§ 1. Фундаментальні властивості живого

Термін «біологія» в його сучасному значенні запропонував французький учений Жан Батист Ламарк 1802 року. Біологія (від давньогрец. bios — «життя», logos — «учення») — це наука про життя. Об’єктом вивчення біології є всі живі організми та різноманітні аспекти їхньої життєдіяльності.

Термін «екологія» запропонував німецький учений Е. Геккель 1866 року. Екологія вивчає взаємозв’язки між рослинними та тваринними угрупованнями. Сучасна екологія вивчає також взаємодію людини та біосфери, суспільного виробництва та навколишнього середовища тощо.

Біологічні та екологічні системи

Система — це ціле, що складається зі взаємопов’язаних частин (елементів). Біологічними системами називають системи, до складу яких входять живі організми. Властивості системи не зводяться до суми властивостей її складових. Сукупність складових, які утворюють систему, має властивості, не притаманні жодному з її окремих елементів. Наприклад, такі живі системи, як клітини, є живими лише як результат взаємодії їхніх складових (органел, цитоплазми, мембран). А кожний з цих елементів, виділений окремо, живим бути не може.

Екосистема — це сукупність живих організмів, які мешкають у певному середовищі існування й утворюють з ним єдине ціле.

Будь-яка екосистема має два головних компоненти — біотичний і абіотичний. Біотичний компонент екосистеми — це всі живі організми, які входять до її складу (тварини, рослини, бактерії тощо). Абіотичний — це компоненти неживої природи (каміння, вода, повітря тощо). Біотичний компонент екосистеми називають біоценозом.

Живе та неживе. У чому різниця?

Живі організми відрізняє від неживих об’єктів ціла низка особливостей. Найбільш фундаментальними з них учені вважають здатність до самовідтворення, самооновлення і саморегуляції.

Самовідтворення — це здатність до утворення подібного до себе. У живих організмів здатність до самовідтворення проявляється у формі статевого або нестатевого розмноження.

Самооновлення — це здатність утворювати нові складові системи замість старих. У випадку пошкодження чи поганої роботи клітина може замінювати свої органели, а багатоклітинні організми — окремі клітини, інколи цілі групи клітин або навіть окремі органи. З підвищенням складності будови організмів ця здатність зазвичай зменшується (мал. 1.1).

Саморегуляція — це здатність системи встановлювати й підтримувати свої основні показники на відносно постійному рівні. У біологічних системах такими показниками є, наприклад, концентрація деяких йонів у клітинах (К, Са, Mg тощо), pH внутрішнього середовища, вміст кисню та вуглекислого газу в клітинах, температура тіла (мал. 1.2, с. 6) або кількість світла, яка проходить через зіницю ока (мал. 1.3, с. 6), тощо.

Рівні організації живого

Дуже важливою особливістю живих об’єктів є те, що будь-який з них має кілька рівнів організації. Кожний рівень є системою з певним набором елементів і з різним рівнем складності. Окремі рівні є складовими частинами наступних рівнів і, у свою чергу, включають до свого складу попередні рівні.

Мал. 1.1. Самооновлення на прикладі загоєння рани

Мал. 1.2. Способи підтримки температури тіла ссавців: а — її підвищення за рахунок роботи різних органів, б — її зниження

Мал. 1.3. Зміна розміру зіниці ока за різної освітленості

Рівні організації живого

Рівень

Біологічна система

Що об’єднує система

§ 4. ВЛАСТИВОСТІ АДАПТАЦІЙ. АДАПТИВНІ СТРАТЕГІЇ ОРГАНІЗМІВ

• Не існує універсальних адаптацій, які б дали змогу організму вижити в будь-яких умовах. Адаптації мають пристосувальне значення лише в тому середовищі, в якому вони сформувались. У разі зміни умов середовища адаптації можуть втрачати своє значення, й організмам, щоб вижити, потрібно формувати нові адаптації. Коли адаптація втрачає своє значення, із часом концентрація алеля, який її визначає, у популяції знижується. У рецесивному стані він може залишатись як резерв спадкової мінливості, не проявляючись у фенотипі гетерозиготних особин. Але час від часу такий алель може проявлятись у фенотипі окремих, гомозиготних за ним, особин. Це явище повернення ознак, притаманних предкам, називають атавізмом (мал. 4.1).

• Адаптації непостійні: ті з них, які втратили своє значення, через певний час зникають, натомість можуть формуватися нові. Структури або органи, адаптивне значення яких було втрачено у процесі еволюції, можуть залишатись у вигляді рудиментів. Вони або не виконують жодних функцій (як-от, рудимент третьої повіки – мигальної перетинки – у ссавців), або ж беруть на себе нові функції. Наприклад, дзижчальця мух – рудимент другої пари крил – допомагають комасі зберігати рівновагу під час польоту. Колючки кактусів – рудименти листків – набувають нової функції – захисту від виїдання тваринами (мал. 4.2).

Мал. 4.1. У 2006 р. було виявлено дельфіна, який мав, окрім ласт (нормально розвиненої у всіх особин передньої пари кінцівок), ще й пару слабко розвинених задніх кінцівок (завдання: наведіть ще приклади атавізмів у тварин)

Мал. 4.2. Приклади рудиментів: 1 – мигальна перетинка в людини; 2 – колючки кактусів (завдання: наведіть ще приклади рудиментів у тварин і рослин)

• Добра адаптованість організмів до дії певного чинника не означає такої самої адаптованості до дії інших (правило відносної незалежності адаптацій). Так, лишайники, які можуть оселятися на субстратах, бідних на органіку (наприклад, скельних породах), переживати тривалі посушливі періоди або періоди несприятливих температур, дуже чутливі до забрудненості повітря.

Мал. 4.3. Ссавці, що належать до життєвої форми землериїв: 1 – кріт; 2 – сліпак (завдання: виявіть спільні риси адаптацій цих тварин до мешкання у ґрунті)

Мал. 4.4. Літнє (1) та зимове (2) забарвлення хутра зайця білого хоча й збільшують шанси на виживання в певний сезон, але не гарантують ідеального маскування від хижаків

• Не існує видів, навіть з близьких систематичних груп (родів, родин, рядів тощо), ідентичних за набором своїх адаптацій. Тобто кожен вид – мешканець певного середовища – має свій індивідуальний набір адаптацій до мешкання у своєму середовищі. Про це стверджує правило екологічної індивідуальності: кожен вид організмів пристосований до певної сукупності умов існування своїм особливим чином. Наприклад, кріт (ряд Комахоїдні) та сліпак (ряд Гризуни) адаптовані до життя у ґрунті. Але кріт риє ходи за допомогою передніх розширених кінцівок, а сліпак – за допомогою різців, викидаючи назовні ґрунт головою (мал. 4.3).

• Адаптації не бувають абсолютними. Наприклад, у зайця білого під час осіннього линяння під впливом зниження температури змінюється забарвлення хутра із сірого на біле, яке робить його непомітним на тлі снігу. Але зниження температури не завжди супроводжується випадінням снігу, і біла тварина стає більш помітною на темному тлі (мал. 4.4).

• Адаптації, притаманні всім або переважній більшості особин виду, формуються в процесі історичного розвитку виду – його філогенезу – поступово, з покоління в покоління. Не всі ознаки організму мають адаптивне значення, але можуть його набувати в процесі еволюції.

• Результат адаптації – адаптивний ефект – зазвичай є результатом взаємодії різних компонентів біологічної системи. Пригадайте: різні групи ссавців у процесі адаптивної радіації адаптувалися до споживання різного типу їжі (порівняйте, наприклад, особливості зубного апарату вовків, жуйних тварин, гризунів, дельфінів). Такі адаптації сформувалися в результаті адаптивних змін у будові не лише зубів, а й щелеп, жувальних м’язів тощо. Запам’ятаємо: отже, формування адаптації обмежене можливостями біосистеми до адаптаційних змін.

• Ступінь адаптованості організмів до середовища мешкання не залежить від рівня їхньої організації: наприклад, прокаріоти, організація клітин яких значно простіша, можуть досить ефективно пристосовуватися до переживання несприятливих умов (пригадайте утворення цист і спор) та ефективного розмноження, якщо ці умови стають сприятливими.

Мал. 4.5. Приклад активного адаптування рослин до умов місцезростання: в рослини самосилу білоповстистого під час вологого періоду року формуються досить великі листки (1); під час посушливого періоду вони замінюються на дрібні листки у вигляді лусочок. Найбільш посушливий період ця рослина може переживати взагалі без листків, лише із зеленими стеблами та колючками (2)

Стратегії адаптацій організмів до середовища мешкання можна поділити на три основні типи.

Організми можуть адаптуватися до середовища мешкання активно, регулюючи власні процеси життєдіяльності залежно від змін умов довкілля. Наприклад, температура тіла птахів і ссавців як теплокровних тварин залишається сталою навіть за сильних морозів, а пустельні членистоногі активно підтримують відносно постійний вміст води в тілі за умов значної посухи. У деяких рослин, які зростають за періодичної зміни вологості навколишнього середовища, періодично можуть змінюватися типи листків (мал. 4.5).

Пасивний шлях формування адаптацій організмів до умов існування – це підпорядкування процесів життєдіяльності змінам умов середовища мешкання. Так, за зниження температури повітря у холоднокровних тварин знижується й інтенсивність процесів обміну речовин. У деяких теплокровних тварин у неактивному стані (наприклад, сплячка їжаків або зимовий сон бурих ведмедів) може значно знижуватися температура тіла. Це дає змогу зменшити витрати енергії на вироблення тепла (мал. 4.6, 1). Ще один приклад: цисти золотистої картопляної нематоди (мал. 4.6, 2) – небезпечного шкідника картоплі (покриви материнської особини слугують захистом для яєць і личинок) можуть зберігатись у ґрунті до 10 років.

Уникнення несприятливих змін умов існування (міграції та кочівлі деяких комах, риб, птахів, ссавців тощо) (мал. 4.7). При цьому життєві цикли організмів здійснюються таким чином, що найбільш вразливі фази розвитку завершуються у найбільш сприятливі періоди, а на несприятливі періоди можуть припадати фази спокою (наприклад, фаза лялечки в комах).

Мал. 4.6. Приклади пасивного адаптування організмів до змін умов середовища мешкання: 1 – зимова сплячка їжака; 2 – цисти золотистої картопляної нематоди

Мал. 4.7. Коли густота популяції сарани перелітної незначна, личинки та імаго (статевозрілі особини) мають зелене або коричневе забарвлення (1); така поодинока форма не утворює зграй; якщо густота популяції велика, забарвлення личинок та імаго стає яскравим (жовте або помаранчеве із чорними плямами). Так формується зграйна форма (2), здатна формувати великі зграї, що перелітають на значні відстані, знищуючи на своєму шляху рослинність.

Ключові терміни та поняття

атавізми, рудименти, правило відносної незалежності адаптацій, правило екологічної індивідуальності.

Перевірте здобуті знання

1. Назвіть основні властивості адаптацій. 2. Що собою становлять атавізми з точки зору формування адаптацій? 3. Що спільного та відмінного між рудиментами та атавізмами? 4. Що стверджує правило відносної незалежності адаптацій? 5. Поясніть сенс правила екологічної індивідуальності. 6. Схарактеризуйте основні адаптивні стратегії організмів.

Поміркуйте

Як за допомогою рудиментів можна проілюструвати положення про те, що адаптації непостійні й можуть зникати після того, як втратили своє пристосувальне значення? Наведіть приклади.

Як визначити валентність

Валентність – термін, що позначає здатність атомів хімічних елементів вступати до сполук з атомами інших елементів. З латині це слово можна перекласти як “здатність” або “сила”. Поняття «валентність» у хімії є одним з основних. Його вчені почали використовувати ще до того, як визначили будову атома. Знаючи як визначити валентність, вони змогли описати природу хімічних зв’язків.

При детальному вивченні запропонованої хімічної формули можна назвати, що кількість атомів в однієї й тієї елемента у різних речовинах може відрізнятися. Виникає питання про те, як визначити індекс хімічного. ел-нту і помилитися у написанні формули. Зробити це буде просто, якщо перед цим познайомитись із таким поняттям як «валентність».

1. Основні відомості
2. Валентність та електронна теорія
3. Як визначити валентність за таблицею Менделєєва
4. Визначення за формулою
5. Різниця між ступенем окислення та валентністю
6. Валентності найпоширеніших елементів
7. Водень
8. Вуглець
9. Фосфор
10. Цинк
11. Відео – хімія як визначити валентність

Основні відомості

Валентність (V) – це можливість атомів різних хімічних елементів утворювати зв’язок між собою. Іншими словами можна сказати, що це здатність атома (дрібної частки) приєднати до себе певну кількість інших атомів.

Поняття «валентність» було запроваджено ще до того часу, як вчені змогли нарешті вивчити будову атома (що сталося 1853 року). Зокрема, тому воно зазнало деяких змін.

Початок теорії, що пояснює наявність таких зв’язків, спочатку поклав Франкленд. Але на той час його ідеї про присутність у природі «зв’язувальної сили» були прийняті і поширені серед учених. Важлива, можна сказати, що вирішальна роль подальшому розвитку теорії належала Кекуле. Але він називав цю здатність атомів створювати основним зв’язком. Також був упевнений у тому, що це незмінна здатність кожного різновиду атомів. Дещо пізніше теорія була доповнена. Свою лепту в її формування зробив учений Бутлеров. Поступово з урахуванням теорії хіміки отримали можливість зображати молекули, що допомогло їм у вивченні будови різних речовин, присутніх у природі.

Надалі теорія розвивалася завдяки тому, що Менделєєв представив широкому загалу своє наукове відкриття — вчення про періодичну зміну властивостей елементів.

Якщо подивитися на валентність з погляду електронної теорії, можна визначити, що вона безпосередньо пов’язана з кількістю зовнішніх електронів атома. Виходячи з цього, вчені під «валентністю» стали мати на увазі те число електронних пар, якими може бути пов’язані з іншими атомами. Це положення дозволило надалі визначити і описати природу хімічного зв’язку. Суть її в тому, що пара мікрочастинок певної речовини ділить між собою також пару валентних електронів.

Хімікам 19 століття все ж таки вдавалося визначати валентність ще тоді, коли вони не підозрювали про існування такої дрібної частки, як атом. Це було непросто. Визначення проводилося із опорою на хімічний аналіз.

За допомогою хімічного аналізу вченим вдавалося визначити точний склад хімічної сполуки – скільки найдрібніших частинок різних елементів присутні у 1 молекулі. Такий спосіб досить складний. Хімікам необхідно спочатку визначити точну масу кожного з ел-тов у зразку речовини без домішок.

Ця методика мала свої недоліки. Наприклад, визначити V ел-нту можна було тільки в простому з’єднанні з одновалентним гідридом або двовалентним оксидом. Це говорить про те, що такий спосіб визначити V можна застосовувати тільки до простих речовин. Для кислот не підходить. Його можна застосувати до них, але в такому разі вдасться визначити лише V кислотних залишків.

Валентність та електронна теорія

Спираючись на електронну теорію можна сказати, що V найдрібніших частинок можна визначити на підставі числа непарних електронів, які беруть безпосередню участь у процесі утворення електронних пар з електронами інших таких частинок.

Слід зазначити, що у освіті хімічних зв’язків задіяні ті електрони, які розташовуються на зовнішній оболонці атома. Тому можна визначити, що максимальна V дорівнює числу електронів у зовнішній оболонці. Поняття валентності та її визначення пов’язане з Періодичним законом, який відкрив Менделєєв.

Як визначити валентність за таблицею Менделєєва

Щоб визначити V за таблицею Менделєєва необхідно знати, що таке групи та підгрупи періодичної таблиці. Це вертикальні стовпці, які ділять всі ел-нти за певною ознакою. Залежно від ознаки виділяють підрозділи. Цими стовпцями ел-нти поділяються на важкі та легкі, а також підгрупи — галогени, інертні гази тощо.

Отже, щоб визначити V, потрібно керуватися двома правилами:

Найвища V (ВВ) елемента дорівнює номеру його групи.
Нижча V (НВ) знаходиться як різниця між числом 8 та номером групи, в якій розташований цей елемент.
Приклад визначення: фосфор виявляє ВР – P2O5 та НВ (8-5) = 3 – PF3.

Варто також відзначити кілька основних характеристик та особливостей, які варто враховувати перед тим, як визначити цей показник:

V водню завжди I – H2O, HNO3, H3PO4.
Кисень завжди дорівнює II – CO2, SO3.
У металів, які розташовані в головній підгрупі, цей показник завжди дорівнює номеру групи Al2O3, NaOH, KH.
Для неметалів найчастіше виявляються лише дві V – вища та нижча.
Також існують ел-нти, які можуть мати 3 або 4 різних значень цього показника. До них відносяться хлор, бор, йод, хром, сірка та інші. Наприклад, хлор має показники I, III, V, VII – HCl, ClF3,ClF5,HClO4 відповідно.

Визначення за формулою

Щоб визначити за формулою, можна скористатися кількома правилами:

• Якщо відома валентність (V) одного з ел-нтів у подвійному з’єднанні: припустимо, є з’єднання вуглецю та кисню СО2, при цьому ми знаємо, що V кисню завжди дорівнює II, тоді для визначення можемо скористатися таким правилом: добуток числа атомів на його V одного ел-нту має дорівнювати добутку числа атомів іншого ел-нту з його V. Таким чином, V вуглецю можна визначити так – 2×2 (у молекулі 2 атома кисню з V= 2), тобто вона дорівнюватиме 4. Розглянемо ще кілька прикладів, як визначити валентність: P2O5 – тут V фосфору = (5*2)/2 = 5. HCl – V хлору дорівнюватиме I, оскільки у цій молекулі 1 атом водню, і V= 1.
• Якщо відома V кількох ел-нтів, які складають групу, визначити можна так: у молекулі гідроксиду натрію NaOH V кисню дорівнює II, а V водню – I, таким чином група -OH має одну вільну валентність, тому що кисень приєднав тільки один атом водню і ще один зв’язок вільний. До неї і приєднається натрій. Можна зробити висновок, що натрій одновалентний елемент.

Різниця між ступенем окислення та валентністю

Дуже важливо розуміти принципову різницю між цими поняттями. Ступінь окислення – це умовний електричний заряд, який має ядро, тоді як валентність – це кількість зв’язків, які може встановити.

Розглянемо докладніше, що таке ступінь окиснення. Згідно з сучасною теорією про будову атома, ядро ​​складається з позитивно заряджених протонів і нейтронів без заряду, а навколо нього знаходяться електрони з негативним зарядом, які врівноважують заряд ядра і роблять його нейтральним електрично.

У випадку, якщо атом встановлює зв’язок з іншим елементом, він віддає або приймає електрони, тобто виходить зі стану балансу і починає володіти електричним зарядом. У цьому якщо він віддає електрон, він стає позитивно зарядженим, і якщо приймає – негативним.

Порівнюючи два цих визначення, можна дійти невтішного висновку, що часто співпадають: V водню +1 і V I, ступінь окислення кисню -2 і V II, але дуже важливо пам’ятати, що це правило виконується який завжди!

В органічній сполукі вуглецю під назвою формальдегід і формулою HCOH у вуглецю ступінь окислення 0, але він має V, що дорівнює 4. У перекису водню H2O2 у кисню ступінь окислення +1, але V залишається рівною 2. Тому не слід ототожнювати два цих поняття, так як у ряді випадків це може призвести до помилки щодо.

Валентності найпоширеніших елементів

Водень

Зустрічається у багатьох сполуках і можна визначити, що його V=1. Це з будовою його зовнішньої електронної орбіталі, де у водню перебуває 1 електрон.

На першому рівні може бути не більше двох електронів одночасно, таким чином, водень може або віддати свій електрон і утворити зв’язок (електронна оболонка залишиться порожньою), або прийняти 1 електрон, також утворивши новий зв’язок (у такому разі його електронна оболонка повністю заповниться).

Приклад: H2O – 2 атоми водню з V=1 пов’язані з двовалентним киснем; HCl – одновалентні хлор та водень; HCN – синильна кислота, де водень також виявляє V, що дорівнює 1.

Вуглець

Вуглець може мати або V II, або IV. Пов’язано це з будовою зовнішнього електронного рівня, на якому знаходиться 2 електрони, якщо він їх віддасть, його V буде II. Тобто 2 електрони встановили 2 нові зв’язки, наприклад, з’єднання CO – чадний газ, де і кисень, і водень двовалентні. Однак бувають ситуації, коли один електрон з першого рівня переходить на другий, тоді у вуглецю утворюється 4 вільні електрони, які можуть утворювати зв’язки: СО2, НСООН, Н2СО3.

Фосфор

Може мати валентність III і V. Як і в попередніх випадках, пов’язано це з будовою зовнішнього електронного рівня, на якому в нього розташовується 3 електрони, тобто можливість утворити 3 зв’язки, але, як і вуглець, у нього можливий перехід 1 електрона з s -орбіталі на d-орбіталь, тоді неспарених електронів стане 5, отже. Наприклад: РН3, Р2О5, Н3РО4.

Цинк

Цинк може мати тільки валентність, яка дорівнює номеру його групи, тобто 2. У всіх своїх сполуках валентність цинку дорівнює II і не залежить від типу елемента і виду зв’язку з ним. Приклад: ZnCl2, ZnO, ZnH2, ZnSO4.