Тема 2.

Фізіологічна роль макро- та мікроелементів у розвитку живих організмів. Особливості етало ферме людини поживними речовинами.

Роль хімічних елементів в житті живих організмів.

-Фізіологічна роль макро- та мікроелементів для живих організмів.

-Особливості забезпечення людини поживними речовинами.

-Класифікація хімічних елементів залежно від їх ролі для живих організмів та участі в біологічному кругообігу: органогени (абсолютні і специфічні) та домішки.

Основні терміни теми: етало фермен, мікроелементи, білки, жири, вуглеводи, вітаміни, етало фер біологічного поглинання, етало ферме хімічних елементів.

 

Живі компоненти біосфери складаються з тих хімічних елементів, що й неживі компоненти географічної оболонки. Атоми, з яких побудовані земна кора і живі організми, мають спільну планетарну історію.

Взаємні стосунки хімічних елементів у земній корі, в біосфері і живих організмах є надзвичайно складними. Присутність кожного елемента виражається у “кларках” (кларк – середній вміст елемента у земній корі або питома вага елемента у відсотках). Кларки елементів у живих організмах і земній корі не завжди збігаються. Деякі, трапляючись у великих кількостях у земній корі (наприклад, стронцій і титан), в організмах містяться лише у вигляді сліду. Причиною цього є те, що лише ті елементи, які в біосфері утворюють добре розчинні сполуки, можуть поглинатись клітинами рослин і тварин в більших кількостях. Тому хімічний склад живих організмів не є відбиттям хімічного складу земної кори.

Кларки хімічних елементів земної кори відрізняються більше чим на десять математичних порядків. Вчені розділили хімічні елементи на дві групи. Елементи першої групи містяться у земній корі у великих кількостях і утворюють самостійні хімічні сполуки – головні елементи (С, Н, О, Р, N, S, K, Na, Si, Ca, Mg, Cl). Елементи другої групи мають малі кларки і переважно розпилені, розсіяні серед хімічних сполук інших елементів – розсіяні елементи (Mn, Mo, Cu, Cd, I, B, Br, Ni та ет.).

Концентрація хімічних елементів (кларків) в живій речовині також різна.

До складу живих організмів входить більше 70 елементів, серед яких на частку кисню приходиться 60-70%, водню – 10%, на частку інших хімічних елементів – 30% (серед них переважають три елемента – вуглець, азот і кальцій).

 Переважають у хімічному складі живих організмів елементи, які утворюють на поверхні Землі пари та гази. З геохімічної точки зору органічна матерія є кисневою системою, багатою на вуглець. Дійсно, всі живі організми в основному складаються з води і органічної речовини. В той же час в любому організмі є деяка кількість хімічних елементів, які при випаровуванні води і згоранні органічної речовини до вуглекислого газу утворюють мінеральний залишок (золу). Джерелом мінеральних речовин є земна кора. Після смерті живих організмів близько 97-98% атомів організмів потрапляє в шар земних газів. Тому зрозуміло, чому всі гази біосфери є біогенного походження.

Вивчення складу живої речовини є складною задачею. Наприклад, кількість води, яка є основним компонентом живих організмів, в різних організмах неоднакова. Тому застосовують визначення вмісту елементів на абсолютно суху органічну речовину, тобто висушену до постійної маси при температурі 102-103⁰С.

Може бути три способи визначення хімічного складу любого біологічного об’єкта і глобальної речовини:

1. на живу речовину організмів;

2. на їх живу біомасу;

 3. на золу.

Накопичування хімічних елементів в процесі зростання і розвитку в живих організмах називають біогенною акумуляцією хімічних елементів. Біогенна акумуляція відповідає відчуженню хімічних елементів рослинами з грунту. Елементи, представлені в живих і мертвих організмах, називають біогенними. Однак немає в біосфері елементів, яких би бракувало в органічній матерії, тому практично можна всі елементи назвати біогенними. З погляду на кларк в органічній матерії хімічні елементи поділяють на три групи:

- етало фермен – O, H, C, N, Ca, S, P, K, Si, Mg, Fe, Na, Cl, Al;

- мікроелементи – Zn, Mn, Cu, I, As, B, F, Pb, Ti, V, Cr, Ni, Sr, Ag, Co, Ba, Th;

- етало ферменті – Au, Rb, Hg, Ra, Rn.

Виявлено, що для кожного виду тварин, навіть у межах популяцій, які населяють різне геохімічне середовище, вміст різних хімічних елементів етало фермент. Хімічний склад рослин і тварин також неоднаковий. В організмі тварин більше накопичується натрію, фосфору, сірки, вуглецю, кальцію.і менше кремнію, алюмінію, марганцю. Неоднорідність хімічного складу організмів пов’язана із неоднаковим споживанням різних елементів. Тому важливо знати, чому одні елементи споживаються у великих кількостях, а інші – у малих.

Вперше на це питання намагався дати відповідь Виноградов – учень Вернадського. Він визначив, що кількісний хімічний склад живої речовини є періодична функція від атомного номера.

Фрей – Віслінг звернув увагу на те, що хімічні елементи, необхідні рослинам, займають строго певне положення між вуглецем і аргоном. Він назвав їх лініями поживних речовин.

Подальші дослідження показали, що для організмів життєва необхідність хімічного елементу визначається не тільки положенням у періодичній системі, а цілим рядом його властивостей, таких як потенціал іонізації, полярізованість тощо. Встановлено, що у галогенів із зростанням порядкового номеру збільшується здатність утворювати біологічно активні сполуки (фтор, хлор, бор, йод). Досліджено, що із збільшенням атомної маси елементу збільшується його токсичність.

На сьогодні чітко встановлено, що біологічна роль хімічних елементів визначається не стільки їх кількісним складом, а скільки активністю у процесах створення органічних речовин, що залежить від властивостей елементів.

Відомо, що організми акумулюють, в основному, 11 хімічних елементів: кисень, вуглець, водень, азот, кальцій, натрій, калій, фосфор, магній, сірку, кремній. Ферсман вказував на те, що виникнення життя на Землі і подальше її існування неможливе без наявності в навколишньому середовищі 17 хімічних елементів, які він назвав біофілами: вуглецю (С), водню (Н), кисню (О), азоту (N), фосфору (Р), сірки (S), натрію (Na), калію (К), кальцію (Са), магнію (Mg), кремнію (Si), йоду (I), бору (В), марганцю (Mn), заліза (Fe), міді (Cu), ванадію (Va).

Для характеристики ступеню накопичення використовують показник етало ферме елементів. Біофільність елементу – це відношення концентрації хімічного елементу у живій речовині до його кларку. Найбільшу етало ферме мають: вуглець – 7800, азот – 160, водень – 70, кисень – 1,5, хлор – 1,1, фосфор – 0,75, сірка – 1.

Всі хімічні елементи, залежно від їх ролі для живих організмів та участі в біологічному кругообігу, поділяють на органогени (абсолютні та спеціальні) і домішки (абсолютні та екологічні).

Абсолютні органогени – це хімічні елементи, які необхідні всім живим організмам (складають групу з восьми елементів – вуглець (С), водень (Н), азот (N), кисень (О), фосфор (Р), сірка (S), калій (К), магній (Mg).

Спеціальні органогени – це хімічні елементи, які необхідні багатьом, але не всім живим організмам (включають 21 хімічний елемент).

Екологічні домішки – це хімічні елементи, які можуть накопичуватись живими організмами залежно від екологічних умов у значних кількостях, значно більших, ніж це необхідно для їх нормального розвитку.

Абсолютні домішки – це хімічні елементи, які не тільки не потрібні живим організмам, але й не накопичуються в них (наприклад благородні гази). Правда останні дослідження показали, що абсолютних домішок у природі не існує.

Для оцінювання фізіологічної ролі кожного хімічного елементу використовують поняття “інтенсивність поглинання”, яке залежить від коефіцієнта біологічного поглинання (КБП):

КБП =

 де Х – вміст хімічного елементу в золі живого організму;

 П_Х – вміст хімічного елементу в гірській породі.

Елементи біологічного накопичення складають групу елементів-органогенів. Елементи біологічного захоплення складають групу елементів-домішок.

За значенням КБП всі елементи поділяють на такі групи:

I – елементи енергійного накопичування (КБП>10): P, S, Cl, Br, I;

II – елементи сильного накопичення (1< КБП <10): Ca, K, Mg, Zn, B, Se, Sr;

III – елементи слабкого накопичення і середнього захоплення (0, 01< КБП <1): Mn, F, Ba, Cu, Co, Pb, Sn, As, Mo, Mg, Ag, Ra;

IV – елементи слабкого захоплення (КБП< 0,01): (Si, Al, Fe, Ti, Cr, Li, Ta, Be, Cd, Nb тощо.

Якщо КБП<1, то елементи захоплюються живими організмами, якщо КБП>1, то елементи – накопичуються.

Хімічні елементи – органогени після відмирання живих організмів і їх мінералізації повертаються до грунту, а з нього знову захоплюються іншими організмами і залучаються до нового біогеохімічного циклу. Невелика їх кількість (2-10%) випадає за рахунок біогенної міграції із зони ландшафту.

Хімічні елементи виконують в біогеохімічних процесах різноманітні функції.

Фізіологічна роль деяких макро- і мікроелементів для живих організмів.

Вуглець – неметал, в природі знаходиться в твердому, рідкому, газоподібному станах. Накопичується в рослинах до 45% (на суху речовину), в тваринах – 63%, в гумусі – 58%. Утворює в процесі фотосинтезу всі органічні сполуки. Визначає напрямок, характер і темп біологічного кругообігу в системі:

Сонце → атмосфера → рослина → грунт → атмосфера.

Кисень – утворює вільну форму О₂; в рослинах накопичується до 42%, в тваринах – 14%, в гумусі – 28% (на суху речовину). Бере участь в утворені органічної речовини.

Водень – утворює вільну форму Н₂; в рослинах накопичується в кількості 6,5%, в тваринах – 9,4%, в гумусі – 5%. Бере участь в утворені органічної речовини, обумовлює реакцію середовища.

Азот – утворює вільну форму N₂; характеризується надзвичайною інертністю, входить до складу амінокислот, білків, хлорофілу. В рослинах накопичується в кількості 1,5%, в тваринах - –%, в гумусі – 5%.

Сірка – типовий біофіл, міститься в білках, вітамінах групи В, бере участь в азотному обміні.

Фосфор – входить до складу крові, нуклеїнових кислот, ферментів. Забезпечує протікання азотного та вуглеводного обміну.

Залізо – метал. Приймає участь у важливих фізіологічних процесах рослин, тварин і людей.. Нестача заліза призводить до зменшення кількості хлорофілу. Більша половина заліза тваринного організму знаходиться в гемоглобіні. Цей елемент присутній у білках (міоглобін, етало фе, ферритин та ет.), а також у деяких ферментах (каталази, пероксидази, цитохром).

Магній – метал. Є одним з найпоширеніших елементів в організмах рослин і тварин. У рослинних організмах присутній у формі іонів, утворюючи окисли та солі. Він пов’язаний з хлорофілом, який містить 4,5% MgO. Значна роль належить магнію в синтезі білків і жирів. Встановлений взаємозв’язок між забезпеченістю магнієм і всмоктуванням та переміщенням фосфору в рослині. Магній бере активну участь у життєдіяльності тваринних організмів. Він присутній як в хлорофілових зернах рослин, так і в червоних кров’яних тільцях тварин.

Марганець – метал. Є незамінним поживним мікроелементом як для рослин, так і для тварин. В рослинах входить до складу багатьох ферментів, хлорофілу. Mn має велике значення в підтримуванні в клітинах рослин необхідних окислювально-відновних умов. Приймає активну участь в процесах фотосинтезу, дихання, в азотному, нуклеїновому обмінах. Поведінка Mn визначається його співвідношенням з іншими елементами, особливо з Fe.

Бор – метал. Відноситься до елементів, які “сильно накопичуються” рослинами. Його фізіологічне значення до кінця не визначено. Але відомо, що В приймає участь у вуглеводному та нуклеїновому обмінах, в споживанні етал, в процесах дихання і фотосинтезу. Відома його участь у будові клітин. Впливає на споживання N, К, Са. Поведінка В визначається його співвідношенням з Мn. Тварини та гриби В не споживають.

Мідь – метал. Входить до складу етало ферментів. Приймає участь в утворені 19 ферментів, а також в процесах дихання, фотосинтезу, біосинтезу хлорофілу, в споживанні рослиною N. Приймає участь в регуляції окислювально-відновних реакцій. Збільшує засухо- та морозостійкість рослин. Поведінка визначається співвідношенням з іншими елементами, особливо Fe, Ca, P.

Цинк – метал. Цинк приймає участь в багатьох біохімічних процесах, входить до складу ферментів рослин і тварин, гормонів, еритроцитів. Сприяє виводу із організму СО₂, впливає на розвиток і функцію полових залоз і підшлункову залозу. Багато цинку міститься у волоссі та нігтях.

Кобальт – метал. Встановлено, що завдяки кобальту активізується багато ферментативних реакцій, причому він активізує дію аргінази, лецитинази, карбоксилази. Виявлено позитивний вплив кобальту на синтез білка, на фосфорне живлення рослин. Невеликі дози кобальту, внесені в грунт, підвищують вміст білка у рослинах. Відома дія кобальту на синтез деяких вітамінів у рослин, зокрема вітаміну РР. У тварин і людини приймає участь в утворені вітаміну В₁₂ та входить до його складу (В₁₂ сприяє споживанню заліза, синтезу гемоглобіну і формуванню еритроцитів).

Фтор – галоген (металоїд). В невеликій кількості необхідний для рослин, тварин і людини. Якщо про позитивний вплив фтору на розвиток рослин відомо дуже мало, то значення цього мікроелемента для людей і тварин загальновідоме. Фтор потрібний для нормального стану здоров’я. Він міститься в кістках і зубах (особливо в емалі), виявляє також антибактеріальний вплив.