§8. Химические элементы в живой и неживой природе

Определения и обозначения

Биогенные элементы — химические элементы, входящие в состав живых организмов и необходимые для их жизнедеятельности. Они присутствуют в клетках в виде атомов и соединений. Понятие помогает отличать элементы, действительно участвующие в построении организма и его работе, от случайных примесей.

Органогенные элементы — углерод, водород, кислород и азот, составляющие основу органических веществ клетки. Из них построена большая часть молекул белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. Поэтому знание этой группы позволяет понять химическую основу жизни.

Макроэлементы — биогенные элементы, содержание которых в организме относительно велико. К ним относят кальций, фосфор, калий, натрий, хлор и магний; они входят в состав тканей и регулируют процессы. Такое деление показывает, какие элементы нужны организму в заметных количествах.

Микроэлементы — биогенные элементы, содержащиеся в очень малых количествах, но необходимые для нормальной работы организма. Примеры — железо, медь, йод, цинк и фтор. Их малое содержание не означает малой роли: они часто входят в состав ферментов и гормонов.

Как это устроено

Живые организмы и неживая природа имеют общий набор химических элементов, потому что жизнь возникла и существует на Земле из веществ окружающей среды. Атомы не становятся особенными только потому, что входят в клетку. Различие появляется из-за количественного соотношения элементов и их объединения в определённые молекулы, клетки и ткани.

Углерод, водород, кислород и азот называют органогенными, потому что они образуют основу органических веществ. Углерод способен создавать прочные цепи и кольца, а водород и кислород входят в состав воды и большинства органических молекул. Азот необходим для аминокислот, белков и нуклеиновых кислот, поэтому все четыре элемента участвуют в построении важнейших веществ клетки.

По относительному содержанию элементы делят на макроэлементы, микроэлементы и ультрамикроэлементы. Макроэлементов в организме сравнительно много, микроэлементов — очень мало, а ультрамикроэлементы присутствуют в следовых количествах. Границы между группами связаны именно с количеством элемента в организме, а не с его полезностью.

Элементы выполняют структурную функцию, когда образуют клетки, кости и другие части тела, и энергетическую, когда входят в вещества, запасающее или высвобождающее энергию. Регулирующая функция связана с влиянием на работу ферментов, нервной системы и гормонов, а защитная — с участием в поддержании барьеров и устойчивости организма. Если элемента становится слишком мало или много, нарушаются химические реакции, поэтому меняется работа органов.

Основные химические элементы организма и их значение

Таблица показывает не только названия элементов, но и связь между их количеством и функцией. При чтении сначала определите группу, затем сравните относительное содержание и найдите, какой процесс зависит от элемента. Один элемент может иметь несколько функций, поэтому в таблице указано его главное значение.

Разбор задач

Задача 1. Распределение элементов по группам

Нужно распределить кислород, углерод, железо и йод по группам биогенных элементов. Условие не требует перечислять функции, поэтому главным признаком будет относительное содержание в организме. Сначала вспомним состав групп, а затем проверим каждый элемент.

1. Кислород и углерод относятся к органогенным элементам, поскольку входят в число четырёх главных элементов органических веществ.
2. Железо и йод относят к микроэлементам, так как в организме их очень мало по сравнению с органогенными и основными макроэлементами.
3. Проверяем принцип: группа определена по содержанию элемента, а органогенность кислорода и углерода дополнительно указывает на их роль в построении органических соединений.

Ответ: кислород и углерод — органогенные элементы, железо и йод — микроэлементы. Основа классификации — относительное содержание и роль элемента в составе организма.

Задача 2. Последствия недостатка железа и йода

Нужно объяснить, почему дефицит двух микроэлементов нарушает разные процессы. Железо связано с кровью и переносом кислорода, а йод — с деятельностью щитовидной железы. Значит, решение строится через цепочку элемент — вещество или орган — функция — последствие.

1. Железо входит в состав гемоглобина, белка эритроцитов, который связывает и переносит кислород.
2. При недостатке железа образование гемоглобина может снижаться, поэтому ткани получают меньше кислорода и ослабевает энергетический обмен.
3. Йод необходим щитовидной железе для образования гормонов, регулирующих обмен веществ и развитие организма.
4. При дефиците йода выработка этих гормонов нарушается, что отражается на скорости обмена веществ и общем состоянии человека.

Ответ: недостаток железа мешает переносу кислорода из-за уменьшения образования гемоглобина, а недостаток йода нарушает образование гормонов щитовидной железы. В обоих случаях причина связана с конкретной функцией микроэлемента.

Задача 3. Сравнение земной коры и организма

Нужно сопоставить состав земной коры и человеческого организма и объяснить, почему совпадение элементов не делает их одинаковыми. Сначала ищем общие химические элементы, затем учитываем их количество и форму соединений. Сравнивать следует не отдельные атомы, а состав и организацию веществ.

1. В обоих объектах встречаются кислород, водород, углерод, азот, кальций, фосфор, железо и другие элементы.
2. В земной коре преобладают кислород и элементы минералов, а в организме велики доли кислорода, углерода, водорода и азота.
3. В организме атомы объединены в воду, органические вещества, соли, клетки и ткани; в земной коре они входят главным образом в минералы и горные породы.
4. Следовательно, свойства зависят не только от качественного, но и от количественного состава и строения соединений.

Ответ: земная кора и организм имеют общие элементы, но отличаются их соотношением и способом объединения. Поэтому минерал и клетка могут содержать одинаковый элемент, но иметь совершенно разные свойства.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать микроэлементы незначительными из-за их малого количества. Так думают, потому что слово микро- связывают с малой важностью, хотя оно указывает только на содержание. Проверьте себя вопросом: участвует ли элемент в работе фермента, гормона или органа.

Ошибка 2. Путать химический элемент с простым веществом. Например, кислород-элемент входит в воду и органические молекулы, а кислород как простое вещество является газом O₂. Чтобы проверить себя, определите, говорится ли об атомах в составе соединения или о самостоятельном веществе.

Ошибка 3. Утверждать, что организм состоит только из органогенных элементов. Четыре главных элемента образуют основу органики, но клеткам также нужны макро- и микроэлементы. Проверьте ответ по функциям кальция, железа, йода и других элементов.

Ошибка 4. Считать увеличение количества полезного элемента всегда благоприятным. Такой вывод неверен, потому что избыток может нарушить работу ферментов и обмен веществ. Правильная проверка — учитывать, опасны ли для данного элемента и дефицит, и превышение нормы.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно знать, что такое химический элемент, атом, молекула, простое и сложное вещество. Также пригодится представление о составе белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот: именно в них органогенные элементы образуют сложные соединения.

Дальше эти знания понадобятся при изучении химического состава клетки, минеральных солей и обмена веществ. Они помогают объяснить значение питания человека и причины эндемических заболеваний, возникающих при недостатке или избытке элементов в окружающей среде.

Что запомнить

• Живые организмы и неживая природа содержат одни и те же химические элементы, но в разных соотношениях.
• Главные органогенные элементы — углерод, водород, кислород и азот.
• Биогенные элементы необходимы для построения клеток и обеспечения жизненных процессов.
• Макроэлементы содержатся в организме в сравнительно больших количествах.
• Микроэлементы нужны в малых количествах, но выполняют важные функции.
• Недостаток и избыток химических элементов могут нарушать жизнедеятельность организма.