Биогенная классификация химических элементов

    Тело любого существующего на Земле организма, растительного или животного, состоит из вполне определенного набора химических элементов, генетически строго контролируемого и передаваемого в тех же соотношениях из поколения в поколение.     Минеральный состав современных организмов складывался под воздействием двух процессов. С одной стороны, это эволюция состава гидро- и литосферы, характеризующаяся постоянным сдвигом соотношения химических элементов из-за выщелачивания, вулканической деятельности. С другой стороны, это "необходимое" для организма генетическое контролирование уже имеющихся внутри него на том или ином этапе соотношений, ведь, по словам знаменитого К. Бернара, "постоянство внутренней среды - необходимое условие свободной жизни организма". История взаимоотношений среда - организм исполнена драматизма. Лишь изучив прошлое организмов, их эволюцию и адаптацию к меняющейся геохимической среде обитания, вымирание и расцвет отдельных видов, родов и семейств растений и животных, мы сможем грамотно ориентироваться в настоящем, решать актуальные проблемы медицины, экологии и проблемы, сопряженные с ними.

С этих позиций была поставлена задача создания естественной классификации химических элементов, которая может быть решена на стыке эволюционной геологии, генетики и медицины.

    Но как ни замечательна таблица Менделеева с точки зрения физиков и химиков, биологам ее недостаточно. Ведь место, занимаемое в ней каким-либо элементом, еще не определяет место этого элемента в живом организме. В настоящее время наблюдается неимоверная путаница в делении элементов по их отношению к живым организмам - на биогенные и абиогенные, на макро-, микро- и, а теперь уже и ультрамикроэлементы, на ятрогенные (т.е. вроде бы и нужные, но вредящие), эссенциальные (жизненно важные) и условно эссенциальные, на токсичные и условно токсичные. Эту путаницу усугубляет антропоцентризм, поскольку полезность, нейтральность или "вредность" того или иного элемента для человека отнюдь не означает таковых свойств для других представителей животного мира или для представителей мира растительного.

    Все перечисленные выше классификации по сути своей искусственны. В самом деле, само деление биогенных элементов на макро- и  микроэлементы напоминает попытку подразделить всех животных на "больших" (бегемот, кит, акула...) и "маленьких" (мышь, колибри, кузнечик...). Так, железо в животном организме до сравнительно недавнего времени относили к макроэлементам, но, убедившись в том, что свыше 90% его связано с гемоглобином, "перевели" его в микроэлементы.

    Более того, всех химических элементов в природе чуть больше ста, из них стабильных - всего 92. Из списка потенциальных претендентов на роль жизненно необходимых элементов можно исключить заведомо не участвующие в метаболизме инертные газы и классические "тяжелые металлы". Этот список становится совсем коротким. Тем не менее, несмотря на огромное количество исследований, посвященных функциям отдельных химических элементов в животном организме, вопрос о том, какие из 81 в нем обнаруживаемого элемента (согласно данным пламенной фотометрии) действительно жизненно необходимы, а какие присутствуют случайно, за счет попадания с пищей, водой и воздухом или по крайней мере могут без ущерба для организма замещаться в метаболических цепях, остается открытым. Общее число элементов, определяемых как жизненно важные, варьирует у разных авторов в весьма широких пределах. Например, один из классиков биохимии А. Ленинджер полагает, что таковых лишь 22 (табл.1), да и то, с его точки зрения, только 16 из них (выделенные в таблице курсивом) встречаются во всех классах организмов.

 

Таблица 1 Жизненно важные элементы, входящие в состав организмов
(по А. Ленинджеру)

Элементы, входящие в состав органических веществ	Одноатомные ионы	Элементы, обнаруживаемые в следовых количествах
Кислород	Натрий	Марганец	Алюминий
Углерод	Калий	Железо	Ванадий
Азот	Магний	Кобальт	Молибден
Водород	Кальций	Медь	Йод
Фосфор	Хлор	Цинк	Кремний
Сера	-	Бор	-

 

Согласно классификации П. Аггетта, к четырем органогенам (кислород, углерод, водород и азот) и семи макроэлементам (фосфор, сера, натрий, калий, магний, кальций, хлор) как важнейшим эссенциальным элементам следует добавить еще девять: железо, медь, цинк, марганец, хром, селен, молибден, йод, кобальт. Всего жизненно важных элементов - 20.

Один из выдающихся специалистов по микроэлементам В.Мерц, предлагает к 11 органогенам и макроэлементам (о количественном и качественной составе этой группы, по сути, никто не спорит) добавить следующие элементы, избыток или дефицит которых имеет значение для здоровья человека: железо, медь, цинк, хром, селен, молибден, йод, кадмий, свинец и ртуть. Таким образом, всего получается 21, но состав группы другой.

Согласно более широкой трактовке, предлагаемой Анке, к эссенциальным микроэлементам наряду с "классическими" эссенциальными элементами Аггетта (см. выше) следует отнести "новые" эссенциальные: фтор, кремний, олово, ванадий, никель, мышьяк, кадмий, литий, свинец. Всего их будет 29.

Все эти разночтения относительно количества, свойств и участия различных химических элементов в метаболизме животных организмов связаны, как мне представляется, в первую очередь с отсутствием системного подхода. Здесь можно лишь повторить, что необходимо создать естественную классификацию химических элементов, - это способствовало бы наряду с прочим устранению подобных противоречий.

К органогенам традиционно причисляют, учитывая их общее содержание в живом веществе (98,72 ат%), четыре элемента: кислород, углерод, водород и азот, - именно в данной последовательности исходя из их весовых отношений (т.е. г/т). Более правильным будет, однако, их расположение в такой последовательности: водород, кислород, углерод, азот, - поскольку биология оперирует соотношениями атомов в живом веществе.

Таблица 2 Содержание некоторых химических элементов в растительных и животных организмах, моль/т

(перерасчете на количество молей на тонну сухого органического вещества)

Элемент	Наземные растения	Наземные животные
Водород	55000	70000
Углерод	37833	38750
Кислород	25625	11625
Азот	2143	7143
Кальций	450	5-212,5
Калий	360	190
Магний	132	41
Сера	106	156
Фосфор	74	548-1420
Хлор	57	79
Натрий	52	174
Кремний	7-179	4-214
Алюминий	19	0,15-3,70
Марганец	11,45	0,004
Бор	4,63	0,046
Железо	2,5	2,9
Цинк	1,53	2,45
Стронций	0,3	0,16
Рубидий	0,23	0,20
Медь	0,22	0,04
Барий	0,1	0,005
Никель	0,051	0,014
Ванадий	0,03	0,003
Фтор	0,026-2,105	7,9-26,3
Титан	0,02	0,004
Литий	0,014	0,003
Свинец	0,013	0,01
Кобальт	0,008	0,0005
Цирконий	0,007	0,003
Хром	0,0044	0,0014
Галлий	0,0008	0,00008

 

Действительно, из первых четырех элементов можно построить целый ряд органических молекул, таких как простые углеводороды, альдегиды, спирты, и некоторые аминокислоты. Академик А.И. Опарин показал это в модельных экспериментах, воспроизводящих природные условия, предположительно существовавшие около 3 млрд. лет назад. Эти же элементы являются каркасом любой органической молекулы.

Причина того, что эти четыре элемента так идеально подходят к выполнению биологических функций, заключается в том, что все они легко образуют ковалентные связи посредством спаривания электронов. Для того чтобы полностью укомплектовать свои внешние электронные оболочки и образовать таким образом стабильные ковалентные связи, водороду требуется один электрон, кислороду - два, азоту - три, и углероду - четыре электрона. Эти четыре элемента могут легко реагировать друг с другом, заполняя свои внешние электронные оболочки. Помимо этого, три из них - углерод, азот и кислород - образуют и одинарные и двойные связи, благодаря чему могут образовывать самые разнообразные химические соединения. Наконец, среди элементов, способных образовывать ковалентные связи, они самые легкие, и, так как прочность ковалентной связи обратно пропорциональна атомным весам связанных с ее помощью атомов, возможно, что живые организмы "выбрали" именно эти элементы из-за их способности формировать прочные ковалентные связи.

Очень важна способность атомов углерода взаимодействовать друг с другом, образуя стабильные углерод-углеродные связи, что и обеспечивает углеводородные каркасы разнообразных молекул. Соединениям углерода свойственна еще одна отличительная особенность, которая состоит в способности спаренных электронов образовывать вокруг каждого атома углерода тетраэдрическую конфигурацию, благодаря чему различные типы органических молекул обладают различной трехмерной структурой. Никакой другой химический элемент, кроме углерода, не может создавать стабильные молекулы со столь разнообразными конфигурациями и размерами и с таким многообразием функциональных групп.

Следует обратить внимание вот на какой аспект. Большинство исследователей, занимающихся химизмом человеческого тела, сравнивают его минеральный состав с минеральным составом современной суши, тогда как 90% эволюции живых организмов прошло в океане. В таблице 3 сравнивается минеральный состав современного океана с минеральным составом крови некоторых животных. В этой таблице приводятся данные, полученные разными исследователями. Очевидно, на основании этих данных можно судить о том, как происходило формирование системы натрий-калиевого насоса в живых клетках.

Таблица 3 Концентрация катионов в морской воде и жидкостях организмов некоторых млекопитающих и птиц, ммоль/кг

Животное	Ткань	Концентрация элемента
		Na	K	Ca	Mg	Отношение Na:K
-	Морская вода	460	10	11	55	46:1
Человек	Сыворотка	143,0	5,0	5,0	2,2	28,6:1
Крыса	Плазма	145,0	5,3	3,1	1,6	27,3:1
Собака	Сыворотка	150,5	5,3	5,3	3,7	28,4:1

 

В сыворотке крови животных соотношение натрия и калия достаточно стабильно и составляет приблизительно 26-28:1. В современном же океане это соотношение равняется примерно 46:1.

Отсюда можно сделать вывод, что соотношение 26-28:1 было в океане в момент возникновения многоклеточных форм жизни.

Второй оригинальный вывод касается того, почему в животном мире возник феномен солеедения (потребления хлористого натрия). Дело в том, что в момент дивергенции гетеротрофных клеток на растительные и животные у растительных клеток натрий-калиевый насос сменяется водородной помпой. Другими словами, система натрий - калий, обеспечивающая наряду с прочим проводимость клеточной мембраны, сменяется системой водород - калий. Как следствие (обратимся к табл. 1, в которой приводятся данные о содержании, в частности, этих двух элементов у растительных и животных форм) соотношение калия и натрия равняется 1:1 у животных организмов и 7:1 у организмов растительных (!). Вот почему самыми убежденными солеедами являются травоядные (коровы, овцы, лоси, олени), умеренными солеедами - всеядные животные, употребляющие как растительную, так и животную пищу (медведи, свиньи, обезьяны, человек), а хищники соль в пищу не употребляют, поскольку добывают эти два элемента в оптимальном соотношении (приблизительно 1:1) из тела жертвы.

Наконец, о человеке. Биогенетический закон Геккеля гласит, что онтогенез есть краткое повторение филогенеза. Другими словами, каждый живой организм повторяет изменениями своих черт все эволюционные изменения своих предков. Так вот, в многочисленных исследованиях показано, что наибольшая концентрация кремния имеет место в зародышах человеческого организма, а к моменту рождения она постепенно снижается. И от рождения до старости у человека соотношение кремния и кальция во всех тканях организма, особенно в соединительных, изменяется в пользу кальция. Высокая же концентрация кальция является причиной многих "болезней цивилизации", - хрупкость костей, разрыв связок и т.д.

Таким образом, под общим названием "макроэлементы" можно объединить рассматриваемые в этой главе шесть - калий, натрий, кальций, магний, хлор, кремний. Они составляют вторую группу.

Чтобы надежно вычленить эссенциальные микроэлементы для высших животных, и в первую очередь для человека, необходимо обратить внимание на те случаи, когда дефицит в организме того или иного элемента достоверно определяет какое-либо патологическое нарушение в организме. К эссенциальным элементам, удовлетворяющим условию: и дефицит, и избыток данного элемента приводят к патологическим отклонениям в организме - можно отнести железо, медь, цинк, марганец, хром, селен, молибден, йод, кобальт, фтор. Эти десять элементов, биологическая значимость которых в организме высших млекопитающих, и в том числе человека, на сегодняшний день твердо установлена, следует объединить в третью группу - эссенциальных микроэлементов.

Существует еще ряд микроэлементов, которые в микроколичествах, но стабильно присутствуют в человеческом организме. К этой группе биогенных элементов относятся следующие: мышьяк, бор, бром, литий, никель, ванадий, кадмий, свинец. Их можно объединить в четвертую группу под общим названием "условно эссенциальные микроэлементы".

Брэйн-элементы

Имеется целая группа элементов с неизведанными функциями. С достаточно большой степенью осторожности можно говорить об их взаимосвязи с интеллектуальными возможностями человека.

Прежде всего, обращает на себя внимание их относительно высокая концентрация в головном мозге человека, органе, который является одним из наиболее оберегаемых в организме. Так, необъяснимо относительно высокое содержание в головном мозге золота (2,54 мкмоль/кг сухой массы), таллия (2,44 мкмоль/кг, тогда как в других органах - не более 1,96 мкмоль/кг), олова (16 мкмоль/кг, что на порядок превышает его содержание в других органах) и некоторых других элементов. Вообще, в микроэлементном отношении мозг человека в чем-то сродни компьютеру.

Полученные рядом исследователей данные указывают на то, что химический состав волос у людей, резко отличающихся друг от друга по интеллектуальному потенциалу, достоверно различен по содержанию некоторых микроэлементов. В частности, при исследовании детей одного из районов Новосибирской области с общим диагнозом "умственная отсталость", было установлено, что у больных детей в волосах достоверно повышена концентрация марганца, ванадия и никеля и понижена концентрация галлия. Геохимический район проживания всех детей один и тот же, так что в этом смысле ошибка исключена.

Все эти элементы можно объединить в пятую группу элементов под общим названием "брэйн-элементы".