Химические элементы в оболочках Земли и молекулах живых систем

Определения и обозначения

Химический элемент — это вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Например, каждый атом кислорода имеет одно и то же число протонов, хотя атомы могут различаться числом нейтронов. Элементы входят в состав и горных пород, воды, воздуха, и клеток организмов. Это понятие помогает описывать состав вещества независимо от того, в каком соединении находится элемент.

Биогенные элементы — химические элементы, необходимые для построения организма и поддержания его жизнедеятельности. Они входят в состав молекул или участвуют в процессах, без которых клетка не может нормально работать. Потребность в элементе может быть связана как со строением тканей, так и с обменом веществ. Термин позволяет выделить из множества природных элементов те, которые имеют значение для жизни.

Макроэлементами называют элементы, присутствующие в организме в сравнительно больших количествах. Их отличают от других элементов именно по содержанию в живом веществе, а не по тому, насколько они важны. К макроэлементам относят, например, кислород, углерод, водород, азот и кальций. Такое деление помогает сравнивать потребности организма в разных элементах.

Микроэлементы — элементы, содержание которых в организме невелико, но которые необходимы для его нормальной работы. Они могут входить в состав ферментов, гормонов и других важных веществ. Поэтому малое количество не означает, что организм может обходиться без них. К микроэлементам относят, например, железо и йод.

Как это устроено

Химические элементы распределены между оболочками Земли неравномерно: земная кора, гидросфера и атмосфера имеют разный состав. Причина — в различиях условий и процессов, происходивших при формировании Земли, а также в свойствах самих элементов и их соединений. В коре преобладают элементы, входящие в состав минералов и горных пород. В гидросфере значительная часть вещества связана с водой, а в атмосфере особенно заметны азот и кислород.

В земной коре особенно много кислорода и кремния, тогда как в организме человека и многих других организмов преобладают кислород, углерод, водород и азот. Это различие объясняется тем, что состав живого вещества определяется не общей распространённостью элементов, а тем, какие молекулы нужны для жизни. Кремний широко входит в минералы, но не заменяет углерод как основу большинства органических молекул. Поэтому цифры для коры нельзя автоматически переносить на живые организмы.

Углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера особенно важны для построения органических молекул. Атомы углерода способны соединяться друг с другом и образовывать цепи и кольца, к которым присоединяются другие атомы. Водород и кислород входят в состав воды и многих органических веществ, а азот — в состав белков и нуклеиновых кислот. Фосфор и сера также входят в состав важных молекул, поэтому вместе эти элементы называют органогенными.

Макроэлементы присутствуют в организме в сравнительно больших количествах и формируют значительную часть его вещества. Микроэлементов нужно меньше, однако они участвуют в точных настройках обмена веществ и работе биологических молекул. Например, атомы некоторых микроэлементов входят в активные центры ферментов, от которых зависит скорость реакций. Следовательно, значение элемента определяется не только его долей в организме, но и выполняемой функцией.

Связь между элементом и функцией можно увидеть на примере железа и йода. Железо входит в состав гемоглобина — белка эритроцитов, который связывает и переносит кислород; при нехватке железа образование гемоглобина может нарушаться. Йод нужен для синтеза гормонов щитовидной железы, регулирующих обмен веществ. Недостаток любого из этих элементов мешает нормальной работе организма, хотя железо и йод требуются в гораздо меньших количествах, чем основные элементы живого вещества.

Распространение химических элементов в земной коре и живых организмах

В таблице приведены ориентировочные массовые доли: они могут различаться для разных организмов и способов расчёта. Сравнивайте значения внутри одного столбца и не делайте вывод о биологической важности только по распространённости в коре. Последний столбец показывает, что роль элемента зависит от его участия в строении и работе организма.

Разбор задач

Задача 1. Распределите кислород, углерод, кальций, железо и йод на макроэлементы и микроэлементы. Нужно применить критерий содержания элемента в организме, а не оценивать, насколько он важен. В типичном делении кислород, углерод и кальций относятся к макроэлементам, а железо и йод — к микроэлементам.

1. Определяем, какие элементы составляют значительную долю организма. Кислород и углерод входят в число основных элементов живого вещества, а кальций присутствует в заметном количестве, в частности в костной ткани.
2. Сравниваем с элементами, нужными в малых количествах. Железо и йод необходимы, но их содержание существенно ниже, поэтому их относят к микроэлементам.
3. Проверяем, что деление проведено по количеству, а не по значимости. Все перечисленные элементы необходимы организму.

Ответ: макроэлементы — кислород, углерод и кальций; микроэлементы — железо и йод.

Задача 2. В земной коре кислорода около 49%, а в организме человека — около 65%. На сколько процентных пунктов различаются значения и где кислорода больше? Здесь сравниваются две доли, выраженные в процентах. Чтобы получить разность в процентных пунктах, достаточно вычесть меньшую долю из большей.

1. Записываем значения: 65% и 49%. Доля кислорода в организме выше, поэтому вычитаем 49 из 65.
2. Вычисляем разность: 65 − 49 = 16. Это разница именно в процентных пунктах, а не относительное увеличение в процентах.
3. Проверяем направление сравнения: 65% больше 49%, значит кислорода больше в организме человека.

Ответ: значения различаются на 16 процентных пунктов; кислорода больше в организме человека.

Задача 3. Какие элементы необходимы для образования гемоглобина и гормонов щитовидной железы, и почему их недостаток нарушает работу организма? Чтобы ответить, нужно связать элемент с веществом, в состав которого он входит, а затем — с функцией этого вещества. Для гемоглобина важен железный компонент, для гормонов щитовидной железы — йод.

1. Железо входит в состав гемоглобина. Гемоглобин связывает кислород и переносит его кровью, поэтому нехватка железа может ухудшить снабжение тканей кислородом.
2. Йод требуется для образования гормонов щитовидной железы. Эти гормоны участвуют в регуляции обмена веществ, поэтому при недостатке йода их синтез может нарушаться.
3. Сопоставляем цепочку «элемент — молекула — функция». Недостаток элемента мешает образованию нужного вещества и тем самым влияет на работу организма.

Ответ: железо необходимо для гемоглобина и переноса кислорода, йод — для образования гормонов щитовидной железы и регуляции обмена веществ.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что самые распространённые элементы земной коры обязательно составляют основную массу организмов. Её допускают, если переносят сведения о неживой природе на живое вещество без сравнения данных. Проверьте себя: в коре особенно много кислорода и кремния, а в организмах велики доли кислорода, углерода, водорода и азота. Состав этих сред различается.

Неверно думать, что макроэлементы важны, а микроэлементы — нет. Путают количество и значимость, хотя это разные характеристики: микроэлемент может участвовать в ключевом процессе. Чтобы проверить себя, спросите, по какому признаку проведено деление: по содержанию в организме. Обе группы необходимы для нормальной жизнедеятельности.

Кремний не становится главным элементом живых организмов только потому, что широко распространён в земной коре. Такое заключение возникает при смешении состава минералов и состава органических молекул. Проверьте роль элемента: основу большинства органических веществ образует углерод, способный строить разнообразные цепи и кольца. Кремний не выполняет эту роль у большинства организмов.

Малое содержание микроэлемента не означает, что он организму не нужен. Эту ошибку допускают, ориентируясь лишь на цифру, а не на функцию вещества. Проверьте себя на примерах: железо нужно для гемоглобина, а йод — для гормонов щитовидной железы. Нехватка любого из них может нарушить работу организма.

Связь с другими темами

Для изучения темы нужны знания о строении атома, химическом элементе и обозначениях элементов в периодической таблице. Понимание состава органических веществ помогает увидеть, почему C, H, O, N, P и S участвуют в построении живых систем. Эти сведения пригодятся при изучении клеточного обмена, ферментов, витаминов и минерального питания организмов. Связь с химией и географией помогает объяснить, почему элементы по-разному распределены в оболочках Земли и входят в разные соединения.

Что запомнить

• Химические элементы входят в состав и неживой природы, и живых организмов.
• Распределение элементов между оболочками Земли неодинаково.
• Состав живого вещества не повторяет состав земной коры.
• Кислород, углерод, водород и азот особенно важны для построения живых систем.
• Макроэлементы содержатся в организме в сравнительно больших количествах.
• Микроэлементы необходимы организму, хотя их содержание мало.
• Значение элемента определяется его участием в строении и работе организма.