Презентация на тему "органические вещества живых организмов"

Гмо

Конспект по экологии

Все живые организмы по способу питания разделяются на три категории - автотрофов (от греч. аутос – сам и трофа – питание), гетеротрофов (от греч. гетерос – другой) и редуцентов .

Автотрофы или продуценты – это организмы, производящие (продуцирующие) органическое вещество. Автотрофам для их существования достаточно наличие воды, двуокиси углерода, неорганических солей и подходящего источника энергии. По источнику используемой энергии автотрофы в свою очередь делятся на фотоавтотрофы и хемоавтотрофы .

Фотосинтезирующие автотрофы для синтеза органических веществ используют солнечную энергию. К ним относятся зелёные растения и пурпурные бактерии.

Процесс фотосинтеза начинается с того, что солнечные лучи поглощаются пигментом растений хлорофиллом, который и придаёт им зелёный цвет. Растения используют солнечную энергию для получения углеводородов (глюкозы, крахмала, целлюлозы) из углекислого газа (который они получают из атмосферы или воды) и воды (полученной из почвы или окружающих их источников воды). При этом выделяется кислород, являющийся побочным продуктом фотосинтеза. По сути, этот сложный процесс заключается в преобразовании лучистой энергии Солнца в химическую энергию, хранящуюся в сложных молекулярных структурах глюкозы и других углеводородов. Накопленная химическая энергия, созданная путём фотосинтеза, является прямым или косвенным источником питания для большинства организмов. Высокое содержание кислорода в атмосфере также является результатом фотосинтеза. Фотосинтез происходит практически на всей поверхности Земли и создаёт огромный геохимический эффект, который может быть выражен в количестве масс углекислоты и воды, ежегодно вовлекаемых растениями земного шара в построение органического живого вещества (табл. 1).

Таким образом, ежегодно 480 млрд. т вещества потребляется в процессе фотосинтеза зелёных растений. При этом создаётся 232 млрд. тонн органического вещества и выделяется в атмосферу 248 млрд. тонн свободного кислорода.

Таблица 1

Среда обитания	Используется и поглощается млрд. тонн/год		Создаётся и выделяется млрд. тонн/год
	СО 2	Н 2 О	С п Н 2п О п	О 2
Суша	253	103	172	184
Океан	88	36	60	64
Всего	341	139	232	248

Пурпурные бактериисодержат пигменты, которые могут использовать солнечную энергию для фиксации двуокиси углерода в виде углеводов. Однако у них эта реакция не приводит к образованию молекулярного кислорода, и источником водорода служит не вода, как при фотосинтезе, а сероводород, молекулярный водород или другие соединения.

Хемосинтезирующие автотрофы – это некоторые виды бактерий, которые образуют органические вещества, используя химическую энергию при окислении соединений серы и железа. Например, в некоторых районах дна океана гидротермальные выходы служат источником огромных количеств горячей соленой морской воды и сероводорода. В этой абсолютной темноте, в условиях высоких температур специальные бактерии-продуценты преобразуют неорганический сероводород в необходимые им органические вещества.

Только продуценты способны сами производить для себя пищу, Более того, они непосредственно или косвенно обеспечивают питательными элементами все другие виды организмов. Большинство же животных получают питательные вещества, потребляя в пищу растения или растительноядных животных; образно говоря, любое мясо – это трава.

Организмы, получающие питательные вещества и необходимую энергию, питаясь напрямую или косвенно продуцентами, называются консументами или гетеротрофами («питающиеся другими»). Консументы – это самые разнообразные организмы: простейшие, насекомые, пресмыкающиеся, рыбы, птицы, млекопитающие. Для них характерны утилизация, перестройка и разложение сложных органических веществ. Консументы, потребляющие живые организмы (растения и животных), называются биофагами , а использующие в качестве пищи мёртвое органическое вещество - сапрофагами .

Биофаги в свою очередь подразделяются на три основных класса:

фитофаги (растительноядные) - это консументы 1-го порядка, питающиеся исключительно живыми растениями;
зоофаги (хищники, плотоядные) – это консументы 2-го порядка, которые питаются исключительно растительноядными животными (фитофагами), а также консументы 3-го и более высоких порядков, питающиеся только плотоядными животными;
эврифаги (всеядные), которые могут поедать как растительную, так и животную пищу.

Консументы, питающиеся остатками мёртвых растений или животных (детритом), называются сапрофагами (детритофагами ). Примерами могут служить гиены, грифы, раки, земляные черви, многоножки, термиты, муравьи, личинки ряда мух и т.д.

Редуценты – это организмы (грибы и микроскопические одноклеточные бактерии), которые питаются мёртвым органическим веществом и при этом превращают его в неорганические соединения.

Слайд 2

Какова биологическая роль оксигена?
Аэробные организмы – это...
Анаэробные организмы – это...
Какова роль в клетке минеральных солей?
Буферность – это...
рН – показатель, который...

Слайд 3

7. Что входит в состав буферных систем?
8. Назовите типы буферных систем организма? Из чего они состоят?
9. Какие классы неорганических веществ встречаются в клетке?

Слайд 4

10. Установите соответствие между ионом и его биологическим значением:

1) Сl-2) F-3) Fe 3+4) Ca 2+
а) является компонентом желудочного сока в виде соляной кислоты;б) входит в состав эмали зубов;в) обеспечивает проведение нервных импульсов;г) входит в состав гемоглобина;д) у растений входит в состав оболочки клетки, у животных - в состав костей и зубов,активизирует свертывание крови.

Слайд 5

Органические вещества

Органическими называют соединения, в основе которых лежит цепь, образованная ковалентно связанными атомами углерода и имеющая разную пространственную структуру.
Такие соединения образуются благодаря способности атомов углерода формировать между собой одинарные, двойные и тройные связи.

Слайд 6

Скелет органических соединений

линейный
разветвленный
цикличный
комбиниро-
ванный

Слайд 7

Отличия органических веществ от неорганических

большинство из них разрушается при сравнительно невысоких температурах. Они кипят и плавятся при температурах, которые значительно ниже, чем у веществ неорганических,
большое разнообразие химических превращений,
большинство органических реакций протекает гораздо медленнее, чем неорганических, что обусловлено особенностью химической связи в органических соединениях - ковалентной связью
изомерия и гомология, пространственное строение и связанные с этим свойства веществ, взаимное влияние атомов в молекуле,
большая энергоемкость

Слайд 8

Основные функциональные группы ОВ

Слайд 9

Типы органических соединений

углеводы
Mr 600 – 10 000
липиды
Белки
Mr 6000 - 1 000 000
нуклеинов.rислоты
Mr Несколько млрд.

Слайд 10

Мономе́р

(с греч. mono «один» и meros «часть») - это небольшая молекула, которая может образовать химическую связь с другими мономерами и составить полимер.
Мономеры - мономерные звенья в составе полимерных молекул.
Димеры, тримеры, тетрамеры, пентамеры и т. д. - низкомолекулярные вещества, состоящие соответственно из 2, 3, 4, и 5-ти мономеров.
Приставку олиго- (сахариды, меры, пептиды) добавляют в общем случае, когда полимер состоит из небольшого количества мономеров.

Слайд 11

Полимеры

(от греч. поли- - «много» и мерос - «часть») - неорганические и органические вещества, получаемые путём многократного повторения различных групп атомов, называемых «мономерами», соединённых в длинные макромолекулы химическими или координационными связями.
Полимер - это высокомолекулярное соединение, вещество с большой молекулярной массой (от нескольких тысяч до нескольких миллиардов

ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО

Обоснование В.И.Вернадским представления о живом веществе Земли как о планетарной совокупности всех организмов, характеризуемой массой и химическим составом, открывает возможность для сравнения состава носителя жизни - живого вещества - с составом инертного вещества наружных оболочек Земли: земной коры, гидросферы и атмосферы. Для этого необходимо установить массу живого вещества и его химический состав, т. е. средние значения концентраций (кларки) слагающих его химических элементов. Но значения кларков не исчерпывают характеристики состава живого вещества. Этот состав не статичен и находится в непрерывном обновлении в результате взаимодействия с инертным веществом Земли. Поэтому наряду с определением кларков необходимо выяснить главные черты геохимического взаимодействия: установить селективность и интенсивность захвата живым веществом химических элементов из окружающей среды, количественно определить массообмен отдельных элементов между живым веществом и инертной средой и на этой основе выявить направленность массообмена.

2.1. Состав живого вещества

Уже в конце XVIII в. стало ясно, что в составе живых организмов преобладают химические элементы, образующие на поверхности Земли пары и газы: кислород, углерод, водород, азот. Действительно, все организмы в основном состоят из воды и органического вещества. В то же время в любом организме обязательно присутствует некоторое количество химических элементов, которые при полном разрушении организма (испарении воды и сгорании органического вещества до углекислого газа) образуют минеральный остаток (золу). Исходным источником минеральных веществ является земная кора. Сумма зольных элементов живого вещества есть сложный итог его взаимодействия с земной корой, наиболее активно происходящего в почве (педосфере). Поэтому детальное изучение зольных элементов в организмах имеет столь же важное значение, как и определение главных элементов.

Для того чтобы исключить влияние сильно варьирующих количеств воды и привести данные о содержании химических элементов к выражению, удобному для сравнения, применяется расчет содержания элементов на абсолютно сухое органическое вещество, т. е. высушенное до постоянной массы при температуре 102- 105 °С. В этом случае получаются значения содержания элементов не в реальных живых организмах, а в их условной сухой биомассе.

В обезвоженном, высушенном до постоянной массы органическом веществе углерод составляет немногим менее половины, другими главными компонентами являются кислород, водород и азот. Первичное органическое вещество биоса Земли образуется преимущественно в результате фотосинтеза из углекислого газа и воды, причем молекулы последней расщепляются. Атомы водорода входят в структуру органического вещества, а кислород выделяется как метаболит. Если не только избавиться от воды в организме, но и сжечь сухое органическое вещество, то будут удалены четыре главных элемента и останется сумма так называемых минеральных веществ, входящих в состав организма, - зола. В золе можно более точно выяснить соотношение остальных (несколько десятков) химических элементов, находящихся в органах и тканях живого организма. Знать относительное содержание химических элементов в золе наземных растений необходимо для сопоставления их с концентрацией элементов в минеральном субстрате, на котором они произрастают и из которого получают зольные элементы.

На основании изложенного понятно, что может быть три варианта выражения химического состава любого биологического объекта и глобального живого вещества.

Относительное содержание химических элементов можно рассчитать, во-первых, на живое (сырое) вещество организмов, во-вторых, на их сухую биомассу и, в-третьих, на золу, т. е. на сумму минеральных веществ. Каждый из трех вариантов расчета используется для решения конкретных задач.

Определение кларков живого вещества затрудняется сильным колебанием концентрации химических элементов в индивидуальных организмах. Концентрация меняется в зависимости от систематического положения, среды обитания, стадии развития организма. Даже в одном организме концентрация одного и того же элемента в разных тканях и органах неодинакова.

Следует отметить, что массы разных групп организмов отличаются намного больше, чем концентрации элементов в различных организмах. Этот факт весьма важен, так как значение кларка элемента в живом веществе Мировой суши зависит не столько от его концентрации во всех организмах, сколько от концентрации в тех, которые составляют преобладающую часть массы живого вещества.

Благодаря усилиям ученых разных стран установлено, что доминирующую часть массы живого вещества Мировой суши и всей планеты образуют высшие растения. Масса живого вещества океана в несколько сотен раз меньше. Масса наземных животных составляет около 1 % от фитомассы. По этой причине состав растительности суши обусловливает состав всего живого вещества Земли

Учитывая преобладание высших растений, можно считать, что в живой (сырой) биомассе Мировой суши содержится: 60 % воды, 38 % органического вещества, 2 % зольных элементов (Романкевич Е. А, 1988). При пересчете на абсолютно сухую биомассу органическое вещество составляет 95 %, зольные элементы - 5 %.

Данные о среднем составе органического вещества суши (за исключением 5 % зольных элементов) приведены в табл. 2.1. Результаты исследований указывают, что на соотношение химических элементов сильно влияет преобладание углеводов и лигнина. Предполагается, что в органическом веществе фитомассы континентов углеводы составляют немногим более 60, лигнин - около 30, липиды и белки примерно по 5 %.

Таблица 21

^ Средний состав органического вещества растительности суши

(после исключения зольных элементов), %

^ Биомасса и ее главные компоненты	Химический элемент
^ Биомасса и ее главные компоненты	С	Н	О	N
Растения суши*	54	6	37	2,8
Биомасса суши**	48	7	41	2,0
Углеводы	40	7	50	1,5
Лигнин	62	6	30	1,0
Липиды	70	10	18	-0,5
Белки	50	7	23	16,0

* По А.П. Виноградову, 1967

** По Е.А. Романкевичу, 1988

В табл. 2.2 обобщены расчеты относительного содержания главных химических элементов в фитомассе суши. Для сравнения приведены аналогичные данные для зоомассы, которые менее обоснованы. Несмотря на некоторые различия, данные X. Боуэна и Е.А. Романкевича о составе фитомассы могут рассматриваться в качестве кларков живого вещества Мировой суши и Земли.

Таблица 22

^ Относительное содержание химических элементов в живом веществе Мировой суши, %

Химический элемент	Растения						Животные
Химический элемент	Сырая масса (А П Виноградов, 1954)	Пересчет на сухое вещество		Пересчет на золу	Сухое вещество (Е А Романке-вич, 1988)	Пересчет на золу	Сухое вещество (X Боуэн, 1966)	Сухое вещество (Е А Романкевич, 1988)
1	2	3	4	5	6	7	8	9
С	18,00	45,00	45,40	_	46,30	-	46,50	51,0
О	70,00	45,40	41,00	-	39,60	-	18,60	26,8
Н	10,50	5,75	5,50	-	6,70	-	7,00	7,4
N	0,30	0,75	0,30	-	1,90	-	10,00	9,8
S	0,05	0,13	0,34	6,8	0,48	1,2	0,50	0,5
Р	0,06	0,175	0,23	4,6	0,20	4,7	1,70-4,40	-
Са	0,50	1,25	1,80	36,0	1,50	35,1	0,02-8,5	-
К	0,30	0,75	1,40	28,0	1,10	25,7	0,74	-
Mg	0,04	0,10	0,32	6,4	0,32	7,5	0,10	-
Na	0,02	0,05	0,12	2,4	0,12	2,8	0,40	-

Окончание табл. 2.2

1	2	3	4	5	6	7	8	9
Cl	0,02	0,05	0,20	4,0	0,20	4,7	0,28	-
Si	0,20	0,50	0,50	10,0	0,30	7,0	0,012-0,60	-
Al	0,005	0,013	0,05	1,0	0,03	0,7	0,004-0,01	-
Fe	0,10	0,025	0,014	0,4	0,02	0,5	0,016	-
Сумма	99,70	99,84	99,87	99,5	98,77	99,9	-

Завершая обзор основных черт химического состава живого вещества Земли, необходимо отметить следующее: при всей уникальности живого вещества как феномена нашей планеты существуют факты, свидетельствующие о его связях с Космосом. Это проявляется как в структурной организации (проявления диссимметрии), так и в составе. При сравнении распространенности атомов химических элементов А.Дельсемм (1981) обнаружил близость соотношения атомов в составе микроорганизмов, с одной стороны, и в межзвездном газе и газовом веществе комет - с другой. Наши расчеты показали, что такое сходство существует и для живого вещества Земли в целом (табл. 2.3). Конечно, распространенность атомов нужно рассчитывать в реально существующей живой (сырой) биомассе, а не в условной форме сухого органического вещества. В качестве исходных были использованы данные А. П. Виноградова о сырой массе живого вещества (см. табл. 2.2). Распространенность атомов нормирована по отношению к 1000 атомам кремния.

Таблица 2.3

^ Распространенность атомов главных химических

элементов живого вещества

^ Химический элемент	Распространенность, атомные %
^ Химический элемент	в космосе в целом (А. Камерон, 1973)	в летучей фракции комет (А.Дельсемм, 1981)	в живом веществе Земли
Н	76,50	56,0	63,3
О	0,82	31,0	26,6"
С	0,34	10,0	8,9
N	0,12	2,7	1,2
S	0,0015	0,3	0,01

Относительное содержание химических элементов не дает представления о количестве элементов, содержащихся в живом веществе суши. Для этого необходимо установить массу живого вещества и на этой основе определить массы отдельных элементов. Как отмечено выше, подавляющую часть массы живого вещества суши составляют растения, преимущественно высшие.

Согласно данным Н. И. Базилевич и Л. Е. Родина (1967, 1974), О.П.Добродеева и И.А.Суетовой (1976) естественная фитомасса континентов до активного воздействия человека составляла 6,2510 12 т, в пересчете на 40 % сухого вещества - 2,510 12 т. В этой массе содержалось при 5 %-й зольности 0,12510 12 т зольных элементов. В настоящее время под воздействием хозяйственной деятельности людей фитомасса сократилась не менее чем на 25 % и, следовательно, составляет около 1,8810 12 т сухого вещества, в котором содержится 9410 9 т зольных элементов, 86510 9 т углерода и 3610 9 т азота. Массы других элементов оцениваются в соответствии с их кларками по Е.А. Романкевичу (1988) следующими значениями:

^ Химический элемент Масса, 10 9 т

S........................................................................................... 9,0

Р........................................................................................... 3,8

Са........................................................................................ 28,2

К.......................................................................................... 20,7

Mg......................................................................................... 6,0

Na.......................................................................................... 2,3

Cl........................................................................................... 3,8

Si........................................................................................... 5,6

Al........................................................................................... 0,6

Fe........................................................................................... 0,5

Биомасса животных суши немногим более 1 % массы растений.

Состав живого вещества суши не ограничивается главными химическими элементами. По данным табл. 2.2, в составе живого вещества, рассчитанного разными авторами, имеется общая особенность: сумма значений относительного содержания элементов немногим не достигает 100 %; недостающую часть образуют около 70 химических элементов, рассеянных в живом веществе; они содержатся в ничтожном количестве, измеряемом в мкг/г сухого вещества, или ррм (110 -4 %).

Масса живого вещества океана составляет менее 1 % массы растительности Мировой суши. Особенность структуры живого вещества океана в том, что масса консументов превышает массу продуцентов - фотосинтезирующих организмов. Согласно данным ^Е. А. Романкевича (1988) суммарная масса животных и бактерий Мирового океана близка к 4,5- 10 9 т, масса растений - 3,5 10 9 т. Преобладающую часть массы продуцентов океана составляет фитопланктон.

Химический состав живого вещества суши и океана неодинаков. Живое вещество океана отличается более высоким содержанием воды (около 80 %), азота и серы, а также значительно большим содержанием зольных элементов, составляющих 40 - 50 % от сухой биомассы.

Средние значения концентрации химических элементов в живом веществе океана окончательно не определены. По данным А.Романкевича (1988) средние значения главных элементов следующие (в процентах сухой массы): С - 50,1; Н - 7,4; О - 29,1; N – 10,4; S – 2,0. Согласно Х.Боуэну в сухой биомассе водорослей содержится (в процентах сухой массы): К - 5,20; Na - 3,30; S i – 2,0; S – 1,20; Са – 1,00; Mg – 0,52; С1- 0,47; Р – 0,35.

Таким образом, в растениях океана по сравнению с растительностью суши значительно выше концентрация почти всех главных зольных элементов, особенно натрия и магния, а также хлора и серы.

Еще заметнее выражено превышение концентрации многих рассеянных элементов. Так, в фотосинтезирующих организмах океана в сотни раз выше концентрация иода и брома, в десятки раз - некоторых тяжелых металлов (кадмия, цинка, ртути, свинца, ванадия и др.) и близких им поливалентных элементов (мышьяка). Отмеченное иллюстрирует рис. 2.1, где показано соотношение средних концентраций рассеянных элементов в растениях суши и океана.

В левой части графика расположена ассоциация элементов, имеющих повышенную концентрацию в фотосинтезирующих организмах океана, в правой - суши.

Избирательная аккумуляция

Организмами моря организмами суши

Рис. 2.1. Соотношение средних концентраций рассеянных

Элементов в растениях океана и суши:

Мысль В.И.Вернадского о том, что в живом веществе находятся все химические элементы, долгое время подвергалась сомнению. Это обусловливалось незначительным содержанием многих элементов и отсутствием достаточно чувствительных методов анализа. Систематическое изучение рассеянных элементов в живых организмах было организовано В. И. Вернадским. А. П. Виноградов (1937) впервые рассчитал среднее содержание химических элементов в суммарном веществе живых организмов. Несколько позже аналогичные расчеты произвели английские ученые Д.Уэбб и У.Ферон.

Ранее отмечалось, что концентрация главных элементов в разных биологических объектах изменяется. Размах колебания концентраций рассеянных элементов значительно больше. Известно, что концентрация иода в морских водорослях в несколько сотен раз больше, чем в наземных растениях. В муравьях семейства Gamponitinae концентрация марганца составляет сотые доли процента, а в муравьях семейства Ропеппае - в тысячу раз меньше (Виноградов А. П., 1963). Концентрация рассеянных элементов в одних и тех же организмах, но обитающих в разных местах, также неодинакова. В асцидиях Черного моря концентрация ванадия в 8 - 100 раз и свинца в 10 - 80 раз выше, чем в животных из Охотского моря (Ковальский В. В., 1974). Концентрация рассеянных элементов сильно варьирует в однотипных организмах даже в пределах одного района. Например, средняя концентрация лития в распространенных семействах травянистой растительности в бассейне реки Зеравшан (Средняя Азия) меняется в 100 раз (Ездакова Л. А., 1976).

Так как состав фитомассы суши определяет кларки всего живого вещества Земли, то наибольший интерес представляют данные о содержании рассеянных элементов в растениях. К настоящему времени имеется значительный объем информации, однако она распределена неравномерно и относится преимущественно к вегетирующим органам. На современном уровне знаний можно дать следующую оценку масс рассеянных элементов, находящихся в растительности Мировой суши:

^ Группа элементов Масса, млн т

I - Мn ................................................................................ 100n

И - Sr, Zn, Ti, В, Ва, Сu.................................................... 100n

III - Zr, Вг, F, Rb, Pb, Ni, Cr, V, Li........................................ n

IV - La, Y, Co, Mo, I, Sn, As, Be...................................... 0,1n

V - Se, Ga, Ag, U, Hg, Sb, Cd................................... ....0,01n

Следовательно, массы рассеянных элементов, связанные в растительности суши, представлены внушительными значениями: от десятков миллионов тонн до десятков тысяч тонн, а масса марганца приближается к значениям таких элементов, как алюминий и железо.

Выявление состава любого организма, а тем более расчет среднего состава всего живого вещества представляет сложную задачу по многим причинам. Прежде всего необходимо учитывать, что содержание основного компонента живых организмов - воды - варьирует в широких пределах. Например, в планктоне более 99 % слабосвязанной воды, а в стволах деревьев - около 60 %. Для того чтобы исключить влияние сильно варьирующих количеств воды и привести данные о содержании химических элементов к выражению, удобному для сравнения, применяется расчет содержания элементов на абсолютно сухое органическое вещество, т. е. высушенное до постоянной массы при температуре 102- 105 °С. В этом случае получаются значения содержания элементов не в реальных живых организмах, а в их условной сухой биомассе.

На основании изложенного понятно, что может быть три варианта выражения химического состава любого биологического объекта и глобального живого вещества. Относительное содержание химических элементов можно рассчитать, во-первых, на живое (сырое) вещество организмов, во-вторых, на их сухую биомассу и, в-третьих, на золу, т. е. на сумму минеральных веществ. Каждый из трех вариантов расчета используется для решения конкретных задач.

Учитывая преобладание высших растений, можно считать, что в живой (сырой) биомассе Мировой суши содержится: 60 % воды, 38 % органического вещества, 2 % зольных элементов (Романке-вич Е. А, 1988). При пересчете на абсолютно сухую биомассу органическое вещество составляет 95 %, зольные элементы - 5 %.