СКЛАД ЖИВИХ ОРГАНІЗМІВ

Органічні і неорганічні компоненти організмів. Вчення В. І. Вернадського про біосферу та біогеохімії

Хімічний склад Землі, закони поширення і розподілу, способи поєднання, шляхи міграції та перетворення хімічних елементів на Землі вивчає геохімія. Ця наука тісно пов'язана з геологією, мінералогією. Вона спирається на хімічні закони і має велике практичне значення для прогнозування місцезнаходження в земній корі корисних копалин. В створення геохімії великий внесок внесли американський дослідник Ф. Кларк (1847-1931) і вітчизняні вчені В. І. Вернадський (1863-1945) і А. Е. Ферсман (1883-1945).

Розділ геохімії, що вивчає хімічні процеси в земній корі за участю живих організмів, називають біогеохімією. Частина земної оболонки, зайняту рослинними і тваринними організмами, називають біосферою.

За В. І. Вернадського, біосфера - це певним чином організоване середовище, перероблена живими організмами і космічними випромінюваннями і пристосована до життя. Її верхня межа (тропосфера) знаходиться на висоті 12- 15 км. а нижня (літосфера) - на глибині до 5 км. Отже, біосфера включає в себе нижню частину атмосфери, всю гідросферу і верхню частину літосфери (рис. 7.1).

Поширеність хімічних елементів у земній корі різна. Її становить порівняно невелике число елементів. Близько 50% маси земної кори доводиться на кисень, більше 25% - на кремній. Вісімнадцять елементів - кисень, кремній, алюміній, залізо, кальцій, натрій, калій, магній, водень, титан, вуглець, хлор, фосфор, сірка, азот, марганець, фтор, барій - складають 99,8% маси земної кори. На частку всіх інших елементів припадає лише 0,2%.

Згідно В. І. Вернадського, живі організми (жива речовина) беруть активну участь в перерозподілі хімічних елементів в земній корі. Мінерали, природні хімічні речовини утворюються в біосфері в різних кількостях завдяки діяльності живих організмів.

Мал. 7.1. Складові частини біосфери

Прикладом геохимичної ролі живої речовини є кальцієва функція, характерна для всіх організмів, що мають кальцій-фосфатний (або карбонатний) скелет. Концентруючи кальцій в своїх тілах, живі організми енергійно витягують його з навколишнього середовища. Іншим прикладом геохимичної ролі живого речовини служить освіту гірських порід, наприклад залізних руд, в результаті діяльності мікроорганізмів.

Вивчаючи геохімічні перетворення в земній корі, В. І. Вернадський встановив. що зміни, що відбуваються у верхніх шарах земної кори, мають певний вплив на хімічний склад живих організмів. Дослідження хімічного складу земної кори, грунту, морської води, рослин, тварин, людини показали, що в результаті обміну в живих організмах, в тому числі і у людини, можна виявити майже всі елементи, які є в земній корі і морській воді (рис. 7.2). Таким чином, були підтверджені припущення В. І. Вернадського про подібність хімічного складу земної кори і живих організмів.

В процесі еволюції основою використання тих чи інших хімічних елементів при розвитку бносістем є природний відбір.

У табл. 7.1 наведені дані про середньому вмісті хімічних елементів в земній корі, морській воді, рослинних, тваринних організмах. З таблиці видно, що більшу частку речовини живих організмів становлять елементи, які мають досить високу поширеність в земній корі (рис. 7.3). Однак ця закономірність дотримується не завжди. Наприклад, в земній корі міститься багато кремнію (27,6%), а в живих організмах його мало. Те саме можна сказати і до алюмінію, який у великих кількостях міститься в земній корі (7,45%) і в дуже незначних (110 ⁵%) - в живих організмах.

Непропорційне вміст елементів в організмі і середовищі пов'язано з тим, що на засвоєння елементів впливає розчинність їх природних сполук у воді.

Природні сполуки кремнію SiC> 2 і алюмінію А1₂Оз практично нерозчинні, тому вони не засвоюються живими організмами. Спостерігається і зворотна картина: наприклад, вуглець міститься в земній корі в незначних кількостях (0,35%), а за змістом в живих організмах займає 2-е місце (21%).

Мал. 7.2. Шляхи надходження хімічних елементів в організм людини

Таблиця 7. /

Середній вміст хімічних елементів (мас, частка,%) в навколишньому середовищі

(ПОА. П. Виноградову)

Підвищений вміст елемента в організмі в порівнянні з навколишнім

середовищем називають біологічним концентрування елемента.

В результаті природного відбору в основі живих систем лежить тільки шість елементів: вуглець, водень, кисень, азот, фосфор, сірка. Вони складають в організмі 97,4% і отримали назву органогенов.

Органогенного номер 1, безсумнівно, є вуглець. Він здатний утворювати міцні ковалентні зв'язки. Кисень і водень, скоріше, слід розглядати як носії окислювальних і відновних властивостей органічних сполук вуглецю.

В середньому хімічний склад об'єктів природи визначається усередненням елементного складу різних об'єктів. Склад зручно висловлювати в масових частках: Wi = M / m, де т, - маса i-го елемента, т - сумарна маса елементів в об'єкті. Масові частки висловлюють в частках одиниці або у відсотках.

Співвідношення кисню і водню в біомолекул визначає тенденцію цих сполук до диспропорціонування і взаємодії з водою - середовищем існування живих організмів. Решта три органоген - азот, фосфор і сірка, а також деякі інші елементи - залізо, магній, складові активні центри ферментів, як і вуглець, дуже лабільні. Для органогенов характерне утворення водорозчинних сполук, що сприяє їх концентрування в живих організмах.

Мал. 7.3. Вміст хімічних елементів у земній корі і організмі людини

Органогенного, а також деяких металів - залозу, магнію і др властиво виняткова розмаїтість утворених ними зв'язків. Це в значній мірі визначає різноманітність біомолекул в живих організмах. До складу живих організмів входять атоми тих же елементів, що і до складу неживої природи, але їх зміст інше.

Надходження елементів в живий організм з навколишнього середовища обумовлено наступними факторами:

• 1) знаходженням елемента в природі у доступній (зазвичай водорастворимой) формі;
• 2) здатністю організму поглинати елемент;
• 3) здатністю організму накопичувати елемент.

З хімічної точки зору відбір елементів при формуванні живих організмів зводиться до відбору тих з них, які здатні до утворення досить міцних, але в той же час лабільних хімічних зв'язків. Ці зв'язки повинні легко піддаватися як гомолитично, так і гетероліті чес кому розриву, а також циклізації.

Склад живого організму можна розділити на речовий (хімічні речовини; табл. 7.2) і елементарний (хімічні елементи):

В живих організмах виявлено близько 80 хімічних елементів, але достовірно відомо про функції в організмах лише приблизно 30 елементів.

Таблиця 7.2

Речовий (хімічний) склад живих організмів

Встановлення життєвої необхідності (есенціальні) того чи іншого елемента для організму починається з проведення елементарного аналізу. Для цього використовуються абсорбційні спектрометри. Попередньо досліджувана тканина обзолюють. Зазвичай використовується «мокре озолення» (в струмі газоподібного С1 або в сильних кислотах).

Російський вчений В. В. Ковальський, виходячи із значущості для життєдіяльності, поділив хімічні елементи на 3 групи.

• 1. Життєво необхідні {незамінні) елементи. Вони постійно містяться в організмі людини, входять до складу ферментів, гормонів і вітамінів: Н, О, Са, N, К, Р, Na, S, Mg, Cl, С, I, Mn, Cu, Co, Fe, Zn, Mo, V. Їх дефіцит призводить до порушення нормальної життєдіяльності людини.
• 2. домішкові елементи, постійно містяться в організмі тварин і людини: Ga, Sb, Sr, Br, F, В, Be, Li, Si, Sn, Cs, Al, Ba, Ge, As, Rb, Pb, Ra, Bi, Cd, Cr, Ni, Ti, Ag, Th, Hg, U, Se. Біологічна роль їх мало з'ясована або невідома.
• 3. домішкові елементи, виявлені в організмі людини і тварин: Sc, Tl, In, La, Рг, Sm, W, Re, Tb і ін. Дані про кількість і біологічна роль не з'ясовані.

Елементи, життєво необхідні для побудови і життєдіяльності різних клітин і організмів, називають біогенними елементами.

Біогенні - народжують життя (органогенні, біофільние) елементи, концентрація кожного з них в організмі перевищує 1%. Точно перерахувати всі біогенні елементи в даний час ще неможливо через складність визначення дуже низьких концентрацій мікроелементів і встановлення їх біологічних функцій. Для 24 елементів біогенного встановлена надійно. Це елементи 1-й і деякі елементи 2-ї групи по Ковальському.

необхідні макроелементи - ті, без яких не може здійснюватися нормальна життєдіяльність організму. В першу чергу до них відносять С, Н, N, О (98% елементного складу всіх живих організмів) і Na, К, Са, Cl, Р, S, Fe, Mg (концентрація більше 0,001%).

мікроелементи (Діапазон концентрацій 10 ³-10 ⁵%) - Сі, Zn, Со, Mn, I, F, Мо і ін. (За Вернадським Сі, Zn, Со, Mn, I).

Крім того, виділяють домішкові елементи, які надходять з навколишнього середовища і поступово відкладаються в різних тканинах.

Іншими словами, якщо масова частка елемента в організмі: W,> 0,001%, то даний елемент відноситься до макроелементів (органогенного); якщо W, 0,001% - до мікроелементів.

У складі клітин, з яких складаються тканини людини, переважають такі елементи:

органогени: 0₂ (65-75%); С (15-18%); Н (8-10%); N (1,5-3%);

макроелементи: Mg, Na, Са, Fe, К, S, Р, С1 (сумарно близько 4-5%);

мікроелементи: Zn, Сі, З, I, F, Мп (сумарно близько 0,1%).

Подібний елементний склад мають клітини більшості тварин; відрізняються лише клітини рослин і мікроорганізмів.

Навіть ті елементи, які в клітинах містяться в мізерно малих кількостях, нічим не можуть бути замінені і абсолютно необхідні для життя. Так, вміст йоду в клітинах не перевищує 0,01%. Однак при нестачі його в ґрунті (в харчових продуктах) затримується ріст і розвиток організму.

1. Сполучні тканини, загальна характеристика та класифікація - цитологія, гістологія і ембріологія
   Сполучні, або тканини внутрішнього середовища, поряд з епітеліальними є тканинами загального призначення, що виникли в еволюції багатоклітинних організмів на ранніх етапах. В онтогенезі сполучні тканини розвиваються першими. Відповідно до теорії І. І. Мечникова тканини внутрішнього середовища
2. Список скорочень - вікова анатомія і фізіологія. Т.2 опорно-рухова і вісцеральні системи
   АТ - артеріальний тиск АДГ - антідіурстічсскій гормон (вазопрсссін) АКТГ - адрснокортікотропний гормон АТФ - аденозинтрифосфат АЦ - аденилатциклаза ВНД - вища нервова діяльність поза - вегетативна нервова система ВП - викликані потенціали ВПСП - збудливий постсинаптичний потенціал
3. Специфіка і значення хімічного складу цитоплазми яйцеклітини - біологія. Частина 1
   Зріла яйцеклітина, як правило, буває більше ового- ванні і тим більше крупніше будь-яких інших соматичних клітин. В ході овогенеза в цитоплазмі яйцеклітини резервується велика кількість речовин, необхідних для її дозрівання і забезпечення раннього ембріогенезу. Функціональна роль запасених
4. Спеціалізовані скоротливі тканини, поперечносмугаста м'язова тканина, серцева м'язова тканина - цитологія, гістологія і ембріологія
   До спеціалізованих скорочувальним тканинам відносять: міо епітеліальні клітини молочних, потових, слинних залоз; скоротливі клітини райдужної оболонки; м'язи, що звужують зіницю. Міоепітеліальние (корзинчаті, зірчасті) клітини мають ектодермальное походження. Вони розташовуються навколо секреторних
5. Сортування клітин - біологія. Частина 1
   У процесі ембріогенезу клітини не тільки активно переміщаються, але і «Дізнаються» один одного, т. е. утворюють скупчення і пласти тільки з певними клітинами. Значні координовані переміщення клітин особливо характерні для періоду гаструляції. Сенс цих переміщень полягає в освіті відокремлених
6. Сомато-сенсорна система - фізіологія вищої нервової діяльності та сенсорних систем
   В результаті вивчення даного розділу студент повинен: знати назви і механізм роботи механо- і терморецепторів шкіри; види пропріорецепторов і їх значення для організму; види вісцеральної чутливості; вміти описувати шляхи передачі сигналів від тіла в підкіркові і коркові області; пояснювати
7. Смакова і нюхова сенсорні системи., особливості вестибулярної системи - вікова фізіологія і психофізіологія
   З самого народження повністю функціонують органи смаку і нюху. Новонароджені розрізняють солодке, солоне, кисле і гірке, реагують на сильні запахи. Шестодневний дитина здатна відрізнити запах своєї матері від запаху іншої жінки. Він реагує не тільки на запах молока і грудей, але і на запах
8. Складні білки - біохімія
   Як правило, ці білки класифікують за небілкова компоненту. Ліпопротеїни складають велику групу складних білків. Ці макромолекули в значних кількостях знаходяться в мітохондріях, з них в основному складається ендоплазматичнийретикулум, їх виявляють і в плазмі крові, і в молоці. Як правило,