VZTAH PŘEDMĚTU BIOCHEMIE K ŽIVOTNÍMU PROSTŘEDÍ Distanční text

Transkript

1 Tento produkt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky. Název projektu Implementace e-learningových technologií do ŠVP Číslo projektu CZ.1.07/1.1.02/ Název příjemce Střední průmyslová škola chemická, Brno, Vranovská 65 VZTAH PŘEDMĚTU BIOCHEMIE K ŽIVOTNÍMU PROSTŘEDÍ Distanční text

2 1 Celkový obraz O modulu Modul je určen pro žáky 4. ročníků oborů Aplikovaná chemie a pro žáky 3. ročníků oboru Přírodovědné lyceum. Slouží jako doplněk k učivu předmětu biochemie. Náplní modulu jsou kapitoly úzce související s biologií, ekologií a ochranou životního prostředí. Anotace Vztah předmětu biochemie k životnímu prostředí Tento modul se zabývá vztahy předmětu biochemie k problematice ochrany a tvorby životního prostředí. Annotation Annotation Beziehung des Faches Biochemie zur Umwelt Dieser Modul beschäftigt sich mit Beziehungen des Faches Biochemie zur Umweltschutz- und Umweltbildungsproblematik. Pomůcky a nástroje sešit formátu A4, psací potřeby učebnice (nepovinná): Braniš, M.: Základy ekologie a ochrany životního prostředí. Praha: Nakladatelství Informatorium studijní materiály poskytnuté studentům v elektronické podobě vyučujícím Pravidla a konvence Tato forma studia v žádném případě nenahrazuje formu prezenční a slouží spíše jako dopplňující forma výuky. Jednotlivé kapitoly byly zpracovány s využitím zdrojů, které jsou uvedeny v bodu Literatura. Jsou-li do textu vloženy obrázky z internetových stránek, jsou tyto vždy u každého obrázku uvedeny. Některé obrázky obsahují popisy nebo doplňující text v angličtině, což by však vzhledem k dostatečnému počtu hodin angličtiny, předmětu science a případně semináře z angličtiny, neměla být komplikacxe při studiu Strana 2/47

3 Uvedené texty nezahrnují všechno učivo, které je probíráno v prezenční výuce. Text psaný modrou barvou je text rozšiřující, který není povinný. Cvičení jsou úkoly, které mohou být zadávány jako domácí úlohy. Kontrolní testy obsahují otázky, které se pak mohou objevit v opakovacím písemném testu, který bude zadán v prezenční výuce. Výsledek testu bude započítán do klasifikace předmětu biochemie (obor Aplikovaná chemie, 4. ročník a obor Analýza potravin, 3. ročník) nebo chemie (obor Přírodovědné lyceum, 3. ročník). Autotest procvičí znalosti studentů, které při studiu získají. V autotestu je vždy správná pouze jedna odpověď Strana 3/47

4 2 Obsah 1. Celkový obraz 2 2. Obsah 4 3. Úvod Vztah biochemie k ekologii a OŽP 5 4. Organismy a jejich prostředí Charakteristika a základní rozdělení organismů Vztah mezi organismy a prostředím Podmínky života Chemické látky v prostředí Chemické složení živých soustav Složení zemské kůry Koloběh látek v přírodě Cizorodé látky v prostředí Cvičení Kontrolní otázky Autotest Literatura Seznam správných odpovědí na autotesty Rejstřík Strana 4/47

5 3 Úvod Popis lekce: Délka lekce: 45 minut Klíčová slova: Motivace: 3.1 Vztah biochemie k ekologii a OŽP Biochemie je přírodní věda, která se zabývá především chemickým složením živých organismů a chemickými reakcemi, které v nich probíhají. Vztahy mezi organismy a mezi organismy a jejich prostředím se zabývá ekologie. Co se týká ochrany životního prostředí, pak s touto problematikou souvisejí spíše speciální obory biochemie, jako je například xenobiochemie, která se zabývá účinkem cizorodých látek (jedů, léčiv) na živé organismy, nebo patobiochemie, která studuje abnormální změny ve složení organismů a během biochemických procesů. Studiem a sledováním nepříznivých vlivů, které vyplývají z činnosti člověka a dopadají na živé organismy (včetně člověka samotného) a na jednotlivé složky životního prostředí (půdu, vodu, vzduch) se zabývá nauka o životním prostředí. Životní prostředí je podle definice Ministerstva životního prostředí České republiky systém složený z přírodních, umělých a sociálních složek materiálního světa, jež jsou nebo mohou být s uvažovaným objektem ve stálé interakci. Životním prostředím se rozumí vše, co vytváří přirozené podmínky pro existenci živých organismů včetně člověka a je předpokladem jejich dalšího vývoje. Složkami životního prostředí jsou především ovzduší, voda, půda, organismy. Podle vzniku složek lze životní prostředí rozdělit na přírodní a umělé Strana 5/47

6 Strana 6/47

7 4 Organismy a jejich prostředí Popis lekce: Délka lekce: 45 minut Klíčová slova: Motivace: 4.1 Charakteristika a základní rozdělení organismů Časově a prostorově ohraničená soustava (jednobuněčná nebo mnohobuněčná), která je schopna vykonávat všechny základní životní funkce, se označuje jako organismus. Všechny živé soustavy jsou vysoce uspořádané, otevřené (s okolím si vyměňují látky, energii a informace), dynamické, hierarchicky uspořádané, adaptivní (přizpůsobivé). Základní vlastnosti společné společné živým organismům: chemické složení buněčná stavba metabolismus dráždivost přizpůsobivost dědičnost a proměnlivost množivost, růst a vývin pohyb autoregulace schopnost vývoje ZÁKLADNÍ (NESYSTEMATICKÉ) ROZDĚLĚNÍ ORGANISMŮ Rozdělení organismů podle složitosti: jednobuněčné organismy Strana 7/47

8 prokaryotické - archea, bakterie včetně sinic eukaryotické - řasy, prvoci, některá chromista, kvasinky mnohobuněčné organismy - výhradně eukaryotické, většina rostlin, hub, živočichů a některá chromista Rozdělení organismů podle vztahu ke kyslíku: aerobní organismy existenčně závislé na kyslíku, většina živých organismů Další tři níže uvedené typy se týkají pouze mikroorganismů. anaerobní organismy nemohou existovat v kyslíkatém prostředí, mají pouze anaerobní metabolismus fakultativně anaerobní organismy příležitostně anaerobní, primárně využívají kyslík, v případě jeho nedostatku zapojují anaerobní metabolismus mikroaerofilní organismy - aerobní organismy, které však kyslík snášejí pouze v nízkých koncentracích (průměrně kolem 3%), ve vyšších koncentracích je pro ně toxický Rozdělení organismů podle způsobu zisku energie: autotrofní organismy mají schopnost fotosyntézy, světelnou energii přeměňují na chemickou (tj. na organické látky, především sacharidy). Patří mezi ně zelené rostliny, sinice, některé bakterie, většina chromist, výjimečně prvoci (krásnoočka). Vedlejším produktem fotosyntézy je kyslík Strana 8/47

9 heterotrofní organismy nejsou schopné fotosyntézy, organické látky musí přijímat hotové v potravě. Patří sem živočichové, houby, prvoci, některá chromista a většina bakterií. mixotrofní organismy - mají schopnost autotrofní i heterotrofní výživy, například masožravé rostliny Potravní vztahy mezi organismy Fotosyntetizující organismy produkují organické látky se označují jako producenti, což jsou především zelené rostliny a dále fotosyntetizujcí bakterie a sinice, někteří prvoci a chromista. Organismy, které se živí organickou hmotou vytvořenou producenty, se označují jako konzumenti. Rozdělují se do tří skupin: primární konzumenti - býložravci sekundární konzumenti - někteří všežravci a masožravci (živící se primárními konzumenty) terciární konzumenti - velcí masožravci (živící se sekundárními konzumenty) Odumřelá těla všech organismů rozkládají destruenti (reducenti, dekompozitoři), což jsou především heterotrofní bakterie a houby, méně jiné organismy (např. některé druhy hmyzu) Strana 9/47

10 Soubor organismů, které jsou na sobě potravně závislé, tvoří tzv. potravní řetězec Strana 10/47

11 Existují tři základní typy potravních řetězců: 1. pastevně kořistnický: rostlina - býložravec - malý masožravec - velký masožravec 2. rozkladný: postupný rozklad odumřelých organismů za uvelnění látek z jejich těl do prostředí, postupně působí saprofytický hmyz (např. hrobaříci), různé houby a heterotrofní bakterie 3. parazitický: opak pastevně kořistnického řetězce, hostitel - parazit - hyperparazit První typ potravního řetězce charakterizuje posloupnost od rostlin přes býložravce k masožravcům. Výsledkem jsou složité organické látky, které tvoří tělní biomasu. Druhý typ řetězce navazuje na předchozí. Výsledkem jsou jednoduché anorganické látky, které vznikají postupným rozkladem látek organických. V obou řetězcích se navíc vyskytují další organismy, které působí paraziticky. V potravních řetězcích dochází k tvorbě, hromadění a rozkladu látek. Ve spojitosti s tokem látek dochází zároveň k toku energií. Tok energií v ekosystémech je jednosměrný, tok látek má cyklický charakter Strana 11/47

12 obrázek převzat: Tok látek a energií Základním typem energie, kterou organismy mohou využívat, je energie světelná, kterou ve formě fotonů ze slunečního záření přijímají autotrofové. Chemickou energii, tj. organické látky vytvořené autotrofy, přijímají heterotrofové v potravě. Při každém přechodu potravy z organismu na organismus se část energie ztrácí ve formě tepla, jak ukazuje obrázek níže. Množství energie se tedy průchodem v potravním řetězci postupně snižuje a je tedy nutné, aby byla dodávána zvenčí. Základním zdrojem energie je, jak již bylo uvedeno, sluneční záření Strana 12/47

13 Produkce ekosystému Z celkového množství slunečního záření rostliny zachytí jen asi 1%, které následně využijí pro tvorbu biomasy svých těl = tzv. primární hrubá produkce ekosystému. Z ní asi polovinu spotřebují k průběhu svých životních funkcí, např. dýchání apod. Zbytek je pak tzv. primární čistá produkce, která představuje potravní základ pro býložravce. Ti ji využijí jen částečně a to jednak pro pokrytí svých energetických potřeb a zajištění životních funkcí a jednak pro tvorbu své tělesné biomasy = sekundární produkce. Zbývající část z čisté primární produkce, což je v podstatě nespotřebovaná a nezkonzumovaná vegetace, představuje tzv. čistou produkci ekosystému Strana 13/47

14 ologie/ekologie_soubory/image004.jpg Strana 14/47

15 Tok energií v ekosystémech je jednosměrný, tok látek má cyklický charakter (tzv. koloběhy látek). Významný je především koloběh vody a koloběhy biogenních prvků, o nichž bude pojednáno později. Člověk do všech cyklů zasahuje produkcí různých chemických látek, které se dostávají do prostředí (např. hnojiva, léčiva, čistící prostředky, průmyslové exhalace aj.). Tyto chemické látky, z nichž mnohé mohou být pro organismy i neživé prostředí škodlivé, se mohou dostávat do těl nejrůznějších organismů, prostupovat jimi a hromadit se v nich Strana 15/47

16 4.2 Vztah mezi organismy a prostředím Organismy jsou otevřené systémy, které si s okolím si vyměňují látky, energii a informace a přizpůsobují se proměnlivým podmínkám prostředí. Organismy se ve svém prostředí nevyskytují náhodně, ale vždy existuje určitá souvislost mezi typem prosředí a jeho vlastnostmi na straně jedné a strukturou, stavbou, způsobem výživy a dalšími aspekty živých soustav na straně druhé. Organismy jsou aktivní činitelé, kteří na své prostředí reagují, ovlivňují jej a přetvářejí. Prostředí naopak na organismy působí a ony se mu musejí přizpůsobovat. Mezi organismy a prostředím tedy existuje vzájemná interakce. Každý organismus žije v takovém prostředí, které mu umožňuje jeho základní životní funkce, jako jsou látková přeměna, rozmnožování atd. Životní prostředí (přírodní nebo umělé) je tvořeno souborem různých podmínek, které se označují jako ekologické faktory. Jsou dvojího základního druhu: faktory abiotické, tj. takové, které jsou vyvolány "neživými vlivy" (např. teplotou, slunečním zářením, různými fyzikálními a chemickými vlastnostmi půdy, vody a vzduchu) a faktory biotické, které jsou vyvolány žijícími organismy. Jedním z typů biotických faktorů jsou faktory antropogenní, které jsou vyvolány člověkem Strana 16/47

17 obrázek převzat z: Soubor organismů podobných vlastností, schopných navzájem se rozmnožovat a mít plodné potomstvo, se označuje jako biologický druh. Soubor jedinců téhož druhu (různého stáří), který žije v určitém prostoru a čase, se označuje jako populace. Soubor populací různých druhů organismů na určitém biotopu je společenstvo neboli biocenóza. Biocenóza společně se svým biotopem (tzn. živé organismy a jejich neživé prostředí) tvoří ekosystém. organismus druh populace společentsvo ekosystém Strana 17/47

18 Soubor všech ekosystémů na Zemi se označuje jako biosféra. Vyznačuje se velikou rozmanitostí, kterou označujeme pojmem přirozená biodiverzita. Ekosystémy od sebe nejsou ostře ohraničeny, ale navzájem se částečně "překrývají". Hraniční oblasti mezi ekosystémy, tzv. ekotony, jsou druhově velmi bohaté a jsou zde zastoupeny organismy všech stýkajících se ekosystémů Strana 18/47

19 Ekosystémy lze rozdělit na dva základní typy - přírodní a umělé. Umělé ekosystémy vznikají činností člověka. Pro přírodní ekosystémy je základním zdrojem energie sluneční záření, do umělých ekosystémů je člověkem dodávána navíc ještě tzv. dodatková energie, např. hnojením, závlahou apod. 4.3 Podmínky života Životní prostředí je tvořeno souborem různých podmínek, které se označují jako ekologické faktory. Jsou dvojího základního druhu - abiotické ( neživé ) a biotické (tj. živé organismy). Soubor všech abiotických i biotických faktorů, které vytvářejí prostředí organismu (nebo populace nebo společenstva), se nazývá biotop. Souhrn všech faktorů prostředí, které daný organismus potřebuje pro život, se označuje jako nika. Nika zároveň určuje funkční zařazení organismu v daném biotopu a jeho zapojení v koloběhu látek a energií. Rozmezí podmínek prostředí, v nichž je organismus schopen žít, se označuje jako ekologická valence. Složka prostředí, která může nejsnadněji vybočit z ekologické valence, se nazývá limitující faktor. Abiotické podmínky života Podmínky abiotické se rozdělují na 3 základní skupiny: klimatické např. světlo, teplo, voda, vzduch edafické (půdní) např. vlhkost, ph, salinita půdy topografické např. poloha, nadmořská výška, reliéf Sluneční záření Strana 19/47

20 Sluneční záření je zdrojem světla a tepla. Představuje primární zdroj energie využívaný autotrofními organismy, je nezbytné pro průběh fotosyntézy. Ovlivňuje životní funkce a biorytmy organismů. Většina organismů je schopna existovat pouze v určitém omezeném teplotním rozmezí a to asi od -50 C do +50 C. Sluneční záření je elektromagnetické vlnění různých vlnových délek. Vlnová délka viditelného světla se ve spektru elektromagnetického záření nachází mezi infračerveným a ultrafialovým zářením a má hodnotu asi nm. Infračervené záření je zdrojem tepla. Ultrafialové záření se dělí podle biologických účinků na 3 typy - UVA, UVB, UVC, přičemž 99% na Zemi dopadajícího ultrafialového záření je typu A. Záření typy B a C je pro živé organismy nebezpečné, vyvolává poškození buněk, u živočichů vznik rakoviny, u rostlin poškození pletiv a tím pokles intenzity fotosyntézy. Pro zachycování ultrafialového záření je nezbytná ozónová vrstva v atmosféře. Nejvíce je ozónová vrstva poškozována produkcí freonů, oxidů dusíku, zkouškami jaderných zbraní v atmosféře a dalšími antropogenními vlivy. Z přírodních faktorů je ozonosféra poškozována např. výbuchy sopek. Voda Voda je prostředím, ve kterém pravděpodobně vznil život. Všechno vodstvo na Zemi se označuje jako hydrosféra. Z celkového množství vody tvoří asi 97% voda slaná. Sladká voda tvoří pouhá 3% z celkového množství vody na Zemi. Limitujícím faktorem vodního prostředí je obsah kyslíku (někteří autoři uvádějí jako limitující faktor teplotu). Vzduch Vzduch je pro existenci organismů naposto nezbytný a to především z hlediska přítomnosti Strana 20/47

21 kyslíku, který je nezbytný pro dýchání a metabolické procesy aerobních organismů. Kyslík je ve vzduchu obsaženy necelými 21%, asi 78% zaujímá dusík a zbylé 1% ostatní plyny, jako např. oxid uhličitý nebo vzácné plyny. Oxid uhličitý je nezbytný pro fotosyntézu, dusík využívají přímo jen některá prokaryota (např. hlízkovité bakterie). Půda Půda je nejsvrchnější vrstva pedosféry, což je svrchní vrstva zemské kůry. Půda je tvořena tzv. neživou složkou a živou složkou. Neživá složka má minerální část (pevná fáze, půdní plyny a půdní roztok) a organickou část (humus). Živá složka je složena především ze společenstva půdních organismů a kořenových systémů rostlin. Limitujícím faktorem bývá obsah vody v půdě. pg Biotické podmínky života Biotické podmínky jsou představovány organismy, žijícími v daném prostředí. V prostředí se mohou organismy projevovat nepřímým i přímým způsobem. Nepřímo mohou organismy měnit chemické a fyzikální podmínky prostředí, např. vzrostlé rostliny mohou méně vzrostlým stínit a tím snižovat přísun energie pro fotosyntézu, přestože sluneční záření dopadá do prostředí ve stále stejné intenzitě. Přímo organismy na jiné působí např. okusováním nebo požíráním (viz podkapitola Potravní vztahy mezi organismy). Soubor jedinců téhož druhu, který žije v určitém čase na určitém místě, se označuje jako populace. Soubor populací různých druhů organismů na určitém biotopu tvoří společenstvo neboli biocenózu. Ráz společenstva určuje tzv. dominantní populace. Populace, na níž jsou Strana 21/47

22 ostatní populace závislé, se označuje jako klíčová populace. Pro každé společenstvo je charakteristická tzv. druhová rozmanitost neboli biodiverzita. Čím je druhová rozmanitost větší, tím bývá společenstvo stabilnější. istem.jpg&t=1 Vzájemné vztahy mezi organismy mohou být pozitivní (např. symbióza), negativní (např. parazitismus - negativní pro hostitele, ale zároveň pozitivní pro parazita) nebo neutrální, kdy se organismy vzájemně nijak neovlivňují Strana 22/47

23 5 Chemické látky v prostředí Popis lekce: Délka lekce: 45 minut Klíčová slova: Motivace: 5.1 Chemické složení živých soustav Všechny organické i anorganické látky obsažené v organismech jsou složeny z prvků. Prvky tvořící živou hmotu se označují jako prvky biogenní. Celkem se v živých organismech vyskytuje asi 30 prvků. Ve všech živých soustavách se vždy nacházejí tyto čtyři základní biogenní prvky: uhlík, kyslík, dusík a vodík. Živé organismy jsou i přes svoji obrovskou rozmanitost principielně složeny z několika stejných typů látek, které se souhrnně označují jako biomolekuly. Nejhojnější a nejjednodušší biomolekulou v živých soustavách je voda. Voda je nejzákladnější a nejrozšířenější anorganickou sloučeninou obsaženou v živých organismech. Průměrný obsah vody v organismech je % (řasy až 99 %, suché obilky 5 %). Voda se v organismech podílí na vytváření vnitřního prostředí a udržování jeho stálosti, funguje jako rozpouštědlo a transportní médium. Z anorganických látek jaou déle významné soli, které mohou být buň disociované na ionty, nebo nerozpustné ve vodě. Nerozpustné soli jsou součástí tvrdých pojivových tkání, jako jsou např. zuby nebo kosti, rozpustné soli se ve formě iontů cházejí převevším v tělních tekutinách. Významnou sloučeninou je rovněž oxid uhličitý, který je nezbytný pro fotosyntézu a vzniká při metabolický (katabolických) procesech, jako je např. dýchání a uvolňuje se do atmosféry při spalování fosilních paliv. Z organických látek jsou nezbytné pro stavbu a funkci organismů především bílkoviny, nukleové kyseliny, sacharidy a lipidy Strana 23/47

24 pg Biogenní prvky Prvky obsažené v živé hmotě se označují jako biogenní prvky. Z 92 prvků, které se vyskytují přirozeně v zemské kůře je pouze 12 tzv. makroprvků. V živých organismech tyto prvky tvoří až 99% hmotnosti, z čehož 4 prvky - kyslík, uhlík, dusík, vodík - tvoří asi 95%ní podíl. Na ostatních osm makroprvků (sodík, draslík, hořčík, vápník, síra, fosfor, chlór, železo) připadá asi 5%. Uhlík je základním stavebním orvkem obsaženým v živé hmotě. Jeho obsah činí asi asi 19.4%. Kyslík a vodík jsou součástí téměř všech organických sloučenin tvořících živé organismy. Kyslík tvoří asi 62,8% hmotnosti živých systémů, vodík asi 9,3%. Zdrojem vodíku pro organismy je voda, zdrojem kyslíku voda a atmosféra. Dusík je vázán především v aminokyselinách a bílkovinách a v nukleových kyselinách, jeho zastoupení je asi 5,1% Strana 24/47

25 Podle procentického obsahu v sušině se biogenní prvky dělí na tři skupiny: 1) Makrobiogenní prvky jejich procentický obsah v sušině je 0,1 50%, mají stavební funkci. Základní makrobiogenní prvky, které se vyskytují v každé živé soustavě, jsou čtyři: C, N, O, H, dále pak Na, K, Mg, Ca, P, S, Cl, Fe. 2) Mikrobiogenní prvky jejich procentický obsah v sušině je 0,001 0,1%, mají funkci katalytickou (prvky jsou součástí enzymů a umožňují průběh biochemických reakcí). Náleží mezi ně Zn, Mn, Mo, Co, Cu, I. 3) Stopové prvky jejich procentický obsah v sušině je méně než 0,001%, mají stejně jako mikrobiogenní prvky funkci katalytickou, patří mezi ně Se, V, Ti, Br, Si, F, B, Ni a mnoho dalších. Mikrobiogenní a stopové prvky bývají souhrnně označovány jako oligobiogenní prvky. Odlišnost v obsahu biogenních prvků v živé a neživé přírodě svědčí o schopnosti organismů některé prvky koncentrovat a jiné naopak přijímat jen v omezeném množství. Proto je procentuální obsah prvků v živých organismech zcela odlišný od jejich obsahu v okolní neživé přírodě. Obsah biogenních prvků v organismech závisí do jisté míry i na tom, v jakém prostředí žijí a jaký je způsob jejich obživy. Některé chemické prvky, které se v daném prostředí vyskytují ve větší míře, se mohou dostávat do těl organismů a hromadit se v nich (např. selen, zlato aj.). Tyto prvky se označují jako tzv. přídatné (akcidentální) a organismy nijak nepoškozují, naopak v některých případech mohou mít pozitivní význam. Např. selenu bylo zjištěno, že je součástí aminokyseliny selenocysteinu, která je nezbytná pro funkci řady enzymů. Oproti tomu deficit důležitých biogenních prvků nebo naopak hromadění prvků, které působí toxicky, mohou mít pro organismy fatální následky. Toxicky působí např arsen nebo těžké kovy, jako jsou např. olovo, rtuť či kadmium. Tyto toxické nebiogenní prvky mohou v organismech působit tak, že vytěsňují přirozené biogenní prvky a zaujímají jejich místo. Např. ionty Cd 2+ a Hg 2+ mohou v molekulách proteinů vytěsňovat Zn 2+, což má za následek ztrátu biologické funkce daného proteinu. Pokud se inty Cd 2+ kumulují v kostech, mohou vytěsňovat Ca 2+, což vede k postupné destrukci kostní tkáně. Toxicitou jednotlivých nebiogenních prvků se zde však nebudeme zabývat, neboť tato problematika je náplní toxikologie. 5.2 Složení zemské kůry V zemské kůře se přirozeně vyskytuje 92 prvků. Z nich zdaleka ne všechny se vyskytují i v živých organismech. V zemské kůře mají nejvyšší zastoupení kyslík a křemík, které tvoří asi Strana 25/47

26 75%ní podíl z celkového obsahu všech prvků. Oba tyto prvky jsou v zemské kůře stejně jako všechny další vázány zejména v nerostech (např. v oxidech, křemičitanech aj.) a v horninách. Zbylých 90 prvků zaujímá celkem zbývajících asi 25 %. V živých soustavách jsou nejvíce zastoupeny uhlík a kyslík (více než 82 % celkem). 5.3 Koloběh látek v přírodě Mezi živou a neživou hmotou dochází k neustálému oběhu látek. Rozlišujeme tři nejzákladnější látkové oběhy (cykly): geologický cyklus, hydrologický cyklus, bichemický cyklus. Geologický cyklus zahrnuje horotvorné procesy, procesy sedimentace, vulkanismus a další geologické děje. Hydrologický cyklus zahrnuje především výpar vody, srážkovou činnost, transport vody po zemském povrchu a její průsak. V tomto cyklu nekoluje pouze samotná voda, ale i nejrůznější látky v ní obsažené. V biochemickém cyklu dochází k výměně látek mezi živými soustavami a jejich prostředím. Je založen zejména na fotosyntéze, dýchání a potravních vztazích mezi organismy. Pro živé organismy jsou důležité především biogenní prvky. Biochemické reakce zajišťují jejich trvalý oběh. Koloběhy prvků nejsou izolované, ale mohou se navzájem prolínat. Do jejich průběhu Strana 26/47

27 zasahuje i člocvěk. Například spalováním fosilních paliv zasahuje člověk do koloběhu uhlíku, kyslíku a síry. Dále bude zmíněn koloběh vody a oběhy vybraných makroprvků - uhlíku, kyslíku, dusíku, fosforu a síry. Zároveň budou zmíněny nejčastější problémy životního prostředí způsobené nepřirozenými zásahy člověka do těchto koloběhů. Koloběh vody Základní látkou podmiňující život na naší planetě je voda. Voda pokrývá až 70,5 % povrchu Země. Z toho asi 97 % tvoří voda slaná a asi 3 % voda sladká. Voda se na Zemi vyskytuje ve všech třech skupenstvích - kapalná, pevná (led a sníh) i plynná (vodní pára). Hlavní roli v koloběhu vody hrají především moře a oceány jako její největší rezervoáry. V globálním koloběhu rozlišujeme tzv. malý koloběh vody a velký koloběh vody, přičemž v přírodě jsou oba tyto koloběhy provázány. velký koloběh vody: oceán - atmosféra - srážky - řeky - oceán malý koloběh vody: pevnina - atmosféra - srážky - pevnina logie_soubory/image003.jpg Strana 27/47

28 Člověk se významnou měrou podílí na znečišťování vod. Podle druhu a původu znečisťujících faktorů se rozlišuje několik typů znečištění, např.: patogenními mikroorganismy (odpadní vody z městské kanalizace, ze zemědělské výroby, ze skládek), nadbytečnými "živinami" (především fosfor a dusík z hnojiv a pracích prostředků), těžkými kovy (z těžby a zpracování rud), toxickými organickými látkami (pesticidy, organická rozpouštědla), atmosférickým spadem (plynné nebo pevné látky obsažené v ovzduší) atd. Koloběh uhlíku Uhlík je základním stavebním prvkem všech živých organismů. Jeho koloběh je tedy jedním z klíčových cyklů podmiňujících život na Zemi. Uhlík je vázán především v oxidu uhličitém a v uhličitanech a dále pak v odumřelé hmotě, fosilních palivech (ropa, uhlí, zemní plyn) a v Strana 28/47

29 dalších zdrojích (oxid uhelnatý aj.). Do atmosféry se uhlík dostává především při dýchání a spalování fosilních paliv a to ve formě CO 2. Oxid uhličitý se uvolňuje také při rozkladu uhličitanů, např. při zvětrávání vápenců. Spotřebovává se především při fotosyntéze. V průběhu fotosyntézy je oxid uhličitý fixován na určité organické látky a redukován postupně až na sacharidy, které rostliny následně využívají pro tvorbu své biomasy. Do přirozeného koloběhu uhlíku zasahuje člověk především spalováním fosilních paliv (vzrůstá množství oxidu uhličitého v atmosféře), dále např. skládkami odpadů nebo chovem dobytka (do atmosféry uniká větší množství methanu). Skleníkový efekt Nadměrné množství oxidu uličitého v atmosféře se spolupodílí na vzniku tzv. skleníkového efektu. Jeho principem je, jednodušeně řečeno, to, že díky hromadění plynů v atmosféře se Strana 29/47

30 vytváří vrstva, která propouští sluneční záření (světelné i tepelné) ze Slunce na Zemi, ale neumožňuje úplný odraz tepelného záření ze Země zpět do atmosféry. Díky tomu se postupně zvyšuje teplota zemského povrchu. Oxidu uhličitý je nejvýznamnějším "skleníkovým plynem", dále se ne vzniku skleníkového efektu podílí methan, freony, troposférický ozón nebo oxid dusný. Obrázek převzat z: Koloběh kyslíku Koloběh kyslíku probíhá především mezi atmosférou, litosférou a biosférou. Kyslík je jedním ze čtyř základních biogenních prvků, které se vyskytují v živé hmotě. V atmosféře je zastoupen asi z asi 21 %. V litosféře je jeho zastoupení téměř 50%ní ze všech prvků, je součástí nerostů a hornin. Kyslík se dostává do atmosféry jako produkt činnosti autotrofních organismů při fotosyntéze. Při fotosyntéze se kyslík uvolňuje během primárních procesů při tzv. fotolýze vody, což je v podstatě rozklad molekul vody působením světla (fotonů). Z atmosféry proniká kyslík do vody a do půdy. Kyslík se spotřebovává se především při dýchání a spalování fosilních paliv. V půdě je kyslík spotřebováván především při rozkladných procesech a při dýchání aerobních půdních organismů Strana 30/47

31 Negativní dopad na koloběh kyslíku má především nadměrné kácení tropických pralesů nebo nadměrné znečišťování moří a oceánů, díky němuž je likvidován fytoplankton a snižuje se tak produkce kyslíku do atmosféry Strana 31/47

32 Koloběh dusíku Dusík je spolu s uhlíkem, kyslíkem a vodíkem jedním ze čtyř základních makrobiogenních prvků, které jsou obsaženy v každé živé hmotě. Dusík je obsažen především v aminokyselinách, bílkovinách a nukleových kyselinách. V neživé hmotě je vázán především ve formě dusičnanů v litosféře. V atmosféře je jeho podíl velmi značný a to asi 78 %. Dusík tvoří v organismech podstatnou část jejich těl, vyskytuje se především v bílkovinách, které jsou základními stavebními látkami organismů. Po odumření se mrtvá hmota rozkládá působením dekompozitorů. Zjednodušeně je možno říci, že tzv. amonizační bakterie rozkádají bílkoviny a aminokyseliny uvolněné z odumřelých těl postupně až na amoniak. Ten je nitritačními bakteriemi převáděn na dusitany, které se následně působením nitratačních bakterií přeměňují na dusičnany. Dusičnany jsou pak běžnou formou, ve které rostliny přijímají dusík z půdního roztoku pomocí kořenů. Z těl rostlin se pak dále dostává do těl živočichů. Některé rostliny, např. bobovité, potřebují více dusíku, než jsou schopny získat ve formě dusičnanů. Na jejich kořenech proto žijí symbioticky tzv. hlízkovité bakterie (vazači dusíku) které jsou schopny vázat vzdušný dusík a předávat jej rostlině, která bakteriím "na oplátku" poskytuje organické látky. L.gif Strana 32/47

33 Přirozený koloběh dusíku je narušován především nadměrným používáním dusíkatých hnojiv, která jsou následně vyplavována do vodních toků a nádrží. Dusík se pak významnou měrou (spolu s nadbytečným fosforem) podílí na eutrofizaci vody Strana 33/47

34 Rovněž oxidy dusíku, které se dostávají do atmosféry např. z průmyslových exhalací, výfukových plynů apod. mají velmi negativní vliv na životní prostředí. Podílejí se na vzniku kyselých dešťů, podobně jako oxid siřičitý, který vzniká především spalováním hnědého uhlí. Oxidy dusíku i oxid siřičitý postupně v atmosféře oxidují a reagují s vodou za vzniku kyseliny dusičné nebo sírové. Kyselé deště způsobují změnu ph půdy i vody, což má negativní dopad na přítomné organismy, u rostlin dochází díky kyselým dešťům k destrukci pletiv a poškozeny jsou např. i stavby, sochy apod. Koloběh fosforu Fosfor je na rozdíl od výše uvedených makrobiogenních prvků v organismech daleko méně zastoupen. Rostliny jej získávají z půdy ve formě iontů. Potravními řetězci se dostává fosfor do těl živočichů, v nichž tvoří především součásti tvrdých tkání, jako jsou zuby a kosti. V buňkách je však fosfor nezastupitelným prvkem, neboť je součástí tak významných látek, jako je DNA nebo ATP. V přírodě fosfor většinou tvoří málo rozupustné sloučeniny, např. apatit, fosforit, a proto je jeho pohyb v prostředí poměrně pomalý Strana 34/47

35 Do přirozeného oběhu fosforu zasahuje člověk poměrně významným způsobem a to především těžbou fosfátových hornin. Přibližně 80 % vytěžených fosfátů se využívá jako surovina k výrobě hnojiv, přičemž rostliny využijí jen malou část a většina zůstává v půdě ve formě nerozpustných fosforečnanů. Splachováním hnojiv se fosfor dostává do vody. Ve vodách však stoupá obsah fosforu především díky odpadům obsahujícím rozpustné sloučeniny fosforu pocházející především z detergentů (čistících a pracích prostředků). Fosfor se spolu s dusíkem podílí Strana 35/47

36 vysokou měrou na eutrofizaci vod. ver_algae_sichuan.jpg Koloběh síry Síra je jedním z makrobiogenních prvků. V přírodě není příliš rozšířena, nachází se zejména v zemském plášti ve formě sulfidů, v zemské kůře je vázána především v síranech. Součástí přirozeného koloběhu síry je i činnost mikroorganismů - organické zbytky obsahující síru (např. bílkoviny) podléhají rozkladu působením mikroorganismů. Přitom se uvolňuje sulfan, který se dostává do atmosféry, kde se postupně oxiduje na oxid siřičitý. Po dalších následných reakcích se síra z atmosféry dostává spadem se srážkovou vodou dostávají do povrchových vod, do půdy a následně i do podzemních vod. Obdobně probíhá mikrobiální rozklad v oceánech, kde se však činností mikroorganismů uvolňuje dimethylsulfid. Jeho osud je pak shodný s osudem sulfanu Strana 36/47

37 cycle995.jpg Člověk do koloběhu síry zasahuje především spalováním fosilních paliv, zejména hnědého uhlí. Spalováním se do atmosféry uvolňuje oxid siřičitý, který je toxický pro rostliny i živočichy. Tato látka se uvolňuje i při spalování jiných fosilních paliv, která v znikla z těl živočichů (ropa, zemní plyn), neboť v tělech živočichů je síra vždy vázána v bílkovinách. Oxid siřičitý se dostává do atmosféry také při sopečných erupcích Strana 37/47

38 V atmosféře se oxid siřičitý oxiduje na oxid sírový, který se slučuje s vodou za vzniku slabé kyseliny sírové, která tvoří součást kyselých dešťů (viz též koloběh dusíku). Kyselé deště způsobují změnu ph půdy i vody, což má negativní dopad na přítomné organismy, u rostlin dochází díky kyselým dešťům k destrukci pletiv a poškozeny jsou např. i stavby, sochy apod Cizorodé látky v prostředí V předchozím textu bylo pojednáno o látkách biogenně vázaných v organismech a jejich prostředí. Avšak v prostředí se často vyskytují a hromadí (kumulují) i látky škodlivé, cizorodé a s Strana 38/47

39 nežádoucími účinky, často ve zvýšených koncentracích. Takovéto látky se označují jako polutanty a z prostředí se mohou dostávat do těl organismů, v nichž se mohou hromadit. Proces hromadění v živých organismech se označuje jako bioakumulace, proces rozkladu působením živých organismů se označuje jako biologický rozklad neboli biodegradace. Chemické látky jsou v prostředí odbourávány nebo přeměňovány, což vede ke vzniku jejich sekundárních metabolitů. Ty jsou méně toxičtější než látky primární, avšak mohou být i více toxické. Některé polutanty však mohou být vůči přeměnám nebo rozkladu odolné Strana 39/47

40 Polutanty vstupují do jednotlivých složek prostředí, kde podléhají různým transportním a transformačním dějům, jak ukazuje následující schéma: Strana 40/47

41 Strana 41/47

42 Mezi významné polutanty patří např. těžké kovy, dusitany a následně nitrosaminy, kyanidy, polycyklické aromatické uhlovodíky, polychlorované bifenyly, pesticidy a mnohé další. Problematikou vlivu polutantů na organismy a jejich působením na složky a funkce přírodních ekosystémů se zabývá ekotoxikologie. 5.5 Cvičení 1. Které organismy zařazujeme mezi producenty, které mezi konzumenty a které mezi destruenty a proč? 2. Vyhledejte v literatuře nebo na internetu informace o tom, jak se z hlediska potravních vztahů dělí konzumenti. 3. Zopakujte si, jaké jsou základní rozdíly ve stavbě prokaryotické a eukaryotické buňky. Které organismy jsou tvořeny prokaryotickou buňkou a které jsou eukaryotické? 4. Zopakujte si, jaké hlavní části má prokaryotická buňka. 5. Zopakujte si, jaké jsou základní rozdíly a jaké shody ve stavbě rostlinné a živočišné buňky. 6. Zopakujte si a vysvětlete pojmy metabolismus, dráždivost, přizpůsobivost, ontogeneze, fylogeneze. 5.6 Kontrolní otázky 1. Které znaky jsou společné všem živým soustavám? 2. Co jsou to biomolekuly a biologické makromolekuly? 3. Co jsou biogenní prvky a jak se dělí? 4. Jaké funkce má voda v organismech? 5. Jaký je základní rozdíl mezi autotrofy a heterotrofy? 6. Jak se rozdělují organismy podle vztahu ke kyslíku? 7. Vysvětlete pojmy producent, konzument, destruent. 8. Jaké jsou základní rozdíly mezi eukaryotickou a prokaryotickou buňkou? 9. Jak lze studovat živé organismy? 5.7 Autotest 10. Vyber čtveřici, v níž jsou uvedeny pouze mikrobiogenní prvky a. Zn, Mn, Cl, Co b. Mo, Cu, Mn, Mg c. Co, Mo, Si, Fe d. Mn, Cu, I, Zn 11. Vyber trojici, v níž všechny uvedené prvky jsou stopové Strana 42/47

43 a. Ti, Si, I b. Br, F, Cl c. Se, V, Ti d. Mo, Ni, S 12. Průměrný obsah vody v organismech je a % b % c % d % 13. Hlavní anorganickou sloučeninou obsaženou v kostech je a. uhličitan vápenatý b. křemičitan vápenatý c. fosforečnan vápenatý d. fluorid vápenatý 14. Mezi makromolekulární látky nepatří a. bílkoviny b. polysacharidy c. lipidy d. nukleové kyseliny 15. Mezi prokaryotické organismy nepatří a. bakterie b. sinice c. viry d. archea 16. Většina bakterií je z hlediska způsobu výživy a. autotrofní b. heterotrofní c. mixotrofní d. atrofní 17. Anaerobní organismy a. jsou občas schopny žít v kyslíkatém prostředí b. nejsou schopny žít v bezkyslíkatém porostředí c. vyžadují kyslíkaté prostředí Strana 43/47

44 d. nejsou schopny žít v kyslíkatém prostředí 18. Mixotrofní organismy se vyživují a. vždy pouze autotrofně b. vždy pouze heterotrofně c. autotrofně i heterotrofně d. autotrofně pouze při nedostatku sacharidů, jinak výhradně heterotrofně 19. Mezi fotosyntetizující organismy nikdy nepatří a. bakterie b. sinice c. řasy d. houby Strana 44/47

45 6 Literatura 1. Hančová, H. - Vlková, M.: Biologie I v kostce pro SŠ, Fragment, Havlíčkův Brod Mareček, A. - Honza, J.: Chemie pro čtyřletá gymnázia, 3. díl, Nakladatelství Olomouc, Olomouc Klouda, P.: Základy biochemie, Nakladatelství Pavel Klouda, Ostrava Kolektiv autorů: Biochemie - základní kurz, Univerzita Karlova, Praha Kolektiv autorů: Lékařská chemie a biochemie, Academia, Praha Pokorný, P. - Hlásná, D.: Chemie 3 - Biochemie, SNTL, Praha Strana 45/47

46 7 Seznam správných odpovědí na autotesty 1) d; 2) c; 3) c; 4) c; 5) c; 6) c; 7) b; 8) d; 9) c; 10) d Strana 46/47

47 8 Rejstřík cyklus bichemický 26 cyklus geologický 26 cyklus hydrologický Strana 47/47