Металлы в живых организмах

Глава 2. Микроэлементы

Правильная оценка значения того или иного элемента в жизни организма стала возможной после многолетних наблюдений над состоянием животного и растительного мира в различных районах земного шара и кропотливой работы по сопоставлению данных наблюдений с результатами химических анализов почвы и почвенных вод в этих же районах.

В расширение кругозора наших знаний о роли элементов в биологических системах внесли большой вклад исследования акад. В. А. Вернадского, акад. А. П. Виноградова и их учеников. Было доказано, что между химическим составом почв и формами растений, развивающихся на них, имеется глубокая связь. Так, на почвах, богатых кальцием (карбонатные породы, известняки), развиваются растения характерных видов — кальцефильная флора; избыток цинка в почве ведет к появлению особых видов цветов (фиалки) и т. д.

Земную оболочку (литосферу, гидросферу и атмосферу, вместе взятые) называют биосферой, она является ареной жизненных процессов, потребляющих различные соединения элементов и создающих новые. Масштабы этого биогеохимического круговорота колоссальны — биосфера содержит 100 млрд. т живого вещества. Фотосинтетические процессы в течение года потребляют 175 млрд. т углерода, превращая его в различные органические соединения. Водоросли, губки, растения суши накапливают кремний — жесткая трава прибрежных мест, о которую так легко порезать пальцы, содержит много кремния; корненожки, кораллы собирают кальций — он необходим им для постройки прочных защитных оболочек; иглокожие концентрируют ванадий и т. д. После гибели всех этих организмов образуются скопления веществ, состав которых отражает особенности не только геохимических процессов (выветривания, растворения минералов), но и в не меньшей степени характер существования живых систем.

Поэтому природа даже в тех ее формах, которые, казалось бы, не имеют отношения к жизни, в действительности создана при активном участии живых организмов. Коралловые острова и коралловые рифы, тянущиеся на тысячи километров и достигающие в высоту 2-3 км, созданы живыми существами, построившими их в основном из карбоната кальция.

Раскрытие этих важных закономерностей и помогло понять данные наблюдений, относящиеся к вопросу о жизненной ценности того или иного элемента. На полях Австралии, которые ничем особенным не выделялись среди других пастбищ, скот часто заболевал анемией; было выяснено, что причиной является недостаток в почве соединений меди. Еще более тяжелая картина анемических расстройств у крупного рогатого скота наблюдалась в некоторых прибалтийских районах: сильное исхудание, слабость, малокровие сопровождали эту болезнь, приведшую к гибели многих животных. Тонкий химический анализ выявил дефицит в почвах этих районов элемента кобальта. Немногое было известно о роли этого металла в жизненных процессах. Тревожные сигналы из угрожаемых районов заставили попытаться изучить проблему более детально.

Больные анемией животные быстро поправлялись при введении в их корм солей кобальта. Надо было, очевидно, искать кобальт среди тех веществ, которые находятся в нормальном, здоровом организме. Громадная работа, о трудностях которой мы позже расскажем, увенчалась успехом. Было доказано, что кобальт входит в состав витамина B₁₂, который, как и медь, необходим для процесса кроветворения. Результат этот имел далеко идущие последствия: удалось разработать методы надежного лечения опасной болезни — злокачественной анемии, поражавшей животных и человека и считавшейся до этого времени почти неизлечимой.

Недостаток меди и железа в почвах отражается и на состоянии растений — они заболевают хлорозом. В зеленых частях растения задерживается образование хлорофилла, снижается и процент витаминов.

Избыток некоторых элементов также представляет опасность. Известны заболевания животных, вызванные избыточным содержанием в почвах молибдена, селена, фтора и др. Все это указывает на то, что животный и растительный мир находится в постоянном взаимодействии с веществами литосферы (суши) и гидросферы (водная оболочка Земли).

А атмосфера? Имеет ли она отношение к жизни? Конечно! Мы ведь дышим кислородом атмосферы, а дыхание живых существ и работа многочисленных заводов обогащает атмосферу углекислым газом. Не все знают, что и появилась-то кислородная атмосфера на Земле именно вследствие деятельности фотосинтезирующих организмов, разлагавших воду и выделявших кислород. Лишь малая часть кислорода, по-видимому, возникла за счет разложения воды ультрафиолетовым излучением Солнца. Кислород, оказавшись в атмосфере, не только способствовал формированию микроорганизмов аэробного типа, но и окислял соединения металлов с низшими степенями окисления: соединения железа (II) превратились в соединения железа(III), оксиды марганца(II) образовали оксиды марганца (IV) и т. д. Живая и неживая природа постоянно влияют химически друг на друга, и было бы странным предполагать, что деятельные и хорошо растворимые соединения многих металлов не будут так или иначе вовлечены в жизненный круговорот.

На основе тех наблюдений, о которых шла речь выше, и начала постепенно развиваться отрасль науки, которую ныне называют бионеорганической химией. В ее задачи входило прежде всего выяснение роли каждого элемента в биологических процессах.

Сведения о функциях классических элементов жизни — углерода, кислорода, водорода, фосфора, серы, азота — достаточно подробны, их расширение составляет цель работы биохимиков. К области биохимии относят и данные о функциях йода и других галогенов. Поэтому на долю бионеорганической химии остаются главным образом металлы. Вспомним, что к металлам относится большинство элементов, и перспективы развития бионеорганической химии по этой причине разнообразны и значительны. Успехи, уже достигнутые на этом пути, в большой мере обусловлены введением в практику новых современных методов исследования, позволивших составить достаточно ясное представление о структуре биологических машин клетки и о месте, которое занимают в таких машинах ионы металлов.

Подводя предварительный итог опытным данным, можно сказать, что особенно важными следует считать ионы меди, железа, цинка, кобальта, марганца, молибдена, кальция, натрия, калия и магния. Это не значит, что остальные металлы не играют биологической роли. Весьма вероятно, что мы просто еще не знаем многого, что составит в будущем содержание бионеорганической химии, и пока вынуждены ограничиться наиболее изученными явлениями, относящимися к этой области. Кроме того, даже те металлы, которые при нормальном состоянии организма не занимают в его работе заметного места, можно иногда с успехом применять для лечения заболеваний. Примером этого может служить серебро — некоторые его соединения обладают бактерицидными свойствами, причем уничтожают бактерии даже в очень малых концентрациях, они применяются для этих целей в медицине.

Рассматривая элементы, заполняющие таблицу Менделеева, можно выделить те, из них, которые играют особенно важную (и лучше изученную) роль в процессах, поддерживающих жизнь и развитие организмов, — так называемые биогенные элементы. Кроме уже известных легких элементов Н, О, С, N, P, S, Mg, Ca, Na, К, мы найдем и более тяжелые — Fe, Co, Cu, Zn, Cr, Mn, Мо и др., относительно функций которых сведения не всегда достаточно полны (это относится, например, к хрому).

Основная масса биологически активных металлов расположена в средней части первого большого периода и относится к переходным элементам. Исключение составляют только четыре металла: натрий, калий, магний, кальций, которые содержатся в организмах в сравнительно больших количествах. Роль лития неясна, хотя и он, по-видимому, выполняет какие-то биологические функции, по крайней мере, в растениях.

Переходные элементы содержатся в организмах в очень малых количествах, и уже из этого можно сделать осторожный вывод, что их значение (доказанное прямым опытом!) должно быть связано с катализом. Ведь именно активные катализаторы могут способствовать быстрым изменениям состава вещества, действуя в малых концентрациях. В дальнейшем мы увидим, что такое предположение в большинстве случаев оказывается верным. Но вышеназванные металлы могут еще выполнять (вместе с органическими соединениями) и другую работу — переносить с места на место группу атомов или целые молекулы, закреплять молекулы в определенном положении, поворачивать их, поляризовать и т. п.

Таблица 2. Влияние недостатка и избытка металлов на состояние растений и животных

В таблице 2 в сжатой форме отмечено, какое действие вызывает в растениях повышение и понижение содержания металлов в почвах и как это сказывается на состоянии животных.