Совокупность живых организмов, выраженную в единицах массы и энергии, Вл. Ив. Вернадский назвал живым веществом. Он впервые и наметил кларки живого вещ-ва. Кларки живого вещества уменьшаются с ростом атомной массы элементов, но, как и для земной коры, прямой зависимости нет. Живое вещество в основном состоит из элементов, образующих газообразные соединения, воздушных мигрантов. Главной особенностью истории живого вещества Вернадский считал его образование из газов и превращение после смерти снова в газы (СО2, NН3, N2, Н2О водяной пар и т.д.). Поэтому и нет прямой пропорциональности между кларками живого вещества и земной коры. Живые организмы избирательно поглощают из окружающей среды только доступные им подвижные формы эл-тов, имеющих важное физиологическое значение, поэтому они ими обогащены.
Как и другие глобальные геохимические константы, кларки живого вещества лишь условно характеризуют средний химический состав организмов Земли. Систематическая (родовая, видовая), региональная, местная и другие виды биогеохимической изменчивости существенно дифференцируют средний химический состав живых организмов
Живые организмы состоят из элементов, образующих газообразные (воздушные мигранты) и растворимые (водные мигранты) соединения. Между составом земной коры и живым веществом нет прямой зависимости. Более 98% живого составляют воздушные мигранты - кислород, углерод, водород, азот, с содержанием кислорода до 70%. Большая часть кислорода (свыше50%) связана с водородом и образует воду. Вода составляет в травах более 85%, крупных млекопитающих- свыше 60%, только споры и семена ее содержат не более 15%. Меньшая часть кислорода и водорода входит в состав белков, жиров, углеводов и других органических соединений.
Из водных мигрантов преобладают наиболее подвижные элементы в следующих соотношениях:кальция больше, чем алюминия и железа, калия больше, чем кремния (в земной коре наоборот). В живом веществе, в целом, мало ядовитых элементов - урана, ртути, селена, хотя они и образуют растворимые соединения. Низки так же содержания циркония, титана, тантала и других малоподвижных элементов.
Кларки концентрации элементов в живом веществе именуются биофильностью элементов. Наибольшей биофильностью обладает С - 7,8 * 104, менее биофильны азот - 160, Н- 70.
Близки по биофильности анионогенные элементы 0 - 1,5, Cl - 1,1. S- 1, P - 0,75, B - 0,83, Br -0,71. Наименее биофильны Fe - 0,002, Al - 0,0006. Такое соотношение биофильности основных элементов говорит о том, что состав живого вещества ближе коррелируется с составом атмосферы и гидросферы, чем литосферы.
Отмечено, что своеобразие климата и геологического строения определяют своеобразие химического состава живого вещества конкретных ландшафтов, их отличие от среднего состава живого вещества Земли. Например, живое вещество солончаков обогащено натрием, хлором, серой, в растениях степей - много кальция и мало алюминия, железа, растения влажных тропиков бедны кальцием и богаты алюминием. Средний химический состав живого вещества ландшафта является важным систематическим признаком ландшафтов.
Характерным химическим составом обладают как отдельные виды животных и растений, так и отдельные организмы Элементарный химический состав является важным систематическим признаком. Так, углерод составляет в ряске малой - 2,5% , в кладонии - 21,8%, в белой мыши - 12,5%, в бабочке-капустнице- 20,5%. Клевер содержит 0,01% натрия, солянки - 1,5-2,0% (данные в % от живой массы). Зола злаков богата окисью кремния, зола бобовых - кальцием, зола картофеля и подсолнечника - калием.
Следовательно, живое вещество, в особенности растительный покров является биогеохимическим барьером, на котором концентрируются воздушные мигранты - углерод, кислород, водород, азот, йод,а если считать накопление на золу, то на биогеохимическом барьере накапливается фосфор, сера, хлор, хром, барий, а в отдельных ландшафтах кальций, магний, натрии, цинк, медь, молибден и другие элементы.
Оставаясь важным диагностическим признаком вида, химический состав различных органов растений может быть неодинаков. Например, отмечено повышенное содержание металлов в листьях и тонких ветвях деревьев, меньше их в корнях и коре, минимальное содержание фиксируется в древесине. Химический состав организмов меняется в зависимости от сезона. Так, содержание кобальта, никеля, меди в листьях деревьев от весны к осени увеличивается в 2-3 раза. Содержание калия и фосфора в золе трав уменьшается от весны к осени. В целом сезонная изменчивость наиболее проявляется в молодых органах и меньше - в старых. Эти закономернсти в содержании элементов в растениях следует учитывать, сопоставляя данные биохимического опробования.
Однако накопление химических элементов в организмах не бесконечно, для него существуетфизиологический барьер поглощения. Он различен для разных растений и для разных химических элементов. Если для радия он достаточно высок, и содержание этого элемента в растениях растет с увеличением его концентрации в почве, то для урана предел низок, организмы быстро насыщаются и перестают поглощать его из почвы.
Растения, прекращающие поглощать избыточный элемент из почвы при росте его содержания в почве, называются барьерными. Их продуктивность, достигнув максимума при наиболее благоприятном количестве элемента, при его избытке не меняется. Безбарьерные растения реагируют на избыточное количество элемента в почве сначала ростом продуктивности, а затем ее сокращением и гибелью.
Нередко высокое содержание элемента в среде приводит к различным изменениям в физиологии и морфологии организмов и со временем закрепляются наследственностью, так появляется расы, вариететы и новые виды организмов: цинковая, литиевая, серпентинитовая, селеновая и прочие флоры, распространенные в зонах развития соответствующих пород (естественный отбор на химической основе).
Таким образом, химический состав некоторых организмов позволяет делать заключение о районе происхождения вида и путях его миграции. Например, виды растений, обогащенные хлористым натрием возникли в бессточных областях, на морских побережьях, с высоким содержанием алюминия - на латеритной коре выветривания.
К микроэлементам обычно относят Li, B, F, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Se, Rb, Zr, Mo, Ag, Cd, Sn, I, Cs, W, Au, Bi. Многие другие элементы, также обычно содержащиеся в малых количествах, нередко относят к токсичным элементам, таковы ртуть, свинец, кадмий. Несмотря на это, стоит подчеркнуть, что и обычные микроэлементы, когда их слишком много, могут стать токсичными (так же, между прочим, как и макроэлементы), а токсичные элементы при очень малых концентрациях не оказывают вредного воздействия на растения и животный мир. Иными словами, если быть точным, нет токсичных элементов, а есть их токсичные концентрации.
На рис. 1 показано среднее распределение в почвах различных химических элементов [2]. Доля каждого из элементов пропорциональна занимаемой на рис. 1 площади. Хорошо видно, что в большинстве почв около половины всей массы представлено кислородом, конечно не свободным, но входящим в состав оксидов, солей сложных органических веществ или алюмосиликатов. Второе место по массе занимает кремний, затем - алюминий и железо. Кальций составляет не более 2-2,5% массы. Магния, калия, натрия, серы, титана и марганца в сумме обычно содержится не более 3%. Тогда как на долю всех микроэлементов (если не считать Mn и Fe, которые иногда выполняют такую же роль) приходится значительно менее 1%. Содержание микроэлементов в почвах и других объектах биосферы чаще выражают не в процентах, а в мг/кг или по западным нормативам в ррm (частей на миллион, что соответствует принятой в России размерности в мг/кг). Среднее содержание некоторых микроэлементов в биосфере приведено в табл. 1.
Преобладающая часть содержащихся в почве микроэлементов растениям недоступна. Так называемые подвижные соединения Cu, Co, Mn (то есть доступные растениям) составляют только 10-25% общего количества, для Zn и Mo их доля и того меньше, иногда до 1%. Одна из причин заключается в том, что значительная часть их входит в состав почвенных минералов, нередко состоящих из песчаных частиц, а такие частицы быстро не подвергаются разрушающему действию дождевых вод или корневых выделений, и поэтому входящие в их состав элементы питания растениями не усваиваются. Распределение некоторых микроэлементов по почвенным частицам различного размера показано на рис. 2.
В почвах и породах присутствуют микроэлементы в различных соединениях: переходящие в водные вытяжки, вытесняемые из твердых фаз почвы солевыми растворами (обменные катионы), извлекаемые ацетатно-аммонийным буферным раствором (эти соединения считаются доступными растениям), кислоторастворимые соединения и, наконец, микроэлементы, входящие в состав различных почвенных минералов. Иногда неправильно считают, что те элементы, которые извлекаются из почв и пород водой, представлены водорастворимыми солями. На самом деле микроэлементы могут быть в форме труднорастворимых карбонатов, гидроксидов, сульфидов, но в водной вытяжке они все же обнаруживаются в количествах, соответствующих произведениям растворимостей соответствующих солей. Поэтому, если в водной вытяжке содержание элемента мало, это не означает, что его мало и в твердых фазах, а объясняется низкой растворимостью преобладающих соединений.
Соотношение микроэлементов в почвах и литосфере для многих элементов сходно: чем больше элемента в литосфере, тем больше его же и в почве, однако строгой пропорциональности нет; если, например, содержание лития в почвах и литосфере почти одинаковое, то серы больше в почвах, а никеля, меди, цинка больше в литосфере. Одна из причин - аккумуляция многих элементов живыми организмами, в частности растениями, после отмирания которых микроэлементы попадают прежде всего в почву. Это отчетливо видно на примере элементов-биофилов, содержание которых в золе растений во много раз выше, чем в литосфере и почвах. Таковы, например, Mo, Zn, Cu, I, B. Исходя из этого, член-корреспондент РАН В.А. Ковда предложил способ обнаружения прошлой или настоящей жизни в любых почвогрунтах, в том числе и на других планетах: если в верхних слоях грунтов содержание элементов-биофилов повышено, то, по мнению В.А. Ковды, это может служить признаком прошлой или настоящей жизни.
К макроэлементам относятся: б) фосфор, магний, азот.
К микроэлементам относятся: г) фтор, медь, марганец.
Микроэлементами называют жизненно важные химические элементы, массовая доля которых в живых организмах составляет от 0,01% и менее. К этой группе относятся железо (Fe), цинк (Zn), медь (Cu), фтор (F), йод (I), марганец (Mn), кобальт (Со), молибден (Мо) и некоторые другие элементы.
Железо входит в состав гемоглобина, миоглобина и многих ферментов, участвует в процессах клеточного дыхания и фотосинтеза. Медь входит в состав гемоцианинов (дыхательных пигментов крови и гемолимфы некоторых беспозвоночных животных), участвует в процессах клеточного дыхания, фотосинтеза, синтеза гемоглобина. Цинк входит в состав гормона инсулина, некоторых ферментов, участвует в процессах синтеза фитогормонов. Фтор входит в состав зубной эмали и костной ткани, йод – в состав гормонов щитовидной железы (трийодтиронина и тироксина). Марганец входит в состав ряда ферментов или повышает их активность, участвует в формировании костей, в процессе фотосинтеза. Кобальт необходим для процессов кроветворения, входит в состав витамина В12. Молибден участвует в процессах связывания молекулярного азота (N2) клубеньковыми бактериями
Например, при недостатке кальция ухудшается состояние зубов и развивается кариес, наблюдается повышенная склонность костей к деформации и переломам, появляются судороги, снижается свёртываемость крови. Недостаток калия приводит к развитию сонливости, депрессии, мышечной слабости, сердечной аритмии. При дефиците железа наблюдается снижение уровня гемоглобина, развивается анемия (малокровие). При недостаточном поступлении в организм йода нарушается синтез трийодтиронина и тироксина (гормонов щитовидной железы), может наблюдаться увеличение щитовидной железы в виде зоба, развивается быстрая утомляемость, ухудшается память, снижается внимание и т. п. Длительная нехватка йода у детей может приводить к отставанию в физическом и умственном развитии. При недостатке кобальта снижается количество эритроцитов в крови. Дефицит фтора может стать причиной разрушения и выпадения зубов, поражения дёсен.
