3 Химический элементный состав организмов

Элементный состав конкретного организма зависит от его систематической принадлежности, возраста, места обитания, индивидуальных особенностей жизни и многих других причин. В процессе эволюции, смены поколений этот состав закрепился наследственностью и приобрел черты относительных биогеохимических констант. Так, в ряске малой 2,5 % С, лишайнике кладония – 21,8 %, в белой мыши – 12,5, в бабочке-капустнице – 20,5 %. Клевер содержит 0,01% Na, солянки 1,5 – 2,0 и более процентов; во многих низших животных – 0,02 – 0,5 % (все данные в % от живой массы). Это позволяет ввести понятие “биогеохимические особенности организмов” – содержание элементов в систематических единицах разного таксономического ранга (вида, рода, семейства и т.д.). Можно говорить о геохимии растений (фитогеохимии), животных (зоогеохимии), человека (антропогеохимии), микроорганизмов. Можно говорить и о биогеохимической классификации организмов, зачатки которой наметились еще в прошлом столетии.

Способность вида накапливать химические элементы, выраженная в суммарных кларках концентрации называется биогеохимической активностью вида(А.Д. Айвазян). Она вычисляется отдельно для катионогенных и анионогенных элементов.

Согласно А.П. Виноградову, элементный состав организма хранит признаки своего происхождения. Он предположил, что виды наземных животных и растений, обогащенные Na и Cl, сформировались на засоленных территориях, что грубые почвы гор, пески, вулканические почвы – области первичного распространения злаков, богатых Si, что роды субтропической флоры, богатой Al, возникли на латеритах. Изучая флору юго-западного Алтая, А.Д. Айвазян показала, что виды растений, сформировавшиеся в гумидных ландшафтах, где преобладают кислые почвы, энергично накапливают катионогенные микроэлементы (Pb, Zn, Cu, Ni, Co и др.) и слабее – анионогенные (Mo, V, Cr, As и др.). Такие растения она предложила именовать гумидокатными. В аридных ландшафтах почвы нейтральные и щелочные, в них легче мигрируют анионогенные микроэлементы и слабее – катионогенные. Поэтому виды, возникшие в аридных ландшафтах, энергичнее накапливают анионогенные микроэлементы. Этоариданитные растения. Закрепляясь наследственностью, гумидокатность может проявиться и в аридных ландшафтах (при миграции гумидокатных видов), а ариданитность – в гумидных. Рационально также выделять гумидокатные и ариданитные виды животных.

Растительный покров является биогеохимическим барьером, на котором концентрируются воздушные мигранты – С, О, Н, N, J, в некоторых ландшафтах и многие водные мигранты. Если считать на золу, то на биогеохимическом барьере накапливаются Р, S, Cl, Br, B, в отдельных ландшафтах и отдельными видами также Са, Mg, Na, Zn, Cu, Mo и другие элементы.

Морские водоросли по сравнению с наземными растениями обогащены Mg, Na, K, S, Cl, Si, Fe, Sr, F, Ba, Br, J, Se, B, Li, Ti, As, Ag, W, Pb и обеднены Ca, Mn, Al, Rb, Cs (при расчете на сухое вещество). Многие из этих закономерностей легко объясняются особенностями состава морской воды. Говоря о концентрации, часто имеют в виду накопление элемента в золе, т.е. величину А_х. В агрономии еще в ХIХ столетии установили, что зола злаков богата SiO₂, зола бобовых – Са, а зола картофеля и подсолнечника – К. Позднее были выделены “алюминиевые растения” (плауны, чай), “железные” (мхи), “иодные” (водоросли), солянки (Na, Cl и др.), гипсофиты, селитрянки (NO₃) и т.д. Известны виды, в золе которых повышено содержание Zn, Cu, Se, Li, Mo и других редких элементов. Особенно большой способностью к поглощению редких элементов обладают мхи и лишайники.

А.Л. Ковалевский, изучая растения Сибири, предложил ряд биогеохимических параметров — ОСВР, ОСОР и др. ОСВР — относительное содержание химических элементов в видах, растущих в сопоставимых условиях (т.е. в одном элементарном ландшафте):

ОСВР = С_i/ С_эт,

где С_i– содержание элемента в изучаемом виде, а С_эт– в эталонном. Для некоторых элементов ОСВР не зависит от ландшафтных условий. Так, если содержание Мо в золе березы плосколистной принять равным 1 (эталон), то ОСВР лиственницы и кедра сибирских в среднем составит 1,1, багульника болотного – 1,2, ивы – 0,8, брусники – 5 и т.д. Если ОСВР превышает 2,5, то такие растения Ковалевский относит к концентраторам, а если менее 0,4 – к деконцентраторам:

Химический состав органов растений также не одинаков: наиболее высоко содержание металлов в листьях и тонких ветвях, меньше – в корнях и коре, минимально – в древесине. Зола листьев и хвои содержит больше Mg, K, P и S и меньше – Са, Sr, Ba, Ra, чем зола ветвей. Параметр ОСОР – отношение содержания элементов в органах растений:

ОСОР = С_о/ С_эт,

где С_о– содержание изучаемого элемента в исследуемом органе, а С_эт– в эталонном (главным образом, в старых ветвях, древесине, корнях). ОСОР меняется на два математических порядка, например, ОСОР Se в астрагалах (надземные органы: корни) достигает 30 – 50, ОСОР Мо и W в деревьях Сибири (хвоя: древесина) колеблется от 3 до 0,03.

Химический состав организмов периодически меняется. Так, по Д. П. Малюге, от весны к осени содержание Со, Ni и Cu в листьях деревьев увеличивается в 2 – 3 раза. Такая же направленность отмечена Н. П. Ремезовым для Si, Fe, Ca. Содержание К и Р в золе трав от весны к осени уменьшается. Эти закономерности установлены для определенных видов и не являются универсальными. В целом, наибольшая сезонная изменчивость характерна для молодых растущих органов (листья) и наименьшая – для старых (ствол, крупные корни). С возрастом состав растений также меняется, в частности увеличивается зольность.

Параметр ОИС характеризует относительное содержание элементов:

ОИС = С_i/ С_фс,

где С_i– содержание данного элемента в золе, в промежуточной фазе, а С_фс– в фазе созревания или в зимний период (для деревьев и кустарников). ОИС не превышает обычно 3 – 10, иногда возрастая до 20 – 40.

Элементный состав растений зависит и от условий среды: растения одного и того же вида, рода, семейства в разных ландшафтах имеют разный состав. В ряде случаев наблюдается прямая пропорциональность между содержанием элемента в растении и питающем субстрате (для Ra, Mo, Co и других элементов).

Однако накопление элементов небесконечно, существует “физиологический барьер поглощения”. Если для Ra он достаточно высок и содержание этого элемента растет с увеличением его концентрации в почве, то для U предел низок, организмы быстро насыщаются и перестают поглощать U из окружающей среды. Следовательно, химический состав растений зависит от их систематического положения и геохимических особенностей ландшафта. Для макроэлементов ведущее значение имеет систематическое положение: физиологические особенности организмов в период видообразования закрепились наследственностью и в дальнейшем растения стали в любых условиях брать то, что им необходимо, даже из бедной почвы, бедного водоема. Для многих микроэлементов ведущее значение имеют геохимические особенности ландшафтов.

Выделяя летучие органические бактерицидные соединения – фитонциды, растения предохраняют себя от болезней. Это первая внешняя линия обороны растений (“химическое оружие”) против своих врагов – микроорганизмов, животных, других растений. Особенно велика роль фитонцидов в реках и озерах. Так, синезеленые водоросли во время цветения выделяют более 10 различных фитонцидов, многие из которых токсичны для одних видов растений и животных (например, для зеленых водорослей, ракообразных) и играют роль стимуляторов для других. Некоторые фитонциды вредны и для высших животных, в том числе для млекопитающих (для крыс ядовиты фитонциды лавровишни и черемухи, для человека — багульника и т.д.). Н. Г. Холодный предположил, что летучие вещества растений могут активировать физиологические процессы у животных. Эти активаторы он назвал атмовитаминами (позднее некоторые из них и получили наименование фитонцидов). Через легкие человека в течение суток проходит 3 – 4 кг воздуха, что обеспечивает в определенных условиях поступление в организм нескольких миллиграммов атмовитаминов. По Б. П. Токину, “благоприятное действие на наш организм соснового бора заключается, в частности, в выделении фитонцидов”. Благотворные ароматы лимонных и апельсиновых рощ, полынной степи, горных лугов — все это примеры положительной роли фитонцидов в жизни человека. Состав и количество фитонцидов – важный геохимический параметр ландшафта. Ему придается большое значение при санитарно-гигиенической оценке ландшафта, озеленении городов, курортном строительстве.

Среди животных также обнаружены концентраторы и деконцентраторы. Многочисленные группы сухопутных и морских животных с известковым скелетом концентрируют Са (моллюски и др.). После их смерти скелеты образуют известковые осадки — толщи озерных и морских известняков. Диатомовые водоросли, концентрируя SiO₂, образуют огромные скопления кремнезема в озерах и морях (трепел, диатомиты). Известны животные, обогащенные Cu — моллюски, раки, пауки.

Хорошо изучены и явления дефицита у животных химических элементов, соответствующие биогеохимические провинции. Дикие животные частично уменьшают дефицит, поедая грунт, используя воду минеральных источников. Такие места именуются “зверовыми солонцами”. А.М. Паничев детально рассмотрел с геохимических позиций эту проблему “литофагии”. Он установил, что в Приморье “зверовые солонцы” приурочены к ландшафтам зон разломов, рудных полей месторождений, распространения гидротермально измененных пород.