Биогеохимия
Было доказано, что между химическим составом почв и формами растущих на них растений существует тесная взаимосвязь. Некоторые растения способны концентрировать определенные химические элементы из окружающей среды (почвы, воды). Так, содержание Силиция, Фосфора, Мангана в растениях примерно в 103-105 раз больше, чем в морской воде.
Основатель биогеохимии академик Вернадский, изучая распределение химических элементов в земной коре, впервые обосновал роль живого вещества в миграции элементов и показал значение химических элементов для жизнедеятельности и эволюции организмов человека и животных.
Изменения в земной коре, которые происходят тысячелетия, влияют на химический состав и течение биохимических реакций в живых системах, а те, в свою очередь, обуславливают миграцию химических элементов в природе.
Под миграцией химических элементов понимают их перемещение в окружающей среде. Если такое перемещение происходит с участием живого вещества, то миграцию называют биогенной.
Итак, под влиянием живых систем в природе происходит постоянный круговорот химических элементов. Организм выборочно ассимилирует из биосферы определенные химические элементы. При этом их концентрация зависит от растворимости соединений этого элемента в среде обитания организма, а также заряда ядра данного элемента.
Например, Силиций, Алюминий, Титан – достаточно распространенные элементы земной коры, однако, в связи с малой растворимостью их соединений в воде эти элементы входят в состав живых систем в малых количествах.
Карбон, Нитроген, Фосфор, Йод — элементы менее распространены в земной коре, однако, вследствие хорошей растворимости их соединений в воде, содержание этих элементов в организме значительно больше.
Развивая учение В. Вернадского о химическом составе земной коры (литосферы) и живых систем, академик А. Виноградов установил закономерность распределения химических элементов в литосфере и биосфере, суть которой заключается в следующем:
- Химический состав живых организмов является выражением химического состава среды обитания
- Количественное содержание химического элемента в живом веществе обратно пропорционально порядковому номеру этого элемента в периодической системе элементов или заряду его ядра.
Классификация биоэлементов
Таким образом, на основе естественного отбора определились химические элементы, являющиеся незаменимыми компонентами существования и функционирования живых организмов. Они входят в состав различных биологических систем играют в них определенную физиологическую роль.
В 1974 году Ковальский предложил разделить химические элементы, которые в то время были обнаружены в организме человека и животных, на три основные группы.
- Первую группу составляют 20 незаменимых элементов, которые постоянно содержатся в организме человека, а также животных, и входят в состав белков, ферментов, витаминов, гормонов, нуклеиновых кислот. Из неметаллов сюда входят – C, H, O, N, P, S, Cl, I, Se, а из группы металлов – Na, K, Ca, Mg, Zn, Cu, Fe, Co, Mn, V, Mo.
- Во вторую группу вошли элементы, которые тоже постоянно содержатся в живых организмах, но их функция изучена недостаточно. Это неметаллы – F, Br, Si, As и металлы – Li, Cs, Вe, Sr, Bа, Cd, Hg, Ag, Pb, Ви и др.
- К третьей группе относятся элементы, обнаруженные в живых организмах, однако их количественный состав и биологические функции еще не были изучены (TI, Тe, W, Au).
E. Андервуд предложил классифицировать химические элементы организма на такие три группы:
- элементы, незаменимые в питании высших организмов (Fe, Сu, Zn, Mn, Co, Mo, Cr, Sn, I, Se);
- возможно необходимые для функционирования живых систем (F, Вт, As, B, Ni, V и др.);
- элементы, биологическая роль которых не установлена (Au, Ag, Ti, Sb).
Содержание биометаллов в организме
За годы, прошедшие со времени первой классификации элементов, была доказана биологическая роль многих элементов, которые можно отнести к группе незаменимых элементов. Это неметаллы – F, Br, I, B, Si, Se и металлы – Al, Cr, Ni, Sn.
Следовательно, распределение элементов на группы по классификации B. Ковальского и Э. Андервуда является условным.
| Биометалл | % мас | г/70 кг |
|---|---|---|
| Кальций | 1,5 | 1050 |
| Калий | 0,35 | 245 |
| Натрий | 0,15 | 105 |
| Магний | 0,05 | 35 |
| Ферум | 0,01 | 5 |
| Цинк | 2,7х10-3 | 1,9 |
| Купрум | 2х10-4 | 0,15 |
| Манган | 2,8х10-5 | 0,02 |
| Кобальт | 4х10-6 | 0,003 |
| Хром | 2х10-6 | 0,0015 |
Важнейшими из них являются химические элементы, составляющие 97,5 % от общей массы организма. Это шесть химических элементов: О, СН, N, P, S, которые называют органогенными элементами. Их содержание в организме и биологическая роль известны, но они являются предметом исследования в курсе биоорграничной химии и биохимии.
A. Виноградов предложил разделить биоэлементы по количественному содержанию их в организме на макро-, микро- и ультрамикроэлементы.
Макро- и микроэлементы
К макроэлементам, кроме вышеперечисленных элементов-органогенов, относят еще следующие элементы: K, Na, Ca, Mg, Cl. Их массовая доля в организме составляет 0,01% (10-2% мас.) и более. Микроэлементы входят в состав живых организмов в меньших количествах – от 10-3 до 10-6 % мас.
Биологическая роль микроэлементов изучается уже несколько веков. Еще в начале XVII ст. французские ученые Лемери и Теория обнаружили Ферум в тканях человека и животных, однако более детальные исследования начались во второй половине XIX в.
Так, в 1852 г. медикам стало известно, что элемент Йода активирует функцию щитовидной железы. Позже появилось сообщение об участии ионов Cu2+ в кроветворении, а также информация о влиянии ионов Лития на обмен веществ.
Важные исследования того периода были связаны с изучением роли Ферума и Купрума в кроветворении. Было также подтверждено, что определенные микроэлементы влияют на течение обменных действий в живых организмах.
Когда в некоторых странах животные часто болели малокровием, сильно худели и погибали, активные поиски причин этого явления привели исследователей к открытию дефицита Купрума и Кобальта в корме этих животных.
Состояние больных животных улучшалось при введении в их кормовой рацион указанных химических элементов. Позже были проработаны методы лечения и такой тяжелой болезни, как злокачественная анемия, которая долгое время считавшаяся неизлечимой.
При недостатке в почвах Купрума и Ферума растения болеют хлорозом, а избыток в них Молибдена, Селена, Флуора также вызывает различные заболевания животных и людей.
Существуют целые географические территории, отличающиеся качественным составом и количественным содержанием химических элементов в почвах, их называют биогеохимическими провинциями.
В живых организмах, населяющих эти территории могут происходить определенные патологические изменения, возникать эндемические заболевания.
Известны провинции с пониженным содержанием Йода (горные районы западных областей Украины) или Кобальта, Купрума, Молибдена (некоторые области в России, Прибалтике), а также провинции с повышенным содержанием Купрума (Башкирия), Купрума и Никеля (Казахстан).
Доказано, что такие болезни как зоб, подагра, кариес зубов тесно связаны с содержанием в организме определенных химических элементов. Следовательно, животный и растительный мир находятся в постоянной и тесной связи с биосферой (гидросферой, литосферой и атмосферой).
И несмотря на то, что некоторые элементы входят в состав живых организмов в микроколичествах, они играют важную роль в процессах их жизнедеятельности. В настоящее время к микроэлементам относят более 20 химических элементов, количественное содержание которых в организме известно и доказана их биологическая роль.
Ультрамикроэлементы
Если массовая доля элемента в организме составляет менее 10-6 мас.%, то их относят к ультрамикроэлементам или следовым элементам (Au, Hg, Ti).
Исследование содержания и роли этих частей в жизнедеятельности организма просит сложного аналитического оборудования. Но наши знания об этих элементах постепенно расширяются, поскольку методы физико-химического анализа постоянно усовершенствуются.
Заслуживает внимания систематика биогенных элементов А. Венчикова, где основным является значение элемента для физиологических процессов. Согласно этой классификации, все химические элементы с известной физиологической функцией, независимо от их количественного содержания в организме, относят к биотикам.
С одной стороны биотики – это макро- и микроэлементы, поскольку они постоянно содержатся в тех или иных органах и при их дефиците нарушается нормальное функционирование этих органов. С другой стороны, это витамины, ферменты, гормоны и другие биологически активные вещества, участвующие в обменных процессах живого организма.
По этой классификации все биоэлементы можно разделить на четыре группы:
- Элементы (C, H, O, N, P, Cl, K, Na, Ca, Mg), которые создают условия для протекания физиологических процессов в биожидкостях, поддерживая кислотно-основное равновесие, определенную величину рН, осмотического давления, а также элементы, выполняющие роль пластического материала для построения тканей.
- Элементы, участвующие в обмене веществ, поскольку входят в состав значительного количества металлоферментов (Fe, Zn, Cu, Мо), витаминов (Сo), гормонов (1).
- Элементы, способствующие образованию в организме веществ, подавляющих размножение и развитие микроорганизмов (As, Sb, Ag).
- Элементы, регулирующие течение различных окислительно-восстановительных реакций (Mn, Cu, Cr). Есть еще другие виды классификации биоэлементов, но все они имеют определенные недочеты, так как химические элементы в живых системах в большей степени выполняют не одну, а несколько функций. Поэтому исследования в данной области активно продолжаются.
Во второй половине ХХ ст. сформировалась новая наука о роли ионов металлов и их соединений с белками, нуклеиновыми кислотами, липидами в жизнедеятельности организмов, получившей название бионеорганическая химия.
Задачей бионеорганической химии является моделирование биокомплексов и биологических процессов, объяснение механизма биологической активности металлов, профилактика заболеваний и поиск новых лекарственных препаратов.
Основателями бионеорганической химии считают таких ученых, как В. Вернадский, П. Пфейфер, Л. Чугаев, К. Яцимирский.
Достижения бионеорганической химии сейчас находят применение в практической деятельности человека. Например, на основе научных обобщений разработаны рекомендации по рациональному ведению сельского хозяйства, эффективному использованию микроудобрений и в области охраны окружающей среды.
