Меню

Элементный состав растений и животных

Химический элементный состав организмов

Элементный состав конкретного организма зависит от его систематической принадлежности, возраста, места обитания, индивидуальных особенностей жизни и многих других причин

В процессе эволюции, смены поколений этот состав закрепился наследственностью и приобрел черты относительных биогеохимических констант. Так, в ряске малой 2,5% С, лишайнике кладония — 21,8%, в белой мыши — 12,5, в бабочке-капустнице — 20,5%. Клевер содержит 0,01% Na, солянки 1,5—2,0 и более процентов; во многих низших животных — 0,02—0,5% (все данные в % от живой массы). Это позволяет ввести понятие «биогеохимические особенности организмов» — содержание элементов в систематических единицах разного таксономического ранга (вида, рода, семейства и т.д.). Можно говорить о геохимии растений (фитогеохимии), животных (зоогеохимии), человека (антропогеохимии), микроорганизмов. Можно говорить и о биогеохимической классификации организмов, зачатки которой наметились еще в прошлом столетии.

Способность вида накапливать химические элементы, выраженная в суммарных кларках концентрации называется биогеохимической активностью вида (А.Д. Айвазян).

Она вычисляется отдельно для катионогенных и анионогенных элементов. А.А. Кист, С.М. Ткалич, У. Шоу и другие установили связь биогеохимической роли элементов с их положением в периодической системе. Возможен и надорганизменный уровень исследования — геохимическая характеристика сообществ растений и животных, биоценозов в целом.

Согласно А.П. Виноградову, элементный состав организма хранит признаки своего происхождения

Он предположил, что виды наземных животных и растений, обогащенные Na и С1, сформировались на засоленных территориях, что грубые почвы гор, пески, вулканические почвы — области первичного распространения злаков, богатых Si, что роды субтропической флоры, богатой А1, возникли на латеритах.

Изучая флору юго-западного Алтая, А.Д. Айвазян показала, что виды растений, сформировавшиеся в гумидных ландшафтах, где преобладают кислые почвы, энергично накапливают катионогенные микроэлементы (Pb, Zn, Си, Ni, Со и др.) и слабее — анионогенные (Мо, V, Cr, As и др.).

Такие растения она предложила именовать гумидокатными. В аридных ландшафтах почвы нейтральные и щелочные, в них легче мигрируют анионогенные микроэлементы и слабее — катионогенные. Поэтому виды, возникшие в аридных ландшафтах, энергичнее накапливают анионогенные микроэлементы. Это ариданитные растения. Закрепляясь наследственностью, гумидокатность может проявиться и в аридных ландшафтах (при миграции гумидокатных видов), а ариданитность — в гумидных. Рационально также выделять гумидокатные и ариданитные виды животных.

Фоновые содержания в (%) и кларки концентрации (КК) химических элементов в золе растений

I. Элементы очень интенсивного накопления (КК > 100) J 3.10-5 5.10-3 0,8 — — — 3,0 ЮООп Br 2,1.10-4 1,5.10-2 0,3 — — — 0,9 4500 CI 1,7.10-2 1,0 4,0 — — — 2,5 147 S 4,7.10-2 5,0 6,8 — 2—16 — 7,0 140

II. Элементы интенсивного и среднего накопления (КК = 10—100)

В 1,2.10-3 4,2.10-2 10,0 5,0 4—16 — 7,0 58

Р 9,3.10-2 7,0 4,6 — 0,8—0,6 — 5,0 55

As 1,7.10-4 30.10-4 40,0 30,0 20—40 4-40 30,0 18

Sr 3,4.10-2 0,2 0,5 — 0,8 — 0,5 17

Mo 1,1.10-4 2.10-3 1,8 1,2 1—2 — 1,6 16

Zn 8,3.10-3 9.10-2 20,0 10,0 5—32 7,4 12,5 15,6

Ag 7.10-6 1.10-4 1,2 0,6 0,05—2,0 — 1,0 14

III.Элементы среднего накопления и сильного захвата (КК = 0,7—10)

Mn 0,1 0,75 1,3 0,5 0,1—0,6 — 0,7 7,0

К 2,5 15,0 2,8 — 4—36 — 12,5 7,0

Cu 4,7.10- 3 2.10-2 2,8 2,0 1—2 1,6 2,0 4,2

Sn 2,5.10- 4 5.10-2 6.10-4** — 15 — 8,7 3,5

Ca 2,96 3,0 3,6 — 6—36 — 9,0 3,0

Rb 1,5.10″ 2 1.10-2 4,0 — 4—14 — 4-5 3,0

Mg 1,87 7,0 6,4 — 2—6 — 5,5 2,9

Pb 1,6.10″ 3 1.10-3 5,4 5,0 4,0 1,: 8—2,63—4 1,9-2,5

Ga 1,9.10″ 3 5.10-3 0,12? — 0,3—3,0 — 2,3 1,2

Ni 5,8.10″ 3 5.10-3 6,0 4,0 5—10 6,0 5,6 1,0

Ba 6,5.10″ 2 1,2.10-2 3,0 4,0 4—6 — 6,0 0,9

Co 1,8.10″ 3 1,5.10-3 1,0 2,0 2—3 0,7 1,5 0,8

Na 2,5 2,0 2,4 — 0,6—2,0 — 2,0 0,8

Cs 3,7.10″ 4 2.10-4 4,0 — — — 3,0 0,8

IV. Элементы среднего, слабого и очень слабого захвата (КК 2, образуют огромные скопления кремнезема в озерах и морях (трепел, диатомиты). Известны животные, обогащенные Си — моллюски, раки, пауки.

Хорошо изучены и явления дефицита у животных химических элементов, соответствующие биогеохимические провинции. Дикие животные частично уменьшают дефицит, поедая грунт, используя воду минеральных источников. Такие места именуются «зверовыми солонцами». A.M. Паничев детально рассмотрел с геохимических позиций эту проблему «литофагии». Он установил, что в Приморье «зверовые солонцы» приурочены к ландшафтам зон разломов, рудных полей месторождений, распространения гидротермально измененных пород.

В геохимическом отношении наиболее разнообразны бактерии, среди которых известны виды, накапливающие S, Fe, Си, Mn, Mo, Ва, Li, Ag, Pb, U в значительно больших количествах, чем растения и животные. Некоторые микроорганизмы концентрируют элементы в количестве, в сотни раз превышающем их содержание в окружающей среде. Детально изучена роль микроорганизмов не только в почвах, илах, поверхностных и подземных водах, но и в более частных системах биосферы, например в ландшафтах сульфидных месторождений (Н.Н. Медведева).

Многие виды разделяют изотопы легких элементов, возможно, эта способность присуща всем или почти всем организмам. Так, при фотосинтезе растения отдают предпочтения легкому изотопу ^С, поэтому в организмах и их производных (углях, нефти) содержание тяжелого изотопа понижено, а в С02 морских карбонатах — повышено. Отношение 34S : 32S также колеблется: микроорганизмы, восстанавливающие сульфаты, накапливают легкий изотоп 32s? и в осадочных сульфидах его больше. Сера морской воды, солончаков и соляных озер, напротив, тяжелая.

Читайте также:  Аквариум свет для растений спектр

Источник

Мир науки

Рефераты и конспекты лекций по географии, физике, химии, истории, биологии. Универсальная подготовка к ЕГЭ, ГИА, ЗНО и ДПА!

Элементный состав живых организмов

Элементный состав живых организмов. Химический состав организмов, в отличие от объектов неживой природы, относительно устойчивый. Из более 100 различных типов атомов химических элементов и их изотопов в живых организмах

обнаруживают почти 60. Одни из них являются обязательными во всех организмах без исключения, другие — только в отдельных. Вместе с тем в живых организмах не обнаружено ни одного из химических элементов, которого бы не было в неживой природе. Это одно из свидетельств единства живой и неживой природы. Всего в организмах так называемых макроэлементов, т.е. химических элементов, суммарная доля которых — около 99,9% их массы. К ним относятся водород, Карбон, азот, кислород, кальций, калий, натрий, Ферум, Магний, Сера, Хлор, Фосфор (см. табл. 4.1). Первые четыре из них относят к органогенных элементов, поскольку их суммарная доля составляет почти 98% массы живых существ. Кроме того, эти элементы являются основными составляющими органических соединений, о которых пойдет речь в следующей теме. Стоит вспомнить роль кислорода (О2) в процессе дыхания организмов. Поступая в организм живого существа при дыхании, он обеспечивает окисления различных органических соединений. Вследствие этих процессов высвобождается энергия, которая обеспечивает разнообразные процессы жизнедеятельности. Лишь некоторые организмы, преимущественно бактерии и паразитические животные, могут существовать при отсутствии кислорода, их называют анаэробными.

Атомы азота входят в состав минеральных соединений, которые потребляют из почвы растения. Соединения азота способствуют росту растений, повышению их зимостойкости. Азот (N2) преобладает среди других атмосферных газов (около 79%). И хотя для большинства живых существ этот газ инертный, его могут усваивать из атмосферы некоторые организмы (например, азотфиксирующие бактерии, цианобактерии). Благодаря этому соединения азота поступают в почву, сохраняя и повышая ее плодородие (рис. 4.1).

Поскольку азот входит в состав белков и других органических веществ, его соединения необходимы для нормального роста организмов. А еще вспомните, что азот входит в состав хитина — составной клеточной стенки грибов и наружного скелета членистоногих (рис. 4.2), которая придает им дополнительную прочность.

Карбон в составе СО2 обеспечивает воздушное питание растений и других организмов, способных к фотосинтезу (пурпурные и зеленые сиркобактерии, цианобактерии, некоторые одноклеточные животные). Эти автотрофные организмы фиксируют СО2 и используют Карбон для синтеза собственных органических веществ. А дальше по цепям питания созданные ими органические соединения передаются гетеротрофным организмам, например животным.

Соединения кальция входят в состав раковин моллюсков, некоторых одноклеточных животных (фораминифер), панцирей раков, костей и зубов позвоночных животных и т.д.. Важное значение имеет достаточное поступление соединений кальция в организм детей и беременных женщин. Недостаток соединений кальция у детей может привести искривление костей — рахит. Усиленные расходы соединений кальция в организме беременных женщин связаны с тем, что в настоящее время формируется скелет зародыша. Соединения кальция содержат куриные яйца, молочные продукты, в частности мягкий сыр и т.д..

Соединения калия необходимы для нормальной деятельности нервной и сердечно-сосудистой систем, мускулатуры. Важная роль соединений калия и кальция в регуляции работы сердца: повышенная концентрация ионов Са2 + ускоряет работу сердца, а ионов К + — замедляет. Эти особенности влияния ионов К + ис-

ют для создания лекарств, нормализующих работу сердца. Количество соединений калия содержится в картофеле, фруктах (абрикосах, сливах и т.п.).

Соединения калия и меди повышают холодостойкость растений и тем самым обеспечивают лучшее переживания зимнего периода. Вы уже знаете, что атом железа входит в состав дыхательного пигмента-гемоглобина (рис. 4.3, 2). Гемоглобин способен связывать газы (вспомните, какие) и транспортировать их по организму. Поэтому при недостатке в организме железа или при нарушении усвоения этого химического элемента могут нарушаться процессы образования эритроцитов, возникает заболевание-малокровие, или анемия. Соединения железа, необходимые для кроветворения, содержащиеся в яблоках и других продуктах растительного происхождения (абрикосах, зелени петрушки и т.п.), а также печени и яйцах.

Соединения железа и магния необходимые растениям для того, чтобы в их клетках образовывался пигмент хлорофилл. Атом магния входит в состав молекулы хлорофилла, а для синтеза хлорофилла необходимо наличие железа. При недостатке или отсутствии этих химических элементов листья растений становятся бледно-зелеными или вообще теряют зеленый цвет. Вследствие этого процессы фотосинтеза нарушаются или прекращаются, и растение в конце концов погибает. Такое заболевание называется хлороз (рис. 4.3, 2).

Фосфор способствует работе головного мозга, участвует в формировании скелета и т.п.. Соединения фосфора в значительных количествах нужны и растениям. В частности, они способствуют быстрому созреванию плодов и обеспечивают зимостойкость растений. Соединения фосфора поступают в наш организм с молоком и молочными продуктами, рыбой, яйцами и др..

Свыше 60 химических элементов относятся к группе микроэлементов (йод, кобальт, марганец, медь, молибден, цинк и др.), ведь их содержание составляет 10-12-10-3% массы живых существ. Среди них выделяют группу ультра-микроэлементов (свинец, Бром, Аргентум, Аурум и др.)., Содержание которых еще ниже. Микроэлементы, содержащиеся в клетке, входящих в состав органических и неорганических соединений или находятся в виде ионов.

Хотя содержание микроэлементов в организмах незначительный, их роль в обеспечении нормального функционирования организмов может быть важной. Вспомните, Йод необходим для того, чтобы щитовидная железа вырабатывала гормоны (тироксин, трийодтиронин). Недостаточное поступление йода в организм человека с пищей или водой может повлечь нарушение синтеза этих гормонов. Как вы помните из курсов Основы здоровья и Биология 9-го класса, это может привести к тяжелым заболеваниям человека, связанных с нарушением обмена веществ, например микседемы, кретинизма. У людей, живущих в местностях, где вода и почва содержат мало Йода, часто развивается заболевание эндемический зоб (эндемический в переводе с греческого-местный, присущий данной местности), когда разрастаются ткани щитовидной железы (рис. 4.4). При этом производится меньше нормы гормона тироксина. Для профилактики йододефицита в таких местностях йодируют соль: к поваренной соли добавляют калий йодид. Многие соединения Йода содержат бурые водоросли, например ламинария, или морская капуста.

Читайте также:  Сочинение на тему растения моего края

Вы уже знаете, что в состав эмали зубов входит фтора, который придает ей прочности. Недостаток этого элемента в организме приводит к разрушению эмали зубов. Как вы помните, это заболевание называют кариесом (рис. 4.5). Поэтому, выбирая зубную пасту, обращайте внимание на содержание в ней фтора и кальция, которые укрепляют зубы. Эти элементы есть и в некоторых продуктах питания: молоке, сырах, шпинате и т.д.. Цинк необходим для образования гормонов поджелудочной железы, Бром — гормонов гипофиза. (Вспомните, какие гормоны вырабатывают эти железы.)

Кобальт и медь — необходимы для процессов кроветворения (вспомните, в состав дыхательных пигментов каких животных входит медь). Кобальт входит в состав витамина В12 (цианкобаламина), недостаток которого в организме приводит к злокачественному малокровию (анемии). Для человека основным источником над происхождения витамина В12 являются продукты питания животного происхождения — печень крупного рогатого скота, почки, мясо, сыр, рыбные продукты и т.д..

Соединения кремния входят в состав опорных структур некоторых организмов: клеточных стенок хвощей, панцирей диатомовых водорослей, внутриклеточного скелета радиолярий, скелета некоторых губок и т.п.. Вместе с тем попадание соединений кремния в органы дыхания может нарушить их функционирование. Так, вследствие длительного вдыхания производственной пыли, содержащей SiO2, возникает опасное заболевание легких — силикоз. Поэтому людям, работа которых связана с промышленным пылью (например, шахтерам), следует защищать дыхательные пути с помощью марлевых повязок или респираторов.

Источник

Химический элементный состав организмов

Элементный состав конкретного организма зависит от его систематической принадлежности, возраста, места обитания, индивидуальных особенностей жизни и многих других причин. В процессе эволюции, смены поколений этот состав закрепился наследственностью и приобрел черты относительных биогеохимических констант. Так, в ряске малой 2,5 % С, лишайнике кладония – 21,8 %, в белой мыши – 12,5, в бабочке-капустнице – 20,5 %. Клевер содержит 0,01% Na, солянки 1,5 – 2,0 и более процентов; во многих низших животных – 0,02 – 0,5 % (все данные в % от живой массы). Это позволяет ввести понятие “биогеохимические особенности организмов” – содержание элементов в систематических единицах разного таксономического ранга (вида, рода, семейства и т.д.). Можно говорить о геохимии растений (фитогеохимии), животных (зоогеохимии), человека (антропогеохимии), микроорганизмов. Можно говорить и о биогеохимической классификации организмов, зачатки которой наметились еще в прошлом столетии.

Способность вида накапливать химические элементы, выраженная в суммарных кларках концентрации называется биогеохимической активностью вида (А.Д. Айвазян). Она вычисляется отдельно для катионогенных и анионогенных элементов.

Согласно А.П. Виноградову, элементный состав организма хранит признаки своего происхождения. Он предположил, что виды наземных животных и растений, обогащенные Na и Cl, сформировались на засоленных территориях, что грубые почвы гор, пески, вулканические почвы – области первичного распространения злаков, богатых Si, что роды субтропической флоры, богатой Al, возникли на латеритах. Изучая флору юго-западного Алтая, А.Д. Айвазян показала, что виды растений, сформировавшиеся в гумидных ландшафтах, где преобладают кислые почвы, энергично накапливают катионогенные микроэлементы (Pb, Zn, Cu, Ni, Co и др.) и слабее – анионогенные (Mo, V, Cr, As и др.). Такие растения она предложила именовать гумидокатными. В аридных ландшафтах почвы нейтральные и щелочные, в них легче мигрируют анионогенные микроэлементы и слабее – катионогенные. Поэтому виды, возникшие в аридных ландшафтах, энергичнее накапливают анионогенные микроэлементы. Это ариданитные растения. Закрепляясь наследственностью, гумидокатность может проявиться и в аридных ландшафтах (при миграции гумидокатных видов), а ариданитность – в гумидных. Рационально также выделять гумидокатные и ариданитные виды животных.

Растительный покров является биогеохимическим барьером, на котором концентрируются воздушные мигранты – С, О, Н, N, J, в некоторых ландшафтах и многие водные мигранты. Если считать на золу, то на биогеохимическом барьере накапливаются Р, S, Cl, Br, B, в отдельных ландшафтах и отдельными видами также Са, Mg, Na, Zn, Cu, Mo и другие элементы.

Морские водоросли по сравнению с наземными растениями обогащены Mg, Na, K, S, Cl, Si, Fe, Sr, F, Ba, Br, J, Se, B, Li, Ti, As, Ag, W, Pb и обеднены Ca, Mn, Al, Rb, Cs (при расчете на сухое вещество). Многие из этих закономерностей легко объясняются особенностями состава морской воды. Говоря о концентрации, часто имеют в виду накопление элемента в золе, т.е. величину Ах. В агрономии еще в ХIХ столетии установили, что зола злаков богата SiO2, зола бобовых – Са, а зола картофеля и подсолнечника – К. Позднее были выделены “алюминиевые растения” (плауны, чай), “железные” (мхи), “иодные” (водоросли), солянки (Na, Cl и др.), гипсофиты, селитрянки (NO3) и т.д. Известны виды, в золе которых повышено содержание Zn, Cu, Se, Li, Mo и других редких элементов. Особенно большой способностью к поглощению редких элементов обладают мхи и лишайники.

А.Л. Ковалевский, изучая растения Сибири, предложил ряд биогеохимических параметров — ОСВР, ОСОР и др. ОСВР — относительное содержание химических элементов в видах, растущих в сопоставимых условиях (т.е. в одном элементарном ландшафте):

Читайте также:  Кустарниковое или травянистое растение с лиловыми или белыми цветками

где Сi – содержание элемента в изучаемом виде, а Сэт – в эталонном. Для некоторых элементов ОСВР не зависит от ландшафтных условий. Так, если содержание Мо в золе березы плосколистной принять равным 1 (эталон), то ОСВР лиственницы и кедра сибирских в среднем составит 1,1, багульника болотного – 1,2, ивы – 0,8, брусники – 5 и т.д. Если ОСВР превышает 2,5, то такие растения Ковалевский относит к концентраторам, а если менее 0,4 – к деконцентраторам:

Химический состав органов растений также не одинаков: наиболее высоко содержание металлов в листьях и тонких ветвях, меньше – в корнях и коре, минимально – в древесине. Зола листьев и хвои содержит больше Mg, K, P и S и меньше – Са, Sr, Ba, Ra, чем зола ветвей. Параметр ОСОР – отношение содержания элементов в органах растений:

где Со – содержание изучаемого элемента в исследуемом органе, а Сэт – в эталонном (главным образом, в старых ветвях, древесине, корнях). ОСОР меняется на два математических порядка, например, ОСОР Se в астрагалах (надземные органы: корни) достигает 30 – 50, ОСОР Мо и W в деревьях Сибири (хвоя: древесина) колеблется от 3 до 0,03.

Химический состав организмов периодически меняется. Так, по Д. П. Малюге, от весны к осени содержание Со, Ni и Cu в листьях деревьев увеличивается в 2 – 3 раза. Такая же направленность отмечена Н. П. Ремезовым для Si, Fe, Ca. Содержание К и Р в золе трав от весны к осени уменьшается. Эти закономерности установлены для определенных видов и не являются универсальными. В целом, наибольшая сезонная изменчивость характерна для молодых растущих органов (листья) и наименьшая – для старых (ствол, крупные корни). С возрастом состав растений также меняется, в частности увеличивается зольность.

Параметр ОИС характеризует относительное содержание элементов:

где Сi – содержание данного элемента в золе, в промежуточной фазе, а Сфс – в фазе созревания или в зимний период (для деревьев и кустарников). ОИС не превышает обычно 3 – 10, иногда возрастая до 20 – 40.

Элементный состав растений зависит и от условий среды: растения одного и того же вида, рода, семейства в разных ландшафтах имеют разный состав. В ряде случаев наблюдается прямая пропорциональность между содержанием элемента в растении и питающем субстрате (для Ra, Mo, Co и других элементов).

Однако накопление элементов небесконечно, существует “физиологический барьер поглощения”. Если для Ra он достаточно высок и содержание этого элемента растет с увеличением его концентрации в почве, то для U предел низок, организмы быстро насыщаются и перестают поглощать U из окружающей среды. Следовательно, химический состав растений зависит от их систематического положения и геохимических особенностей ландшафта. Для макроэлементов ведущее значение имеет систематическое положение: физиологические особенности организмов в период видообразования закрепились наследственностью и в дальнейшем растения стали в любых условиях брать то, что им необходимо, даже из бедной почвы, бедного водоема. Для многих микроэлементов ведущее значение имеют геохимические особенности ландшафтов.

Выделяя летучие органические бактерицидные соединения – фитонциды, растения предохраняют себя от болезней. Это первая внешняя линия обороны растений (“химическое оружие”) против своих врагов – микроорганизмов, животных, других растений. Особенно велика роль фитонцидов в реках и озерах. Так, синезеленые водоросли во время цветения выделяют более 10 различных фитонцидов, многие из которых токсичны для одних видов растений и животных (например, для зеленых водорослей, ракообразных) и играют роль стимуляторов для других. Некоторые фитонциды вредны и для высших животных, в том числе для млекопитающих (для крыс ядовиты фитонциды лавровишни и черемухи, для человека — багульника и т.д.). Н. Г. Холодный предположил, что летучие вещества растений могут активировать физиологические процессы у животных. Эти активаторы он назвал атмовитаминами (позднее некоторые из них и получили наименование фитонцидов). Через легкие человека в течение суток проходит 3 – 4 кг воздуха, что обеспечивает в определенных условиях поступление в организм нескольких миллиграммов атмовитаминов. По Б. П. Токину, “благоприятное действие на наш организм соснового бора заключается, в частности, в выделении фитонцидов”. Благотворные ароматы лимонных и апельсиновых рощ, полынной степи, горных лугов — все это примеры положительной роли фитонцидов в жизни человека. Состав и количество фитонцидов – важный геохимический параметр ландшафта. Ему придается большое значение при санитарно-гигиенической оценке ландшафта, озеленении городов, курортном строительстве.

Среди животных также обнаружены концентраторы и деконцентраторы. Многочисленные группы сухопутных и морских животных с известковым скелетом концентрируют Са (моллюски и др.). После их смерти скелеты образуют известковые осадки — толщи озерных и морских известняков. Диатомовые водоросли, концентрируя SiO2, образуют огромные скопления кремнезема в озерах и морях (трепел, диатомиты). Известны животные, обогащенные Cu — моллюски, раки, пауки.

Хорошо изучены и явления дефицита у животных химических элементов, соответствующие биогеохимические провинции. Дикие животные частично уменьшают дефицит, поедая грунт, используя воду минеральных источников. Такие места именуются “зверовыми солонцами”. А.М. Паничев детально рассмотрел с геохимических позиций эту проблему “литофагии”. Он установил, что в Приморье “зверовые солонцы” приурочены к ландшафтам зон разломов, рудных полей месторождений, распространения гидротермально измененных пород.
Лекция № 7

Тема: Биогенная миграция

1. Геохимическая роль живого вещества.

2. Биологический круговорот атомов.

3. Количество живого вещества.

Дата добавления: 2014-01-11 ; Просмотров: 881 ; Нарушение авторских прав?

Источник