§ 1. Химические элементы, составляющие живые системы

Определения и обозначения

Химический элемент — вид атомов с одинаковым зарядом ядра. В живых системах встречаются те же элементы, что и в неживой природе. Это понятие помогает описывать состав организма через атомы, а не смешивать элементы с образованными из них веществами.

Биогенные элементы — химические элементы, входящие в состав организмов и необходимые для их жизнедеятельности. Они могут присутствовать в разных количествах и выполнять разные функции. Понятие объединяет элементы, без которых организм не может нормально существовать.

Макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы — группы элементов, различающиеся относительным содержанием в организме: от сравнительно большого до очень малого. Такое деление позволяет сопоставлять количество элементов в живой системе. Оно само по себе не говорит, насколько элемент важен.

Элементы-органогены — основные элементы, формирующие важнейшие органические соединения. К ним относят углерод, водород, кислород и азот. Это название указывает на их особую роль в построении веществ организма, а не на то, что остальные элементы не нужны.

Как это устроено

Организм построен из атомов химических элементов, а не из особого набора «живых» атомов. Атомы соединяются и образуют вещества, поэтому разнообразие живой природы связано не только с перечнем элементов, но и с разными сочетаниями их атомов. Один и тот же элемент может входить в состав разных веществ. Значит, свойства организма определяются и составом, и тем, как атомы соединены между собой.

Состав организма не повторяет состав земной коры, потому что живые системы не поглощают все элементы без разбора. Через питание, воду и окружающую среду организм получает вещества, но усваивает и удерживает их избирательно. Одни элементы используются для построения тела или поддержания процессов, другие не накапливаются в заметном количестве. Поэтому относительное содержание элементов в организме отличается от их распространённости в окружающей среде.

Углерод, водород, кислород и азот называют основными органогенами, потому что они входят в состав важнейших органических веществ. Их атомы могут образовывать устойчивые связи друг с другом и с атомами других элементов. Благодаря этому возникают многочисленные соединения разного строения и свойств. Именно разнообразие таких соединений помогает организму строить клетки и поддерживать жизненные процессы.

Содержание элемента и его биологическое значение — не одно и то же. Одни элементы нужны как материал для большого числа структур и поэтому составляют заметную долю организма. Другие участвуют в отдельных, но необходимых процессах, и для этого достаточно очень малого количества. Если такого элемента не хватает, работа организма может нарушиться, хотя его доля в теле мала.

Макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы различают по относительному содержанию в организме. В разных классификациях границы между группами могут задаваться по-разному, поэтому важно учитывать принятую систему. Название группы сообщает прежде всего о количестве элемента, а не о его назначении. Для понимания роли нужно отдельно выяснить, в каких веществах и процессах он участвует.

Группы химических элементов в живых системах

В таблице приведены примеры, а не полный перечень элементов каждой группы. Содержание показано ориентировочно: границы групп зависят от принятой классификации. При чтении таблицы сначала определяй группу по содержанию, а затем рассматривай значение элемента отдельно.

Разбор задач

Задача 1

Распределите углерод, кислород, кальций и йод по группам элементов живого организма. Сначала отделим органогены от остальных элементов. Затем учтём, что кальций обычно относят к другим макроэлементам, а йод — к микроэлементам. Важно не смешивать названия групп с оценкой важности.

1. Углерод и кислород входят в число основных элементов-органогенов.
2. Кальций — другой макроэлемент, поскольку его содержание сравнительно велико.
3. Йод относят к микроэлементам: в организме его мало.

Ответ: углерод и кислород — органогены; кальций — другой макроэлемент; йод — микроэлемент. Деление на группы основано на содержании и принятой классификации.

Задача 2

В организме содержание элемента составляет малую долю, но его недостаток нарушает нормальную работу организма. Объясните, почему этот элемент нельзя считать незначимым. Здесь нужно различить две характеристики: количество элемента и его роль. Если нехватка нарушает процессы организма, значит, элемент необходим, даже если его мало.

1. Определяем, что малая доля указывает на содержание, а не на функцию.
2. Учитываем условие: дефицит элемента нарушает нормальную работу.
3. Делаем вывод о его необходимости для организма.

Ответ: элемент нельзя считать незначимым: малое содержание не отменяет его жизненно важной роли.

Задача 3

В образце обнаружены кислород, углерод, водород, азот, кальций и железо. Сгруппируйте элементы и объясните, почему состав образца сам по себе не позволяет судить об их значении для организма. Сначала узнаем органогены, затем отнесём оставшиеся элементы к группам по содержанию. При этом перечень элементов не сообщает, сколько каждого из них в образце и какую функцию он выполняет.

1. Кислород, углерод, водород и азот — элементы-органогены.
2. Кальций — другой макроэлемент; железо относят к микроэлементам.
3. Сравниваем содержание отдельно от биологической роли: одной информации о наличии элементов недостаточно, чтобы установить их функцию.

Ответ: четыре органогена, кальций как макроэлемент и железо как микроэлемент. Чтобы судить о значении, нужны сведения о количестве и участии элементов в процессах организма.

Типичные ошибки

Ошибка — считать микроэлементы неважными из-за их малого содержания. Так рассуждают, если принимают количество за меру пользы, хотя недостаток микроэлемента может нарушить работу организма. Проверка простая: отдельно назови содержание и отдельно — возможную роль элемента. Не делай вывод о значимости только по его доле.

Микроэлементы иногда путают с веществами, которые организм обязательно получает только с пищей. Это неверно: термин описывает содержание химического элемента, а не способ его поступления. Проверяя себя, спроси, о чём идёт речь — о количестве элемента в организме или о пути его получения. Не подменяй одну характеристику другой.

Нельзя относить к органогенам все элементы, найденные в организме. Органогены — только основные элементы, формирующие важнейшие органические соединения; среди других биогенных элементов есть макро- и микроэлементы. Ошибка возникает, когда слова «входит в организм» и «органоген» принимают за одно и то же. Проверь, относится ли элемент к углероду, водороду, кислороду или азоту.

Ещё одна ошибка — ожидать, что состав организма совпадёт с составом окружающей среды или земной коры. Это кажется логичным, если не учитывать избирательное поглощение и использование элементов живыми системами. Сравнивать нужно не только то, что доступно организму, но и то, что он усваивает и накапливает. Наличие элемента вокруг организма не доказывает, что его доля в организме будет такой же.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, что вещества состоят из атомов химических элементов, и уметь находить элементы в периодической таблице. Это помогает различать элемент и вещество, в состав которого он входит. Тема подготавливает к изучению химического состава клетки, органических и неорганических веществ. Позже эти знания пригодятся при разборе роли минеральных веществ в организме.

Что запомнить

• Живые организмы состоят из атомов химических элементов.
• Организмы избирательно поглощают и используют химические элементы.
• Углерод, водород, кислород и азот — основные элементы-органогены.
• Макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы различаются содержанием в организме.
• Малое содержание элемента не означает его малую биологическую роль.
• Состав живых систем не совпадает с составом земной коры.