Вид атомов с одинаковым зарядом ядра и массой называется нуклидом

Вид атомов с одинаковым зарядом ядра называется химическим элементом. Большинство химических элементов в природе состоят из нескольких нуклидов. Разные нуклиды одного химического элемента называются изотопами.

Представление об устойчивости атомов имеет некоторые ограничения. Во первых, есть радионуклиды, постепенно, с разными периодами t _½, превращающиеся в устойчивые нуклиды. Во-вторых, при сверхвысоких температурах в центральных областях звезд происходят превращения легких ядер в тяжелые. Первичный элемент водород в звездах «горит», превращаясь в ядра гелия. Горение здесь употребляется в переносном смысле, означая процесс, идущий с выделением большого количества энергии. После израсходования значительной доли водорода начинается «горение» гелия. Три ядра гелия сливаются в одно ядро углерода:

Так образуется самый главный химический элемент жизни. Гелий обычно воспринимается как инертный газ, не имеющий отношения к процессам идущим в живых организмах. Если же посмотреть на природу с более широкой точки зрения по временным и пространственным границам, то все происходящие процессы начинают восприниматься как звенья величайшего замысла, который к настоящему времени доведен до существования довольно разумной цивилизации, а в дальнейшем может быть она станет вполне разумной.

Образовавшиеся ядра углерода тоже реагируют с ядрами гелия, превращаясь в ядра кислорода

Значительная часть образующегося углерода превращается в кислород, но некоторое количество вступить в реакцию не успевает. В природе достаточно много углерода, но еще больше кислорода. Дальнейшие ядерные превращения в звездах приводят к образованию множества других нуклидов. Остается перенести всю таблицу Менделеева (извините за журналистский оборот речи) со звезд на планеты, и тогда сложатся условия для существования жизни. Такой перенос предусмотрен в природе. Массивные звезды (значительно превосходящие по массе наше Солнце) на определенном этапе «жизни» взрываются и сбрасывают в окружающее пространство значительную часть массы. Из вещества взорвавшихся звезд возникают планеты и звезды следующего поколения. На подходящей планете появляется жизнь. Не могу себе представить, как могли бы возникнуть первые живые клетки. Однако мне кажется, что если есть атомы, которые способны послужить материальной основой жизни, то было бы странно, если б такая способность осталась не реализованной.

Бионеорганическая химия – наука о биологической роли химических элементов, а также о неорганических веществах и биокоординационных соединениях в живых организмах.

Существуют в природе и получены искусственно 118 химических элементов. К данному моменту это число уже могло увеличиться. Для 112 элементов утверждены названия. На Земном шаре в атмосфере, гидросфере и земной коре 90 элементов были изначально, и добавились те, что рассеялись в результате ядерных экспериментов и аварий (плутоний, радиоактивные осколки урана и плутония).

Относительную распространенность элементов можно найти в таблицах. Приведу последовательность для первых 10 элементов по распространенности во Вселенной и земной коре.

Первые 10 элементов (по числу атомов):

Вселенная – H, He, O, N, C, Si, Ne, Mg, Fe, S;

Земная кора – O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg, Ti, H, C.

Во всей Вселенной 99% составляют атомы водорода и гелия. В земной коре 99% составляют 8 химических элементов от кислорода до магния.

Какие же из этих элементов важны для создания и жизнедеятельности организмов, в том числе человека?

Живой организм (растение, рыбу и т. д.) можно высушить, и обнаружить в его составе большую долю воды и, следовательно, водород и кислород, из которых состоит вода. Сухой остаток можно сжечь в кислороде, и по образованию смеси газов оксида углерода(IV), паров воды, азота и оксида серы(IV) обнаружить углерод, азот, серу. После сжигания остается зола (ее также называют прахом), состоящая из смеси фосфатов, карбонатов, хлоридов, сульфатов и оксидов натрия, магния, калия, кальция, железа. Из состава золы следует, что в составе растений и животных есть также элементы фосфор, натрий, магний, калий, кальций, железо. Количественный анализ газовых смесей и золы позволяет вычислить состав данного организма. Перечисленные элементы составляют более 99,99% по массе практически всех растений и животных, а также человека. Эти элементы называются в биохимии макроэлементами.

С помощью точных методов анализа в газообразных продуктах сжигания и золе, а также в пробах, взятых для анализа у живых существ, обнаруживаются практически все остальные химические элементы. Например, в парах воды, получаемых при высушивании образца, присутствуют благородные газы. В газовой смеси после сжигания обнаруживается иод и оксид селена(IV). В золе обнаруживается много металлов, фтор, бром, кремний. Элементы, содержание которых менее 0,01%, называются микроэлементами.

Все макроэлементы имеют в живых организмах достаточно постоянное относительное содержание и являются абсолютно необходимыми для жизни.

Необходимые для жизни элементы называются биогенными (эссенциальными) элементами. Биогенные элементы образуют все ткани и системы организма и участвуют в регулировании процессов жизнедеятельности.

Среди микроэлементов есть как биогенные, так и примесные, которые разными путями попадают в организм из окружающей среды вследствие невозможности абсолютно полного разделения атомов разного вида.

Непосредственно, имея только данные о количественном содержании, установить биогенность микроэлемента невозможно. Необходимо выделить вещества, в составе которых находится микроэлемент, установить их функции в жизнедеятельности, механизм действия, влияние увеличения и уменьшения концентрации на состояние организма. Для этого необходимы длительные и трудоемкие исследования. Поэтому в настоящее время еще нет исчерпывающих данных о числе биогенных микроэлементов. Ставились опыты на мышах. Экспериментальная группа животных содержалась в условиях отсутствия какого либо элемента. Пусть это олово. Им давали специально приготовленную пищу и воду, которые не содержали олова. Контрольная группа получает обычную пищу. Состояние животных контролируют. Если обнаруживаются какие-то отклонения в состоянии животных: потеря веса, снижение гемоглобина, изменение ритмов, то причина в недостатке олова. Следовательно, это биогенный элемент. Однако, такие опыты не дают окончательных результатов. При проведении эксперимента какие-то факторы могли быть не учтены. Олово уже в течение многих лет относится к условно биогенным элементам. Это и значит, что окончательные, неопровержимые данные отсутствуют. Если бы было обнаружено эндогенное соединение олова, влияющее на некоторый жизненно важный процесс, то вопрос мог бы считаться решенным.

Всего насчитывается от 25 до 30 биогенных элементов.

Макроэлементы: водород, углерод, азот, кислород, фосфор, сера, хлор, натрий, магний, калий, кальций.

Микроэлементы: фтор, кремний, ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, селен, молибден, иод. Не вполне ясна роль бора, алюминия, титана, брома, олова.

Содержание элементов в организме человека удобно представить с помощью логарифмической шкалы. Откладываем на шкале логарифмы, а надписываем соответствующие числа. Тогда оказывается возможным нанести на одном графике как элементы с большим содержанием, так и с малым. По массе в организме человека всего больше кислорода, а по числу атомов – водорода. В средний состав огромный вклад дает вода. В сухом веществе (его приблизительно 28 кг при условной массе человека 70 кг) содержится по массе: Н – 8,3%; О – 20,2%; С – 57,1%; N – 6,4%. На первое место выходит углерод.

Биогенные элементы в основном легкие. Последний из макроэлементов кальций (№ 20) в четвертом периоде. В пятом лишь 3 биогенных микроэлемента – олово, молибден и иод (№53). Большинство биогенных элементов достаточно распространены в природе, но это и характерно для легких элементов. В отношении некоторых элементов наблюдается сильное повышение содержания в организмах по сравнению в окружающей средой (углерод, азот), а для других – обеднение: алюминий, кремний, железо. Алюминий и кремний особенно прочно связаны в минералах и поэтому не доступны для организмов. Но они и не нужны в большом количестве. Атмосферный азот тоже малодоступен вследствие своей инертности, но без него не было бы жизненно важных веществ, и поэтому нашлись механизмы вовлечения азота в биосинтез.

Некоторых примесных элементов в организме может быть больше, чем необходимых. Sr – 0,12 г; Rb – 0,68 г; F – 2,6 г.

Необходимость каждого из биогенных элементов становится более понятной при учете электронной структуры их атомов. Сгруппируем биогенные элементы по блокам таблицы Менделеева.

s -Блок (гр. IA-IIA)	p -Блок (гр. IIIA-VIIIA)	d -Блок (гр. IB-VIIIB)
H Na, K, Mg, Ca	C, N, O, S, P (органогены) Cl, I Si, B, Al	Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Mo V, Cr, Ni

Элементы р -блока: углерод, кислород, азот, сера, фосфор – макроэлементы. Их называют также органогены, так как их соединения образуют органические вещества и, помимо воды, составляют почти всю массу организма. К ним примыкает водород из s -блока. Необходимых микроэлементов в р -блоке мало: фтор, селен, иод.

Элементы s -блока: водород, натрий, магний, калий, кальций – ионогены, создают в биологических жидкостях ионную среду.

Элементы d -блока: марганец, железо, кобальт, медь, цинк, молибден. Входят в состав ферментов и коферментов, регулируют биохимические реакции. Они «оживляют» вещество, так как без участия ферментов процессы жизнедеятельности невозможны. Потому и приходится так много обращать внимания на микроэлементы, «минералы», как их называют в рекламах.

В науке о биогенных элементах еще много не ясного. По-видимому, есть элементы, без которых жизнь вообще не могла бы существовать, есть элементы, необходимые для высших форм жизни, есть элементы, оптимизирующие процессы жизнедеятельности, но может быть жизнь в несколько иных формах могла бы обходиться и без них. Обращу внимание на железо. Большая часть атомов железа находится в составе гемоглобина. Это транспортное вещество, предназначенное для снабжения клеток кислородом. Молекула гемоглобина с молекулярной массой 65000 переносит 4 молекулы кислорода с молекулярной массой 4х32=128. Отношение масс 507 выглядит странно большим. Автомобиль, перевозящий 4-5 человек, лишь в 5 раз тяжелее пассажиров. Мне кажется, что другого подходящего вещества для транспорта кислорода в крови не существует в принципе.

Дата добавления: 2013-12-13