Химические элементы в биосфере. Классификация биогенных элементов по функциональной роли и содержанию в организме. Биогеохимические цикл

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации

кафедра биохимии

 

 

 

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

Тема: «Химические элементы в биосфере. Классификация биогенных элементов по функциональной роли и содержанию в организме. Биогеохимические циклы органогенов. Биогеохимические провинции. Эндемические заболевания. Токсичность элементов. Гипо- и гипермикроэлементозы»

 

 

 

Выполнил: Языкова Екатерина Анатольевна

Группа № 106

«22» декабря 2014 г.

Проверил: Краснопеева С.Н

«    » _____________ 2014 г.

 

 

Челябинск 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Введение………………………………………………………………………………..3

1. Биогенные элементы, их классификация и роль в человеческом организме…..4
1. Что такое биогенные элементы…………………………………………….4
2. Классификация биогенных элементов……………………………………..4
2. Биогеохимические циклы органогенов……………………………………………
1. Цикл углерода………………………………………………………………
2. Цикл водорода………………………………………………………………..
3. Цикл кислорода……………………………………………………………….
4. Цикл азота……………………………………………………………………
5. Цикл фосфора……………………………………………………………….
6. Цикл серы……………………………………………………………………
3. Биогеохимические провинции……………………………………………………
4. Эндемические заболевания……………………………………………………….
5. Токсичные элементы…….…………………………………………………………
6. Гипомикроэлементозы…………………………………………………………….
7. Гипермикроэлементозы……………………………………………………………

Заключение…………………………………………………………………………

Список литературы……………………………………………………………….

Приложения…………………………………………………………………………..

 

 

 

 

 

ВЕДЕНИЕ

 

В естественных условиях на нашей планете в более или менее ощутимых количествах обнаружено 92 элемента. На стыке химии, биологии и геологии возникла новая наука – биогеохимия. Биогеохимия – интергрированная наука об элементарном составе живого вещества и его роли в миграции, трансформации и концентрации химических элементов и их соединений в биосфере, их биологической роли. Часть земной оболочки, переработанная человеком, природой и космическими излучениями и приспособленная к жизни, называют биосферой.

В.И. Вернадский в работе  «Биосфера и ноосфера» (1938): «…Биосферу определяют как область жизни, однако более точно ее можно определить как оболочку, в которой могут происходить изменения, вызванные приходящим солнечным излучением. Вещество, составляющее биосферу, неоднородно, и мы различаем косное и живое вещество. Косное вещество преобладает по массе. Происходит непрерывная миграция атомов из косного вещества биосферы в живое и обратно».

В.В. Ковальский (1982), развивая идеи В.И. Вернадского отметил, что организм и среда – настолько зависимые явления в биосфере, что невозможно рассматривать отдельно эволюцию жизни и среды. Это единая система, в которой в процессах ее существования вырабатываются характерные особенности у организмов к среде, включаемых в число фенотипических реакций, обогащающих систему жизнь-среда.

Согласно биогеохимической теории В.И. Вернадского, биосфера не только среда, в которой происходит жизнедеятельность, но и сама является результатом этой жизнедеятельности. Специфика биосферы состоит в том, что в ней постоянно происходит обусловленный деятельностью организмов круговорот элементов. В организме можно обнаружить почти все элементы, которые есть в земной коре и морской воде. По теории В.И. Вернадского существует биогенная миграция атомов по цепочке: почва-вода-пища-человек.

Я выбрала эту тему для своей научно-исследовательской работы, чтобы понять как происходит круговорот жизненно важных элементов в природе, какую роль в человеческом организме выполняют эти элементы и какими они бывают, а также к каким последствиям приведет избыточное (или недостаточное) содержание в организме того или иного биогенного элемента.

Целью работы: изучить биогенные элементы, их классификацию и функциональную роль в организме человека.

 

1. БИОГЕННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ, ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ И РОЛЬ В ЧЕЛОВЕЧЕСКОМ ОРГАНИЗМЕ

 

1. Понятие о биогенных элементах

 

В организме животных обнаружено более 60 элементов, причем 45 из них определены количественно и являются постоянными составными частями организма. Элементы, жизненно необходимые организму, называют биогенными элементами.

Животные и человек получают биогенные элементы в основном из растительной и животной пищи. Установлены ориентировочные пороговые концентрации ряда химических элементов, выше и ниже которых проявляются биологические эффекты на целом организме.

Пороговые концентрации для каждого элемента – величины относительные; они могут повышаться или понижаться в зависимости от концентрации других элементов, вида организма, биологического состояния, сезона года и содержания элементов на техногенных территориях.

Несмотря на широкие колебания содержания макро- и микроэлементов в продуктах питания, почве, воде, в растительных и животных организмах содержание макро- и миктроэлементов остается постоянным.

Содержание некоторых элементов в организме по сравнению с окружающей средой повышенное, и это называется биологическим концентрированим элемента. Биоконцентрирование характерно для отдельных органов (печени, почек, пищеварительного тракта). Степень концентрации элементов определяется уровнем организации материи в пользу структур, несущих определенную физиологическую нагрузку.

Элемент может быть отнесен к биогенным (эссенциальным) элементам, если он удовлетворяет следующим требованиям:

• постоянно присутствует в организме в количествах, сходных у разных индивидуумов;
• ткани по содержанию элемента всегда располагаются  в определнном порядке;
• питательный рацион, не содержащий этого элемента, вызывает у животных характерные симптомы недостаточности и определенные биохимические изменения в тканях (микроэлементозы);
• эти симптомы и изменения могут быть предотвращены или устранены путем добавления данного элемента в пищу [1].

 

 

 

 

2. Классификация биогенных элементов

 

Существуют различные классификации химических элементов, содержащихся в организме человека. Так, В.И. Вернадский в зависимости от среднего содержания в живых организмах делил элементы на три группы:

• Макроэлементы. Это элементы, содержание которых в организме выше 10-2 %. К ним относятся кислород, углерод, водород, азот, фосфор, сера, кальций, магний, натрий, хлор.
• Микроэлементы. Это элементы, содержание которых в организме находится в пределах от 10-3 до 10-5 %. К ним относятся иод, медь, мышьяк, фтор, бром, стронций, барий, кобальт.
• Ультрамикроэлементы. Это элементы, содержание которых в организме ниже 10-5 %. К ним относятся ртуть, золото, уран, торий, радий и др.

Однако эта классификция отражает только содержание элементов в живых организмах, но не указывает на биологическую роль и физиологическое значение того или иного элемента.

В.В. Ковальский, исходя из значимости для жизнедеятельности, подразделил химические элементы на три группы:

• Жизненно необходимые (незаменимые) элементы. Они постоянно содержатся в организме человека, входят в состав ферментов, гормонов и витаминов. К ним относятся: водород, кислород, кальций, азот, калий, фосфор, натрий, сера, магний, хлор, углерод, иод, марганец, медь, кобальт, железо, цинк, молибден, ванадий. Дефицит этих элементов приводит к нарушению нормальной жизнедеятельности человека.
• Примесные элементы. Эти элементы постоянно содержатся в организме животных и человека: Ga, Sb, Sr, Br, F, B, Be, Li, Si, Sn, Cs, Al, Ba, Ge, As, Rb, Pb, Ra, Bi, Cd, Cr, Ni, Ti, Ag, Th, Hg, U, Se. Биологическая роль их мало выяснена или неизвестна.
• Примесные элементы (Sc, Tl, In, La, Pr, Sm, W, Re, Tb и др.). Обнаружены в организме человека и животных. Данные о количестве и биологическая роль не выяснены [2].

 

2. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ОРГАНОГЕНОВ

 

Биогеохимические циклы – циркуляция в биосфере химических элементов и неорганических соединений по характерным путям из внешней среды в организмы, и из организмов во внешнюю среду.

 

1. Цикл углерода

 

Содержание углерода в атмосфере Земли составляет 0,046% в форме двуокиси углерода (СО2) и 0,00012% в форме метана. Среднее его содержание в земной коре – 0,35%, а в живом веществе – около 18%.

С углеродом тесно связан весь процесс возникновения и развития биосферы, т.к. углерод является важнейшим химическим компонентом живого вещества. Именно этот химический элемент, благодаря своей способности образовывать прочные связи между своими атомами, является основой всех органических соединений.

Основным резервуаром углерода в биосфере, из которого этот элемент заимствуется живыми организмами для синтеза органического вещества, является атмосфера. Углерод содержится в ней, главным образом, в форме диоксида СО2. Небольшая доля атмосферного углерода входит в состав других газов – СО и различных углеводородов, в основном метана СН4. Но они в кислородной атмосфере неустойчивы, и вступают в химические взаимодействия с образованием, в конечном счёте, того же СО2.

Из атмосферы углерод усваивается автотрофными организмами-продуцентами (растениями, бактериями, цианобионтами) в процессе фотосинтеза, в результате которого, на основе взаимодействия с водой, формируются органические соединения – углеводы.

Далее, в результате процессов метаболизма, с участием веществ, поступающих с водными растворами, в организмах синтезируются и более сложные органические вещества. Они не только используются для формирования растительных тканей, но также служат источником питания для организмов, занимающих очередные звенья трофической пирамиды – консументов. Таким образом, по трофическим цепям, углерод переходит в организмы различных животных.

Возвращение углерода в окружающую среду происходит двумя путями. Во-первых – в процессе дыхания. Суть процессов дыхания заключается в использовании организмами окислительных химических реакций, дающих энергию для физиологических процессов. Окисление органических соединений, для которого используется атмосферный или растворённый в воде кислород, имеет результатом разложение сложных органических соединений с образованием СО2 и Н2О. В итоге углерод в составе СО2 возвращается в атмосферу, и одна ветвь круговорота замыкается.

Второй путь возвращения углерода – разложение органического вещества. В условиях биосферы процесс этот в основном протекает в кислородной среде, и конечными продуктами разложения являются те же СО2 и Н2О. Но большая часть углекислого газа при этом не поступает прямо в атмосферу. Углерод, высвобождающийся при разложении органического вещества, в основном остаётся в растворённой форме в почвенных, грунтовых и поверхностных водах. Или в виде растворённого углекислого газа, или же в составе растворённых карбонатных соединений – в форме ионов НСО3- или СО32-.

Он может после более или менее продолжительной миграции частично возвращаться в атмосферу, но большая или меньшая его доля всегда осаждается в виде карбонатных солей и связывается в составе литосферы.

Часть атмосферного углерода непосредственно поступает из атмосферы в гидросферу, растворяясь в воде. Главным образом, углекислый газ поглощается из атмосферы, растворяясь в водах Мирового Океана. Сюда же поступает и часть углерода, в тех или иных формах растворённого в водах суши. Углекислый газ, растворённый в морской воде, используется морскими организмами на создание карбонатного скелета (раковины, коралловые постройки, панцири иглокожих и т.д.). Он входит в состав пластов карбонатных пород биогенного происхождения, и на более или менее продолжительное время «выпадает» из биосферного круговорота.