Біологія 10 клас

Розділ 2 Молекулярний рівень організації живої природи

Тема. 3 Елементний склад  біологічних систем

§ 12. ПОТРЕБИ БІОСИСТЕМ У ХІМІЧНИХ ЕЛЕМЕНТАХ

Терміни та поняття: ендемічний зоб, йодизм, карієс, хлороз, біогеохімічний ланцюг, біогеохімічна зона.

До чого призводить дефіцит або надлишок хімічних елементів. Нестача або надлишок макро- і мікроелементів шкідливо впливають на функціонування клітин і організму в цілому і зрештою спричинюють захворювання, які навіть можуть призвести до смерті. Саме тому в добовому раціоні людини, домашніх тварин і сільськогосподарських рослин повинна бути чітко визначена кількість необхідних для нормального життя біогенних елементів.

Дефіцит певного біогенного елементу викликає специфічну хворобу, яка має особливі зовнішні прояви — симптоми, за яки ми лікар, ветеринар чи агроном можуть визначити, який саме з хімічних елементів недоотримує організм людини, тварини чи рослини.

Мал. 86.Так виглядає хлороз у кімнатних рослин

Дефіцит Йоду в їжі людей, що мешкають у гірській місцевості, зумовлює зниження його вмісту в їх організмі, що призводить до порушення функції щитоподібної залози (пригадайте, у чому полягає значення для людини цього органу внутрішньої секреції), внаслідок чого виникає хвороба — ендемічний (від грец. ендемос — місцевий) зоб. При цій хворобі у людини знижується швидкість обміну речовин, зменшується рівень постачання клітини енергією, пригнічується синтез білка, відкладається забагато жиру, уповільнюється ріст, знижується здатність до розмноження. У разі вживання надмірної кількості кухонної солі або хлорованої води організм людини може втрачати Йод. (Пригадайте з хімії явище витіснення одного галогена іншим.) З метою профілактики та лікування цієї хвороби збільшують вживання йодовмісних продуктів, додають препарати, що містять Йод, або вживають спеціальну кухонну (йодовану) сіль. Однак при лікуванні чи профілактиці дефіциту Йоду ні в якому разі не можна «перестаратися», оскільки в організмі підтримується певний баланс елементів, який не слід порушувати. Це стосується і надлишку Йоду, який може призвести до захворювання — йодизму.

Вам, напевно, вже знайоме таке захворювання, як карієс, зумовлене недостатньою кількістю Флуору в організмі людини.

Особливо небезпечними для людини є надлишки мікроелементів (Молібдену, Селену, Хрому, Нікелю, Арсену та Стронцію), і хоча їх надлишок виводиться з організму, проте вони все ж таки встигають викликати захворювання, а деякі з них — сильне отруєння.

Подібні захворювання властиві не тільки тваринам, а й рослинам. Так, нестача Феруму в ґрунті порушує життєдіяльність рос лин, зокрема гальмується процес утворення хлорофілу, що призводить до хлорозу (мал. 86). У таких рослин ріст уповільнений, а листя жовтіє й біліє. Для запобігання нестачі мікроелементів у ґрунті необхідно використовувати спеціальні мікродобрива.

Слід зазначити, що надлишок чи дефіцит хімічних елементів є специфічним для певного виду організму, а тому дози мікроелементів, які є нормальними для рослин, можуть бути смертельно небезпечними для тварин. Якщо у ґрунті обмаль Купруму, то і рослини містять цей елемент у мізерній кількості, однак це ніяк не позначається на їх життєдіяльності, проте в корів, які пасуться на луках з такою рослинністю, розвивається хвороба «мідна нестача». Останнім часом виявилося, що і для людини дефіцит Купруму є дуже небезпечним, брак цього елементу може призводити до руйнування кровоносних судин, ненормального розвитку кісток і навіть, як тепер вважають, бути однією з причин ракових захворювань. (Зверніть на це увагу.)

Деякі рослини накопичують великі запаси хімічного елементу Нікелю. Поїдаючи такі рослини, вівці отримують його в надлишковій кількості. Як наслідок — отруєння, в результаті якого на рогівці оболонці ока розвивається біль мо. Закінчується ця хвороба сліпотою.

Що таке ендемічні хвороби й біогеохімічні зони. Результати досліджень В.І. Вернадського і його учнів, проведені ще у першій половині ХХ ст., засвідчили, що мікроелементи нерівномірно розподілені по по верхні суходолу: зони з перевагою одних мікроелементів зміняються місцевостями, де ці самі елементи можуть бути в дефіциті. Вчені встановили існування біогеохімічного ланцюга — зв’язку між хімічним складом ґрунту, рослина ми і тваринами, виділили біогеохімічні зони — території, які характеризуються певним вмістом і співвідношенням біогенних елементів. Як правило, ці зони збігаються із межами природно-кліматичних зон і відповідають певним типам ґрунтів.

Недолік або надлишок у ґрунті, воді й повітрі певних біогенних елементів відповідно призводить до їх дефіциту або надлишку спочатку в рослинах, а потім у тваринах, що їх поїдають. При цьому одні види не відчувають жодного дискомфорту, інші до нього пристосовуються, а в деяких виникають ендемічні захворювання, характерні для конкретної місцевості. До таких належать й вищезгадані ендемічний зоб і «мідна хвороба» худоби. Ендемічні хвороби зазвичай пов’язані з географічно обмеженими територіями гірської, заболоченої місцевості, з місцями покладів руди й вулканічної діяльності.

У межах України розташовуються дві геохімічні області. Одна з них знаходиться у лісостеповій та степовій чорноземній зонах. У цих місцевостях практично не зустрічається дефіцит біогенних елементів, а співвідношення між ними близьке до оптимального для живих істот. У межах цієї зони достатня кількість Ca, Co, Cu, Mn, збалансоване співвідношення S, Zn, Мо, однак місцями буває дефіцит K, B, P. Друга геохімічна зона — гірська, до якої належать території Карпат і Криму. Для гірської зони характерний підвищений вміст одних елементів (найчастіше Со) і дефіцит інших. Так, територія Українських Карпат бідна на Йод (I) та Манган (Mn).

Вміст і розподіл мікроелементів у ґрунті залежить від різних чинників, наприклад про цесів ґрунтоутворення, хімічного складу ґрунту. Так, чорноземи мають найбільш високий вміст біогенних хімічних елементів, а в сірих лісових ґрунтах він знижений.

У результаті численних досліджень учені встановили існування залежності між вмістом елементів у ґрунті та частотою різних захворювань у населення. Баланс мікроелементів у навколишньому середовищі позначається на балансі мікроелементів в організмі людини. Наприклад, рак шлунка або легень часто вражає жителів населених пунктів, розташованих на ґрунтах із дефіцитом Fe, Co, Zn, підвищений вміст у середовищі існування Mo і Zn збільшує частоту захворювань на рак стравоходу.

Прогнозування ендемічних хвороб та їх профілактика (внесення мікродобрив, складання оптимального раціону харчування населення, врахування закономірностей географічного поширення мікроелементів у навколишньому середовищі) є важливими заходами у забезпеченні балансу хімічних елементів в організмах (табл. 3).

Таблиця 3.

Ознаки дефіциту певних біологічно активних елементів у тварин і рослин

Як надлишок, так і нестача біологічно важливих хімічних елементів супроводжується порушеннями функціонування клітини й усього організму як людини, тварин, так і рослин. У ряді випадків це призводить до захворювань і навіть смерті.

На Землі є зони з різною концентрацією біологічно активних елементів, які називаються біогеохімічними зонами. Оптимальною щодо хімічного складу є лісостепова й степова чорноземна зони, які займають більшу частину території України. Проблемними щодо цього є гірські місцевості, де зазвичай існує дефіцит Йоду й інших мікроелементів.

 Інформація до роздумів. Альтернативна біохімія — напрям науки, що вивчає можливість існування інших форм живої речовини, донині невідомих.

Альтернативна біохімія дає можливість припустити: • як розвивалося б життя на нашій планеті, якби первинне утворення живої речовини відбувалося іншим шляхом; • можливість існування на Землі альтернативних форм життя (на сьогодні активно обговорюється й дискутується питання про те, що деякі мінерали, зокрема агати, і є альтернативною формою життя); • імовірність існування життя на інших планетах в умовах, кардинально відмінних від земних.

Ідея альтернативної біохімії спирається на існування поруч з нами живих істот, чий обмін речовин суттєво відрізняється від обміну речовин переважної більшості організмів. Наприклад, анаеробний метаболізм або обмін речовин хемотрофних мікроорганізмів, що використовують як окислювач не кисень, а нітрати.

Іноді найсміливіші припущення й гіпотези, що не узгоджуються з положеннями класичної науки, виявляються правильними. Колись вчені й припустити не могли, що можливе існування життя в позбавлених світла глибинах термальних сульфуровмісних джерел. Сьогодні виявлені бактерії, що живуть у жерлах вулканів або крижаних пустелях Антарктиди, у гірських породах, які містять важкі метали, у воді, що використовується в системі охолодження атомних реакторів тощо. Альтернативні з біохімічної точки зору форми життя можуть існувати на далеких планетах, а можливо і в нас під ногами. Існує теорія про «тіньову біосферу», що складається з живої речовини альтернативної природи. Чому ж ми не помічаємо того, що існує поруч? А тому, на думку прихильників альтернативної біохіміі, що всі методи, які використовують біологи для ідентифікації нових організмів, створені із прицілом на звичні форми життя, а інших форм життя земні дослідники можуть просто не помічати.

Найчастіше формулюється припущення про існування кремнієвої форми життя. Сполуки хімічного елементу Силіцію проявляють властивості, подібні до властивостей Карбону. Силікони — полімери, які включають ланцюжки атомів Силіцію й Оксигену, що чергуються — це речовини, які організм людини сприймає цілком дружньо, їх активно використовують, наприклад у косметології. Силіконові полімери стійкі до дії високих температур (не дарма із силікону роблять м’які форми для випічки), тому силіконова форма життя була б прийнятною для планет з більш високими температурами, ніж на Землі. Якщо припустити існування «кремнієвого» життя, яке використовує для дихання кисень, то вийде, що такі організми вдихають кисень, а видихають SiO2, тобто… пісок!

Земні форми життя активно використовують Силіцій: наприклад, діатомові водорості накопичують кремнезем (пригадайте формулу цієї речовини), майже ідентичний дорогоцінному каменю опалу. Скляні стулки оболонок діатомових водоростей неймовірно різноманітні й прекрасні, вкриті складним візерунком, тому під мікроскопом багато діатомових водоростей нагадують ювелірні прикраси надзвичайно тонкої роботи.

Ідея альтернативного життя здалася настільки цікавою для письменників-фантастів, що ними було створено цілу низку художніх творів, присвячених цій ідеї. Кремнієва форма життя описується в повісті А. Днєпрова «Глиняний бог», оповіданні А. Константинова «Контакт на Ленжевене» і навіть в одній із серій популярного американського телесеріалу «Секретні матеріали». Іван Єфремов у повісті «Серце Змії» уявив життя, у якому роль Оксигену відіграв Флуор. В оповіданні Кіра Буличова «Снігурка» змальовано життя на основі сполук Нітрогену. Припускали існування життя у вигляді плазмових згустків і Станіслав Лем у повісті «Правда», і Олаф Степлдон у «Творці зірок», і Едмонд Гамільтон у «Дітях зірок», і Артур Кларк в оповіданні «Із сонячного черева».

Але не тільки письменники робили припущення про альтернативні форми життя. Видатний учений К.Е. Ціолковський (1857— 1935) висловив гіпотезу про нехімічні способи життя у вигляді плазмоїдів — плазмових згустків (приклад плазмоїду— кульова блискавка). За припущенням науковця, Сонце — населена зірка, і саме плазмоїди є тією формою життя, що населяє Сонце. І якщо ідеї Ціолковського про польоти у космос, які здавалися його сучасникам фантастичними й абсурдними, сьогодні для нас звичайна справа, то чому б не припустити, що плазмоїдні організми насправді існують? До речі, останні наукові дослідження показали, що за певних умов плазмоїди здатні розмножуватися!

Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити