растений. Почва довольно рыхлая, между ее частицами существуют промежутки, которые представляют собой капиллярную сеть. По этим каналам поднимается вода, питая корневую систему растений влагой и всеми необходимыми веществами.
По этим же капиллярам жидкость активно испаряется, поэтому необходимо производить вспахивание земли, которое разрушит каналы и удержит питательные вещества. И наоборот, прижатая земля быстрее испарит влагу. Этим обусловлена важность перепашки земли для удержания подпочвенной жидкости.
В растениях капиллярная система обеспечивает подъем влаги от мелких корешков до самых верхних частей, а через листья она испаряется во внешнюю среду.
Поверхностное натяжение и смачивание
В основе вопроса о поведении жидкости в сосудах лежат такие физические процессы, как поверхностное натяжение и смачивание. Капиллярные явления, обусловленные ими, изучаются в комплексе.
Под действием силы поверхностного натяжения смачивающая жидкость в капиллярах находится выше уровня, на котором она должна находиться согласно закону сообщающихся сосудов. И наоборот, несмачивающая субстанция располагается ниже этого уровня.
Так, вода в стеклянной трубке (смачивающая жидкость) поднимается на тем большую высоту, чем тоньше сосуд. Напротив, ртуть в стеклянной пробирке (несмачивающая жидкость) опускается тем ниже, чем тоньше эта емкость. Кроме того, как указано на картинке, смачивающая жидкость образует вогнутую форму мениска, а несмачивающая – выпуклую.
Смачивание
Это явление, которое происходит на границе, где жидкость соприкасается с твердым телом (другой жидкостью, газами). Оно возникает по причине особого взаимодействия молекул на границе их контакта.
Полное смачивание означает, что капля растекается по поверхности твердого тела, а несмачивание преобразует ее в сферу. На практике чаще всего встречается та или иная степень смачивания, нежели крайние варианты.
Сила поверхностного натяжения
Поверхность капли имеет шарообразную форму и причина этому закон, действующий на жидкости, – поверхностное натяжение.
Капиллярные явления связаны с тем, что вогнутая сторона жидкости в трубке стремится выпрямиться до плоского состояния благодаря силам поверхностного натяжения. Это сопровождается тем, что наружные частицы увлекают за собой вверх тела, находящиеся под ними, и субстанция поднимается вверх по трубке. Однако жидкость в капилляре не может принимать плоскую форму поверхности, и этот процесс подъема продолжается до определенного момента равновесия. Чтобы рассчитать высоту, на которую поднимется (опустится) столб воды, нужно воспользоваться формулами, которые будут представлены ниже.
Расчет высоты подъема столба воды
Момент остановки подъема воды в узкой трубке наступает, когда сила тяжести Ртяж субстанции уравновесит силу поверхностного натяжения F. Этот момент определяет высоту подъема жидкости. Капиллярные явления обусловлены двумя разнонаправленными силами:
- сила тяжести Ртяж заставляет жидкость опускаться вниз;
- сила поверхностного натяжения F двигает воду вверх.
Сила поверхностного натяжения, действующая по окружности, где жидкость соприкасается со стенками трубки, равна:
F = σ2πr,
где r – радиус трубки.
Сила тяжести, действующая на жидкость в трубке равна:
Ртяж = ρπr2hg,
где ρ – плотность жидкости; h – высота столба жидкости в трубке;
Итак, субстанция прекратит подниматься при условии, что Ртяж = F, а это значит, что
ρπr2hg = σ2πr,
отсюда высота жидкости в трубке равна:
h=2σ/pqr.
Точно так же для несмачивающей жидкости:
h – это высота опускания субстанции в трубке. Как видно из формул, высота, на которую поднимется вода в узком сосуде (опустится) обратно пропорционально радиусу емкости и плотности жидкости. Это касается смачивающей жидкости и несмачивающей. При других условиях нужно делать поправку по форме мениска, что будет представлено в следующей главе.
Лапласовское давление
Как уже отмечалось, жидкость в узких трубках ведет себя так, что создается впечатление нарушения закона сообщающихся сосудов. Этот факт всегда сопровождает капиллярные явления. Физика объясняет это с помощью лапласовского давления, которое при смачивающей жидкости направлено вверх. Опуская очень узкую трубку в воду, наблюдаем, как жидкость втягивается на определенный уровень h. По закону сообщающихся сосудов, она должна была уравновеситься с внешним уровнем воды.
Это несоответствие объясняется направлением лапласовского давления pл:
pл=2σ/R,
В данном случае оно направлено вверх. Вода втягивается в трубку до уровня, где приходит уравновешивание с гидростатическим давлением pг столба воды:
pг=pqh,
а если pл=pг, то можно приравнять и две части уравнения:
2σ/R= pqh.
Теперь высоту h легко вывести в виде формулы:
h=2σ/pqR.
Когда смачивание полное, тогда мениск, который образует вогнутая поверхность воды, имеет форму полусферы, где Ɵ=0. В таком случае радиус сферы R будет равен внутреннему радиусу капилляра r. Отсюда получаем:
h=2σ/pqr.
А в случае неполного смачивания, когда Ɵ≠0, радиус сферы можно вычислить по формуле:
R=r/cosƟ.
Тогда искомая высота, имеющая поправку на угол, будет равна:
h=(2σ/pqr)cosƟ.
Из представленных уравнений видно, что высота h обратно пропорциональна внутреннему радиусу трубки r. Наибольшей высоты вода достигает в сосудах, имеющих диаметр человеческого волоса, которые и называются капиллярами. Как известно, смачивающая жидкость втягивается вверх, а несмачивающая – выталкивается вниз.
Можно провести эксперимент, взяв сообщающиеся сосуды, где один из них широкий, а другой – очень узкий. Налив туда воду, можно отметить разный уровень жидкости, причем в варианте со смачивающей субстанцией уровень в узкой трубке выше, а с несмачивающей – ниже.
Важность капиллярных явлений
Без капиллярных явлений существование живых организмов просто невозможно. Именно по мельчайшим сосудам человеческое тело получает кислород и питательные вещества. Корни растений – это сеть капилляров, которая вытягивает влагу из земли, донося ее до самых верхних листьев.
Простая бытовая уборка невозможна без капиллярных явлений, ведь по этому принципу ткань впитывает воду. Полотенце, чернила, фитиль в масляной лампе и множество устройств работает на этой основе. Капиллярные явления в технике играют важную роль при сушке пористых тел и других процессах.
Порой эти же явления дают нежелательные последствия, например, поры кирпича впитывают влагу. Чтобы избежать отсыревания зданий под воздействием грунтовых вод, нужно защитить фундамент с помощью гидроизолирующих материалов – битума, рубероида или толя.
Промокание одежды во время дождя, к примеру, брюк до самых колен от ходьбы по лужам также обязано капиллярным явлениям. Вокруг нас множество примеров этого природного феномена.
Эксперимент с цветами
Примеры капиллярных явлений можно найти в природе, особенно если говорить о растениях. Их стволы имеют внутри множество мелких сосудов. Можно провести эксперимент с окрашиванием цветка в какой-либо яркий цвет в результате капиллярных явлений.
Нужно взять ярко окрашенную воду и белый цветок (или лист пекинской капусты, стебель сельдерея) и поставить в стакан с этой жидкостью. Через какое-то время на листьях пекинской капусты можно наблюдать, как краска продвигается вверх. Цвет растения постепенно изменится соответственно краске, в которую он помещен. Это обусловлено движением субстанции вверх по стеблям согласно тем законам, которые были рассмотрены нами в этой статье.
Источник