ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО 1. 2. СОСТАВ ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ
СОСТАВ ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА
Живое вещество Земли это планетарная совокупность всех организмов, характеризуемая массой и химическим составом
Исходным источником минеральных веществ, входящих в состав живого вещества, является земная кора. Сумма зольных элементов живого вещества есть сложный итог его взаимодействия с земной корой. Поэтому детальное изучение зольных элементов в организмах имеет важное значение
Относительное содержание химических элементов можно рассчитать q q q во-первых, на живое (сырое) вещество организмов во-вторых, на их сухую биомассу в-третьих, на золу, т. е. на сумму минеральных веществ. Каждый из трех вариантов расчета используется для решения определенных задач.
Концентрация химических элементов меняется в зависимости от систематического положения организма, среды обитания, стадии развития организма. Даже в одном организме концентрация одного и того же элемента в разных тканях и органах неодинакова.
Значение кларка элемента в живом веществе Мировой суши зависит не столько от его концентрации во всех организмах, сколько от концентрации в тех, которые составляют преобладающую часть массы живого вещества.
Доминирующую часть массы живого вещества Мировой суши и всей планеты образуют высшие растения. Масса живого вещества океана в несколько сотен раз меньше. Масса наземных животных составляет около 1 % от фитомассы. По этой причине состав растительности суши обуславливает состав всего живого вещества Земли.
Ø Учитывая преобладание высших растений, можно считать, что в живой (сырой) биомассе Мировой суши содержится: 60 % воды, 38% органического вещества, 2 % зольных элементов (Е. А. Романкевич, 1988). Ø При пересчете на абсолютно сухую биомассу мы имеем 95 % органического вещества и 5 % зольных элементов.
Средний состав органического вещества растительности суши (после исключения зольных элементов), % Биомасса и её главные компоненты Растения суши Органиче ское вещество - 54 6 37 2, 8 Биомасса суши - 48 7 41 2, 0 Углеводы 60 40 7 50 1, 5 Лигнин 30 62 6 30 1, 0 Липиды 5 70 10 18 0, 5 Белки 5 50 7 23 16 Химические элементы С Н О N
Относительное содержание химических элементов в фитомассе суши, % Химические элементы S Сырая масса 0, 05 Пересчет на сухое вещество 0, 34 Пересчет на золу 6, 8 P Ca 0, 06 0, 50 0, 23 1, 80 4, 6 36, 0 K Mg 0, 30 0, 04 1, 40 0, 32 28, 0 6, 4 Na Cl 0, 02 0, 12 0, 20 2, 4 4, 0 Si Fe 0, 20 0, 01 0, 50 0, 025 10, 0 0, 4 Al 0, 005 0, 013 1, 0
Сумма значений относительного содержания элементов (14 шт. ) немного не достигает 100 %; незначительную недостающую часть образуют около 70 химических элементов, рассеянных в живом веществe; они содержатся в ничтожном количестве, измеряемом мкг/г сухого вещества или 1 х10 -4 %.
При всей уникальности живого вещества как феномена нашей планеты существуют факты, свидетельствующие о его связях с Космосом. Это проявляется как в структурной организации (проявления диссимметрии), так и в составе.
При расчете сравнительной распространенности атомов химических элементов А. Дельсемм (1981) обнаружил замечательную близость соотношения атомов в составе микроорганизмов, с одной стороны, и в межзвездном газе и газовом веществе комет - с другой.
Сравнительная распространенность атомов главных химических элементов живого вещества Химические элементы H Распространенность, атомные % в космосе в в летучей целом фракции комет 76, 5 56 в живом веществе 63, 3 O 0, 82 31 26, 6 C 0, 34 10 8, 9 N 0, 12 2, 7 1, 2 S 0, 0015 0, 3 0, 01
Относительное содержание химических элементов не дает представления о количестве элементов, содержащихся в живом веществе суши. Для этого необходимо установить массу живого вещества и на этой основе определить массы отдельных элементов.
Естественная фитомасса континентов до активного воздействия человека составляла 6, 25 х1012 т. В пересчете на 40 % сухого вещества – 2, 5 х1012 т. В этой массе содержалось при 5 %-ной зольности 0, 125 х1012 т зольных элементов.
В настоящее время под воздействием хозяйственной деятельности людей фитомасса сократилась не менее чем на 25 % и, следовательно, составляет около 1, 88 х1012 т сухого вещества, содержащего 94 х109 т зольных элементов, 865 х109 т углерода 36 х109 т азота.
Массы других элементов оцениваются в соответствии с их кларками по Е. А. Романкевичу (1988) следующими значениями: сера – 9 х109; фосфор – 3, 8 х109; кальций – 28, 2 х109; калий – 20, 7 х109; магний – 6, 0 х109; натрий – 2, 3 х109; хлор – 3, 8 х109; кремний – 5, 6 х109; алюминий – 0, 6 х109; железо – 0, 5 х109.
Масса живого вещества океана составляет менее 1 % массы растительности Мировой суши. Особенность структуры живого вещества океана в том, что масса консументов превышает массу продуцентов – фотосинтезирующих организмов. Суммарная масса животных и бактерий Мирового океана близка к 4, 5 х109 т, масса растений – 3, 5 х109 т. Преобладающую часть массы продуцентов океана составляет фитопланктон.
Химический состав живого вещества суши и океана неодинаков. Живое вещество океана отличается более высоким содержанием воды (около 80%), азота и серы, а также значительно большим содержанием зольных элементов, составляющих 40 -50% от сухой биомассы.
Средние значения концентрации химических элементов в живом веществе океана окончательно не определены. По данным Е. А. Романкевича (1988), средние значения главных элементов следующие (в % сухой массы): С - 50, 1; Н - 7, 4; О - 29, 1; N - 10, 4; S - 2, 0.
Согласно Х. Боуэну, в сухой биомассе водорослей содержится (в % сухой массы): К – 5, 20; Na – 3, 30; Si – 2, 0; S – 1, 20; Са – 1, 00; Mg – 0, 52; CI – 0, 47; P – 0, 35.
Таким образом, в растениях океана по сравнению с растительностью суши значительно выше концентрация почти всех главных зольных элементов, особенно натрия и магния, а также хлора и серы.
Еще сильнее выражено превышение концентрации многих рассеянных элементов. Так, в фотосинтезирующих организмах океана в сотни раз выше концентрация йода и брома, в десятки раз выше концентрация некоторых тяжелых металлов (кадмия, цинка, ртути, свинца, ванадия и др. ), а также близких им поливалентных элементов (мышьяка).
Соотношение концентраций рассеянных элементов в растениях океана и суши
Концентрация главных элементов в разных биохимических объектах изменяется. Размах колебания концентраций рассеянных элементов достаточно большие. Известно, что концентрация йода в морских водорослях в несколько сотен раз больше, чем в наземных растениях.
В муравьях семейства Gamponitinae концентрация марганца составляет сотые доли процента, а в муравьях семейства Ponerinae - меньше в тысячу раз (А. П. Виноградов, 1963).
Неодинакова концентрация рассеянных элементов в одних и тех же организмах, но обитающих в разных местах. В асцидиях Черного моря концентрация ванадия в 8 -100 раз и свинца в 10 -80 раз выше, чем в этих же животных из Охотского моря (В. В. Ковальский, 1974).
Масса рассеянных элементов, находящихся в растительности Мировой суши Группы элементов Масса, млн. т I – Mn 100 n II – Sr, Zn, Ti, B, Ba, Cu 10 n III – Zr, Br, F, Rb, Pb, Ni, Cr, V, Li IV – La, Y, Co, Mo, I, Sn, As, Be V – Se, Ga, Ag, U, Hg, Sb, Cd n 0, 1 n 0, 01 n
Массы рассеянных элементов, связанные в растительности суши, представлены внушительными значениями: от десятков миллионов тонн до десятков тысяч тонн, а масса марганца приближается к значениям таких элементов, как алюминий и железо.
Биологическая роль микроэлементов
В живом веществе Мировой суши находятся практически все рассеянные элементы. Их биологическая роль неодинакова. Одни из них играют определенную, иногда очень важную роль в жизнедеятельности организмов, значение других пока не выяснено.
Д. Уэбб и У. Ферон (1937) сформулировали понятие о качественно неодинаковом состоянии главных и рассеянных элементов в живом веществе.
На основании многолетних исследований В. В. Ковальский (1974) все рассеянные элементы разделил на две группы. К первой он отнес цинк, медь, йод, марганец, ванадий, молибден, кобальт и селен, незаменимость которых для организмов установлена.
Большая часть рассеянных элементов относится ко второй группе. Они также постоянно присутствуют, но формы их соединений недостаточно изучены, а физиологическая роль неизвестна. Имеются также элементы, порядки содержания которых не установлены: скандий, ниобий, тантал, группа редкоземельных элементов, вольфрам и некоторые другие.
Физиологическое значение рассеянного элемента не определяется величиной его концентрации. Например, кобальт, содержащийся в количестве nₓ(10 -5 -10 -6)% от массы сухого вещества, в физиологии нормальных здоровых организмов играет более важную роль, чем стронций, содержание которого в тысячу раз больше.
Функции микроэлементов в биохимических процессах l Важную роль играют поливалентные металлы, входящие в состав ферментов, гормонов и витаминов. l Благодаря их способности менять валентность они служат переносчиками электронов и участвуют в регулировании таких процессов, как дыхание, фотосинтез и некоторые другие. l Микроэлементы обеспечивают взаимодействие фермента с субстратом.
Активирующие свойства многие ферменты приобретают благодаря соединению белка с микроэлементами. Известно большое количество металлоферментов: с цинком – карбоангидраза, алкогольдегидрогеназа; с марганцем – аргиназа, фосфортрансферазы; с медью – тирозиназа, цитохромоксидаза; с железом – пероксидаза, каталаза и др.
Ферменты, участвующие в превращении веществ в клетке в связи с процессом дыхания, активируются медью, цинком, марганцем и кобальтом, а процесс окисления стимулируется бором и титаном. В состав ферментов, обеспечивающих фотосинтез, входят марганец, железо и медь, но на интенсивность этого процесса влияет присутствие бора, кобальта и молибдена.
Ответственная роль принадлежит микроэлементам в гормонах. Биосинтез тироксина невозможен без йода. Содержание йода в щитовидной железе у здорового человека составляет 5 -15 мг, причем за 30 -50 суток происходит полное обновление всего йода. Медь стимулирует деятельность гормона гипофиза, а цинк – половых гормонов.
Микроэлементы необходимы также для синтеза некоторых витаминов, которые в организме животных превращаются в важные коферменты. Кобальт – обязательный компонент витамина B 12, Марганец входит в витамин С, Цинк и марганец – в витамин B 1.
Захват и преобразование растительного вещества организмами животных хотя и влекут за собой изменения в соотношениях между микроэлементами, но не снижают их биоактивирующей роли.
Содержащий кобальт витамин B 12 в организмах животных превращается в гидроксикобаламин, из которого образуется кофермент B 12. Последний участвует в синтезе аминокислот и белков, рибонуклеиновых и дезоксирибонуклеиновых кислот и других образований, без которых нормальное развитие организма невозможно.
Медь входит в состав многих ферментов, участвующих в обмене липидов, хромпротеидов, синтезе РНК, ДНК, коллагена и др. Особенно важна роль меди в окислительных ферментах. Молибден входит в состав ксантиноксидазы, которая превращает ксантини и гипоксантин в мочевую кислоту. Марганец содержится в ферменте, влияющем на развитие хрящевых клеток и образование костной ткани.
Избирательная концентрация элементов в живом веществе Земли – результат длительного взаимодействия организмов с окружающей средой. В процессе эволюции у живых существ вырабатывались, необходимые биохимические механизмы, в которых принимали участие определенные рассеянные элементы. В силу этого они концентрировались в организмах, а сложившиеся биохимические особенности закреплялись в бесчисленных поколениях и сохранились до сих пор в соответствующих систематических группах.
Выработка биохимических механизмов и вовлечение рассеянных элементов в биогенез – процесс, имеющий определенные вехи в своей истории.
Имеются указания о том, что более 500 млн. лет назад преобладали организмы с геомоцианиновой кровью. Переносчиком кислорода у них служили биохимически активные пигменты, содержащие медь. Организмы, которые появились позже (около 400 млн. лет назад), уже обладали гемоглобиновой кровью. Содержащий железо гемоглобин, по-видимому, лучше обеспечивал ткани кислородом.
Выход животных из моря на сушу способствовал переходу от использования кислорода, растворенного в воде, к воздушному дыханию. Этот переход сопровождался выработкой нового биохимического механизма, в котором активное участие принимал фермент, содержащий цинк – карбонангидраза.
Биохимические механизмы, возникшие на разных эволюционных ступенях развития органического мира, отражаются на особенностях содержания микроэлементов.
Изменение содержания марганца в ходе эволюции очень показательно. Согласно Е. А. Бойченко, в гетеротрофных бактериях содержание марганца определяется ничтожной величиной – n 10 -6 -n 10 -5 %, в синезеленых водорослях – n 10 -4 %, в зеленых – n 10 -3 %, в папоротникообразных – n 10 -3 -n 10 -2 %, в покрытосеменных – n 10 -2 -n 10 -1 %. х х х х
Скачать презентацию ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО 1 2 СОСТАВ ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА БИОЛОГИЧЕСКАЯ
ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО.ppt