Свойства живых организмов. Химический состав клетки

Тема: Современные отрасли биологических знаний. Свойства живых систем. Химический состав клеток

Цели:

методическая – продемонстрировать возможности использования современных развивающих методик;

образовательная – познакомить студентов с историей развития биологии, познакомить с основными методами биологических исследований; проанализировать особенности организации живых организмов, выделить главные этапы развития биологии как науки;

развивающая – развитие творческих интересов в процессе изучения выдающихся достижений ученых, вошедших в общечеловеческую культуру;

воспитательная – воспитывать интерес студентов к биологии как науке. Рассмотреть перспективы развития технологий и методов исследования. Воспитать бережное отношение ко всему живому.

Задачи: - знать о современных отраслях биологических знаний, свойствах живых систем, химическом составе клетки, а так же о роли органических веществ в жизнедеятельности клетки.

               - анализировать, сравнивать и обобщать факты; устанавливать причинно-следственные связи; уметь организовать совместную деятельность на конечный результат; уметь выражать свои мысли.

                - осознанно достигать поставленной цели; воспитывать положительное отношение к совместному труду.

Вид занятия: объяснение с демонстрацией наглядных пособий (информационный).

Тип занятия: освоение новых знаний и формирование умений и навыков студентов.

Методы обучения: частично-поисковый, проблемное обучение

Формы организации учебной деятельности студентов:

Междисциплинарные связи:

обеспечивающие – цитология, физиология, анатомия.

обеспечиваемые – экология, общая биология.

Дидактическое обеспечение занятия:

Ход занятия

1.      Организационная часть                                                                                              2 мин.

1.1.Взаимное приветствие преподавателя и студентов

1.2. Проверка присутствия студентов и их готовности к занятию

2.      Контроль знаний                                                                                                        10 мин.

3.      Мотивация учебной деятельности                                                                           8 мин.

В своей работе «Происхождение жизни» (1924) А.И.Опарин писал: «Важнейшим и существенным признаком для организмов является (на что указывает уже само их название, организация) определенная форма, строение. Тела всех живых существ, начиная с мельчайших бактерий и водорослей и заканчивая человеком, построены по определенной схеме, причем наиболее значимым является не внешняя видимая организация, а тончайшее строение протоплазмы (цитоплазма + ядро) клетки, которая образует организмы. В этом строении и скрыта тайна жизни. Разрушьте ее – и у вас в руках останется безжизненная смесь веществ».

О чем говорит тот факт, что в организмах живых существ не встречаются химические вещества, которые не найдены в живой природе? Ответ поясните.

Беседа:

1)                 Все ли химические вещества приносят пользу организму?

2)                 Каких элементов больше содержится в живых организмах? Приведите примеры?

3)                 Какова функция воды в живых организмах?

4)                 Какова роль воды в теплорегуляции организмов?

5)                 Почему считают, что жизнь на нашей планете возникла именно в водной среде?

4.      4.1 Основная часть (объявление темы, проблемы занятия)

Биология — наука о живых организмах, живой природе и законах, ею управляемых.

Термин «биология» предложили в 1802 году французский ученый Жан Батист Ламарк и немецкий естествоиспытатель Готфрид Тревиранус. Биология — наука фундаментальная и комплексная.

Фундаментальная, т.е. является теоретической основой (фундаментом) для медицины, ветеринарии, агрономии, зоотехники, психологии, фармакологии, биотехнологии и селекции.

Комплексная, т.е.. представляет собой комплекс биологических наук. Науки делятся на группы по разным признакам:

ПО СИСТЕМАТИЧЕСКИМ КАТЕГОРИЯМ:

·                     Вирусология (Царство Вирусы);

·                     Микробиология, бактериология (Царство Бактерии);

·                     Ботаника (Царство Растения);

·                     Микология  (Царство Грибы);

·                     Альгология – (Отдел Водоросли)

·                     Бриология (Отдел Моховидные)

·                     Лихенология – (группа Лишайники)

·                     Зоология  (Царство Животные):

·                     Арахнология (Класс Паукообразные)

·                     Акарология (Отряд Клещи)

·                     Энтомология (Класс Насекомые)

·                     Колеоптерология (Отряд Жесткокрылые, или жуки)

·                     Лепидоптерология (Отряд Чешуекрылые, или бабочки)

·                     Ихтиология (Надкласс Рыбы)

·                     Орнитология (Класс Птицы)

·                     Териология (Класс Млекопитающие)

ПО УРОВНЯМ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОЙ МАТЕРИИ:

·                     Молекулярная биология — на молекулярном уровне;

·                     Цитология, цитогенетика — на клеточном уровне;

·                     Морфология, анатомия и физиология — на организменном уровне;

·                     Экология — на популяционно-видовом, биогеоценотическом и биосферном уровне.

В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ИЗУЧАЕМЫХ ПРОЦЕССОВ:

·                     Генетика — наука о процессах наследственности и изменчивости (И.Г. Мендель).

·                     Эмбриология — наука о зародышевом развитии организмов.

·                     Эволюционное учение — наука об эволюции органического мира, ее причинах, результатах;

·                     Этология — наука о поведении животных;

·                     Общая биология — наука о закономерностях и процессах, общих для живой природы.

·                     Биофизика — наука о физических закономерностях в живой природе;

·                     Биохимия — наука о химических процессах в живых организмах;

·                     Молекулярная биология — наука о строении живых организмов и процессах, происходящих в них, на молекулярном уровне;

·                     Биокибернетика — наука о принципах хранения информации и управления живыми системами;

·                     Бионика — наука, использующая принципы работы живых организмов в технике;

·                     Биотехнология — наука, изучающая возможности использования живых организмов, их систем или продукты их жизнедеятельности для решения технологических задач (спирты, сыры, антибиотики, гормоны, интерфероны).

·                     Геронтология – наука о старении организма.

Ø  Ботаника — наука, изучающая царство растений (греч. ботанэ — трава, растение).

Древнегреческий ученый Теофраст (III век до н. э.) создал систему ботанических понятий, обобщив и систематизировав все известные на то время знания. Именно Теофраст считается отцом ботаники. 

Ø  Вирусология - наука, изучающая неклеточные формы жизни – вирусы.

Ø  Эпидемиология – наука, изучающая причины возникновения и закономерности распространения инфекционных заболеваний, разрабатывающая методы борьбы с ними.

Ø  Паразитология – наука, изучающая паразитических организмов, в том числе гельминтов.

Ø  Микробиология, бактериология - наука, изучающая различные микроорганизмы (бактерии, простейшие, микроскопические грибы).

Ø  Протистология –наука, изучающая простейших одноклеточных организмов. Основатель: А.Догель.

Ø  Микология - наука, изучающая грибы, их строение, жизнедеятельность, значение.

Ø  Альгология – наука, изучающая водоросли.

Ø  Бриология - наука, изучающая мхи.

Ø  Лихенология – наука, изучающая лишайники.

Ø  Зоология  - наука, изучающая животных.

Ø  Арахнология - наука, изучающая пауков.

Ø  Акарология - наука, изучающая клещей.

Ø  Энтомология - наука, изучающая насекомых

Ø  Мирмекология - раздел энтомологии, изучающий муравьев.

Ø  Колеоптерология - наука, изучающая жуков.

Ø  Лепидоптерология - наука, изучающая бабочек.

Ø  Ихтиология - наука, изучающая рыб и других водных обитателей.

Ø  Орнитология - наука, изучающая птиц.

Ø  Териология - наука, изучающая диких зверей, т.е Млекопитающих.

Ø  Морфология человека — наука о внешнем строении организма человека, связи строения с функциями и о закономерностях изменчивости отдельных его частей.

Ø  Анатомия человека — (греч. «рассечение») наука о внутреннем строении человека и отдельных органов.

Ø  Сравнительная анатомия — раздел анатомии, изучающий общие закономерности  строения органов при помощи их сравнения у разных таксонов животных.

Ø  Топографическая анатомия — раздел анатомии, изучающий расположение органов в пространстве. Используется в хирургической практике. Основана Н. И. Пироговым.

Ø  Функциональная анатомия — раздел анатомии, рассматривающий связь строения организма с его функциями.

Ø  Пластическая анатомия — раздел анатомии, изучающий внешнюю форму тела человека и его пропорции. Основателем данной науки считается Леонардо да Винчи.

Ø  Патологическая анатомия — наука, изучающая патологические болезненные процессы в организме.

Ø  Физиология – наука о функциях организма и его жизнедеятельности.

Ø  Гистология — наука о тканях, их строении и функциях.

Ø  Цитология — наука о клетках, их строении, функциях и жизнедеятельности.

Ø  Клеточная инженерия - совокупность методов, используемых для конструирования новых клеток (гибридизация клеток, клонирование, пересадка клеточных ядер, культивирование клеток на специальных средах).

Ø  Генная инженерия – совокупность методов получения гибридных ДНК, выделения отдельных генов и введения их в геном других организмов.

Ø  Гематология – наука, изучающая строение и функции кровеносной системы и ее болезни.

Ø  Экология – наука о взаимоотношениях организмов между собой и с окружающей средой.

Ø  Таксономия – наука, занимающаяся принципами, методами и правилами классификации.

Ø  Классификация – распределение живых организмов по систематическим группам на основе сходства в их строения и родства..

Ø  Систематика – раздел биологии, занимающийся описанием организмов и их классификацией по определенным группам – таксонам.

Ø  Антропология – наука о происхождении и эволюции человека, формировании человеческих рас.

Ø  Гигиена – раздел медицины, изучающий влияние условий жизни и труда на здоровье человека, разрабатывающий меры по профилактике заболеваний и созданию условий для сохранения и укрепления здоровья. 

Ø  Палеонтология – наука, изучающая ископаемые останки вымерших организмов, по которым восстанавливает внешний вид и строение организма.

Ø  Селекция – наука, разрабатывающая методы создания новых и улучшения уже существующих сортов культурных растений, пород домашних животных, штаммов микроорганизмов.

Ø  Фенология – наука, изучающая сезонные явления в природе.

Ø  Биогеография – наука, изучающая зависимость географического распространения организмов от условий существования.

Свойства живых систем, которые отличают их от систем неживой природы:

·         Единство химического состава. В составе всех живых организмов находятся те же химические элементы, что и в объектах неживой природы. Но соотношение этих элементов в живых и неживых объектах отличается.

·         Обмен веществ. Все живые организмы способны поглощать из окружающей среды элементы, которые необходимы для питания, и выделять продукты жизнедеятельности. 

·         Самовоспроизведение (репродукция). Это способность организмов производить себе подобных. 

·         Наследственность. Состоит в способности живых организмов к передаче своих свойств, особенностей развития, признаков из поколения в поколение. 

·         Изменчивость. Способность организмов приобретать новые свойства и признаки. 

·         Рост и развитие. Развитие означает необратимое направленное изменение структуры объектов или их состава. 

·         Раздражимость. Любой организм связан с окружающей средой, он получает из неё питательные вещества, взаимодействует с другими организмами, подвергается влиянию факторов окружающей среды. 

·         Целостность и дискретность. Любой организм — это целостная система, которая в то же время состоит из обособленных, хотя и взаимосвязанных элементов. 

·         Саморегуляция (гомеостаз). Совокупность приспособительных реакций организма, которые направлены на сохранение динамического состояния его внутренне среды.

– Одним из основных общих признаков живых организмов является единство их элементарного химического состава. Независимо от того, к какому царству, типу или классу принадлежит то или иное живое существо, в состав его тела входят одни и те же, так называемые универсальные химические элементы. Сходство в химическом составе разных клеток свидетельствует о единстве их происхождения. Но количественное содержание тех или иных элементов в живых организмах и в окружающей их неживой среде существенно отличается.

– Что такое химический элемент? (Химический элемент – это определенные  вид атомов с одинаковым зарядом ядра.)

Какие химические элементы преобладают в земной коре? (Кислород, кремний, алюминий, железо, магний, натрий, кальций – эти элементы составляют ≈ 98% массы земной коры)

А какие химические элементы преобладают в живых организмах?

В клетках живых организмов встречается 90 различных химических элементов, из них 25 обнаружены практически во всех клетках. Эти химические элементы необходимы для их жизнедеятельности. Остальные элементы, вероятно, попадают в организм с водой, пищей, воздухом и не участвуют в жизнедеятельности.

Задача: Подсчитайте, сколько в человеке массой 85 кг будет составлять каждый элемент. ( Ответ: кислород – 59,5 кг;  углерод – 13,6 кг; водород – 7,65 кг; азот – 2, 125кг; кальций – 0, 85 кг; фосфор – 0,425кг; калий – 0,255 кг.)

Мы с вами выяснили, какова масса биогенов в организме человека определенной массы. Давайте посмотрим какие еще элементы есть в живых организмах.

По количественному содержанию в живых системах все химические элементы подразделяются на четыре группы: макроэлементы, мезоэлементы, микроэлементы, ультрамикроэлементы.

Ультрамикроэлементы – бор, бром, серебро, золото, селен, мышьяк и др. Эти элементы составляют менее 0,000001%. Функции ультрамикроэлементов еще полностью не изучены, имеются лишь отдельные сведения о них: например, выяснено, что недостаток селена приводит к развитию раковых заболеваний.

Обратимся к таблице и посмотрим роль в организме некоторых элементов-биогенов.

Именно макроэлементы – кислород, углерод, водород и азот – обеспечивает большинство функций в организме, и задает вопрос:

– Почему данные элементы-биогены подходят для выполнения биологических функций?

Обучающиеся из курса химии вспоминают о строении атомов биогенов, их расположении в первых периодах периодической системы Д.И.Менделеева, их общих свойствах – способности к образованию ковалентных связей посредством спаривания электронов с отдачей или присоединением при этом от одного до шести электронов. Кроме того, органеллы могут легко реагировать друг с другом, образуя при этом разнообразные химические соединения. Эти элементы имеют малую атомную массу (относительно малый радиус), то есть они сочетают легкость с прочностью ковалентных связей между ними.

Ковалентно связанные атомы углерода образуют «каркас» органических молекул, на котором как бы «крепятся» разнообразные функциональные группы, содержащие водород, кислород, серу, азот и другие элементы. Отсюда можно сделать вывод, что свойства органогенов так разнообразны, что названных элементов достаточно для образования множества органических молекул. Следовательно, атомы, из которых состоят вещества клетки и неживой природы, идентичны. Это указывает на тесную связь и единство живой и неживой природы.

Содержание тех или иных элементов в организме определяется не только особенностями данного организма, но также составом среды, в которой он обитает, и той пищей, которую он использует. Геологическая история нашей планеты, особенности почвообразовательных процессов привели к тому, что на поверхности Земли сформировались области, которые отличаются друг от друга по содержанию химических элементов. Резкий недостаток или, наоборот, избыток какого-либо химического элемента вызывает в пределах таких зон возникновение биогеохимических эндемий – заболеваний растений, животных и человека.

Во многих районах нашей страны – на Урале и Алтае, в Приморье и в Ростовской области количество йода в почве и  воде значительно снижено. Если человек не получает с пищей нужного количества йода, у него снижается синтез тироксина. Щитовидная железа, пытаясь компенсировать нехватку гормона, разрастается, что приводит к образованию так называемого эндемического зоба. Особенно тяжелые последствия от недостатка йода возникает у детей. Сниженное количество тироксина приводит к резкому отставанию в умственном и физическом развитии. Чтобы предотвратить заболевания щитовидной железы, врачи рекомендуют подсаливать   пищу специальной солью, обогащенной иодидом калия, употреблять рыбные блюда и морскую капусту.

Одни и те же химические элементы входят в состав как неорганических веществ (воды и минеральных  солей), характерных и для живых организмов и существующих в неживой природе, так и органических веществ – углеводов, липидов, белков, нуклеиновых кислот, витаминов и др., характерных только для живых организмов.

Рассмотрим самое распространенное в живых организмах неорганическое соединение – воду, её роль в клетке.

Вода абсолютно необходима для всех известных форм жизни – не случайно человеческое тело на 60–70 % состоит из воды. Кроме того, она является средой обитания для многих организмов. Содержание воды в организме колеблется:

·         В слюне, желудочном соке, грудном молоке содержится 90 – 99%.

·         В клетках развивающего зародыша её более 90%.

·         В крови – около 83%.

·         Клетки взрослого организма – 80%.

·         В костях всего лишь 15 – 20%.

Время  обновления количества воды, равного весу тела, колеблется в зависимости от окружающей среды, к которой адаптирован организм; для амебы оно составляет 7 дней; для человека 4 недели; для верблюда 3 месяца; для черепахи 1 год; для кактуса 29 лет.

Вода играет очень важную роль в жизни любого живого организма. Следует помнить основные свойства и функции воды.

Вода – это бесцветная прозрачная жидкость, без цвета, запаха и вкуса, максимальная плотность — при 4 °С, высокая теплоемкость, практически не сжимается; чистая вода плохо проводит тепло и электричество, замерзает при 0 °С, кипит при 100 °С, обладает высокой испаряемостью за счет слабых водородных связей, текучесть.

Какие химические элементы входят в состав молекулы воды? Напишите молекулярную формулу, структурную, электронную.

Какая химическая связь в молекуле воды? (полярная, неполярная?)

Чему равен угол между атомами водорода и кислорода? (104,5^ᵒ)

Диполь. (Атом кислорода сильно электроотрицательный по отношению к атому водорода, что обеспечивает полярность ковалентной связи; при этом кислород оттягивает на себя электроны общей электронной пары. Следовательно кислород отрицательно заряжен, а водород – положительно. Между атомами О и Н соседних молекул возникает водородная связь).

Каковы химические свойства воды? (хороший растворитель, реагируют с металлами, оксидами, гидролиз солей и органических соединений; по отношению к способности растворяться в воде различают: гидрофильные вещества — хорошо растворимые, гидрофобные вещества — практически нерастворимые в воде.)

Свойства воды в живом организме:

·                    Текучесть;

·                    Вода – хороший растворитель;

·                    Высокая теплопроводность и теплоемкость;

·                    Высокая испаряемость за счет слабых водородных связей;

·                    Гидролиз – разложение под действием воды;

·                    Высокая сила поверхностного натяжения воды.

Функции воды в живом организме:

·                    является средой обитания для многих организмов,

·                    является основой внутренней и внутриклеточной среды;

·                    вода обеспечивает тургор клетки, гидроскелет; обеспечивает поддержание пространственной структуры,

·                    транспорт крови, межклеточного вещества, цитоплазмы, лимфы;

·                    служит растворителем и средой для диффузии; пищеварение, многие химические реакции в организме идут с растворенными в воде веществами;

·                    регуляция тепла в организме; способствует охлаждению организма,

·                    гидратирует полярные молекулы,

·                    участвует в реакциях фотосинтеза и гидролиза,

·                    способствует миграциям и распространению семян, плодов, личиночных стадий, является средой, в которой происходит оплодотворение,

·                    у растений обеспечивает транспирацию и прорастание семян,

·                    способствует равномерному распределению тепла в организме и мн. др.

Другие неорганические соединения клетки

Другие неорганические соединения представлены в основном солями, которые могут содержаться или в растворенном виде (диссоциированными на катионы и анионы), или твердом. Важное значение для жизнедеятельности клетки имеют катионы K⁺, Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ и анионы HPO₄^2—, Cl^—, HCO₃^—,

Многие ионы неравномерно распределены между клеткой и окружающей средой, так, например, в цитоплазме концентрация ионов калия в 20 – 30 раз выше, чем с наружи, а концентрация ионов внутри клетки, наоборот, в 10 раз ниже. Именно благодаря существованию подобных градиентов концентраций осуществляются многие важные процессы жизнедеятельности, такие как возбуждение нервных клеток, сокращение мышечных волокон. После гибели клетки концентрация катионов снаружи и внутри быстро выравнивается.

Анионы слабых кислот (НСО₃^-, НРО₄^2-) обеспечивают буферные свойства клетки. Буферность — способность поддерживать рН на определенном уровне (рН — десятичный логарифм величины, обратной концентрации водородных ионов). Величина рН, равная 7,0, соответствует нейтральному, ниже 7,0 — кислому, выше 7,0 — щелочному раствору. Для клеток и тканей характерна слабощелочная среда. За поддержание этой слабощелочной реакции отвечают фосфатная (1) и бикарбонатная (2) буферные системы:

Низкий рН       ⇔      Высокий рН  (1)

НРО₄^2— + Н⁺                  Н₂РО₄^—

Гидрофосфат              Дигидрофосфат

Низкий рН       ⇔      Высокий рН  (2)

НCО₃^— + Н⁺                     Н₂CО₃

Гидрокарбонат          Угольная кислота

В твердом нерастворенном состоянии находятся в костной ткани, в раковинах моллюсков карбонаты и фосфаты кальция и магния, в зубной эмали — фторид кальция.

4.2 Учебно-дискусионная часть

Это интересно!!!

Вода в организме распределена неравномерно.

Всего в организме взрослого человека содержится от 51% (у женщин) до 61% (у мужчин) воды. У новорожденного ребенка вода составляет 80% массы тела.

Потеря воды в размере 6-8% массы тела вызывает у человека полуобморочное состояние, 10% - галлюцинации и нарушение глотания. Потеря 12% воды может привести к остановке сердца.

Рефлексия

Приведите пример меню, которое бы содержало бы макро- и микроэлементы.

4.3 Решение проблемы занятия

Каковы причины использования медицинских препаратов, содержащих АТФ, при мышечной или сердечной дистрофии?

5.      Заключительная часть. Подведение итогов занятия (замечания по усвоению студентами материала темы; акцентирование внимания на основные понятия темы, выводы по изучению темы)

Комментирование и оценивания работы студентов (оценка умений и знаний, творческого, исследовательского подхода при подготовке рефератов, докладов, проектов и т.д.)

Рефлексия: самоанализ работы на занятии

6.      Домашнее задание

Ответить на вопрос. Недостаток минеральных солей в организме можно пополнить как при помощи пищевых продуктов, так и при помощи лекарств (витаминов, минералов). Какой способ выбрали бы вы? Почему?

Для желающих:

а) составить кроссворд, ребус или тесты по любой из тем.

б) сделать модель ДНК, структур белка, АТФ или ферментно-субстратного комплекса.