Глава 11 Іонні компоненти та їх екологічна роль

11.1. Неорганічні елементи океанічних, морських і прісних вод

У водах Світового океану розчинені практично всі відомі хімічні елементи та їх ізотопи. На 11 основних компонентів — Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Са²⁺, Sr²⁺, СІ^–, SO₄²⁺, НСО₃^– , Br^–, F^- та Н₃ВО₃^– — припадає 99,9 % маси розчинених речовин. У кожному кубічному кілометрі морської води міститься близько 35 млн т твердих речовин, в тому числі 19,8 млн т хлориду натрію, 9,5 млн т магнію, 6,33 млн т сірки, 31 тис. т брому, 3,9 тис. т алюмінію, 79,3 т марганцю, 79,3 т міді, 11,1 т урану, 3,8 т молібдену та інших.

На відміну від океанічних і морських вод прісні води річок, озер, водосховищ та інших водних об'єктів менш насичені розчиненими солями, їх сольовий склад зовсім інший: в океанічних водах переважають хлориди натрію і магнію, а в прісних — карбонати (табл. 5).

Таблиця 5. Склад розчинених солей в океанічних і річкових водах, %

Речовини	Води океану	Річкові води
Хлориди	88,7	5,2
Сульфати	10,8	9,9
Гідрокарбонати і карбонати	0,3	60,1
Інші речовини	0,2	24,8
Всього	100	100

У морських і прісних водах наявні хімічні елементи, які зіграють виключно важливу роль у метаболічних процесах рослин і тварин.

Деякі з них постійно входять до складу біологічних рідин тканин. Найважливіші з них кисень (70 % маси організмів), вуглець (18 %), водень (10 %), азот, кальцій, калій, фосфор, магній, сірка, хлор, натрій. Такі елементи, як водень, вуглець, азот, кисень, фосфор, сірка, утворюють органічну речовину гідробіонтів. Так, вуглеводи і ліпіди містять у своїй структурі водень, вуглець і кисень, а білки, крім того, ще й азот і сірку. До структури нуклеїнових кислот входять азот і фосфор. Тому головними елементами органічних молекул вважають С (вуглець), О (кисень), Н (водень), N (азот), Р (фосфор), S (сір­ку), головними іонами — Na⁺ (натрій), К⁺ (калій), Са²⁺ (кальцій), Mg²⁺ (магній), С1^– (хлор), а мікроелементами – Fe (залізо), Сu (мідь), Мп (марганець), Zn (цинк), Мо (молібден), Co (кобальт), В (бор), Si (кремній), J (йод), V (ванадій).

Неорганічні елементи виконують роль каталізаторів у метаболічних реакціях і є складовими частинами буферних систем, важливими компонентами мембранних структур. З киснем і воднем пов'язано протікання окисно-відновних реакцій у живих системах.

11.2. Натрій, калій і цезій у водних екосистемах

Натрій, калій і цезій належать до групи лужних металів, які легко віддають один електрон, перетворюючись у позитивно заряджені іони. Саме тому вони зустрічаються в природі виключно у вигляді сполук.

Важливою фізико-хімічною характеристикою натрію і калію, яка визначає їх участь у біологічних процесах, є взаємодія з молекулами води, причому Na⁺ закріплює молекулу води в гідратній оболонці міцніше, ніж К⁺. Менша електролітична рухливість натрію пов'язана з його більш масивною гідратною оболонкою. Завдяки цим властивостям іонам натрію належить особливо важлива роль у транспортуванні молекул води через мембрани та підтриманні водно-натрієвого балансу й Рослинах та в тканинах тварин. На відміну від Na⁺ більші за розміром іони калію не змінюють структуру води в гідратній оболонці.

Калій і натрій є постійними компонентами біологічних рідин та структур протоплазми рослин і тварин. Більша частина натрію сконцентрована в мембранах, ядрі і міофібрилах тоді як у цитоплазмі та матриксі мітохондрій його вміст невисокий. Взаємодія значної частини лужних металів з поліелектролітами цитоплазми має електростатичний характер. Внаслідок цього К⁺ і Na⁺ не втрачають свої індивідуальні заряди, а існують в цитоплазмі та внутрішньоклітинних органелах у вигляді іонів, що компенсують негативні заряди поліелектролітів. На відміну від Na⁺, концентрація якого вища в позаклітинних біологічних рідинах, у клітинах міститься в 2—10 разів більше К⁺. Цитоплазматична активність калію залежить від його взаємодії з внутрішньоклітинною водою.

Підтримання концентраційних градієнтів між внутрішньої зовнішньоклітинним рівнем натрію і калію є важливою умовою функціонування організму гідробіонтів.

Роль калію в метаболічних реакціях водяних рослин

Для тканинних структур водяних рослин характерним є досить високий вміст калію і значно менший натрію. Калій у більшості рослин становить 0,9—1,2 % їх біомаси. Найбільша його кількість (80 %) знаходиться у вакуолях. Як осмотичне активний елемент калій впливає на транспорт води, гідратацію протоплазми, знижує її в'язкість, підвищує обводненість. Нагадаємо, що кількість води в клітинах рослин становить щонайменше 70—80 % їх маси. Не більше 1 % такої гомеостатичної води приймає участь у біохімічних процесах. Решта ж складає те внутрішнє середовище, де відбуваються біологічні та фізико-хімічні процеси. За рахунок води підтримується гідростатичний тиск (тургор), який визначає зовнішню форму рослин. Постійно циркулюючи в рослинах, вода переносить розчинені в ній речовини і одночасно звільняє організм від метаболітів і токсичних речовин, тобто виконує роль схожу з функцією гемолімфи або крові.

У мембранах рослинних клітин іони калію сприяють підтри­манню тургору. Калій відіграє надзвичайно важливу роль У функціонуванні продихового апарату вищих водяних рослин, за допомогою якого забезпечується газообмін та обмін вологи між зовнішнім середовищем і клітинним простором. У вищих водяних рослин розміщення продихів залежить від особливостей розташування у воді (плаваючі, занурені, повітряно-водяні).

Нa площі листка 1 см² може бути від 1000 до 100000 подихів. Довжина продихових щілин становить 20—30 мкм, ширина 4—6 мкм. Загальна їх площа по відношенню до площі листка досягає 1 %. У відкриванні продихового апарату виключна роль належить транспорту іонів калію через клітинну мембрану та накопичення їх у замикаючих клітинах. При достатньому накопиченні калію підвищується осмотичний тиск, починає всмоктуватися вода та відкриваються продихи. функціонування продихового апарату, як і транспорт калію, пов'язані з енергозабезпеченням цього процесу за рахунок АТФ. Іони калію створюють іонну асиметрію, а відповідно і мембранні потенціали між клітиною і середовищем. Забез­печення дихання продиховим апаратом є одним з важливих елементів процесів фотосинтезу рослин. З надходженням калію в організм пов'язана активація понад 60 ферментів, зокрема і тих, що забезпечують включення фосфатів в органічні сполуки і синтез рибофлавіну як компонента всіх флавінових дегідрогеназ.

У водоростей калій виступає як активатор багатьох ферментів. Він відіграє важливу роль в осморегуляції і в підтриманні електрохімічного градієнта з обох клітинних мембран.

На відміну від калію, натрій не відіграє такої важливої ролі в життєдіяльності рослин. Вони можуть розвиватись деякий час навіть у безнатрієвому середовищі, але за наявності калію.

Особливості обміну натрію і калію в організмі водяних безхребетних

Біологічна роль Na⁺ і К⁺ в життєдіяльності водяних тварин еволюційно визначилася ще в період становлення біосфери. За своїм іонним складом позаклітинна рідина водяних тварин Дуже схожа з океанічною водою, яку тварини зберегли з часів кембрію. Вважається, що в цьому відобразився вплив того морського середовища, в якому в процесі еволюції формувались перші живі істоти. При зіставленні концентрації неорганічних іонів, особливо Na⁺, K⁺ i Сl^–, у крові морських безхребетних і в морській воді виявляється дуже високий ступінь схожості, що підтверджує океанічне походження мінерального складу позаклітинної рідини, яка закріпилась у процесі еволюції не тільки у сучасних водяних, але й наземних хребетних тварин.

Роль неорганічних іонів у життєдіяльності організмів визначається не поширенням певного елемента в природі, а його властивостями і здатністю до участі в хімічних реакціях, активації ферментів та можливістю впливати на збудливість клітинних мембран. У водяних тварин з усіх іонів внутріклітинного середовища найбільш ефективно регулюється вміст калію. Вміст натрію в позаклітинних рідинах мінливіший клітинах він знаходиться в незначних кількостях. Підтримання певного концентраційного градієнта іонів у клітинах у позаклітинних рідинах в умовах перебування гідробіонтів в прісних або морських водах є однією з найбільш складних функцій організму.

Внутрішньоклітинний вміст Na⁺ і К⁺ регулюється, в першу чергу, самою клітиною і лише потім — усім організмом. Це має особливе значення для адаптації найпростіших, які не мають чітко диференційованих ниркових та позаниркових механізмів регуляції обміну води та неорганічних іонів. Так, при перебуванні інфузорій Tetrahymena в середовищі з високим вмістом натрію (220 ммоль/дм³) протягом короткого часу вміст натрію в їх організмі зростав до 105 мекв/дм³. При перенесенні їх у менш солону воду вміст натрію вже протягом 14 днів знижувався до 43 мекв/дм³, у наступні два місяці — до 21 мекв/дм³. Ці дані свідчать, з одного боку, про істотний вплив водного середовища на концентрацію натрію в організмі найпростіших, а з другого, — про існування у них механізмів, які протистоять вирівнюванню осмотичного (іонного) градієнта між організмом і навколишнім водним середовищем.

У морських організмів осмотична та іонна концентрація внутрішнього середовища наближається до сольового складу морської води. Так, при середній концентрації натрію в морській воді 457 ммоль/дм³ у гемолімфі звичайної устриці (Ostrea edulis) його вміст становить 554 ммоль/дм³, а у слимака морський заєць (Aplysia depilans) — 499 ммоль/дм³. Аналогічні концентраційні співвідношення спостерігаються і у морських ракоподібних. Наприклад, при тій же концентрації натрію у морській воді в гемолімфі лангустів Palinurus vulgaris його вміст не перевищує 545 ммоль/дм3, а у крабів Maja squinada — 500 ммоль/дм³.

У морських кільчастих червів (Aphrodite, Arenicola) концентрація натрію наближається до вмісту у морській воді.

Вміст натрію у гемолімфі прісноводних ракоподібних значно перевищує його концентрацію у водному середовищі. Так, у прісноводного віслюка (Asellus aquaticus), який перебував воді з концентрацією натрію 0,65 ммоль/дм³, його вміст у гемолімфі досягав 137 ммоль/дм³ і перевищував вміст у середовищі більше, ніж у 200 разів. Значно вища концентрація натрію і в організмі кільчастих червів (78,6—85,7 ммоль/дм³).

Існують особливості в розподілі іонів калію між клітинними і позаклітинними біологічними рідинами. У багатоклітинних організмів на міжклітинний простір припадає в різних органах від 16 до 30 % об'єму тканин. При цьому внутрішньоклітинна концентрація калію характеризується більшою стабільністю, ніж у позаклітинній рідині, тобто клітинні механізми оберігають їх внутрішнє середовище від значних зовнішніх впливів і змін. Висока стабільність внутрішньоклітинної концентрації калію, яка мало залежить від коливань гідрохімічного режиму середовища, є еволюційно закріпленою функцією організмів різних трофічних рівнів.

Зіставлення концентрації калію в прісних водах і в організмі безхребетних свідчить про його більш високий рівень у біологічних рідинах і тканинах. Але в порівнянні з натрієм ця різниця менш виражена, що пояснюється більшою участю іонів натрію в саморегулюючих процесах водяних тварин. Так, якщо у прісних водах вміст калію коливається в межах 0,08—0,20 ммоль/дм³, то в гемолімфі жабурниці він становить 0,28—0,48 ммоль/дм³, у прісноводної живородки — 1,2 ммоль/дм³. У морських молюсків величини його концентрації у воді і гемолімфі близькі. У середземноморсько-чорноморської мідії його вміст становить 12,5 ммоль/дм³ (морська вода — 10,1), у серцевидки Ламарка -10,9 і у морського зайця — 9,7 ммоль/дм³. У гемолімфі морських ракоподібних (Palinurus, Squikka, Maja) концентрація калію коливається в межах 10,3—15,0 ммоль/дм³, а у кільчастих червів — 10,1—12,3 ммоль/дм³. Для порівняння відзначимо, що у прісноводних ракоподібних (Asellus, Cambarus) і у кільчастих червів концентрація калію в гемолімфі дещо менша (відповідно 3,9—7,4 і 4,0—6,8 ммоль/дм³).

Як свідчать наведені дані, в організмі морських молюсків і прісноводних безхребетних існує певний рівень вмісту іонів натрію і калію. Є організми, які можуть підтримувати в крові відносну стабільність концентрацій Na⁺, К⁺ та інших елементів перебуванні в різко пересолених водоймах, де розчин солей досягає концентрації ропи. Прикладом може артемія соляна з ракоподібних, яка може жити у пересолені» водах з мінералізацією до 220 %.

Натрій і калій у морських і прісноводних рибах

Організм морських риб гіпоосмотичний по відношенню до морської води. Щоб підтримувати водний баланс, морські риби змушені постійно поглинати морську воду, з якою надходить в організм не тільки натрій, а й інші хімічні елементи, розчинені в ній. Надлишок натрію, який поступає в організм при заковтуванні солоної води, виводиться залозистими (Кейсвільмеровськими) клітинами зябер. Виводяться й інші неорганічні компоненти, які надходять в організм з морською водою.

У прісноводних риб, навпаки, внаслідок постійного проникнення води через слизові покриви тіла регуляторні механізми спрямовані на затримання натрію, калію та інших елементів та виведення з організму надлишку води. У процесі еволюції у прісноводних риб сформувалися ефективні системи підтримання позитивного натрієвого балансу за рахунок його інтенсивної реабсорбції у ниркових канальцях і абсорбції іонів безпосередньо з води залозистими клітинами зябер.

Основна кількість калію у організм прісноводних риб надходить з кормом. У морських риб більша його кількість теж надходить з кормом, хоча при заковтуванні морської води з нею в організм також вводиться певна його кількість. Однак вирішальну роль відіграє все ж надходження за рахунок спожитого корму. У риб, які перебували в морській воді з досить високим вмістом калію, але не живилися, протягом кількох днів різко спадало виділення калію з сечею, а потім зменшувалась і концентрація його в крові. І, навпаки, при перебуванні риб у середовищі з низьким вмістом калію У воді, але при нормальному живленні, всі показники калієвого обміну у них залишались нормальними. При голодуванні карасів одночасно зі збільшенням у гепатопанкреасі вмісту води і натрію спостерігалось падіння вмісту у ній калію. При зменшенні вмісту калію в тканинах золотих рибок до 1,0 мг/дм³ поряд з обводненням тканин підвищувався вміст натрію на 1—2 мг/дм³.

Основою виділення нирками калію із організму кісткових, хрящових риб (скат) та хрящових ганоїдів (осетр, севрюга) є три основних процеси: клубочкова фільтрація при утворенні первинної сечі, реабсорбція і секреція калію в просвіт нефрону. V плазмі крові калій знаходиться у вільному стані і тому переходить шляхом фільтрації у первинну сечу, з якої майже повністю «абсорбується. Виводиться ж з організму лише та кількість калію, яка шляхом секреції клітинами дистального сегмента нефрону потрапляє в збірні трубочки і по них переходить у сечопроводи. Завдяки такому механізмові риби досить чутливо реагують на позитивний або негативний баланс калію в організмі.

Із збільшенням концентрації калію у воді може дещо підвищуватись і його концентрація в плазмі крові. Так, після підвищення його вмісту у воді від 8 до 20 мг/дм3 у прісноводного гольця Salvelinus malma його вміст у плазмі зростав із 3—3,5 до 4,5 мг/дм³.

Природний цезій в організмі гідробіонтів

Цезій належить до калієвої групи лужно-земельних металів. Він має один стабільний ізотоп і 21 радіоактивний. Після випробувань ядерної зброї та аварій на атомних електростанціях у гідросфері збільшилась кількість ізотопів ¹³⁷Cs і ¹³⁴Cs.

В океанічних водах середня концентрація цезію становить 4-10^-4 мг/дм³, а в прісних водах річок Європейського континенту вона коливається від 0,003 до 0,099 мкг/дм³. Значні коливання вмісту цезію в річкових водах обумовлені, очевидно, як геологічними особливостями водозбірної площі, так і антропогенними джерелами його надходження в навколишнє середовище. В атмосферу цезій потрапляє при спалюванні нафти та кам'яного вугілля, в якому його вміст досягає 3,0 мкг/кг. Цим пояснюється той факт, що в донних відкладеннях водних об'єктів, розташованих поблизу теплових електростанцій, вміст цезію значно підвищений. Але основним джерелом надходження цезію у біосферу є не антропогенні, а природні процеси.

Схожістю деяких фізико-хімічних властивостей цезію і калію пояснюється зв'язок між співвідношенням Cs/K у воді і його вмістом в органах і тканинах гідробіонтів. Висловлюється думка про те, що калій виступає як макроносій цезію, і тому їх міграцію в прісноводних екосистемах слід розглядати як споріднену.

Високим вмістом цезію характеризуються вищі водяні і прибережні рослини (0,11—0,37 мг/кг сухої маси). У прісноводних молюсків родини Unionidae він становить 0,005—0,065 мг/кг сухої маси, а у Dreissena polymorpha — 0,008—0,087 мг/кг, а у гіллястовусого рачка Daphnia magna — 0,008—0,053 сухої маси.

У морських гідробіонтів вміст цезію такий: у планктонна водоростей 0,01—0,1 мкг/г сухої маси, у членистоногих 0,067—0,503 мкг/г. Приблизно в цих межах коливається вміст цезію і в м'яких тканинах інших безхребетних. Є дані про те що у водоймах з більш високою загальною мінералізацією води в гідробіонтах накопичується цезію менше, ніж у тих випад, ках, коли вони перебувають у слабо мінералізованих водах.