Распространенность химических элементов в природе и их биогенность
В состав земной коры входят прежде всего элементы 1, 2 и 3 периодов периодической системы Д.И.Менделеева (наиболее распространены O, Si, Al, Fe, C, Ca, K, Na, Mg). Американский геохимик Ф.Кларк впервые определил количественное содержание химических элементов в литосфере и их усредненные показатели; количественную долю элемента в % назвали «Кларки» (перечисленные 8 элементов составляют 98,5% земной коры).
Биосферойназывают часть земной оболочки, занятую растительными и животными организмами. По В.И.Вернадскому – это определенным образом организованная среда, переработанная живыми организмами и космическими излучениями и приспособленная к жизни. Ее верхняя граници (тропосфера) находится на высоте 12-15 км, а нижняя (литосфера) – на глубине до 5 км. Таким образом, биосфера включает в себя верхнюю часть литосферы (земной коры), всю гидросферу и нижнюю часть атмосферы.
Академик В.И.Вернадский в своих трудах:
1) показал тесную связь химического состава земной коры и химического состава живых организмов;
2) доказал, что между объектами живой и неживой природы действуют одинаковые силы химического взаимодействия: ионные, ковалентные, межмолекулярные, водородные;
3) разработал учение о биосфере как геологической земной оболочке, не только охваченной жизнью, но и ею образованной;
4) на основе геохимии, биологии и биохимии создал новую науку – биогеохимию.
Академик А.П.Виноградов продолжил исследования:
1) показал, что существует один закон распределения химических элементов в литосфере и биосфере;
2) установил, что количественное содержание химических элементов в живом веществе обратно пропорционально их порядковому №;
3) ввел понятие «биогеохимическая провинция – пространственно-территориальная единица на поверхности Земли, которая отличается от соседних территорий по уровню содержания химических элементов, а это вызывает различную реакцию местной фауны и флоры».
Таблица 14
Массовая доля (%) некоторых химических элементов в биосфере
(по А.П.Виноградову)
| Элемент | Земная кора | Почва | Морская вода | Животные | Растения |
| O | 49,4 | 49,0 | 85,82 | 70,0 | 62,4 |
| Si | 27,6 | 33,0 | 0,00005 | 0,15 | 0,00001 |
| Al | 7,45 | 7,12 | 0,000001 | 0,02 | 0,00001 |
| Fe | 5,0 | 3,8 | 0,000005 | 0,02 | 0,01 |
| C | 0,15 | 2,0 | 0,002 | 18,0 | 21,0 |
| Ca | 3,5 | 1,37 | 0,04 | 0,3 | 1,9 |
| К | 2,5 | 1,36 | 0,038 | 0,3 | 0,27 |
| Na | 2,6 | 0,63 | 1,06 | 0,02 | 0,1 |
| Mg | 2,0 | 0,6 | 0,14 | 0,07 | 0,03 |
Земная кора почти полностью состоит из кремнезема, силикатов и алюмосиликатов кальция и магния. Эти минералы составляют основу горных пород и продуктов их выветривания – почвы, песка, глин.
Миграцию элементов можно условно разделить на две группы:
1.«Биогенная миграция»: перемещение химических элементов в земной коре с участием живого вещества: минералы, природные химические вещества образуются в биосфере в разных количествах благодаря деятельности различныз бактерий и микроорганизмов. Так, живые вещества энергично извлекают из окружающей среды кальций, концентрируя его в своих телах, благодаря чему выполняют кальциевую функцию, характерную для организмов, имеющих кальций-фосфатный скелет. Также благодаря геохимической роли живых организмов образуются многие другие горные породы (например железные, марганцевые, цинковые, ванадиевые и др. руды).
2.«Техногенная миграция»: возникает в результате активной деятельности человека; включает в себя переброску на большие расстояния сельскохозяйственного и промышленного сырья, его переработку. При этом как правило страдает экология отдельных регионов.
Исследования медиков и биохимиков показали, что многие заболевания обусловлены повышенным или пониженным содержанием в организме какого-либо элемента и это часто связано с особенностями биогеохимической провинции. Они получили название «эндемических заболеваний» или «биогеохимических эндемий».
Так, яркие проявления эндемического зоба наблюдается в провинциях с одновременным недостатком I и Co ( например Ярославская область), а в Приморье, напротив, из-за близости большинства населенных пунктов к морскому побережью заболевания щитовидной железы встречаются гораздо реже вследствие повышенной насыщенности воздуха иодом. Нечерноземье характеризуется низким количеством Со, поэтому для этой зоны нередки гиповитаминозы В12. На территории, бедной F, распространен эндемический кариес зубов. Избыток F ведет к деформации костей, эндемическому флюорозу. Избыток B в пище приводит к эндемическим энтеритам и пневмониям.
В конце 20 века ученые полагали, что в организме человека содержится свыше 70 химических элементов (макро - и микроконцентрации). В настоящее время считают, что в живом организме находятся практически все элементы Периодической системы.
Масса человеческого тела на 96% состоит из четырех элементов: C, O, H, N. Еще 3% составляют Ca, P, K, S.
1% массы приходится на Na, Cl, Fe, J, Mg, Cu, Co, Zn и др.
Органогены- элементы, которые составляют структурные образования клетки; это C, O, H, N, P, S. Они прежде всего образуют прочные ковалентные связи, но также способны образовывать лабильные связи, легко подвергающиеся циклическому перераспределению. И это прежде всего углерод. Кислород и водород в органических молекулах определяют в основном способность молекулы к окислительно-восстановительным процессам и отношение к воде. Эти элементы являются обязательными составными частями белков и их роль в развитии жизни на Земле бесспорна.
Макроэлементы: составляют 10% массы и больше. Это H, O, N, P, S, Na, K, Mg, Cl. Они в основном играют роль пластического материала в построении тканей, поддерживают осмотическое давление, рН среды, ионное равновесие, кислотно-щелочное равновесие, состояние коллоидов и т.д.
Микроэлементы:
1) В живом организме: Mn, Cu, Zn, Co, Mo, Fe, J.
2) В растениях: Mn, Cu, Zn, Co, Mo, B.
Вместе с ферментами, гормонами, витаминами и другими биологически активными веществами участвуют в процессах размножения, роста, обмена жиров, белков, углеводов.
Ультрамикроэлементы: составляют менее 10-12% от массы, это остальные элементы таблицы Д.И. Менделеева. С совершенствованием методик определения сведения по содержанию этих элементов расширяются.
Как правило микроэлементы в живых и растительных организмах либо связаны с белками, либо находятся в ионном состоянии. И существуют в основном в виде комплексных соединений.
Синергизм- такое явление, когда присутствие одного вещества усиливает активность другого. Так, Fe и Cu являются синергистами в отношении кроветворения.
Антагонизм – явление, когда действие одного элемента направлено против действия другого. Например, повышая содержание Cu в организме, можно уменьшить содержание Мо, и наоборот, если животные получают с пищей мало Мо, то в печени накапливается Сu и появляются типичные симптомы отравления ею.
Основной источник поступления в организм человека микроэлементов - пищевые продукты растительного и животного происхождения. Содержание разных микроэлементов в пище зависит от геохимических условий местности, в которой получены продукты. Время года также оказывает влияние на баланс микроэлементов. Например, весной отмечается отрицательный баланс железа (особенно у детей) в связи с недостаточным поступлением его с пищей (недостаток в рационе фруктов и овощей).