Химический состав живого вещества

В состав живого вещества входят все известные химические элементы и их изотопы. Но основную массу любого организма составляет ограниченное число известных химических элементов (таблица 9.1.), которые в условиях биосферы образуют легкоподвижные и легкорастворимые соединения, например газы CO₂ или NH₃, H₂O, ионы Н⁺, OH^-, NO₃^-, SO₄^-2, PO₄^-3, Na⁺, К⁺, Са²⁺, Mg²⁺, а также тяжёлые металлы, образующие высокоокисленные комплексные ионы.

По данным А.П. Виноградова (1957), около 70% живого вещества приходится на кислород, 18 – на углерод, около 10 – на водород. Остальные 2,0-2,5% представлены такими элементами, как азот, кальций (от 1 до 10%), сера, фосфор, калий, кремний (0,1–1%); железо, натрий, хлор, алюминий, магний (0,01–0,1%). Эти элементы называются биогенными. Они же составляют более 99% веществ, слагающих литосферу и почвы, но в других соотношениях.

В составе живых организмов значительно выше, чем в составе литосферы, содержание углерода, водорода и кислорода и значительно ниже – кальция, магния, калия, натрия, железа, алюминия и кремния.

Образование живого вещества в ландшафтах связано в основном с фотосинтезом, в процессе которого растения, поглощая из окружающей среды углекислый газ и воду, создают органические соединения, обладающие большим запасом внутренней энергии. Однако растения состоят не только из углерода, водорода и кислорода, но также из азота, фосфора, калия, кальция и многих других химических элементов, которые получают уже не из воздуха, а из почвы или из воды (для водных растений). В окружающей среде (почве, водоеме) большинство элементов присутствует в виде сравнительно простых минеральных соединений.

Поглощаясь растениями, эти химические элементы входят в состав сложных, богатых энергией органических соединений (например, азот и сера содержатся в белках, фосфор – в нуклеопротеидах), слагающих тела организмов или их остатки. Описанные процессы называются биогенной аккумуляцией минеральных соединений.

1. Содержание химических элементов в организмах,

(% к массе сухого вещества, по Bowen, 1966)

Химический элемент	Растения	Животные	Бактерии
морские	наземные	морские	наземные
С	34,5	45,4	40,0	46,5	54,0
O	47,0	41,0	40,0	18,6	23,0
N	1,5	3,0	7,5	10,0	9,6
H	4,1	5,5	5,2	7,0	7,4
Ca	1,0	1,8	0,15-2,0	002,-8,5	0,5
Mg	0,5	0,3	0,5	0,1	0,7
Na	3,3	0,1	0,4-4,8	0,4	0,5
K	5,2	1,4	0,5-3,0	0,7	11,5
P	3,5	0,2	0,4-1,8	1,7-4,4	3,0
S	1,2	0,3	0,5-1,9	0,5	0,5
Cl	0,5	0,2	следы	следы	следы
Si	следы	следы	до 0,1	до 0,6	до 0,02
Fe	0,07	0,01	0,04	0,02	0,02
Микроэлементы мг/кг
Cu			4-50	2,4
Zn			06-1500		-
Cd	0,4	0,6	0,15-3	0,5
Sr	260-1400		20-500
F	4,5	0,5-40		150-500
Br			60-1000
I	30-1500	0,42	10-150	0,43
Mn			1-60	0,2
Co	0,7	0,5	0,5-5	0,03
Ni			0,4-25	0,8
Cr		0,23	0,2-1	0,075
Мо	0,45	0,9	0,6-2,5	<0,2
Se	0,8	0,2	-	1,7
V		1,6	0,14-2	0,15
B			20-50	0,5
Al		500 (0,5-4000)		4-100
Ti	12-80		0,2-20	<0,2
As		0,2	0,005-0,3	<0,2
Hg	0,003	0,0015	-	0,0046
Pb	8,4	2,7	0,5

Химические элементы, не образующие, подобно, например, Ti, Zr, Th, в биосфере растворимых и легкоподвижных соединений, несмотря на их заметное количество в породах земной коры, в организмах содержатся лишь в очень малых количествах. Организмы не повторяют полностью химический состав среды, а активно выбирают те или иные соединения. Нередко тот или иной вид организмов накапливает определённый химический элемент, т.е. химический состав организмов является характерным признаком для определённого вида. Таким образом, живые организмы выполняют геохимическую функцию, участвуя в биогенной миграции того или иного химического элемента. Например, кальций издавна использовался организмами для образования скелета в виде CaCO₃. Эта очень древняя геохимическая функция была характерна для многих низших организмов. Позже, наряду со скелетом из CaCO₃, появились организмы со скелетом из фосфата кальция (в первую очередь среди брахиопод), который утвердился и у всех высших организмов. У многих древних низших организмов (включительно до морских губок) встречается также скелет из кремнекислоты. Это указывает на направление эволюции организмов.

Успехи аналитической химии и спектрального анализа расширили перечень биогенных элементов. В настоящее время находят всё новые элементы, входящие в состав организмов в малых количествах (микроэлементы), и открывают биологическую роль многих из них. В.И. Вернадскийсчитал, что все химические элементы, постоянно присутствующие в клетках и тканях организмов в естественных условиях, вероятно, играют определенную физиологическую роль. Многие элементы имеют большое значение только для определённых групп живых существ (например, бор необходим для растений, ванадий – для асцидий и т.п.). Содержание тех или иных элементов в организмах зависит не только от их видовых особенностей, но и от состава среды, пищи (в частности, для растений – от концентрации и растворимости тех или иных почвенных солей), экологических особенностей организма и других факторов. При нарушении поступления в организм того или иного биогенного элемента возникают заболевания – биогеохимические эндемии.

Дата добавления: 2014-01-20