Гидросфера

Особенности биогеохимических круговоротов веществ 1 типа:

перемещение и преобразование веществ происходит между живыми организмами, атмосферой и гидросферой; процессы быстротечны ( несколько часов, дней ). Основными являются круговороты следую- щих веществ: C,O,H,N.

Особенности биогеохимических круговоротов веществ 2 типа: перемещение и преобразование веществ происходит между живыми организмами, земной корой и гидросферой; процессы медленные (не- сколько сотен, миллионов лет). Основными являются круговороты следующих веществ: S, P.

Отличия живого вещества от косного:

 процессы в живом веществе протекают значительно быстрее;

 живые организмы изменяютcя при изменении условий окружающей среды ( адаптируются к изменениям окружающей среды );

 в живом веществе могут происходить качественные изменения.

Высокая скорость протекания процессов в живом веществе обу- словлена присутствием в них ферментов- биологических катализато- ров, ускоряющих на несколько порядков скорости химических реакций в процессе обмена веществ организма с внешней средой. Особая роль в живом организме принадлежит аминокислотам и белкам.

Роль аминокислот в живом организме.

Аминокислотами называются карбоновые кислоты, в углеводород- ном радикале которых один или несколько атомов водорода замещены аминогруппами. Аминокислоты делятся на алифатические, ароматиче- ские и гетероциклические (см. Таблицу. «Aминокислоты, входящие в состав белков», стр.29).

В клетках и тканях встречаются свыше 170 аминокислот, но в со- став белков входят только 20 из них; из элементов - таких, как углерод, кислород, водород и азот. Аминокислоты играют в белках роль мономе- ров. У каждой аминокислоты есть карбоксильная группа (-СООН) и аминогруппа (-NH2), присоединенные к одному атому углерода. К од- ному же атому присоединена и одна из многих возможных белковых групп. Все 20 аминокислот и отличаются этими белковыми группами. В организме человека 12 аминокислот могут синтезироваться, а остав- шиеся 8 должны поступать с пищей. Разные белки образуются при со- единении аминокислот в разной последовательности.

Растения могут синтезировать все аминокислоты из более простых веществ, а животные - только часть из них. Оставшиеся аминокислоты, которые называют "незаменимыми", организм животного должен полу- чать с пищей. Обычно аминокислоты представляют из себя бесцветные кристаллические вещества, которые растворяются в воде, но нераство- римы в органических растворителях. В нейтральных водных растворах они ведут себя, как амфотерные соединения (проявляют свойства и ки- слот, и оснований), и существуют в виде биполярных ионов. Каждая аминокислота характеризуется своим значением рН, при которой амино- кислота электрически нейтральна (в электрическом поле не перемещает-

ся ни к аноду, ни к катоду), называемым изоэлектрической точкой ами-

нокислоты. Амфотерная природа аминокислот дает им способность пре- пятствовать в растворах изменению рН: при увеличении рН среды они выступают как доноры положительных ионов водорода, при понижении

- как их акцепторы.

Аминокислоты связаны пептидной связью, поэтому длинную цепь из аминокислот называют полипептидом. Они содержат от 100 до 300 аминокислот. Молекулы гемоглобина состоят из четырех полипептид- ных цепей, состоящих из 145 аминокислот каждая.

Для правильного функционирования такие цепи должны быть опре- деленным образом ориентированы в пространстве и поэтому они скру- чены и флуктуируют во времени: в них происходят повороты вокруг разных связей. Но эта внутренняя свобода является ограниченной, по- скольку структура белков строго упорядочена.

Между положительно и отрицательно заряженными боковыми группами аминокислот устанавливается ионная связь, между атомами, несущими частично положительные и частично отрицательные заряды, - водородная связь, между атомами серы и двумя молекулами аминокис- лоты цистеина - ковалентная связь.

_{Таблица. Aминокислоты, входящие в состав белков.}

Группа аминокислот	Аминокислота	Сокращенное название аминокислотного остат- ка	Строение
Алифатические	Глицин	Gly	H-
	Аланин	Ala	^C^H3^-
	Валин	Val	^(CH3^)2^CH-
	Лейцин	Leu	^(CH3^)2^CH-C^H2^-
	Изолейцин	I le	^C^H3^-CH2^-CH- I CH3
Содержащие (ОН- ) группу Содержащие (СООН-) группу	Серин	Ser	^HO-CH2^-
	Треонин	Thr	^C^H3^-CH(OH)-
	Аспарагиновая	Asp	^НООС-^CH2^-
	Глутаминовая	Glu	^НООС-^С^Н2^-^С^Н2^-
Содержащие (NH2CO-) группу	Аспарагин	Asn	^N^H2^CO-C^H2^-
	Глутамин	Gin	^N^H2^CO-C^H2^-CH2^-
Содержащие (NH2-) группу	Лизин	Lys	^N^H2^-(CH2^)3^-CH2^-
	Аргинин	Arg	^N^H2^-C-NH-(CH2^)2^- ^C^H2^- II NH
Cодержащие S- группу	Цистеин	Cys	^HS-CH2^-

	Метионин	Met	^C^H3^-S-C^H2^-CH2^-
Ароматические	Фенилаланин	Phe	-C H 2-
	Тирозин	Tyr	OH СН2
Гетероцикличе- ские	Триптофан	Trp	-CH2- N H
	Гистидин	His	^N-CH ^2 N H
Иминокислота	Пролин	Pro	-COOH N- H

Неполярные боковые цепи стремятся объединиться друг с другом и

- --

не раствориться в воде, образуя гидрофобное объединение. Таким образом,

при расправлении этой определенной цепи она вновь скрутится единствен- ным, присущим только ей образом. Если заменить хотя бы один атом или одну аминокислоту в полипептиде, получится молекула с другой структу- рой и другими свойствами.

Образование структуры означает уменьшение энтропии, тогда как вне белковой структуры энтропия должна скомпенсировать это локальное уменьшение и возрасти. При образовании водородной связи происходит вы- деление энергии в окружающую среду, и она рассеивается. Водородная связь возникает между пептидными связями цепи: -N-H...O-C, и она оп- ределяет вторичную структуру белка. Эта конфигурация кажется хаотич- ным нагромождением атомов, но точное повторение ее формы в миллиар- дах молекул указывает на наличие упорядоченности.

При выполнение определенных функций спираль изгибается, свора-

чивается о образует глобулу (третичную структуру). При этом основную роль играет кулоновское взаимодействие между электрическими зарядами частей цепи, а также установление водородной связи между пептидными группами разных частей спирали. Спираль изгибается, часть энергии вы- деляется в окружающее пространство, и маловероятно, чтобы энергия вновь вернулась. Пример тому - денатурация белка при варке яйца, когда разрушаются все возникшие структуры.

Важную роль играет гидрофобное взаимодействие частей цепей тре-

тичной структуры. Аминокислотные остатки содержат массивные угле-

водородные части, которые ведут себя подобно капелькам масла в воде.

Образуются окружающие молекулы "ловушки", создается структура, и

энтропия локально уменьшается. Естественное направление процессов оказывается таким, что маслоподобные части молекул оказываются скры- тыми от воды в глубинах структур белка, а водоподобные - обращаются к воде, растворителю.

Простейшая животная клетка содержит всего 5000 различных видов белков. Одни из них похожи на волокна и служат материалом для кле-

точных стенок, перегородок и мембран; другие - настолько гибки, что скручиваются в клубки, они очень активны и способны перемещаться, из них состоит почти все студнеобразное пространство клеток. Это актив-

ные глобулярные белки. Они могут участвовать в химических реакциях, обеспечивающих рост. Такое сложное строение белков позволяет им осуществлять многообразные операции.

Аминокислоты входят в состав и других макромолекул - нуклеино- вых кислот. Нуклеотиды, представляющие собой элементы нуклеиновых кислот, бывают четырех типов: цитонин, гуанин, тимин и аденин. На са- мом деле звеньями цепи являются пары Ц с Г и А с Т. Поэтому вместо цепи удобнее использовать образ лестницы, составленной из ступенек ЦТ, ГЦ, ТА и AT, которые следуют друг за другом в определенном по- рядке. Эта лестница еще и закручена в спираль, поэтому она, скорее, по- хожа на винтовую лестницу со ступеньками из пар нуклеотидов. В жи- вых клетках эти цепи очень длинные, содержат до ста миллионов пар в ряд. В клетке они свиты в плотный клубок. У человека длина такой вин- товой лестницы в размотанном состоянии достигает нескольких метров, и это только одна молекула. Отсюда можно понять огромность числа возмож- ных вариантов расположения молекул в ДНК. Только из четырех звеньев таких вариантов может быть до ста миллионов.

Каждый организм развивается из одной оплодотворенной яйцеклет-

ки, поэтому она должна содержать весь план построения организма. Многочисленные единицы, из которых слагается вся совокупность носи- телей генетической информации индивидуума, называют генами. Каждая

из этих единиц определяет отдельные признаки: цвет волос, глаза, группу крови, рост. У каждого из нас - неповторимая комбинация генов. Гены несут в себе информацию о том, какие белки и в каком отношении

должны вырабатывать клетки, как должна сказываться на их развитии ок-

ружающая среда.

Меллер в 1928 году показал, что гены воспроизводят себя и изме- няются (мутируют), а изменение внешних факторов меняют частоту мутаций. Наша генетическая информация поступает от родителей в равных частях. Еще в XIX веке биологи изучили процесс клеточного деления, которому предшествуют расхождение хромосом, благодаря чему

в каждый сперматозоид и в каждую яйцеклетку попадает половина хромосом из исходной клетки. Тогда уже было показано, что носителями

генетической информации являются хромосомы.

С точки зрения химиков хромосомы состоят из белка и дезоксири-

бонуклеиновой кислоты (ДНК). Белки - сложная группа веществ, со-

стоящая из 20 мономерных звеньев (аминокислот), которые соединены в самых разных комбинациях. В ДНК - всего четыре вида аминокислот. Именно ДНК, несмотря на простоту своей структуры, являются носите- лями информации и обеспечивают образование своих точных копий для передачи последующим поколениям.

ДНК оказалась двойной спиралью, связанной двумя "базовыми пара- ми": тимин-аденин и цитозин-гуанин. Число этих пар, например, у человека грандиозно.

Перед наукой открылась возможность не только изучать наследствен-

ный материал, но и влиять на саму наследственность: "оперировать" ДНК, сращивать участки генов далеких друг от друга животных или растений, иначе говоря, творить неизвестных природе химер.

Первым с помощью генной инженерии был получен инсулин, затем интерферон, потом гормон роста.

Вирус (или фаг) состоит из молекулы ДНК, заключенной в белко-

вую оболочку, которая действует подобно шприцу, впрыскивая свой ге- нетический материал в подходящую клетку. Для различения белка обо- лочки и ДНК у вирусов использовали радиоактивные изотопы серы и фосфора, т.к. белки содержат серу, но не содержат фосфора, а ДНК, на- оборот, содержат фосфор, но не содержат серу.

Гены - это участки молекулы ДНК, которая "размножается" путем комплементарного пристраивания друг к другу четырех "нуклеотидов"

(оснований), и при ошибках в этом процессе происходят мутации. Гены управляют синтезом белков, составляющих протоплазму, переключаясь время от времени с построения собственной копии (аутокатализ) на по-

строение иных молекул (гетерокатализ). Выявилось и отличие вирусов

от кристаллов: при впрыскивании вирусом своей ДНК с генами в живую клетку происходит не только самовоспроизведение, но гены вируса за-

ставляют клетку создавать новые, несвойственные ей белковые мо- лекулы, которые приспособлены для целенаправленного действия - за- ражения других клеток.

Белки - высокомолекулярные природные полимеры, построенные

из остатков аминокислот, соединенных амидной (пептидной) связью.

Белки являются главным, наиболее ценным и незаменимым компонен-

том питания. Это связано с той огромной ролью, которую они играют в процессах развития и жизни человека. Белки являются основой струк- турных элементов и тканей, поддерживают обмен веществ и энергии, участвуют в процессах роста и размножения, обеспечивают механизмы движений, развитие иммунных реакций, необходимы для функциониро- вания всех органов и систем организма. Примерно 20% веса тела со- ставляют белки. В течение 5 - 6 месяцев происходит полная замена соб- ственных белков тела человека. Резервы белков незначительны, и един- ственным источником их образования в организме являются аминокис- лоты белков пищи. Поэтому белки рассматриваются как совершенно не- заменимый компонент питания человека любого возраста. Уменьшение

суточной нормы потребления белков приводит к белковому голоданию

и быстрому расстройству здоровья. Симптомами белкового голодания являются вялость, похудение, отеки, дерматиты, анемия, снижение им-

мунитета, тяжелые нарушения функции печени и поджелудочной желе-

зы. Когда поступление белка в организм ниже, чем его выведение, раз-

вивается состояние отрицательного азотистого баланса. Длительное со- стояние отрицательного азотистого баланса характеризуется потерей мышечной массы, когда организм для поддержания жизни начинает ис- пользовать внутренние белковые резервы, что представляет непосредст- венную угрозу жизни и здоровью. Например, снижение мышечной мас-

сы сердца может вызвать тяжелые нарушения его функций. Для актив-

ных спортсменов или лиц, ведущих физически активный образ жизни,

потеря даже незначительного процента мышечной массы чревата мо-

ментальным снижением результативности. Поэтому общим требовани-

ем к безопасности ограниченных по калориям диет является отсутствие состояния отрицательного азотистого баланса и белкового дефицита.

Свойства живого вещества:

 всюдность- способность быстро занимать все свободное пространст-

во;

 активноcть- способность двигаться против действия внешних сил;

 самодостаточность- устойчивое существование при жизни;

 редуцентность- быстрое разложение после смерти;

 адаптируемость- высокая степень адаптации к изменяющимся усло-

виям окружающей среды;

 реактивность- высокая скорость протекания химических реакций;

 обновляемость- высокая скорость обновления живого вещества.

Функции живого вещества:

 энергетическая- энерговыделение и потребление

 газовая - газовыделение и потребление

 окислительно-восстановительная– окисление-восстановление ве-

ществ

 концентрационная – концентрация веществ

 деструктивная – разложение сложных веществ

 транспортная – перенос веществ

 средообразующая - образование веществ окружающей среды

 рассеивающая – рассеивание веществ

 информационная – прием, сохранение, переработка, передача информации

Гипотезы о происхождении жизни на Земле можно разделить на 2 группы: абиогенные и биогенные гипотезы. Сторонники абиогенных гипотез, например Аристотель, допускают возникновение живых орга- низмов из неорганического вещества. По мнению этих ученых для этого необходимы лишь особые условия при которых происходят качествен- ные преобразования неживой природы в живую. Также в пользу сторон- ников абиогенных гипотез свидетельствует то что по составу живое и неживое вещество состоит из одних и тех же химических элементов; кроме того в неживой природе известны случаи самоорганизации эле- ментов систем, также впечатляют успехи органической химии при ре- шении проблем синтеза полимеров. Однако экспериментальных доказа- тельств реальных условий возникновения живого вещества из неоргани- ческих веществ в настоящее время не существует.

Другая группа ученых, например Александр Иванович Опарин,

являясь сторонниками биогенных гипотез происхождения жизни на

Земле, полагают, что уже первичный «бульон», в котором зародилась жизнь, содержал органические соединения как питательную среду для дальнейшего развития. Сторонники биогенных гипотез исповедуют принцип флорентийского врача Ф.Реди, который был известен еще в ХУII веке и означает, что « все живое возникает из живого ».

Bладимир Иванович Вернадский перенес возникновение жизни за пределы Земли и допускал возможность ее появления в биосфере при

определенных условиях, заключая, что это не противоречит принципу Реди, который « ...не указывает на невозможность абиогенеза вне био- сферы ».

В.И.Вернадский считал также, что закономерным процессом эво- люции биосферы является возникновение сознания и, что, однажды воз- никнув, сознание начинает оказывать все возрастающее влияние на био-

сферу, благодаря трудовой деятельности человека. В связи с этим им было использовано понятие ноосферы. Термин «ноосфера» или сфера разума был введен в 1927 году французским математиком и философом

Эдуардом Леруа для характеристики современной геологической стадии развития биосферы.

Ноосфера- это новое геологическое явление на Земле, в которой

человек является геологической силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни

Ключевые термины

_{ Живые организмы  Физические факторы окружающей среды}

	Живое вещество				Химические факторы окружающей среды
	Косное вещество				Геологические факторы окружающей среды
	Фермент			Коэффициент передачи системы
	Ноосфера			Биогеохимические круговороты