Значение химических элементов для живых организмов

Химические элементы в жизни организмов

Химические элементы, обозначенные в таблице Д.И. Менделеева, встречаются как в неживой, так и в живой природе. Они присутствуют в составе атмосферы, гидросферы и литосферы нашей планеты. Происхождение жизни в водной (морской) среде отразилось на составе химических элементов клеток и тканей не только водных, но и наземных живых организмов, в том числе высокоразвитых. Морская вода близка к физиологически уравновешенному раствору. Она богата натрием, магнием, хлорид-ионами, которые присутствуют в плазме крови человека.

Минеральный состав морской воды и плазмы крови человека, %
Минеральный состав морской воды и плазмы крови человека, %

Практически все атомы верхних оболочек Земли благодаря биологическому круговороту веществ за миллиарды лет неоднократно побывали в составе молекул живых организмов. Особенно атомы таких элементов, как кислород, углерод, азот и водород. Все они присутствуют в составе атмосферы, гидросферы и литосферы нашей планеты.

Элементы калий, магний, натрий, кальций, железо, сера, фосфор, хлор в клетке содержатся в меньших количествах, но также необходимы живым существам. Эти химические элементы широко распространены в природе. В клетки живых организмов они поступают вместе с пищей, водой и в процессе дыхания.

Впрочем, далеко не всегда необходимые химические элементы живые организмы с легкостью получают из окружающей среды. Например, есть немало мест на нашей планете, в которых отсутствует свободный кислород, необходимый для дыхания, или нет усваиваемых организмом соединений азота, хотя газообразный азот всегда в большом количестве присутствует в атмосфере.

Многие химические элементы являются жизненно необходимыми компонентами живых организмов.

Поступление большинства химических элементов в организм животных идет по цепям питания от растений, которые всасывают растворы минеральных солей из почвы. Но натуралисты давно отметили, что многие животные (особенно крупные травоядные) в процессе своих миграций постоянно посещают одни и те же места, где на поверхности земли имеются выходы солей кальция, натрия, калия, серы. Животные лижут эту землю и так восполняют нехватку данных элементов в своем организме.

Особенно велика роль микроэлементов, участвующих в обменных процессах живых существ. Они повышают устойчивость к болезням и неблагоприятным условиям внешней среды. Недостаток микроэлементов вызывают серьезные заболевания и даже гибель организма, особенно в его раннем возрасте. Микроэлементы необходимы всем представителям живой природы – растениям, грибам, животным и человеку.

Например, у растений микроэлемент марганец способствует увеличению содержания сахаров и оттоку их из листьев. Селен в клетках млекопитающих выполняет функции антиоксиданта, кобальт присутствует в клетках растений и животных как порфириновое соединение – цианокобаламин (витамин B12), цинк входит в состав молекулы гормона поджелудочной железы инсулина и фермента ДНК-полимеразы, иод – необходимый компонент гормона щитовидной железы тироксина.

Геохимические заболевания

Недостаток или избыток некоторых жизненно важных химических элементов в почве различных географических регионов может вызывать массовые нарушения здоровья живых организмов, обитающих на этих территориях. Такие заболевания называют геохимическими или эндемичными (от греч. endemos – местный). Как правило, их можно излечить или предупредить путем регулярного добавления в пищу или воду животным, в подкормку растениям элемента, дефицитного для природных условий данной территории. Но заменить один микроэлемент другим нельзя, так как их участие в обменных процессах специфично.

Микроэлементы – это группа незаменимых минеральных веществ, обеспечивающих жизнедеятельность организмов.

Познакомимся с некоторыми примерами таких заболеваний человека и животных.

Зобная болезнь, или иодная недостаточность, характеризующаяся поражением щитовидной железы и нарушением обмена веществ в организме, возникает в местностях с низкой концентрацией иода в почве, воде и воздухе. При этом заболевании щитовидная железа увеличивается в объеме, но это не единственный внешний признак зобной болезни. У детей может наблюдаться кретинизм. Для профилактики эндемического зоба в состав поваренной соли вводят небольшое количество иодида калия. Такое сочетание солей устойчиво при хранении и хорошо усваивается организмом.

Беломышечная болезнь развивается при дефиците селена. Ядовитый для многих животных в больших количествах, селен оказывается незаменимым микроэлементом в микродозах. Его недостаток характеризуется нарушениями обмена веществ, особенно на этапе процессов окисления в клетках. При этом происходят биохимические и морфологические изменения в сердечной мышце и скелетной мускулатуре. У человека и животных при нехватке селена наблюдается ослабление мышечного тонуса, тремор (мышечная дрожь), малая подвижность, синюшность слизистых оболочек, сердечная недостаточность. Для лечения используется водный раствор селенита натрия.

Гипокупроз – тяжелая болезнь, возникающая при недостатке меди. Проявляется в анемии, нарушениях работы центральной нервной системы, органов пищеварения, печени, почек, извращении вкуса. У ягнят отмечают шатающуюся походку, поджатые задние ноги.

Серная недостаточность – заболевание, обусловленное недостаточным поступлением в организм серы. У животных деформируется роговое вещество копыт, замедляется рост шерсти и пера. Перья у птиц обламываются, выпадают, наблюдается каннибализм (расклев). У овец шерсть становится тонкой, некачественной. Для лечения используют чистую серу, неорганические соли (сульфат натрия), органические соединения серы (метионин). В качестве удобрения применяют гипс (сульфат кальция).

Кроме перечисленных болезней, можно назвать и многие другие, спровоцированные недостатком различных химических элементов. Но еще больше известно заболеваний, обусловленных избытком некоторых химических элементов в почве, воде, воздухе, пище. Даже такой нужный организму элемент, как кальций, может в избыточных количествах отрицательно влиять на обмен веществ. Например, паракератоз (недостаточность цинка) усугубляется при избытке кальция, так как кальций уменьшает всасывание цинка из желудочно-кишечного тракта в кровь.

Особенно опасны для живых организмов отравления химическими веществами, в больших количествах попадающими в окружающую среду из выхлопных газов автомобилей, плохо очищенных сточных вод промышленных предприятий, выбросов различных летучих отходов в атмосферу. То же происходит при несбалансированном внесении в почву искусственных удобрений, ядохимикатов (гербицидов, пестицидов, фунгицидов и т. д.).

В настоящее время широко распространены такие заболевания, как свинцовый токсикоз, флюороз (избыток фтора), молибденовый токсикоз, никелевый токсикоз, кадмиевый токсикоз, нитратно-нитритный токсикоз и др. Накапливаясь в молоке, жирах, мышечных тканях животных, ионы тяжелых металлов попадают в организм человека с животной пищей, нанося ему непоправимый вред.

Эндемические болезни животных – специфический объективный экологический индикатор негативных изменений биотического круговорота макро- и микроэлементов и геохимической обстановки в биогеоценозах тех ландшафтов, в которых проживают люди. И это естественно, так как имеющиеся там аномалии, характеризующиеся отсутствием или избыточностью тех или иных химических элементов в окружающей среде, непосредственно проявляются и в обменных процессах населения этих территорий.