Хімічні елементи
- в навколишньому середовищі і в організмі людини
Розглядаючи поширення хімічних елементів на Землі, зазвичай беруть до уваги три сфери "неживої" природи: атмосферу, гідросферу, літосферу (первинну оболонку Землі) і четверту сферу - область існування живих організмів (біосферу).
Хімічний склад Землі, закони поширення і розподілу хімічних елементів, способи їх поєднання, шляхи міграції та переміщення хімічних елементів вивчає геохімія. Геохімія тісно пов'язана з хімією, геологією і мінералогією; вона спирається на хімічні закони і методи дослідження. В створення і розвиток геохімії внесли вклад багато натуралісти. З радянських вчених видатними геохимиками були академіки В. І. Вернадський, А. Е. Ферсман і А. П. Виноградов. За В. І. Вернадським, який крім величезного внеску в геохімію ввів поняття "біосфери" і "ноосфери", "біосфера - це безперечно організоване середовище, перероблена життям і космічними випромінюваннями і пристосована до життя". Верхня межа біосфери - тропосфера - знаходиться на висоті 12-15 км, а нижня - літосфера - на глибині до 5 км. Отже, біосфера включає в себе нижню частину атмосфери, всю гідросферу і верхню частину літосфери - В. І. Вернадський встановив тісний зв'язок між геохімічними процесами і життям живих організмів, що знайшло відображення у створенні ним нової науки - біогеохімії. Він неодноразово підкреслював, що: геохімічні процеси і живі організми утворюють єдиний біогеохімічний цикл.
Проводячи детальний аналіз змісту елементів в земній корі і в живих організмах, Вернадський прийшов до висновку, що якісний склад цих об'єктів близький. Він припускав, що в живому організмі коли-небудь будуть знайдені всі елементи періодичної системи, виявлені в неживій природі Землі. Дійсно, до теперішнього часу в організмі людини надійно встановлено присутність близько 70 елементів періодичної системи. Земну кору становить порівняно невелике число елементів. Близько 1/2 маси земної кори припадає на Оксиген, більше 1/4 - на Силіцій. Всього 18 елементів: О, Si, A1, Ре, Са, Na, К, Mg, H, Ti, С, Cl, P, S, N, Mn, F, Ва - складають 99,8% маси земної кори. З них на 8 елементів (О, Si, Al, Ре, Са, Na, К, Mg) припадає 98% маси земної кори. У живому організмі переважають 6 елементів: С, H, О, N, P, S - на які припадає 97,4% маси організму. Ці елементи називаються органогенами. Можна відзначити, що в земній корі переважають метали, тоді як в живих організмах - неметали. Надходження елементів у живий організм з навколишнього середовища обумовлено наступними факторами:
1. Знаходженням елемента в природі у доступній (зазвичай водорозчинній) формі;
2. Здатністю організму поглинати елемент;
3. Спроможність організму накопичувати елемент.
Живі організми беруть активну участь у перерозподілі хімічних елементів а земній корі. Мінерали, природні хімічні сполуки утворюються в біосфері в різних кількостях завдяки життєдіяльності різних організмів (так званої живої речовини). Прикладом геохімічної функції живої речовини є кальцієва функція, характерна для всіх організмів, що мають кальцієвий скелет. Концентруючи кальцій у своїх тілах, живі організми енергійно витягують його з навколишнього середовища. Коли ж організм відмирає, основною мінеральною складовою залишку виявляється кальцієвий скелет, який, у свою чергу, повертається в навколишнє "неживе" середовище. Зіставляючи якісний склад земної кори, геосфери і біосфери, можна помітити, що елементний склад живої речовини сильно відрізняється від складу земної кори і ближче стоїть до складу морської води, виключаючи вуглець і кальцій.Вознікает питання: чому деякі елементи переважають саме в живих організмах? Якими мають бути властивості цих елементів?
З хімічної точки зору, відбір елементів при формуванні живих організмів зводиться до відбору тих з них, які здатні до утворення міцних, але в той же час і лабільних зв'язків. Ці зв'язки повинні легко піддаватися як гомолитического, так і гетеролітичному розриву, а також циклізації. Саме тому органоген № 1 - Карбон. Атоми Гідрогену і Оксигену набагато менш лабільні, але вони утворюють стійку середовище для з'єднань інших елементів - воду - і забезпечують протікання окислювально-відновних процесів. Атоми неметалів N, Р і S, а також металів Fe, Сі, Мо, відрізняються особливою лабільністю в утворенні різних хімічних зв'язків. Це пов'язано з проявом ними різних ступенів окислення і координаційних чисел. Порівняння хімічного складу живої і неживої природи можна закінчити наступними словами відомого вченого-філософа Дж. Бернала: "Лабільні атоми S, Р і Fe, які зазнають великі зміни в неорганічний мир, мають чільне значення в біохімії; стабільні атоми Si, A1, Na, що становлять більшу частину земної кори, відіграють другорядну роль в живих організмах або відсутні зовсім".
Поведінка окремих елементів у живих організмах, а також в модельних сполуках, що імітують живі організми, вивчає нова наука - біонеорганіческая хімія, що з'явилася на стику біології, біохімії, медицини, неорганічної хімії та екології. Головне завдання біонеорганічної хімії - вивчити на молекулярному рівні взаємодія металів (особливо біометалів) з біологічно активними лігандами (біолігандами), якими можуть бути як сполуки, присутні постійно в живому організмі (ендогенні ліганди), так і надходять в організм ззовні (екзогенні ліганди).
