Глава 1. Химический состав организмов

Общая масса всех живых организмов, населяющих Землю, со­ставляет примерно 10¹³-10¹⁵ т. В различных живых организмах обнару­жено более 70 химических элементов. Среди них выделяют две группы;

- элементы, постоянно встречающиеся в составе любого opганизма (это С, Н, N, О, S, Р, К, Са, Mg, Fe, Zn, Си, Со),

- иногда встречающиеся - это остальные элементы, их присутствие характерно лишь для некоторых групп организмов (наиболее распро­странены из них Мо, В, V, Na, I, Cl и ряд других).

По количественному содержанию в биомассе все элементы делят на три категории:

1 Макроэлементы, содержание которых превышает 0,001%. Примером таких элементов являются С, О, Н, N, Р, Са, Na, К, CI, S, Mg, Fe. Наиболее высоким содержанием отличаются О, С, Н, N, Na, Са.

2. Микроэлементы, концентрация которых меньше 0,001%. На­пример, Мп, Zn, Со, Ni, I, F, Вг, Мо и др.

3. Ультрамикроэлементы, содержание которых очень мало - 10^-4 – 10^-6 % и меньше. Установлено, что двенадцать из них необходимы для жизнедеятельности животных и растений, это В, Li, Al, Si, Sn, Cd, As, Sc, Ti, V, Cr, Ni. Предполагается, что еще шесть элементов (Be, Rb, Ва, Ag, Pb, W) также необходимы живым организмам. В живой природе встречаются в ничтожно малых количествах (10^-6 – 10^-12 %) также Cs, Gа, In, TI, Ge, Sb, Bi, Те, Au, Hg, La, Ce, Zr, Pr, Nb, инертные элементы и даже радиоак­тивные. Содержание последних менее одного атома на клетку. По-видимому, загрязнение внешней среды этими элементами приводит к накоплению их в организмах, особенно растительных.

Почти 89% атомов организма человека и растений приходится на четыре элемента - О, Н, С и N, в то время как содержание трех по­следних в земной коре ничтожно.

Прямой зависимости между распространением химических эле­ментов в живой и неживой природе нет. Тем не менее, установлено, что организм и среда взаимосвязаны, но их взаимозависимость носит тонкий характер. Так, например, выявлено, что те элементы, которые легко об­разуют растворимые и газообразные соединения, составляют основную массу биосферы (С, N, S, Р), хотя в земной коре их содержание невелико. Элементы, которые образуют плохо растворимые в воде соединения, широко распространены в неорганической природе, а в составе организ­мов встречаются в микроколичествах (Si, Fe, Al). Таким образом, доступ­ность элементов для биосферы играет, вероятно, решающую роль в их участии в построении живого вещества. Весь исходный материал для построения живых молекул поставляет неживая природа. Кстати, морская вода по содержанию элементов, за исключением углерода и фосфора, очень близка к внутренним средам живых организмов. Химический состав морской воды почти идентичен составу крови человека. Поэтому счита­ют, что возникновение жизни связано с водной средой Мирового океана.

Все макро- и микроэлементы входят в состав живых организмов в виде химических соединений. Единственным исключением является кислород, незначительная доля которого растворена в жидкостях орга­низма в свободном молекулярном виде; однако большая часть молеку­лярного кислорода связана с гемоглобином, миоглобином и другими пе­реносчиками.

Примерно 75% биомассы составляет вода, хотя ее содержание в различных организмах колеблется от 40 - 60%, например, у древесных растений, до 99% - у медузы. Вода играет огромную роль - она вместе с неорганическими соединениями образует среду, в которой протекают все физико-химические процессы в ходе обмена веществ. С другой стороны, часто вода - один из партнеров реакций, например, реакций гидролиза.

На втором месте по количественному содержанию и на первом по значению находятся белки. В среднем в пересчете на сухое вещество в организмах содержится 45-50% белка, причем для растений свойствен­но отклонение от средней величины в сторону понижения, а для живот­ных - в сторону повышения. Некоторые микроорганизмы почти целиком состоят из белков. Белки, обладая рядом специфических свойств, явля­ются материальным субстратом жизни.

Далее очень важным классом соединений, входящим в состав живых организмов, являются нуклеиновые кислоты. Они обеспечивают воспроизведение белковых тел, их содержание в сухом веществе орга­низмов стабильно и равно нескольким процентам, причем в раститель­ных клетках нуклеиновых кислот больше, чем в животных.

Остальная часть сухого вещества организмов составлена из со­единений других классов. В основном это - углеводы (наибольшее со­держание в клетках растений, печени, мышц), липиды (ими богата жиро­вая ткань) и минеральные вещества. Содержание этих веществ в орга­низмах сильно варьируется, причем в растительном мире преобладают углеводы, а в животном - липиды. Минеральные вещества составляют примерно 10% от сухого вещества биомассы.

Кроме белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов и мине­ральных веществ в составе организмов найдены в незначительных коли­чествах представители других классов органических соединений: углево­дородов, спиртов, альдегидов, карбоновых кислот и их производных, аминокислот, эфиров, аминов, гетероциклов, мононуклеотидов. Часть соединений этой группы обладает мощным физиологическим действием и играет роль ускорителей или замедлителей жизненных процессов. По­этому, несмотря на различие в химической природе, эти вещества объе­диняют в одну группу под названием "биологически активные вещества". Сюда относят ферменты, витамины, гормоны, ростовые вещества, биостимуляторы, коферменты, антибиотики, фитонциды и др.