Розділ 1. Хімічні елементи в біосфері

Як відомо, будь-яка речовина складається з хімічних елементів, які за своїм розповсюдженням і роллю у біосфері суттєво відрізняються один від одного. Близько 90 елементів існують у біосфері, інші добуті штучно за допомогою ядерних реакцій. Тільки 8 елементів – Оксиген, Силіцій, Алюміній, Ферум, Кальцій, Натрій, Калій та Магній становлять за масою 99% земної кори, причому половина припадає на Оксиген, а чверть – на Силіцій. Біосфера складається з тих же хімічних елементів, що й неживі компоненти географічної оболонки (табл. 1.1). У складі живих організмів нараховується близько 70 елементів, причому 47 з них є постійними.

Таблиця 1.1 – Вміст деяких хімічних елементів у біосфері та живих організмах, %

величини середнього вмісту хімічного елемента в земній корі (або її частині, наприклад, у ґрунті або в складі інших сфер Землі) називають кларком. для кількісної характеристики ступеня відмінності вмісту хімічного елементу в тій або іншій конкретній природній системі або її частині від кларка літосфери В.І.Вернадським введений показник кларк концентрації (КК). При його розрахунку зазвичай як еталон використовують кларки літосфери за О. П. Виноградовим, хоча у зв'язку з постійним уточненням середнього складу земної кори можна використовувати і дані інших авторів.

Кларк концентрації – це відношення вмісту елементу в даній системі (гірській породі, руді, мінералі, ґрунті, рослині) до його кларка в земній корі:

КК = С_i/К (1.1)

Ця величина завжди більше 0. Якщо КК=1, то вміст елементу в об'єкті рівний його вмісту в літосфері. Якщо КК<1, то для більшої контрастності показника доцільно розраховувати обернену величину – кларк розсіювання (КР) – відношення кларка елементу в літосфері до його вмісту в даній системі:

КР = К/С_i (1.2)

Таким чином, кларки концентрації і кларки розсіювання – показники, що характеризують відносну поширеність хімічних елементів в природі і дозволяють судити про концентрацію або розсіювання хімічного елементу в досліджуваній системі відносно літосфери. При цьому кларк концентрації показує, у скільки разів вміст елементу в природному об'єкті більше його кларка в земній корі, а кларк розсіювання – у скільки разів кларк елементу в земній корі більше його вмісту в даному об'єкті.

Розрахунок КК і КР можна проводити і по відношенню до кларків окремих частин літосфери. Наприклад, при вивченні регіональних особливостей накопичення хімічних елементів в різних типах порід їх вміст можна порівнювати з кларковим у відповідних породах; концентрації в різних рослинах – з кларками живої речовини; вміст елементів в різних типах ґрунтів – з їх кларками в ґрунтах світу і так далі.

Хімічніелементи поширені в навколишньому середовищі дуже нерівномірно. Звертає на себе увагу величезний вміст таких мікроелементів (по відношенню до людського організму) як Si, Al, Fe, Zr, Mn, Zn, а також макроелементів К, Ca в земній корі (в верхній літосфері) і їх невеликі концентрації в гідросфері і атмосфері. Проте в біосфері відбувається накопичення багатьох з цих елементів, що свідчить про високу потребу в них живих організмів для здійснення процесів життєдіяльності. У біосфері концентруються такі хімічні елементи як О, К, S, Р, Cl, N, відносно високий вміст Са, В, Zn, Ba, Sr, Rb, Cu, Pb. Закономірності поширення біологічно важливих хімічних елементів (біогенних або ессенціальних елементів) полягають у тому, що хімічний склад організмів є відображенням хімічного складу оточуючого середовища.

О. П. Виноградов довів, що кількість тих чи інших хімічних елементів у живій речовині перебуває у зворотній залежності від їх атомної маси. Особливо багато в живій речовині міститься хімічних елементів, які стоять у максимумі парного (С, О, Si, Са, Fe, Sr, Ва) і максимумі непарного рядів (Н, N, А1, К, Мn, Сr, Рb) таблиці Д. І. Менделєєва. Ці елементи часто утворюють пари, які є взаємо­залежними при поглинанні їх організмами (Са/К, Fe/Mn, Pb/Sr, Cs/Ba).

У свою чергу, біогенні елементи з погляду на кларк в органічній матерії поділяють намакроелементи (10¹-10^-2), мікроелементи (10^-2-10^-5) та ультрамікроелементи (<10^-5). Поділ хімічних елементів за їх вмістом в речовині на макро-, мікро-, ультрамікроелементи відбиває більш важливу закономірність: у більшості випадків елементи різних груп виконують різні функції. Головна функція макроелементів полягає в побудові тканин, підтримці сталості осмотичного тиску, іонного і кислотно-основного складу. Мікроелементи, які входять до складу ферментів, гормонів, вітамінів і біологічно активних речовин, беруть участь в обміні речовин, процесах розмноження, тканинному диханні, знешкодженні токсичних речовин. Мікроелементи активно впливають на процеси кровотворення, окиснення-відновлення, проникність судин і тканин. Мікроелементи є будівельним матеріалом, «цеглинами» організмів. Звичайно, є хімічні елементи, що здійснюють змішані функції. Наприклад, Ферум: у ґрунтах і породах – макроелемент, речовинна основа. В живих організмах – мікроелемент, що входить до складу ферментів, є каталізатором біохімічних процесів. Залежно від валентного стану та структури електронних рівнів роль кожного мікроелементу специфічна, й тому його не можна замінити в біохімічних процесах ніякими іншими хімічними елементами. Мікроелементи, які виявлені в організмі людини і тварин, але біологічна роль яких не вивчена, називають домішковими.