ХИМИЯ БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ БИОСФЕРЫ

1. Распространенность (кларки) химических элементов природе.

Учение В. И. Вернадского о биосфере и биогеохимия. Химический состав Земли, законы распространения и распределения, способы сочетания, пути миграции и превращения химических элементов на Земле изучает геохимия. Эта наука тесно связана с геологией и минералогией. Она опирается на химические законы и имеет большое практическое значение для прогнозирования местонахождения в земной коре полезных ископаемых. В создание геохимии большой вклад внесли американский исследователь Ф. Кларк (1847—1931) и отечественные ученые В.И. Вернадский (1863—1945) и А. Е. Ферсман (1883—1945).

Раздел геохимии, изучающий химические процессы в земной коре с участием живых организмов, называют биогеохимией. Часть земной оболочки, занятую растительными и животными организмами, называют биосферой.

По В. И. Вернадскому, биосфера — это определенным образом организованная среда, переработанная живыми организмами и космическими излучениями и приспособленная к жизни. Ее верхняя граница (тропосфера) находится на высоте 12—15 км, а нижняя (литосфера) — на глубине до 5 км. Следовательно, биосфера включает в себя нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхнюю часть литосферы.

Распространенность химических элементов в земной коре различна. Сравнительно небольшое число элементов составляют земную кору. Около 50 % массы Земной коры приходится на кислород, более 25 % — на кремний. Восемнадцать элементов — кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний, водород, титан, углерод, хлор, фосфор, сера, азот, марганец, фтор, барий — составляют 99,8% массы земной коры.

На долю всех остальных элементов приходится лишь 0,2 %.

Согласно В. И. Вернадскому, живые организмы (живое вещество) принимают активное участие в перераспределении химических элементов в земной коре. Минералы, природные химические вещества образуются в биосфере в различных количествах благодаря деятельности живого вещества.

Примером геохимической роли живого вещества является кальциевая функция, характерная для всех организмов, имеющих кальций-фосфатный (карбонатный) скелет. Концентрируя кальций в своих телах, живые организмы энергично извлекают его из окружающей среды. Другим примером геохимической роли живого вещества является образование горных пород, например железных руд, в результате деятельности микроорганизмов.

Изучая геохимические превращения в земной коре, В. И. Вернадский установил, что изменения, происходящие в верхних слоях земной коры, оказывают определенное влияние на химический состав живых организмов. Исследования химического состава земной коры, почвы, морской воды, растений, животных, человека показали, что в живых организмах, в том числе и у человека, можно обнаружить почти все те же элементы, которые есть в земной коре и морской воде. Таким образом, были подтверждены предположения В. И. Вернадского о сходстве химического состава земной коры и живых организмов.

Содержание элементов, ковалентно связанных с органической частью биомолекул, уменьшается с ростом заряда ядра атомов элементов в данной группе периодической системы в 1ПА— У1А-группах, например ш(О) >ш(5) >ш(5е) >м^(Ге). Содержа­ние элементов, находящихся в организме в виде ионов («-элементы 1А—ПА-групп, р-элементы УПА-группы), с ростом заряда ядра атома элемента в группе увеличивается до элемента с оптимальным ионным радиусом, а затем уменьшается. Так, например, в ПА-группе при переходе от бериллия к кальцию содержание элементов в организме увеличивается, а при дальнейшем переходе от бария к радию снижается. Аналогично и в УПА-группе: при переходе от фтора к хлору содержание элемента в организме увеличивается, а затем уменьшается.

Пути поступления химических элементов в организм человека разнообразны (рис. 5.2). В процессе эволюции от неорганических веществ к биоорганическим основой использования тех или иных химических элементов при создании биосистем является естественный отбор. В табл. 5.1 приведены данные о содержании химических элементов в земной коре, морской воде, растительных, животных организмах. Из табл. 5.1 видно, что большую долю вещества живых организмов составляют элементы, которые имеют довольно высокую распространенность в земной коре (рис. 5.3). Однако эта закономерность соблюдается не всегда. Так, в земной коре содержится много кремния (27,6%), а в живых организмах его ганец, фтор, барий — составляют 99,8% массы земной коры. На долю всех остальных элементов приходится лишь 0,2 %.

мало. Аналогично и для алюминия, который в больших количествах содержится в земной коре (7,45 %) и в очень незначительных (Ы0~⁵%) —в живых организмах.

Непропорциональное содержание элементов в организме и среде связано с тем, что на усвоение элементов влияет раство­римость их природных соединений в воде. Природные соединения кремния 5Ю2, алюминия А^Оз практически нерастворимы, поэтому они не усваиваются живыми организмами. Наблюдается и обратная картина, например, углерод в незначительных количествах содержится в земной коре (0,35%), а по содержанию в живых организмах занимает 2-е место (21 %).

Увеличенное содержание элемента в организме по сравнению с окружающей средой называют биологическим концентрированием элемента.

В результате естественного отбора основу живых систем со­ставляют только шесть элементов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера, получивших название органогенов. Эти элементы составляют в организме 97,4%.

Органогеном номер 1, несомненно, является углерод. Он способен образовывать прочные ковалентные связи.

Кислород и водород скорее следует рассматривать как носи­тели окислительных и восстановительных свойств органических соединений углерода. Соотношение кислорода и водорода в биомолекулах определяет тенденцию этих соединений к диспропорционированию и взаимодействию их с водой — средой живых организмов.

Остальные три органогена — азот, фосфор и сера, а также некоторые другие элементы — железо, магний, составляющие активные центры ферментов, как и углерод, очень лабильны. Для органогенов характерно образование водорастворимых соединений, что способствует их концентрированию в живых организмах. Характерным для органогенов, а также для некоторых металлов железа, магния и других является исключительное раз­нообразие образуемых ими связей. Это в значительной мере определяет разнообразие биомолекул в живых организмах.

Рис. 5.3. Содержание химических элементов в земной коре и организме человека