Судьбы элементов-биогенов

По сравнению с составом земной коры биомасса растений гораздо богаче азотом, углеродом, водородом и кислородом, а биомасса животных, кроме того, еще серой и фосфором. Все это - биогенные элементы, жизнь без них попросту невозможна. Больше всего в живом веществе, не считая воды, углерода, азота, кальция, калия, кремния, фосфора, серы, стронция, бора, цинка, молибдена, меди, никеля. Именно эти элементы - главные в биогенном круговороте веществ (если, конечно, не забывать, что ²/₃ любого живого вещества составляет вода). Общая продолжительность биогенного круговорота на суше в целом, по мнению В. А. Ковды, около 300-400 лет. Правда, цифра эта относится в основном к лесам, а в агроценозах круговороты биогенных элементов идут во много раз быстрее.

Всего в тканях живых организмов встречается 66-68 элементов, причем 47 из них постоянно. Жизненно необходимыми, как это твердо установлено, являются многие микроэлементы, в том числе медь, кобальт, цинк, бор, йод, молибден, железо, фтор и др. Можно выделить три группы элементов:

1. те, что постоянно содержатся в тканях и незаменимы в пище (O, C, H, N, Ca, P, K, S, Cl, Na, Mg, Zn, Fe, Cu, I, Mn, V, Mo, Co, Se);
2. те, что постоянно встречаются в живом организме, но физиологическая роль их изучена плохо и неизвестно, оказывает ли отрицательное влияние их отсутствие (Sr, Cd, Br, F, B, Si, Cr, Be, Ni, Li, Cs, Sn, Al, Ba, Rb, Ti, Ag, Ga, Ge, As, Hg, Pb, Bi, Sb, U, Th, Ra);
3. те, что иногда обнаруживают в тканях, но их количество и физиологическая роль неясны (Sc, Tl, Nb, J, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dv, Er, lb, W, Re, Au).

Основную массу нашего тела, так же как растений и микроорганизмов, составляют так называемые макроэлементы - углерод, водород, азот, кальций и т. д. Микроэлементы дают в сумме всего лишь 0,04-0,06 процента веса тела. Но без них невозможны нормальный рост и развитие организма.

Казалось бы, какое значение может иметь крупица меди? Ее всего-то в организме около 100 миллиграммов. Но если не хватает даже ¹/₃ этой "крупицы", в крови снижается уровень адреналина, замедляется биосинтез гемоглобина, процессы кроветворения нарушаются. Самым отрицательным образом сказывается недостаток меди на тканевом дыхании, обменных процессах. Вот почему медь относится к группе незаменимых микроэлементов. В эту же группу входят цинк, марганец, кобальт и некоторые другие элементы. Все они обеспечивают высокую химическую и биологическую активность окислительно-восстановительных биосинтетических процессов.

При этом каждый элемент выполняет свою функцию. Цинк, например, участвует в синтезе ряда ферментов, а также инсулина и полового гормона. Главная роль марганца - активизация окислительно-восстановительных процессов, но он также благотворно действует на рост и половое развитие, участвует в регуляции уровня артериального давления. Без кобальта невозможно образование витамина B₁₂.

Совершенно особое место занимает железо. По количественному содержанию - в органах и тканях взрослого человека около четырех граммов железа - его относят к макроэлементам, а по участию в биохимических процессах - к микроэлементам. Значение железа трудно переоценить. 70 процентов этого элемента содержится в гемоглобине. Железо - важная составная часть ферментов крови, а также дыхательного пигмента мышц - миоглобина.

До сих пор речь шла о незаменимых микроэлементах. Но в организме имеются еще и такие элементы, которые физиологически неактивны и токсичны. Их роль недостаточно изучена.

Неоднократно пытались выяснить, есть ли какая-то закономерность распределения биологически важных химических элементов в таблице Д. И. Менделеева. По мнению академика А. П. Виноградова, существует один закон для распространения химических элементов в литосфере и в живом веществе: состав организмов отражает химический состав окружающей среды. Виноградов установил также, что количество тех или иных химических элементов в живом веществе находится в обратной зависимости от их атомного веса, то есть живой организм богаче легкими элементами. Такие элементы и их ионы меньше по размеру и при прочих равных условиях "подвижнее".

Кроме того, очень важно, насколько легко вовлекаются элементы в круговорот воды. Академик Б. Б. Полынов предложил определять интенсивность водной миграции как отношение количества элементов в минеральном остатке речной или грунтовой воды к содержанию этого же элемента в земной коре, водоносной породе и т. д. Оказалось, что наиболее подвижными мигрантами в биосфере являются CI, S, B, Br, J, Ca, Na, Mg, F, Sr, Zn, U, Mo.

Какие же неорганические вещества служат пищей растениям?

На 90 процентов растительные ткани состоят из воды. Значение ее для живых организмов общеизвестно - это и среда, в которой находятся компоненты клетки, и растворитель, и химический реагент.

Примерно 9 процентов от веса растения составляет углерод, входящий в состав всех органических соединений. Растения получают его из углекислого газа, находящегося в воздухе. Углерод усваивается растением в процессе фотосинтеза, идущего с поглощением световой энергии и с выделением кислорода.

На долю остальных элементов приходится лишь один процент от веса растения, причем около четверти этого процента составляет азот. Усваивать атмосферный азот растения не могут (такой способностью наделены только некоторые микроорганизмы) и вынуждены всасывать его корнями из почвы в виде соединений. Обычно в почве таких соединений недостаточно, поэтому земледельцам приходится подкармливать выращиваемые растения искусственно полученными производными азота - азотными удобрениями.

Фосфора содержится в растениях 0,06 процента. В почве его тоже часто не хватает, поэтому и производятся в огромном количестве фосфорные удобрения. Например, суперфосфат, состоящий из смеси гидрофосфата кальция с сульфатом кальция. Комбинированное фосфорное удобрение, аммофос, помимо фосфора, содержит и ионы аммония, то есть может удовлетворять потребность растений в обоих важнейших элементах-биогенах.

Когда в середине XIX века родилась агрохимия, земледельцы получили действенное средство для повышения урожая. В 1832 году был пущен первый завод по производству суперфосфата.

Роль фосфора в организме велика. Он входит в состав вещества наследственности - нуклеиновой кислоты. Благодаря аденозинтрифосфорной кислоте клетка запасает впрок, переносит, хранит и использует по мере надобности энергию. Кроме того, фосфор входит составной частью в другие важные биологические вещества.

Металлы, в частности калий, позволяют растению всасывать из почвы воду и необходимые соли: полупроницаемые для солей клеточные перегородки и повышенная концентрация калия в клетке создают "насос", постоянно накачивающий воду в растение.

Подобно азоту и фосфору, калия тоже в почве не хватает. Его дефицит восполняется калийными удобрениями. Они представляют собой смесь хлоридов калия и натрия или смесь хлорида калия с сульфатом магния.

Но, помимо калия, растение нуждается и в других металлах. Так, кальций служит для нейтрализации, связывания органических кислот; магний входит в состав хлорофилла - непременного участника фотосинтеза; железо, марганец, кобальт, молибден, медь участвуют в окислительно-восстановительных процессах. Правда, потребность в этих элементах невелика, и их почти всегда оказывается достаточно в почве. Из неметаллов растениям необходима также сера, входящая в состав аминокислот и других веществ.

Одна из важнейших задач, поставленных Продовольственной программой перед химиками, - дальнейшее увеличение производства минеральных удобрений, повышение их эффективности и качества. Ведь, чтобы получать высокие и устойчивые урожаи, в почву нужно вносить все то, что она отдает растениям, прежде всего соединения азота, фосфора и калия.

Животные и человек также нуждаются в солях, но в отличие от растений сами не могут синтезировать ни органических соединений, ни витаминов, а должны потреблять их готовыми, в пище. А пищу нашу составляют три основных компонента: белки, жиры, углеводы. Мы получаем их вместе с растительными и животными продуктами питания. А поскольку мясо-молочными продуктами нас обеспечивают травоядные животные, то получается, что органическими веществами нас снабжают в конечном счете именно растения.

Химические преобразования в почве, которые происходят под воздействием живых организмов, не ограничиваются накоплением тех или иных элементов. Не меньшее значение имеет воздействие микробов, а также продуктов жизнедеятельности растений, животных и тех же микробов на почвенные минералы, на подстилающую материнскую породу. Образование почвенных минералов и их "биогенная деструкция" давно находятся в поле зрения микробиологов. Разлагая алюмосиликаты, микробы способны накапливать железо, алюминий, кремний, марганец. Они же образуют новые минералы с этими элементами.

В нашей стране профессор Московского университета М. А. Глазовская, а затем Т. В. Аристовская из Центрального музея почвоведения имени В. В. Докучаева в Ленинграде исследовали роль микробов в разрушении горных пород и образовании новых минералов. Американские микробиологи доказали, что микробы могут растворять даже базальтовые скалы.

Так что недаром почву сравнивают с гигантским химическим комбинатом, который перерабатывает не только все вещества, которые в него попадают, но и окружающие его воду, воздух, горные породы.