1.4. Химические элементы в организмах

Необходимые организмам элементы называют биогенными. Их делят на макро- и микроэлементы.

Макроэлементы участвуют в строении клеток. Главными элементами являются O, C, H, N и P, поскольку O, C и H образуют глюкозу (С₆Н₁₂О₆) – начальный продукт синтеза органического вещества клетки, а N и P входят в состав важнейших биополимеров ДНК и РНК. Для микроорганизмов, например, характерно соотношение

C : N : P = 106 : 16 : 1.

Микроэлементы, так или иначе, обеспечивают процессы метаболизма и потому необходимы для существования организмов. Существенную роль играют S, Ca, Si, Mg, Na, K, Cl. Роль некоторых доказана – Cu, Mn, Fe, Zn, Mo, F, I, Se, функции некоторых неясна – Cr, Ni, V, Sn, As. Так, биохимические процессы, связанные с дыханием, обеспечивают ферменты, которые содержат медь, цинк, марганец. За фотосинтез отвечают марганец, железо и медь. Работа щитовидной железы человека невозможна без йода.

Важно подчеркнуть, что биоте доступны лишь определенные химические соединения элементов. Так, растения в процессе синтеза органического вещества используют двуокись углерода, воду и растворимые соединения фосфора, азота и других элементов.

Общие закономерности химической дифференциации живого вещества в биосфере

Химический состав живого вещества в основных чертах сложился еще на этапе отбора химических элементов и соединений, необходимых для поддержания целостности метаболических процессов и передачи наследственной информации (А. И. Опарин и др.). Последующая экспансия жизни, ее адаптация к различным геохимическим средам сопровождались нарастающей дифференциацией живого вещества.

Ферсман подчеркивал, что химические элементы, входящие в состав живых организмов, подчиняются тенденциям геохимических процессов – концентрации наиболее подвижных элементов. Биогенные элементы определенно группируются в поле ионов наибольших радиусов, наименьшей валентности, а потому наименьших энергетических показателей и наибольшей химической активности. С точки зрения Периодической таблицы элементов элементы биогенеза стремятся к верхним периодам таблицы.

Для основных элементов (C, H, O, N и P) важно их участие в строении сложных органических соединений – биополимеров. Экспериментально показано, что из случайной смеси атомов C, H, O, N, P и их простейших соединений (CO₂, H₂O и др.) с большой вероятностью образуются аминокислоты, углеводы, нуклеотиды и другие соединения, которые способны избирательно вступать во взаимодействия, ведущие к образованию более сложных молекул. В конченом счете, это привело к образованию биополимеров, являющихся основой живых организмов.

Экспансия жизни и ее адаптация к различным геохимическим условиям сопровождались усложнением строения и увеличением разнообразия обменных процессов в организмах. Это объясняет многообразие микроэлементов, которые играют роль катализаторов, но в состав биополимеров, как правило, не входят.

В то же время биота использует элементы, способные образовывать устойчивые соединения с большими энергиями связи, например, [SiO₄]^-4, Ca⁺²[CO₃]^-2, Ca⁺²[PO₂]^-2. Они формируют защитные и опорные органы.

Большая роль микроэлементов не означает, что все поступившие в организм вещества используются. Избыточные или ненужные элементы переносятся внутри организма, поступают в отпадающие органы (листья, хвою) или выделяются вместе с отмирающими клетками.

Таким образом, избирательная концентрация элементов в клетках определяется их ролью в биохимических процессах и является результатом длительного взаимодействия организмов с окружающей средой.

Биохимические процессы могут влиять не только на химический, но и на изотопный состав элементов. Например, при фотосинтезе происходит фракционирование изотопов углерода и отношение ¹²C/¹³C в растениях несколько меньше, чем в неживой природе.

Экспансия жизни, ее адаптация к разным условиям существования привели к тому, что «химический состав не является одинаковым на всем лике Земли, но резко меняется как функция литологического состава горных пород и климатических зон в разных частях биосферы» [2]. Морские организмы содержат больше элементов нечетного ряда, чем наземные. Это объясняется их повышенным содержанием в морской воде. Так, в морских водорослях содержание Na – 3300 мг/100 г сухого вещества, K – 5200, в наземных растениях Na – 120, K – 140 [3].

Виноградовым показана и географическая изменчивость состава организмов. В теплых морях, воды которых насыщены углекислым газом, многие организмы отличаются способность концентрировать карбонат кальция. С перемещением в холодные воды такие организмы встречаются реже, а главную роль в планктоне начинают играть диатомовые водоросли с кремниевым скелетом и рачки с хитиновым покровом.

Одновременно Виноградов подчеркивал, что химический состав организмов не является простым отражением состава среды. Эволюция и естественный отбор выработали регуляторные механизмы. Они обеспечивают стабильный состав организма, необходимый для биохимических процессов. В ходе эволюции независимость состава организмов от внешней среды возрастает. Поэтому у млекопитающих виды одного семейства в биохимическом отношении различаются слабо. У рыб внутривидовые группы имеют комплекс биохимических особенностей, что, в конечном счете, обеспечивает их существование в разных условиях..