на главную страницу

Химические элементы в окружающей среде и в организме человека.

Рассматривая нахождение химических элементов на Земле, обычно принимают во внимание три сферы "неживой" природы: атмосферу, гидросферу, литосферу (первичную оболочку Земли) и четвертую сферу - область существования живых организмов (биосферу). Химический состав Земли, законы распространения и распределения химических элементов, способы их сочетания, пути миграции и превра-щения химических элементов изучает геохимия. Геохимия тесно связана с химией, геологией и минералогией; она опирается на химические законы и методы исследования. В создание и развитие геохимии внесли вклад многие естествоиспытатели. Из советских ученых выдающимися геохимиками были академики В. И. Вернадский, А. Е. Ферсман и А. П. Виноградов. По В. И. Вернадскому, который помимо огромного вклада в геохимию ввел понятия "биосферы" и "ноосферы", "биосфера-это определенно организованная среда, переработанная жизнью и космическими излучениями и приспособленная к жизни". Верхняя граница биосферы - тропосфера - находится на высоте 12-15 км, а нижняя - литосфера - . на глубине до 5 км. Следовательно, биосфера включает в себя нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхнюю часть литосферы-В. И. Вернадский установил тесную связь между геохимическими процессами и жизнью живых организмов, что нашло отражение в создании им новой науки - биогеохимии.. Он неоднократно подчеркивал, что: геохимические процессы и живые организмы образуют единый биогеохимический цикл. Проводя детальный анализ содержания элементов в земной коре и в живых организмах, Вернадский пришел к выводу, что качественный состав этих объектов близок. Он предполагал, что в живом организме когда-нибудь будут найдены все элементы периодической системы, обнаруженные в неживой природе Земли. Действительно, к настоящему времени в организме человека надежно установлено присутствие около 70 элементов периодической системы. Земную кору составляет сравнительно небольшое число элементов. Около 1/2 массы земной коры приходится на кислород, более 1/4 - на кремний. Всего 18 элементов: О, Si, A1, Ре, Са, Na, К, Mg, H, Ti, С, Cl, P, S, N, Mn, F, Ва - составляют 99,8 % массы земной коры. Из них на 8 элементов (О, Si, Al, Ре, Са, Na, К, Mg) приходится 98 % массы земной коры. В живом организме преобладают 6 элементов: С, H, О, N, P, S - на которые приходится 97,4 % массы организма. Эти элементы называются органогенами. Можно отметить, что в земной коре преобладают металлы, тогда как в живых организмах - неметаллы. Поступление элементов в живой организм из окружающей среды обусловлено следующими факторами:

  1. Нахождением элемента в природе в доступной (обычно водорастворимой) форме;
  2. Способностью организма поглощать элемент;
  3. Способностью организма накапливать элемент.

Живые организмы принимают активное участие в перераспределении химических элементов а земной коре. Минералы, природные химические соединения образуются в биосфере в различных количествах благодаря жизнедеятельности различных организмов (так называемого живого вещества). Примером геохимической функции живого вещества является кальциевая функция, характерная для всех организмов, имеющих кальциевый скелет. Концентрируя кальций в своих телах, живые организмы энергично извлекают его из окружающей среды. Когда же организм отмирает, основной минеральной составляющей остатка оказывается кальциевый скелет, который, в свою очередь, возвращается в окружающую "неживую" среду. Сопоставляя качественный состав земной коры, геосферы и биосферы, можно заметить, что элементный состав живого вещества сильно отличается от такового для земной коры и ближе стоит к составу морской воды, исключая углерод и кальций.Возникает вопрос: почему некоторые элементы преобладают именно в живых организмах? Каковы должны быть свойства этих элементов?
С химической точки зрения, отбор элементов при формировании живых организмов сводится к отбору тех из них, которые способны к образованию прочных, но в то же время и лабильных связей. Эти связи должны легко подвергаться как гомолитическому, так и гетеролитическому разрыву, а также циклизации. Именно поэтому органоген № 1 - углерод. Атомы водорода и кислорода гораздо менее лабильны, но они образуют устойчивую среду для соединений остальных элементов - воду - и обеспечивают протекание окислительно-восстановительных процессов. Атомы неметаллов N, Р и S, а также металлов Fe, Си, Мо, отличаются особой лабильностью в образовании различных химических связей. Это связано с проявлением ими различных степеней окисления и координационных чисел. Сравнение химического состава живой и неживой природы можно закончить следующими словами известного ученого-философа Дж. Бернала: "Лабильные атомы S, Р и Fe, которые претерпевают большие изменения в неорганическом мире, имеют главенствующее значение в биохимии; стабильные атомы Si, A1, Na, составляющие большую часть земной коры, играют второстепенную роль в живых организмах или отсутствуют вовсе".
Поведение отдельных элементов в живых организмах, а также в модельных соединениях, имитирующих живые организмы, изучает новая наука -бионеорганическая химия, появившаяся на стыке биологии, биохимии, медицины, неорганической химии и экологии. Главная задача бионеорганической химии - изучить на молекулярном уровне взаимодействие металлов (особенно биометаллов) с биологически активными лигандами (биолигандами), которыми могут быть как соединения, присутствующие постоянно в живом организме (эндогенные лиганды), так и поступающие в организм извне (экзогенные лиганды).

на главную страницу