БОЛГОВА И.В.,
ШАПОШНИКОВА И.А.,
ФАНДО Р.А.

Таблица Менделеева в живых организмах

Введение

Все живые существа состоят из химических элементов, содержание которых в них колеблется в широких пределах. Поэтому важно знать, какие элементы и в каком количестве полезны для растений, животных и человека, а какие вредны.

Само понятие «химический элемент», пожалуй, одно из самых важных в естествознании. Согласно одной из версий, оно образовалось при последовательном произношении букв латинского алфавита – l, m, n, t. Этим как бы подчеркивается, что все тела складываются из элементов так же, как слова из букв.

На разных этапах развития науки в понятие «элемент» вкладывался различный смысл. Древнегреческие философы «элементами» называли четыре «стихии»: тепло, холод, сухость и влажность, которые, сочетаясь попарно, образовывали четыре «начала» всех вещей – огонь, воду, воздух и землю. В Средние века к «началам» добавились соль, сера и ртуть. В XVII в. Р.Бойль высказал предположение, что все элементы материальны, их число может быть достаточно велико, и многие из них еще предстоит открыть. Элементами стали называть простые тела, которые не удалось разложить химическими методами на более простые. В 1789 г. французский химик А.Лавуазье составил «Таблицу простых тел», в которую включил все известные к тому времени элементы, а также, как оказалось впоследствии, и некоторые сложные вещества.

В начале XIX в. английский ученый Д.Дальтон приписал каждому элементу количественную характеристику – атомный вес (атомную массу). Элемент стали рассматривать как химическую индивидуальность.

В 1871 г. Д.И. Менделеев четко разграничил понятия «простое тело» и «элемент». Он писал: «Простое тело есть вещество, металл или металлоид, с рядом физических признаков и химических реакций. Под именем элементов должно подразумевать те материальные части простых или сложных тел, которые придают им известную совокупность физических и химических свойств». Менделеев считал, что углерод – элемент, а уголь, графит, алмаз – простые вещества. Понятие «элемент» было отвлеченным. Оно получило конкретное определение с разработкой модели атома.

Теперь под понятием «химический элемент» понимают совокупность атомов с одинаковыми зарядами ядер (Z). Для каждого элемента известны разновидности атомов, различающиеся по массе (точнее по числу нейтронов в ядрах). Эти разновидности называются изотопами.

В Периодической системе ныне размещено 118 элементов. Около 90 элементов существуют в природе, остальные получены искусственно, с помощью ядерных реакций. Некоторые недавно синтезированные элементы (с Z=112–118) имеют пока временные названия и символы, а остальные уже получили свои постоянные имена:

• 108-й элемент – хассий (Hs), атомная масса – 269 у.е.;

• 109-й – мейтнерий (Mt), атомная масса – 268 у.е.;

• 110-й – дармштадтий (Ds), атомная масса – 281 у.е.;

• 111-й – рентгений (Rg), атомная масса – 280 у.е.

Как показало изучение более 2 млн спектров около 15 тыс. звезд и Солнца, повсюду во Вселенной существуют одни и те же химические элементы, но распространяются они по-разному (табл.1, 2).

Таблица 1. Содержание во Вселенной некоторых наиболее распространенных элементов

Таблица 2. Содержание химических элементов в земной коре

В отличие от Космоса, где преобладают водород и гелий, на нашей планете больше всего кислорода и кремния. По мере роста заряда ядра атома (Z) и на Земле, и в Космосе содержание элементов уменьшается.

В состав клеток живых организмов входит около 70 химических элементов, встречающихся и в неживой природе. Это одно из доказательств общности живой и неживой природы. Однако соотношение химических элементов в живых организмах и в объектах неживой природы резко различаются.

В зависимости от содержания в живых организмах выделяют три группы элементов.

1. Макроэлементы – содержание в живых организмах от 80 до 0,01%. Это кислород (O), углерод (C), водород (H), азот (N), фосфор (P), калий (K), сера (S), хлор (Cl), кальций (Ca), магний (Mg), натрий (Na). На долю водорода, кислорода, углерода и азота приходится около 98% живого вещества. Эти четыре элемента вместе с серой и фосфором часто называют биоэлементами, т.к. они являются необходимыми составными частями молекул биологических полимеров (от греч. polys – много; meros – часть): белков, нуклеиновых кислот, углеводов и липидов.

2. Микроэлементы – содержание в живых организмах от 0,01% до 0,000001%. Сюда относятся железо (Fe), йод (I), цинк (Zn), фтор (F), кобальт (Co), медь (Cu), селен (Se), хром (Cr), бор (B), молибден (Mo), марганец (Mn) и др.

3. Ультрамикроэлементы – содержание в живом организме менее 0,000001%. В группу входят серебро (Ag), ртуть (Hg), золото (Au), титан (Ti), никель (Ni), ванадий (V) и др.

Микроэлементы и ультрамикроэлементы в сумме составляют менее 1–2 % живого организма, но они нужны ему не меньше, чем макроэлементы.

Микроэлементы необходимы для протекания многих важнейших биохимических процессов (табл. 3). Их недостаток замедляет эти процессы и даже останавливает их. Около 30 микроэлементов входят в состав ферментов, коферментов, гормонов, витаминов, пигментов и других жизненно важных соединений. Активность почти 1/4 всех ферментов – катализаторов биологических реакций – регулируется ионами металлов: например амилаза, гидролизующая крахмал (Ca, Zn); АТФаза, гидролизующая АТФ (Mg); нитратредуктаза, восстанавливающая HNO₃ в HNO₂ (Мо, Fe); некоторые пептидазы, гидролизующие белки и пептиды (Zn, Mn, Co, Cu, Ca). Такие ферменты называют металлоферментами, а сами микроэлементы известный российский ученый-агрохимик А.В. Петербургский назвал катализаторами катализаторов.

Таблица 3. Участие микроэлементов в биохимических процессах в живых организмах и почве

Таблица 4. Дневная норма потребления химических элементов для человека

Для каждого организма микроэлементы требуются в определенных количествах. Полное отсутствие их в питании так же, как избыток, вызывает заболевание и гибель живых организмов от болезней, связанных с резким нарушением обмена веществ.

Растения извлекают микроэлементы из почвы, а животные и человек получают их из пищи и воды.

Некоторые химические элементы, обычно содержащиеся в организмах в малых количествах, по своей природе являются токсичными, например ртуть (Hg), свинец (Pb), кадмий (Cd) и некоторые другие. Но и обычные микроэлементы, если их слишком много, могут стать токсичными. Таким образом, можно заключить, что для организма токсичны не сами элементы, а их концентации.

В этой работе мы рассмотрим 38 химических элементов, наиболее распространенных в живых организмах.

Водород

Биоэлемент, является структурной единицей органических соединений, участвующих в построении организмов и обеспечении их жизнедеятельности (витамины, гормоны, ферменты, белки, жиры, углеводы). На долю водорода на Земле, включая воду и воздух, приходится около 1% по массе.
Водород в соединении с кислородом образует воду.

Роль в жизни растений

Водород составляет 6,3% от массы растения, входя в состав всех его клеток и тканей.

Растения на 70–80% состоят из воды. Совокупность процессов поглощения, усвоения и выделения воды растением называется водным режимом растения. Вода является средой для биохимических реакций, участвует в фотосинтезе, обеспечивает структуру коллоидов цитоплазмы, определяет конформацию и функциональную активность ферментов и структурных белков клеточных мембран и органоидов. Насыщенность клеток водой (тургор) определяет их рост растяжением, придает тканям упругость и ориентирует органы растения в пространстве.

Поглощение и передвижение воды в растении происходит под действием присасывающей силы транспирации (испарения) и нагнетающей силы корневого давления в системе почва–растение–атмосфера. Вода, поглощаемая корнями (главным образом в зоне корневых волосков), поступает в сосуды центрального цилиндра и далее в побеги. С током воды транспортируются и растворенные в ней питательные вещества, поглощаемые (ионы минеральных солей) или синтезируемые (аминокислоты, цитокинины и др.) в корнях. Достигнув листовой поверхности, меньшая часть воды расходуется на рост и метаболизм листовых клеток, а большая (до 90%) – выделяется в атмосферу при транспирации и гуттации (выделение листьями растений через водяные устьица – гидатоды, расположенные на краях и кончиках листьев, капелек жидкости под воздействием корневого давления при избытке воды в растении). Некоторое количество воды образуется самим растением в процессе дыхания. Вода, заполняющая сосуды проводящей системы, представляет единую гидростатическую систему и, обладая большой силой сцепления молекул, может подниматься на высоту более 10 м. Скорость передвижения воды в растениях зависит от внешних факторов (температуры и влажности воздуха, освещенности, влажности и засоленности почвы и т.д.), а также от особенностей самого растения (величины листовой поверхности, протяженности корневой системы). У хвойных она может достигать 0,5–1 см/ч, а у лиственных – более 40 см/ч. В течение суток эти величины меняются, увеличиваясь днем.

Масштабы потребления и расходования воды растениями очень велики. Так, одно растение кукурузы за сутки испаряет 0,800 л воды, капуста – 1 л, а береза – больше 60 л. За вегетационный период одно растение кукурузы испаряет 200 л воды, 1 га посевов пшеницы – 2–3 тыс. л, 35-летняя яблоня – до 26 тыс. л.

В процессе эволюции растения приспособились к регуляции водного режима в конкретных условиях обитания. По этим признакам их относят к разным экологическим группам.

1. Гидатофиты (от греч. гидатос – вода, фитон – растение) – водные растения (элодея, кувшинки, лотос и др.). Гидатофиты полностью погружены в воду. Стебли почти не имеют механических тканей и поддерживаются водой. В тканях растений имеется много крупных межклетников, заполненных воздухом.

2. Гидрофиты (от греч. гидрос – водный) – растения, частично погруженные в воду (стрелолист, камыш, тростник, рогоз и др.). Обычно обитают по берегам сырых водоемов, на сырых лугах.

3. Гигрофиты (от греч. гигра – влага) – растения влажных мест обитания (калужница, осоки, ситник).

4. Мезофиты (от греч. мезос – средний) – растения, живущие в условиях умеренного увлажнения и хорошего минерального питания (сурепка, нивяник, ландыш, земляника, яблоня, ель, дуб и др.). Растут в лесах, на лугах, в поле. Большинство сельскохозяйственных растений – мезофиты. Они лучше развиваются при дополнительном поливе.

5. Ксерофиты (от греч. ксерос – сухой) – растения сухих местообитаний, где воды в почве мало, а воздух сухой (алоэ, кактусы, саксаул и др.). Среди ксерофитов различают сухие и сочные. Сочные ксерофиты запасают воду в мясистых листьях (алоэ, толстянки и др.) или стеблях (кактусы – опунция, маммиллярия) и называются суккулентами. Сухие ксерофиты – склерофиты (от греч. склерос – жесткий) приспособлены к жесткой экономии воды, к уменьшению испарения (ковыль, саксаул, кермек, верблюжья колючка и др.).

Многие бактерии обитают во влажной среде. В почве широко распространены водородные бактерии, которые в процессе хемосинтеза окисляют водород, постоянно образующийся при анаэробном (бескислородном) разложении различных органических остатков микроорганизмами почвы:

2H₂ + O₂ ––> 2H₂O + энергия

Роль в жизни животных и человека

Общее содержание воды в организме кишечнополостных (медузы, гребневики) составляет 95–98%, млекопитающих – 60–70%, насекомых – 45–65%. У человека при общем содержании воды около 60% от массы тела, на внутриклеточную воду приходится 40%, межклеточную жидкость – 16%, внутрисосудистую – около 4,5%.

Вода с растворенными в ней минеральными веществами включается в водно-солевой обмен – совокупность процессов потребления, всасывания и выделения воды и солей. Водно-солевой обмен обеспечивает постоянство осмотической концентрации, ионного состава, кислотно-щелочного равновесия и объема жидкостей внутренней среды организма. В ходе эволюции сформировалась система жидкостей внутренней среды и выработались механизмы поддержания водного баланса и ионного состава, зависящие от уровня организации и экологической специализации животных. Первые живые существа возникли в океане; существует сходство (по соотношению основных ионов) между жидкостями внутренней среды у многих современных морских беспозвоночных и морской водой.

Характер физико-химических процессов в тканях определяют растворенные в воде ионы Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Cl^–, SO₄^2–, HCO₃^– и др., а также микроэлементы. Всасывание электролитов происходит в кишечнике, а у пресноводных животных также в покровах или слизистых оболочках ротовой полости и клоаки. Затем они поступают в кровь и с кровью и лимфой переносятся к клеткам организма. По своему составу вне- и внутриклеточные жидкости резко различаются: в клетках высоко содержание K⁺, Mg²⁺ и фосфатов, вне клеток – Na⁺, Ca²⁺, Cl^–. Ионная асимметрия обеспечивается деятельностью плазматической мембраны и связыванием ряда ионов химическими компонентами клеток. Внутри клеток ионы также распределены неравномерно: Na⁺ больше в ядре, чем в цитоплазме, Ca²⁺ – в митохондриях.

Основные источники поступления воды в организм

Питьевая вода.
Продукты питания животного и растительного происхождения.

Наиболее распространенные соединения

Н₂О – оксид водорода, вода.
Н₂О₂ – пероксид водорода, перекись водорода.

Знаете ли вы, что…

• Водород был открыт Х.Кавендишем (Англия) в 1766 г. Свое название получил от греч. хидор – вода и генес – род, происхождение.

• Потеряв 50% своей массы в результате голодания, человек может остаться в живых, но потеря 15–20% массы в результате обезвоживания смертельна.

• В растениях наименьшее количество воды содержится в семенах злаков и бобов 8–12%.

• Морские животные пьют морскую воду и опресняют ее, экскретируя избыток солей хлоридными клетками жаберного аппарата, а пресмыкающиеся и птицы – солевыми железами.

• 1–2% водный раствор перекиси водорода (Н₂О₂) – отличный антисептик.

Строение молекулы воды. Геометрическая схема (а), плоская модель (б) и пространственная электронная структура (в) мономера H₂O. Два из четырех электронов внешней оболочки атома кислорода участвуют в создании ковалентных связей с атомами водорода, а два других образуют сильно вытянутые электронные орбиты, плоскость которых перпендикулярна плоскости H-O-H

Кислород

Кислород – биоэлемент. В атмосфере Земли на его долю приходится 21% (по объему) и 23,15% (по массе). В живых организмах в среднем около 62–70% кислорода. Кислород необходим для дыхания, он главный участник окислительно-восстановительных реакций. Как структурная единица органических соединений участвует в построении организмов и обеспечении их жизнедеятельности (биополимеры, витамины, гормоны, аминокислоты, белки).

Роль в жизни растений

Кислород составляет 42–70% от массы растения, участвует в процессе фотосинтеза и дыхания.

Весь свободный кислород Земли возник благодаря жизнедеятельности зеленых растений суши и Мирового океана и цианобактерий (синезеленых водорослей), выделяющих кислород на свету в процессе фотосинтеза. Растения поглощают атмосферный кислород О₂ для дыхания, окисления органических веществ.

Роль в жизни животных и человека

Большинство живых организмов используют кислород для дыхания и называются аэробами, или аэробными организмами.

На долю кислорода приходится около 62% от массы тела человека. Кислород входит в состав белков, нуклеиновых кислот и других жизненно важных органических и неорганических компонентов организма.

Окисление пищи является источником энергии, за счет которой живет организм. Кислород доставляется гемоглобином крови, который способен образовывать непрочное соединение – оксигемоглобин. Окисленный гемоглобин (оксигемоглобин) окисляет белки, жиры и углеводы (составные части пищи), образуя углекислый газ и воду и освобождая энергию, необходимую для жизнедеятельности.

При повышенном давлении увеличивается содержание кислорода в крови. В барокамерах проводят сложные хирургические операции, лечат некоторые формы сердечной недостаточности, повреждения мозга, почек, мягких и костной тканей.

Выводится кислород из организма через легкие и почки.

Основные источники поступления в организм

Воздух. Вода. Продукты питания растительного и животного происхождения.

Наиболее распространенные соединения

О₂ – кислород.
О₃ – озон.

Знаете ли вы, что…

• Кислород открыли и впервые получили почти одновременно выдающиеся химики – швед К.Шееле путем нагревания селитры KNO₃ и англичанин Д.Пристли при нагревании оксида ртути (II) HgO. Французский химик А.Лавуазье дал название этому элементу – oxygenium дал, что означает «рождающий кислоты» или «кислород» (от греч. оксис – кислый, кислотный и генес – род, происхождение).

• В теле человека 1,7 х 10²⁷ атомов кислорода, а в одной клетке – 1,7 х 10¹³.

• В организме человека массой 70 кг до 43 кг О₂.

• В сутки в организм человека с воздухом поступает 600–920 г кислорода, а с продуктами питания – 1800–2600 г.

• Человеку, впервые попавшему в горы, «не хватает воздуха», точнее – кислорода. А почему? Ведь относительная концентрация этого элемента в земной атмосфере с высотой практически не меняется. Но на высоте парциальное давление кислорода, как и общее давление, понижено. В разреженном воздухе кровь не успевает «насытиться» кислородом, поэтому наступает кислородное голодание. Люди, постоянно живущие в горных районах, кислородной недостаточностью не страдают. Их организм приспособился к горным условиям: интенсивнее протекают процессы кровообращения, вырабатывается больше гемоглобина, увеличивается количество эритроцитов. Тем самым пониженное парциальное давление кислорода в воздухе компенсируется.

• Известно аллотропное видоизменение кислорода – озон (О₃). Это нестойкий токсичный газ, синего цвета, сильнейший окислитель. В природе озон образуется во время грозы. На высоте 15–25 км над Землей озон образует защитный экран, защищающий Землю от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей.

Продолжение следует