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,
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
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 грунті 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 грунті 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 грунті 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 грунту, 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 грунтів.
Недолік або надлишок у грунті, 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 грунті залежить від різних чинників, наприклад про цесів грунтоутворення, хімічного складу грунту. Так, чорноземи мають найбільш високий вміст біогенних хімічних елементів, а в сірих лісових грунтах він знижений.
У результаті численних досліджень учені встановили існування залежності між вмістом елементів у грунті 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 грунтах 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!
(1 votes, average: 5,00 out of 5)