Какое свойство углерода подчеркивает своеобразие живой материи
Свойства живой материи полезно знать, поскольку это то, что касается каждого из нас. Причем непосредственно. Ведь человек – это и есть живая материя, которая наделена разумом. Впрочем, это неполное определение.
Понятие
Прежде чем начать перечислять свойства живой материи, стоит разобраться со значением термина. Неплохой вариант был предложен Михаилом Владимировичем Волькенштейном – советским биофизиком и химиком. Он говорил, что все живые тела, которые существуют на нашей планете, являются самовоспроизводящимися и саморегулирующимися системами. И их главная составляющая — это нуклеиновые кислоты и белки. Так что не только человек является живой материей. А ещё и птицы, морские обитатели, млекопитающие и т. д. Но человек – это высокоорганизованная живая материя, которую от всего остального отличают особые признаки, свойства. И вот им хотелось бы уделить больше внимания.
Химический состав
Это первая особенность, которую необходимо отметить вниманием. И простейшее формальное свойство, отличающее живую материю от неживой. У них совершенно разный молекулярный состав и структура. Все элементы, входящие в состав живой материи, могут образовывать соединения и вступать в реакции.
Организм человека и животного включает в себя воду, органические и неорганические вещества — кальций, магний, натрий, железо, цинк, водород, углерод, азот, калий, фосфор, селен, хром, кобальт и многое другое в тех или иных количествах. Простейший пример – белки и жиры. Они есть в организме человека, животных и даже растений. И они способны перевариваться, усваиваться, иссякать. Противоположный пример – нефть. Естественно, это неживая материя, представляющая собой коллоидную, а не биологическую систему. И состоит нефть из мицелл – полутвёрдых сгустков высокомолекулярных смол, карбенов и асфальтенов, которые не растворяются в жидких углеводородах.
Обмен веществ и саморегуляция
Это ещё одни специфические свойства живой материи. Обмен веществ, если выражаться простым языком, представляет собой набор химических реакций, которые возникают в организме для поддержания его жизни. А саморегуляция – это способность сохранять свою стабильность на том или ином уровне, отличающемся постоянством. И человек наиболее ярко проявляет её. Поскольку в случае с личностью саморегуляция осуществляется не только на биологическом уровне, но ещё на социологическом и психологическом.
И это всё естественно. Человек способен управлять своим психическим состоянием, воздействовать на себя при помощи слов и мысленных образов. Отдельно имеет место быть эмоциональная саморегуляция. Это способность человека реагировать на произошедшее так, как принято в социуме, сохраняя некую «гибкость». То есть он может допустить проявление спонтанных эмоций, но также у него получается скрывать их. Это уже нечто высшее, что является контролем собственных чувств.
Теоретический пример. Человеку, когда он ехал в автобусе домой, пришло СМС о том, что он выиграл в лотерею миллион рублей. Если он сохранил нейтральность и, только придя в квартиру, начал прыгать от радости и восторженно благодарить судьбу, можно говорить о том, что он владеет эмоциональной саморегуляцией.
Развитие и рост
Нельзя не отметить и эти свойства живой материи. В такой науке, как биология, ростом называется увеличение массы организма, которое происходит по причине увеличения неклеточных образований и размеров клеток. А развитие непосредственно связано с данным процессом. Порой даже два этих понятия употребляются, отождествляясь. Что логично, ведь те или иные стадии развития могут наступить лишь после того, как организм достигнет определённых размеров. При этом ничто из перечисленного невозможно без обмена веществ.
Изменчивость
Это то, чем сопровождается развитие и рост. Важно учитывать данный факт. Потому как расти может не только человек, растение или животное, но и сугроб или кристалл, например. А вот изменяться может лишь живая материя. Собственно говоря, этим и характеризуется эволюция. Вспомнить хотя бы ту же теорию Дарвина – яркий пример. Рост без изменений не является возможным, поскольку организм, развиваясь, приспосабливается к окружающей среде. Которая тоже меняется.
Этот же процесс включает в себя и раздражимость. Это способность каждой живой материи реагировать на окружающую среду. А также проявление жизненной деятельности всех биологических систем. Раздражимость является основным свойством любого живого организма, будь то травинка или человек. Минимальную величину раздражителя, кстати, принято называть порогом восприятия. И кстати, проявление этого свойство у многих организмов имеет кое-что общее. Например, цветок всегда «поворачивается» к солнцу. Человек, если ему холодно на улице, тоже постарается найти менее затененное место. И таких примеров – масса.
Размножение
Стоит отметить вниманием и данный фактор, рассказывая про основные свойства живой материи. Способность к самовоспроизведению (размножению) обеспечивает тому или иному виду относительное бессмертие. И сложно опровергнуть данное утверждение, поскольку мы – явный тому пример. Сейчас на Земле проживает около 7.3 млрд человек. А ведь ещё в октябре 1999-го было 6 миллиардов. За 17 лет население возросло на миллиард! Так что вид Homo sapiens будет существовать очень долго (если не вечно).
Правда, есть виды, которые уже вымерли, к превеликому сожалению. Например, квагга. Это непарнокопытное животное, которое считалось видом зебр. Квагги были приручены человеком и использовались для охраны стад. Последний представитель умер в 1883 году в Амстердамском зоопарке. Сегодня многие животные находятся на грани вымирания, и чтобы их исчезновения не произошло, они должны активно самовоспроизводиться, то есть осуществлять одну из функций живой материи.
О наследственности
Рассказывая про основные свойства живой материи, нельзя не отметить вниманием и этот аспект. То, каким будет организм, зависит от наследственности. А часть «заложена» в нём непосредственно. Простой пример – цвет глаз. Если у мужчины радужная оболочка голубая, как и у его жены, вероятность того, что у пары родится кареглазый малыш, стремится к нулю. У зелёного больше «шансов» — 1 %. Все остальные проценты отходят голубому цвету. Но, кстати, если оба родителя кареглазы, то вероятность распределяется иначе. 75 % — что у ребёнка будет такой же цвет. Но есть вероятность в 18.75 % появления на свет младенца с зелёными глазами. У голубого меньше всего шансов – 6.25 %. Впрочем, это другая тема, но принцип понятен. Наследственность – то, что входит в важнейшие свойства живой материи.
Об уровнях
Итак, исходя из всего вышеперечисленного можно понять, что представляет собой биологическая природа. Это сложно организованная система. И в ней есть уровни организации живой материи. Таблица состоит из нескольких пунктов-характеристик.
Итак, первое. Молекулярный уровень. Это то, о чём говорилось изначально. То есть проявление взаимодействия микромолекул, таких как полисахариды, нуклеиновые кислоты и т. д.
Второй уровень – клеточный. Как и любая форма жизни. Ведь клетка является не просто структурной, но и функциональной единицей размножения организмов.
Следующий уровень, на котором мы остановимся, – организменный. Ему предшествуют тканевый и органный. Тут принцип понятен. Организм – это живая система, состоящая из того или иного количества клеток. Взять, к примеру, планктон. Это одноклеточная водоросль. Но живой организм. Человек состоит примерно из 100 триллионов клеток. И он – тоже живой организм. Суть одна, состав разный. Это и доказывают уровни организации живой материи.
Таблица также содержит и другие понятия. Есть ещё популяционно-видовой уровень. В него входят совокупности особей, которые имеют единое происхождение и схожи по своей структуре и функциональной организации.
Последние уровни – биогеоценотический и биосферный. Они самые масштабные. К биогеоценотическому относятся организмы различной сложности и сфер обитания. А к биосферному – все совокупности и проявления жизни, существующие на нашей планете.
Психика
Это свойство высокоорганизованной живой материи. Данный аспект уже был оговорен ранее. Но теперь стоит уделить ему чуть больше внимания.
Почему психика свойственна лишь людям и животным? Потому что она подразумевает переживание ими эмоций и ощущений, а также наличие памяти и восприятия. Конечно, может, братья наши меньшие и не способны размышлять о смысле бытия, существовании Бога и предназначении нашей планеты. Но они ощущают боль, страх, спокойствие, усталость и многое другое – как и мы. То есть у них тоже получается отражать объективную реальность, взаимодействовать с ней.
Это свойство живой высокоорганизованной материи также включает в себя пресловутую раздражимость, чувствительность, поведение и сознание. И если первые три качества присущи как человеку, так и животному, то последним обладаем лишь мы. Во всяком случае, обратное пока что не доказано. Сознание представляет собой совокупность тех или иных образов (устойчивых или меняющихся), формирующихся в процессе жизни. Которые, собственно говоря, и образуют индивидуальное мировосприятие.
Дискретность
Или, говоря иными словами, то, что противопоставляется непрерывности и целостности. Дискретность является всеобщим свойством материи. И любой биологической системе она присуща. Поскольку абсолютно всё (будь то организм, популяция или даже клетка) состоит из множества частиц. Они раздельные, но между собой постоянно взаимодействуют. И образуют, таким образом, единую, целостную систему.
Понятие дискретности легко пояснить на примере того же человеческого тела. Оно состоит из множества органов, тканей, сухожилий, клеток, сосудов. Которые в совокупности и образуют наш организм. Без чего-то одного он не может полноценно существовать.
Негэнтропия
Данный аспект также включен в свойства живой материи. Кратко говоря, это то же самое, что и упорядоченность. Без которой не может существовать дискретности (если говорить о биологии). Здесь всё просто. Все живые системы создают порядок и образуют структуру. Опять-таки, яркий пример – наше кровообращение. Которое, к слову, обеспечивает пресловутый обмен веществ. Кровообращение – сложнейший процесс, происходящий по сердечно-сосудистой замкнутой системе. И этот процесс расписывается специалистами на несколько страниц. Он происходит постоянно, каждую секунду – человек (или любое другое создание) даже не задумывается об этом. Всё потому, что наш организм – живая система, которая образовала данную структуру, комплекс сложных процессов.
Мобильность
Это последнее, что хотелось бы отметить вниманием, рассказывая про основные фундаментальные свойства живой материи. Мобильность характерна для каждого существа. Она подразумевает способность передвигаться, которая необходима каждому. Тому же цветку – чтобы повернуться к солнцу. Благодаря мобильности каждое живое создание может найти себе пищу, выйти из неблагоприятно сложившейся ситуации, эволюционировать или найти пару для размножения (будь то львы, люди или птицы). Нельзя недооценивать двигательную функцию. Ведь она нужна не только организму в целом, но и его частям. Что и говорить, если даже наши органы и клетки проявляют определенную активность: кровь циркулирует, сердце бьётся, легкие сокращаются. И пресловутый планктон передвигается за счет крошечных жгутиков. Недаром ведь говорят, что движение – это жизнь. Данное утверждение верно, поскольку всё существующее на свете и называющееся живым находится в постоянном движении. Если задуматься, то можно понять: это действительно так.
Что ж, изучив, какие свойства присущи живой материи, можно сделать однозначный вывод. Всё перечисленное выше – связано тесным образом. Поскольку касается проявления и поддержания жизнедеятельности организма. Одно невозможно без другого. И лишь задумавшись над этой темой и соотнеся всё с реальными примерами, можно понять, насколько всё тщательно продумано природой.
ГЛАВА 1. БИОХИМИЯ-МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЛОГИКА ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ
Объекты живой природы состоят из «неживых» молекул. Если эти молекулы выделить и каждый их вид исследовать в отдельности, то можно убедиться, что они подчиняются всем законам физики и химии, описывающим поведение неодушевленной материи. Тем не менее живые организмы обладают необычными свойствами, отсутствующими в скоплениях неживых молекул. Если мы поближе познакомимся с этими особыми свойствами, то нам станут более понятны те основные вопросы, ответы на которые пытается найти биохимия.
1.1. Для живой материи характерны некоторые отличительные особенности
Одна из наиболее примечательных особенностей живых организмов — это их сложность и высокая степень организации. Они характеризуются усложненным внутренним строением и содержат множество различных сложных молекул. Живые организмы представлены миллионами разных видов, тогда как окружающая нас неживая материя — глина, песок, камни, вода — состоит из неупорядоченных смесей сравнительно простых химических соединений.
Вторая особенность живых организмов заключается в том, что любая составная часть организма имеет специальное назначение и выполняет строго определенную функцию. Это относится не только к макроскопическим структурам и, в частности, к органам, таким, как сердце, легкие или мозг, но и к микроскопическим внутриклеточным структурам, таким, как клеточное ядро. Даже индивидуальные химические соединения, содержащиеся в клетке, например белки или липиды, наделены специальными функциями. Поэтому вполне правомерен вопрос о том, для какой цели понадобилась живому организму та или иная молекула или химическая реакция, тогда как спрашивать о функции различных химических соединений, входящих в состав неживой материи, абсолютно бессмысленно.
Третья особенность живого, благодаря которой мы ближе подходим к сути жизненных процессов, состоит в том, что живые организмы обладают способностью извлекать, преобразовывать и использовать энергию окружающей их среды — либо в форме органических питательных веществ, либо в виде энергии солнечного излучения. Эта энергия позволяет организмам создавать собственные богатые энергией сложные структуры и поддерживать их целостность. Кроме того, за счет этой энергии организмы выполняют механическую работу при передвижении; она также дает возможность осуществлять перенос различных веществ через мембраны. Живые организмы никогда не бывают в состоянии равновесия — это касается как процессов, идущих в самих организмах, так и их взаимодействия с окружающей средой. Неживая материя, напротив, неспособна к целенаправленному использованию энергии для поддержания своей структуры и выполнения работы.
Рис. 1-1. Некоторые характерные особенности живой материи — «признаки жизни». А. Поперечный срез фотосинтезирующей клетки, на котором видна ее тонкая и сложная структура: темные образования — это хлоропласты, содержащие тысячи молекул хлорофилла, ориентированных так, чтобы они могли улавливать солнечную энергию. Б. Длинный хоботок бабочки бражника в результате длительной биологической эволюции оказался приспособленным к извлечению нектара из цветков с длинным раструбом. В. Дельфины, питающиеся мелкой рыбой, преобразуют химическую энергию пищевых продуктов в мощные импульсы мышечной энергии. Г. Биологическое сомовоспроизведение происходит с почти идеальной точностью.
Предоставленная самой себе, она постепенно разрушается и со временем переходит в неупорядоченное состояние; при этом устанавливается равновесие с окружающей средой.
Но самая поразительная особенность живых организмов — это их способность к точному самовоспроизведению — свойство, которое можно считать поистине квинтэссенцией живого состояния. Известные нам смеси веществ, входящие в состав неодушевленных предметов, не проявляют способности к росту и воспроизведению, обеспечивающему сохранение из поколения в поколение одинаковой формы, массы и внутренней структуры этих предметов.
Углерод – элемент номер шесть. Прямо в середине первой строки периодической таблицы химических элементов. Ну и что? Углерод основа жизни – это самый важный элемент живых организмов. Без этого элемента жизнь, какой мы ее знаем, не существовала бы.
Как вы увидите, шестой элемент периодической таблицы является центральным в соединениях, необходимых для жизни.
Значение углерода
Соединение, содержащееся главным образом в живых организмах, известно как органическое соединение.
Органические соединения составляют клетки и другие структуры организмов и осуществляют жизненные процессы. Углерод является основным элементом в органических соединениях, поэтому элемент необходим для жизни на Земле. Углерод основа жизни и она, какой мы ее знаем, не могла бы существовать. Теоретически, вроде бы возможны другие формы жизни, но человечество их не знает.
Соединения
Соединение – это вещество, состоящее из двух или более элементов. Соединение имеет уникальный состав, который всегда один и тот же. Мельчайшая частица соединения называется молекулой. Рассмотрим в качестве примера воду. Молекула воды всегда содержит один атом кислорода и два атома водорода. Состав воды выражается химической формулой H2O. Вода не является органическим соединением. Молекула воды всегда имеет такой состав: один атом кислорода и два атома водорода.
Что заставляет атомы молекулы воды “слипаться” вместе? Ответ – химические связи. Химическая связь-это сила, которая удерживает молекулы вместе. Химические связи образуются, когда вещества вступают в реакцию друг с другом. Химическая реакция-это процесс, который превращает одни химические вещества в другие. Для образования соединения необходима химическая реакция. Для разделения веществ в соединении необходима еще одна химическая реакция.
Почему этот элемент главный для жизни
Почему углерод так важен для жизни? Причина – способность образовывать устойчивые связи со многими элементами, в том числе и с самим собой. Это свойство позволяет шестому элементу образовывать огромное разнообразие очень больших и сложных молекул.
На самом деле, в живых организмах содержится около 10 миллионов соединений на основе углерода!
Однако миллионы органических соединений можно разделить всего на четыре основных типа: углеводы, липиды (жиры), белки и нуклеиновые кислоты.
Вы можете сравнить четыре типа в таблице ниже:
| Элементы | Тип соединений | Состав | Функции | Мономер (повторяющиеся звенья) |
| Углеводы | сахар, крахмал | углерод, водород, кислород | снабжает энергией клетки, накапливает энергию, формирует структуры тела | моносахарид |
| Липиды (жиры) | жирное масло | углерод, водород, кислород | накапливает энергию, формирует клеточные мембраны, несет сообщения. | |
| Белки | ферменты, антитела | углерод, водород, кислород, азот, сера | помогает клеткам сохранять форму, формирует мышцы, ускоряет химические реакции, несет сообщения и материалы. | аминокислота |
| Нуклеиновые кислоты | ДНК-РНК | углерод, водород, кислород, азот, фосфор | содержит инструкции для белков, передает инструкции от родителей к потомству, помогает производить белки | нуклеотид |
Углеводы, белки и нуклеиновые кислоты-это крупные молекулы (макромолекулы), построенные из более мелких молекул (мономеров) в результате реакций дегидратации. В реакции дегидратации вода удаляется по мере соединения двух мономеров.
Возникновение «жизненного» элемента углерода
Каждый атом углерода, находящийся на Земле и во Вселенной, возник в ядре красных гигантов при температуре около 100 миллионов градусов.
Атомы углерода как сказано выше, являются основой любого живого организма, ибо обладают способностью соединяться в длинные цепочки и создавать сложные органические молекулы.
Углеродные атомы, из которых построен человеческий организм и биосфера в целом, возникали в те далекие времена, когда еще не существовали Солнце и Солнечная система, когда не было еще даже полимерной цепи, из которой позднее родилось Солнце и все его семейство. Именно в звездах-гигантах возникали тогда из атомов гелия атомы углерода. Это произошло более семи миллиардов лет тому назад. Из звезд атомы углерода потом попали в межзвездное пространство. Там они смешались с межзвездным веществом, из которого позднее возникли полимерные цепи, включая и создание нашей Солнечной системы.
Таким образом, углерод основа жизни которая переместилась из недр старых красных гигантов на нашу планету, а отсюда в земные растения и, наконец, вместе с пищей – в человеческий организм. Именно тогда зародилась жизнь на Земле.
Можно сказать, что без красных гигантов, существовавших семь миллиардов лет назад, на Земле не было бы углерода, а, следовательно, и жизни. Итак, с точки зрения астрономии нашими далекими предками являются именно красные гиганты.
Выводы
- Жизнь основана на углероде – органическая химия изучает соединения, в которых он является центральным элементом.
- Свойства углерода – основа жизни всех органических молекул, образующих живую материю.
- Углерод является таким универсальным элементом, потому что он может образовывать четыре ковалентные связи.
- Углеродные скелеты могут различаться по длине, ветвлению и кольцевой структуре.
- Функциональные группы органических молекул – это части, участвующие в химических реакциях.
- Органические молекулы, важные для жизни, включают в себя относительно небольшие мономеры, а также крупные полимеры.