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

Хімічний елемент	Ознаки дефіциту хімічного елементу
	Тварини	Рослини
Са	ламкість кісток, рахіт, судоми	провисання частини листової пластинки, бугорчастість листків
Mg	уповільнення росту й порушення нервово-м’язової діяльності	на нижніх листках між зеленими жилками з’являються яскраві жовті або жовтогарячі плями, у середині яких тканина швидко відмирає, у результаті чого виникають бурі ділянки
P	рахіт	слабкий ріст, короткі й тонкі пагони, передчасне опадання листків
K	блювота, захворювання кишкового тракту, паралічі	«крайовий опік» листків: на нижніх листках побуріння й висихання країв, яке починається з кінчиків листової пластинки
S	втрата апетиту, випадання шерсті, надлишкові слинота і сльозовиділення	жовта листова пластинка, як при дефіциті Нітрогену, але вона виражена як на старих, так і на молодих листках поблизу точки росту
I	утворення зоба, затримка росту	зниження стійкості до захворювань
F	карієс, ламкість кісток	знебарвлення оцвітини, засихання листків
Fe	анемія	забарвлення верхніх листків стає блідо-зеленим або жовтим, між жилками з’являються білі ділянки, і весь листок згодом мо же ста ти білим
Zn	уповільнення росту, анемія, безпліддя, захворювання очей, виснаження, загибель	потовщення листків, плямистість пагона, край листка закручується догори
Co	зниження росту, деформація кісток, анемія	пригнічення розвитку, швидке зів’янення та загибель
Хімічний Елемент	Тварини	Рослини
Cu	анемія, проноси, свербіж шкіри, порушення координації, загибель	бліде забарвлення і зупинка росту молодих листків
B	порушення росту кісток	рослини чорніють і відмирають в точках росту, молоді листки дрібні, бліді, сильно деформовані, квітки не утворюються
Mn	уповільнення росту кісток, рахіт, анемія	між жилками з’являються жовтувато-зелені або жовтувато-коричневі плями, жилки залишаються зеленими, що надає листку строкатого вигляду
Se	атрофія мускулатури, розвиток пухлин	—

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!