ХИМИЯ БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
I. Распространенность химических элементов в природе.
Раздел науки, изучающей химический состав Земли, законы распространения и распределения химических элементов на Земле называется геохимия.
Из 114 химических элементов, составляющих периодическую систему, к природным или естественным относится 89 и они имеют различную распространенность в земной коре:
· наиболее распространенным является кислород (О), на его долю – 49% земной коры
· далее идет кремний (Si) – 27% земной коры
· еще 16 элементов и среди них Al, Fe, Ca, Na, K, Mg, H, C, Cl, P, S, N, Mn, F, Ti, Ba – 23,8% земной коры
Таким образом, 18 элементов образуют 99,8% земной коры.
· на долю оставшихся 70 элементов – 0,2% земной коры.
Распространенность химических элементов в земной коре зависит от заряда ядра атома, радиуса атома и его относительной атомной массы.
Раздел геохимии, изучающий химические превращения в земной коре с участием живых организмов, называется биогеохимия.
В нашей стране основоположником этой науки является Владимир Иванович Вернадский.
Изучая геохимические превращения, происходящие в верхних слоях земной коры, В.И. Вернадский установил, что все изменения в земной коре оказывают определенное влияние на химический состав живых организмов.
Исследование химического состава земной коры, почвы, морской воды, растений, животных и человека показало, что в живых организмах обнаружены все те же элементы, что и в земной коре.
Доказано, что большую долю живого вещества составляют наиболее распространенные химические элементы: О, Н, Са, Na, K и т.д. Их содержание в организме соответствует их содержанию в земной коре.
Но есть исключения, так углерода (С) в земной коре 0,35%, а содержание в живых организмах – 21%, второе место после кислорода (О). И наоборот, алюминий и кремний – наиболее распространенные в природе (7,5% и 27%, соответственно), а в организме – 1·10 –5 от массы тела. Эта непропорциональность объясняется тем, что природные соединения кремния и алюминия практически нерастворимы в воде, поэтому не усваиваются живыми организмами.
II. Человек и биосфера. Экология.
Часть земной оболочки, занятая растительными и животными организмами, называется биосфера.
А по Вернадскому – это определенным образом организованная среда, приспособленная к жизни.
Биосфера включает нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхнюю часть литосферы: т.е. высота 12-15 км, глубина до 5 км.
Согласно Вернадскому специфика биосферы в том, что она является результатом жизнедеятельности организмов, причем в ней постоянно происходит круговорот химических элементов и связанный с ним круговорот потоков энергии, так называемый биогенный круговорот.
Пример: круговорот N, C, P и т.д.
Реальные зоны, в которых происходит круговорот элементов в результате жизнедеятельности организмов, называются экосистемами или биогеоцинозами.
Взаимоотношения человека и биосферы изучает экология.
Районы с аномальным содержанием какого-то химического элемента в почве и водоемах называют эндемическими.
У людей, проживающих в таких областях, протекают специфические биохимические реакции, которые вызывают, так называемые, эндемические заболевания.
Например, Ярославская область является эндемическим районом по недостатку йода (J 2) и кобальта (Со). Поэтому, есть опасность развития эндемического зоба (болезнь щитовидной железы).
III. Понятие о биогенных элементах.
В настоящее время считается, что в живых организмах содержатся все элементы, встречающиеся в природе. При формировании биосистем наибольшее значение имеют элементы, способные давать достаточно прочные и энергоемкие химические связи, которые в то же время достаточно лабильные, т.е. могут легко разрываться в результате биохимических реакций.
Из внешней среды химические элементы попадают в организм человека тремя путями: через желудочно-кишечный тракт (ЖКТ), дыхательную систему и кожу.
Химические элементы периодической системы, которые участвуют в процессах жизнедеятельности и развития организмов, называются биогенными. Около 60-65 элементов.
Существует несколько классификаций биогенных элементов. Мы рассмотрим – по количественному содержанию.
Итак, по количественному содержанию условно все биогенные элементы можно разделить на три класса:
· макроэлементы – содержание в организме более 10 –2 % от массы тела.
Это 11 элементов: O, C, H, N, P, S, Na, K, Ca, Mg, Cl.
Из них 6 элементов – органогены: O, C, H, N, P, S. Это s- и р-элементы малых периодов.
· микроэлементы – содержание в организме от 10 –3 % до 10 –5 % от массы
тела.
Наиболее важные из них: Fe, Mn, Zn, Cu, Co, Mo, J и т.д. – в основном d-элементы. Установлено, чем больше заряд ядра, тем меньше содержание элемента в организме и тем токсичнее его соединения.
· ультрамикроэлементы – менее 10 –5 % до 10 –12 % от массы тела.
Это: Hg, Au, U, Ra и т.д.