2. Учение В.И. Вернадского о биосфере и биогеохимии. Распространение химических элементов в природе. Соотношение между химическим составом живых организмов и окружающей среды. Связь эндемических заболеваний с особенностями биогеохимических провинций.

Биогеохимия – это наука, изучающая распределение химических элементов и их миграцию в биосфере. Основным вопросом биогеохимии является вопрос о взаимосвязи живого и неживого вещества. Становление биогеохимии как науки произошло в 30-е годы XX века. Ее основоположником является академик В.И. Вернадский (1863-1945). Биосфера – это единственная область Земли, занятая жизнью. Все живые существа в ней образуют биомассу, причем человечество составляет лишь небольшую ее часть. Анализируя содержание элементов в земной коре и в живых организмах, Вернадский пришел к выводу, что качественный состав этих объектов близок. Он предполагал, что в живом организме когда-нибудь будут найдены все элементы ПС, обнаруженные в неживой природе. Однако по количественному составу объекты живой и неживой природы существенно отличаются друг от друга. 98 % земной коры составляют 8 химических элементов: О, Si, Al, Fе, Са, Na, К, Mg. В живом организме преобладают 6 элементов: С, H, О, N, P, S, на которые приходится 97,4 % массы тела. В земной коре преобладают металлы, а в живых организмах - неметаллы. Из основных элементов биомассы только кислород и кальций широко представлены в земной коре. Такие элементы как кремний, алюминий и железо, находящиеся в земной коре в наибольших количествах, в биомассе представлены в невысоких концентрациях. Согласно теории А.П. Виноградова, живые организмы легко накапливают те химические элементы, которые образуют газы и пары атмосферы или водорастворимые соединения с главными ионами гидросферы: H⁺, OH‾, HCO₃‾, CO₃²‾, I‾, SO₄²‾, PO₄³‾. А.П. Виноградов (1895-1975) сформулировал понятие о БИОГЕОХИМИЧЕСКОЙ ПРОВИНЦИИ. Это часть биосферы, характеризующаяся экстремальными геохимическими условиями и определенными постоянными реакциями организмов на них (эндемические заболевания, возникновение мутантов, уродства и др.). Наряду с заболеваниями, вызванными загрязнениями окружающей среды, существуют заболевания, связанные с аномальным содержанием некоторых элементов в почве, водоемах той или иной географической зоны. Такие заболевания называются эндемическими.Например, Белорусское Полесье характеризуется крайне низким содержанием йода, что приводит к массовым случаям заболевания щитовидной железы (эндемический зоб). Спектр йоддефицитных заболеваний весьма широк. Дефицит тиреоидных гормонов у плода приводит к снижению умственного развития, вплоть до кретинизма. В результате исследований выяснилось, что от йодного дефицита страдает мозг ребенка, а также его слух, речь, зрительная память. Биогеохимия явилась фундаментом для современной экологической химии, изучающей вопросы, связанные с характеристикой основных химических токсикантов, методами борьбы с ними, изысканием новых экологически чистых источников энергии. Существуют биогеохимические провинции с пониженным и повышенным содержанием в них какого-либо элемента, например, геохимическая провинция с повышенным содержанием стронция (река Уров, Восточная Сибирь), меди (Башкирстон), молибдена (некоторые районы Армении), пониженным содержанием иода (западные области Украины), кобальта (Ярославская область). В настоящее время твердо установлено, что недостаток определенных химических элементов в почве приводит, соответственно, к пониженному уровню этих элементов в организме людей, проживающих в данной местности, и к тем или иным заболеваниям. Макро- и микроэлементы и их соединения широко используют в медицинской практике, сельском хозяйстве.

3. Биологическая роль элементов в зависимости от положения в пс д.И. Менделеева.

Установлена взаимосвязь между содержанием элемента в организме и его положением в ПС. В подгруппах сверху вниз происходит увеличение токсичности химических элементов и их соединений и, как следствие, уменьшение содержания в биомассе. V, Cr, Ni, Cd, Hg - признаны остротоксичными. На токсичность химического элемента влияет степень его окисления в соединении. Чем выше степень окисления элемента, тем выше его токсичность. Так, ионы хрома Сr³⁺ являются малотоксичными, а анионы СrO₄^2- и Cr₂O₇^2-, содержащие Cr⁶⁺, характеризуются высокой токсичностью. К важнейшим токсикантам относятся: 1) СО₂ – энергетика, промышленность, отопление. Избыток CO₂ в атмосфере создает парниковый эффект; 2) СО – металлургия, транспорт, переработка нефти; СО образует комплекс с гемоглобином (кровь теряет способность переносить кислород); 3) SO₂ – энергетика, химическая промышленность, переработка нефти; является причиной появления кислотных дождей. 4) NO и NO₂ – двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели, домны, химическая промышленность; кислотные дожди и разрушение озонового слоя Земли; 5) Hg – производство лаков и красок, обогащение руд, целлюлозно-бумажная промышленность; 6) Pb – химическая и горнодобывающая промышленность, двигатели внутреннего сгорания; 7) фосфаты - химические моющие средства, удобрения; 8) нефть – нефтеперерабатывающая промышленность, транспортировка нефти; 9) пестициды – сельское хозяйство, хлорирование воды (диоксины); 10) радиация – производство ядерного топлива, атомная энергетика.

4. Понятие о биогенных элементах. Макро- и микроэлементы в организме человека. Топография важнейших биогенных элементов в организме человека.

БИОГЕННЫМИ называются химические элементы в той или иной форме входящие в состав биомассы и выполняющие в ней определенные жизненные функции. К важнейшим биогенным элементам относятся: 6 неметаллов-органогенов: C, O, H, N, P, S; 10 биометаллов (металлов жизни): Na, K, Mg, Ca (s-элементы) и Fe, Co, Cu, Zn, Mn, Mo (d-элементы).По содержанию в биомассе химические элементы делятся на: МАКРОЭЛЕМЕНТЫ (более 10‾² %): неметаллы-органогены и Cl, а так же биометаллы, относящиеся к s-блоку; МИКРОЭЛЕМЕНТЫ (10^‾5-10^‾3 %): биометаллы, относящиеся к d-блоку, а так же Ni, Cr, Si, B и др.;УЛЬТРАМИКРОЭЛЕМЕНТЫ (менее 10^‾5 %): Hg, Au и др. Исходя из современной квантово-механической интерпретации периодической системы, классификация химических элементов производится в соответствии с их электронной конфигурацией. Она основана на характере заполнения орбиталей электронами. В соответствии с этим принципом все элементы делятся на s-, p-, d- и f - блоки или семейства. Органы человека по-разному концентрируют в себе различные химические элементы, то есть микро- и макроэлементы неравномерно распределяются между разными органами и тканями. Большинство микроэлементов накапливается в печени, костной и мышечной тканях. Эти ткани являются основным депо (запасником) для многих микроэлементов.Микроэлементы могут проявлять специфическое родство по отношению к некоторым органам и содержаться в них в высоких концентрациях. Хорошо известно, что цинк концентрируется в поджелудочной железе, йод – в щитовидной, фтор– в эмали убов, алюминий, мышьяк, ванадий накапливаются в волосах и ногтях, кадмий, ртуть, молибден – в почках,олово – в тканях кишечника, стронций – в пигментной сетчатке глаза, бром, марганец, хром – в гипофизе и т.д.В организме микроэлементы могут находиться как в связанном состоянии, так и в виде свободных ионных форм. Установлено, что кремний, алюминий, медь и титан в тканях головного мозга находятся в виде комплексов с белками, тогда как марганец – в ионном виде. Кислород и водород – макроэлементы. Они входят в состав воды, которой в организме взрослого человека в среднем содержится около 65%. Вода неравномерно распределена по органам, тканям и биологическим жидкостям человека. Так в желудочном соке, слюне, плазме крови, лимфе вода составляет от 90 до 99,5%. В моче, сером веществе головного мозга, почках – 80%. В белом веществе головного мозга, печени, коже, спинном мозге, мышцах, легких, сердце – 70-80%. Меньше всего – 40% воды содержится в скелете. Макроэлементы – углерод, водород, кислород, азот, сера, фосфор – входят в состав белков, нуклеиновых кислот и других биологически активных соединений организма. Углерод, водород и кислород входят также в состав углеводов, содержание которых в тканях животных невелико – примерно 2%. Эти элементы входят в состав липидов (жиров). Кроме того в состав фосфолипидов входит фосфор в виде фосфатных групп. В наибольшей степени липиды концентрируются в головном мозге, а затем в печени, молоке и сыворотке крови. Однако основное количество фосфора – 600 г – содержится в костной ткани. Это составляет 85% от массы всего фосфора, находящегося в организме человека. Концентрируется фосфор и в твердых тканях зубов, в состав которых он входит вместе с кальцием, хлором, фтором в виде гидроксил-, хлор-, фторапатитов общей формулы Ca5(PO4)3X, где Х = ОН, Cl, F соответственно. Кальций преимущественно концентрируется в костной ткани, а также и в зубной ткани. Натрий и хлор в основном содержатся во внеклеточных жидкостях, а калий и магний – во внутриклеточных. В виде фторидов натрий и калий входят в состав костной и зубной ткани. Магний в виде фосфата Mg3(PO4)2 содержится в твердых тканях зуба. В теле взрослого человека содержится около 3 кг минеральных солей, причем 2,5 кг этого количества приходится на долю костной ткани. Некоторые макроэлементы (магний, кальций) и большинство микроэлементов содержатся в организме в виде комплексов с биолигандами – аминокислотами, белками, нуклеиновыми кислотами, гормонами, витаминами и т.д. Так, ион Fe2+ в качестве комплексообразователя входит состав гемоглобина, Co2+ - в витамин В12, Mg2+ - в хлорофилл. Известны многочисленные биокомплексы и других элементов (Cu, Zn, Mo и др.), играющие важную биологическую роль в организме. На изменение содержания в организме химических элементов влияют различные заболевания. Так, при рахите происходит нарушение фосфорно-кальциевого обмена, что приводит к снижению содержания кальция в костной ткани. При нефрите из-за нарушения электролитного обмена уменьшается содержание кальция, натрия, хлора и повышается содержание магния, калия в организме. В поддержании определенного содержания макро- и микроэлементов в организме участвуют гормоны.