Распространенность химических элементов в природе и их биогенность

В состав земной коры входят прежде всего элементы 1, 2 и 3 периодов периодической системы Д.И.Менделеева (наиболее распространены O, Si, Al, Fe, C, Ca, K, Na, Mg).

   Американский геохимик Ф.Кларк впервые определил количественное содержание химических элементов в литосфере и их усредненные показатели; количественную долю элемента в % назвали «Кларки» (перечисленные 8 элементов составляют 98,5% земной коры).

Биосферой называют часть земной оболочки, занятую растительными и животными организмами. По В.И.Вернадскому – это определенным образом организованная среда, переработанная живыми организмами и космическими излучениями и приспособленная к жизни. Ее верхняя граници (тропосфера) находится на высоте 12-15 км, а нижняя (литосфера) – на глубине до 5 км. Таким образом, биосфера включает в себя верхнюю часть литосферы (земной коры), всю гидросферу и нижнюю часть атмосферы.

Академик В.И.Вернадский в своих трудах:

1) показал тесную связь химического состава земной коры и химического состава живых организмов;

2) доказал, что между объектами живой и неживой природы действуют одинаковые силы химического взаимодействия: ионные, ковалентные, межмолекулярные, водородные;

3) разработал учение о биосфере как геологической земной оболочке, не только охваченной жизнью, но и ею образованной;

4) на основе геохимии, биологии и биохимии создал новую науку – биогеохимию.

Академик А.П.Виноградов продолжил исследования:

1) показал, что существует один закон распределения химических элементов в литосфере и биосфере;

2) установил, что количественное содержание химических элементов в живом веществе обратно пропорционально их порядковому №;

3) ввел понятие «биогеохимическая провинция – пространственно-территориальная единица на поверхности Земли, которая отличается от соседних территорий по уровню содержания химических элементов, а это вызывает различную реакцию местной фауны и флоры».

 

Массовая доля (%) некоторых химических элементов в биосфере

(по А.П.Виноградову)

Элемент	Земная кора	Почва	Морская вода	Животные	Растения
O	49,4	49,0	85,82	70,0	62,4
Si	27,6	33,0	0,00005	0,15	0,00001
Al	7,45	7,12	0,000001	0,02	0,00001
Fe	5,0	3,8	0,000005	0,02	0,01
C	0,15	2,0	0,002	18,0	21,0
Ca	3,5	1,37	0,04	0,3	1,9
К	2,5	1,36	0,038	0,3	0,27
Na	2,6	0,63	1,06	0,02	0,1
Mg	2,0	0,6	0,14	0,07	0,03

Земная кора почти полностью состоит из кремнезема, силикатов и алюмосиликатов кальция и магния. Эти минералы составляют основу горных пород и продуктов их выветривания – почвы, песка, глин.

Миграцию элементов можно условно разделить на две группы:

1. «Биогенная миграция»: перемещение химических элементов в земной коре с участием живого вещества: минералы, природные химические вещества образуются в биосфере в разных количествах благодаря деятельности различныз бактерий и микроорганизмов. Так, живые вещества энергично извлекают из окружающей среды кальций, концентрируя его в своих телах, благодаря чему выполняют кальциевую функцию, характерную для организмов, имеющих кальций-фосфатный скелет. Также благодаря геохимической роли живых организмов образуются многие другие горные породы (например железные, марганцевые, цинковые, ванадиевые и др. руды).

2 .«Техногенная миграция»: возникает в результате активной деятельности человека; включает в себя переброску на большие расстояния сельскохозяйственного и промышленного сырья, его переработку. При этом как правило страдает экология отдельных регионов.

Исследования медиков и биохимиков показали, что многие заболевания обусловлены повышенным или пониженным содержанием в организме какого-либо элемента и это часто связано с особенностями биогеохимической провинции. Они получили название «эндемических заболеваний» или «биогеохимических эндемий».

Так, яркие проявления эндемического зоба наблюдается в провинциях с одновременным недостатком I и Co (например Ярославская область), а в Приморье, напротив, из-за близости большинства населенных пунктов к морскому побережью заболевания щитовидной железы встречаются гораздо реже вследствие повышенной насыщенности воздуха иодом. Нечерноземье характеризуется низким количеством Со, поэтому для этой зоны нередки гиповитаминозы В₁₂. На территории, бедной F, распространен эндемический кариес зубов. Избыток F ведет к деформации костей, эндемическому флюорозу. Избыток B в пище приводит к эндемическим энтеритам и пневмониям.

В конце 20 века ученые полагали, что в организме человека содержится свыше 70 химических элементов (макро - и микроконцентрации). В настоящее время считают, что в живом организме находятся практически все элементы Периодической системы.

Масса человеческого тела на 96% состоит из четырех элементов: C, O, H, N. Еще 3% составляют Ca, P, K, S.

1% массы приходится на Na, Cl, Fe, J, Mg, Cu, Co, Zn и др.

Органогены - элементы, которые составляют структурные образования клетки; это C, O, H, N, P, S. Они прежде всего образуют прочные ковалентные связи, но также способны образовывать лабильные связи, легко подвергающиеся циклическому перераспределению. И это прежде всего углерод. Кислород и водород в органических молекулах определяют в основном способность молекулы к окислительно-восстановительным процессам и отношение к воде. Эти элементы являются обязательными составными частями белков и их роль в развитии жизни на Земле бесспорна.

Макроэлементы: составляют 10% массы и больше. Это H, O, N, P, S, Na, K, Mg, Cl. Они в основном играют роль пластического материала в построении тканей, поддерживают осмотическое давление, рН среды, ионное равновесие, кислотно-щелочное равновесие, состояние коллоидов и т.д.

Микроэлементы:

1) В живом организме: Mn, Cu, Zn, Co, Mo, Fe, J.

2) В растениях: Mn, Cu, Zn, Co, Mo, B.

Вместе с ферментами, гормонами, витаминами и другими биологически активными веществами участвуют в процессах размножения, роста, обмена жиров, белков, углеводов.

Ультрамикроэлементы: составляют менее 10^-12% от массы, это остальные элементы таблицы Д.И. Менделеева. С совершенствованием методик определения сведения по содержанию этих элементов расширяются.

Как правило микроэлементы в живых и растительных организмах либо связаны с белками, либо находятся в ионном состоянии. И существуют в основном в виде комплексных соединений.

Синергизм - такое явление, когда присутствие одного вещества усиливает активность другого. Так, Fe и Cu являются синергистами в отношении кроветворения.

Антагонизм – явление, когда действие одного элемента направлено против действия другого. Например, повышая содержание Cu в организме, можно уменьшить содержание Мо, и наоборот, если животные получают с пищей мало Мо, то в печени накапливается Сu и появляются типичные симптомы отравления ею.

Основной источник поступления в организм человека микроэлементов - пищевые продукты растительного и животного происхождения. Содержание разных микроэлементов в пище зависит от геохимических условий местности, в которой получены продукты. Время года также оказывает влияние на баланс микроэлементов. Например, весной отмечается отрицательный баланс железа (особенно у детей) в связи с недостаточным поступлением его с пищей (недостаток в рационе фруктов и овощей).