Биогенная классификация химических элементов

Журнал "Философия науки",
№2(6), 1999 г
.

А.В. Бгатов

Введение в проблему

Одной из наиболее актуальных проблем философии науки была и остается проблема возникновения на Земле современных форм жизни, в том числе и человека. В этой области противоборствуют воззрения креационистов, утверждающих, что человек, как, впрочем, и другие формы жизни, был создан единовременным актом творения, и эволюционистов, отстаивающих точку зрения, что разнообразные формы жизни являются продуктом длительной эволюции.

Как бы там ни было, ни те, ни другие не могут отрицать того факта, что тело любого существующего на Земле организма, растительного или животного, состоит из вполне определенного набора химических элементов, генетически строго контролируемого и передаваемого в тех же соотношениях из поколения в поколение. И вопрос лишь в том, является ли такая передача абсолютно стабильной на протяжении поколений (что льет воду на мельницу креационистов), либо же меняется в процессе геохимической эволюции земной поверхности, но со скоростью, мало доступной человеческому восприятию. Будучи по натуре "эволюционистом", я постараюсь обосновать в дальнейших рассуждениях вторую точку зрения, взяв за постулат следующее.

Минеральный состав современных организмов складывался под воздействием двух процессов. С одной стороны, это эволюция состава гидро- и литосферы, характеризующаяся постоянным сдвигом соотношения химических элементов из-за выщелачивания, вулканической деятельности. С другой стороны, это "необходимое" для организма генетическое контролирование уже имеющихся внутри него на том или ином этапе соотношений, ведь, по словам знаменитого К. Бернара, "постоянство внутренней среды - необходимое условие свободной жизни организма". История взаимоотношений среда - организм исполнена драматизма. Лишь изучив прошлое организмов, их эволюцию и адаптацию к меняющейся геохимической среде обитания, вымирание и расцвет отдельных видов, родов и семейств растений и животных, мы сможем грамотно ориентироваться в настоящем, решать актуальные проблемы медицины, экологии и проблемы, сопряженные с ними.

С этих позиций была поставлена задача создания естественной классификации химических элементов, которая может быть решена на стыке эволюционной геологии, генетики и медицины.

Предпосылки к естественной классификации.

Человечество вообще любит систематизировать полученные знания. Вернее, это диктуется необходимостью, поскольку лишь классификация тех или иных фактов и понятий приводит к осознанию глубинных закономерностей в системе. Но происходит это, на мой взгляд, лишь тогда, когда искусственная классификация в той или иной области знаний сменяется естественной.

Возьмем два примера из естественных наук. Первый - систематика в растительном и животном царствах. До тех пор, пока исследователи основывали ее на объединении различных видов животных (растений) в группы по сходству отдельных, часто случайных, морфологических признаков (длина хвоста или форма ушей), такая искусственная систематика была "пустой забавой". Лишь когда в основу систематики был заложен эволюционный компонент, не только выстроилась достаточно стройная иерархия в растительном и животном мирах: тип - раздел - класс - отряд - семейство - род - вид, - но и появилась возможность предсказывать свойства вновь открытых видов животных или растений исходя из их системной принадлежности.

Второй пример, классический, - из области химии, а именно, создание периодической системы элементов. Задачу систематики химических элементов (в середине XIX в. их было известно около 60) решали Одлинг и Ньюлэндс, Дюма и Шанкуртуа, Деберейнер и Мейер, знаменитый Нильс Бор... В основу систематики закладывались самые разные признаки элементов, часто основанные на случайном сходстве их физических или химических свойств, и эти признаки использовались для объединения элементов в группы, порядки и т.д. Все же все исторически ранние системы классификации оказались несостоятельными, искусственными. Лишь в 1969 г. Д.И. Менделеев (Water.ru: Здесь у автора несомненная опечатка. Речь, конечно, идет о 1869 годе. В этой связи удивляет только упоминание в общей череде химиков XIX века Нильса Бора, который родился в 1885 году и, конечно не мог не знать о периодической системе Менделеева), выбрав, казалось бы, немудреный принцип классификации химических элементов по расположению их в порядке возрастания атомных масс, обнаружил не только связь свойств элементов с их атомными массами, но и сформулировал знаменитый периодический закон, позволивший, наряду со всем прочим, предсказать наличие в природе новых, доселе неизвестных элементов, но уже с известными свойствами (он назвал их экабором, экаалюминием и т.п.), которые должны были заполнить "пропуски" в его таблице!

Но как ни замечательна таблица Менделеева с точки зрения физиков и химиков, биологам ее недостаточно. Ведь место, занимаемое в ней каким-либо элементом, еще не определяет место этого элемента в живом организме. В настоящее время наблюдается неимоверная путаница в делении элементов по их отношению к живым организмам - на биогенные и абиогенные, на макро-, микро- и, а теперь уже и ультрамикроэлементы, на ятрогенные (т.е. вроде бы и нужные, но вредящие), эссенциальные (жизненно важные) и условно эссенциальные, на токсичные и условно токсичные. Эту путаницу усугубляет антропоцентризм, поскольку полезность, нейтральность или "вредность" того или иного элемента для человека отнюдь не означает таковых свойств для других представителей животного мира или для представителей мира растительного.

Все перечисленные выше классификации по сути своей искусственны. В самом деле, само деление биогенных элементов на макро- и микроэлементы напоминает попытку подразделить всех животных на "больших" (бегемот, кит, акула...) и "маленьких" (мышь, колибри, кузнечик...). Так, железо в животном организме до сравнительно недавнего времени относили к макроэлементам, но, убедившись в том, что свыше 90% его связано с гемоглобином, "перевели" его в микроэлементы.

Более того, всех химических элементов в природе чуть больше ста, из них стабильных - всего 92. Из списка потенциальных претендентов на роль жизненно необходимых элементов можно исключить заведомо не участвующие в метаболизме инертные газы и классические "тяжелые металлы". Этот список становится совсем коротким. Тем не менее, несмотря на огромное количество исследований, посвященных функциям отдельных химических элементов в животном организме, вопрос о том, какие из 81 в нем обнаруживаемого элемента (согласно данным пламенной фотометрии) действительно жизненно необходимы, а какие присутствуют случайно, за счет попадания с пищей, водой и воздухом или по крайней мере могут без ущерба для организма замещаться в метаболических цепях, остается открытым.

Общее число элементов, определяемых как жизненно важные, варьирует у разных авторов в весьма широких пределах. Например, один из классиков биохимии А. Ленинджер полагает, что таковых лишь 22 (табл.1), да и то, с его точки зрения, только 16 из них (выделенные в таблице курсивом) встречаются во всех классах организмов.

Таблица 1

Жизненно важные элементы, входящие в состав организмов
(по А. Ленинджеру)

Элементы, входящие в состав органических веществ
Одноатомные
ионы
Элементы, обнаруживаемые
в следовых количествах
Кислород Натрий Марганец Алюминий
Углерод Калий Железо Ванадий
Азот Магний Кобальт Молибден
Водород Кальций Медь Йод
Фосфор Хлор Цинк Кремний
Сера - Бор -


Согласно классификации П. Аггетта, к четырем органогенам (кислород, углерод, водород и азот) и семи макроэлементам (фосфор, сера, натрий, калий, магний, кальций, хлор) как важнейшим эссенциальным элементам следует добавить еще девять: железо, медь, цинк, марганец, хром, селен, молибден, йод, кобальт. Всего жизненно важных элементов - 20.

Один из выдающихся специалистов по микроэлементам В.Мерц, предлагает к 11 органогенам и макроэлементам (о количественном и качественной составе этой группы, по сути, никто не спорит) добавить следующие элементы, избыток или дефицит которых имеет значение для здоровья человека: железо, медь, цинк, хром, селен, молибден, йод, кадмий, свинец и ртуть. Таким образом, всего получается 21, но состав группы другой.

Согласно более широкой трактовке, предлагаемой Анке, к эссенциальным микроэлементам наряду с "классическими" эссенциальными элементами Аггетта (см. выше) следует отнести "новые" эссенциальные: фтор, кремний, олово, ванадий, никель, мышьяк, кадмий, литий, свинец. Всего их будет 29.

Все эти разночтения относительно количества, свойств и участия различных химических элементов в метаболизме животных организмов связаны, как мне представляется, в первую очередь с отсутствием системного подхода. Здесь можно лишь повторить, что необходимо создать естественную классификацию химических элементов, - это способствовало бы наряду с прочим устранению подобных противоречий.

Элементы первичной жизни на заре эволюции

К органогенам традиционно причисляют, учитывая их общее содержание в живом веществе (98,72 ат%), четыре элемента: кислород, углерод, водород и азот, - именно в данной последовательности исходя из их весовых отношений (т.е. г/т). Более правильным будет, однако, их расположение в такой последовательности: водород, кислород, углерод, азот, - поскольку биология оперирует соотношениями атомов в живом веществе.

В таблице 2, основанной на данных Боун и Фортескью, показано содержание некоторых химических элементов в растительных и животных организмах, но это содержание приведено в перерасчете на количество молей на тонну сухого органического вещества.

Таблица 2

Содержание некоторых химических элементов
в растительных и животных организмах, моль/т

Элемент Наземные растения Наземные животные
Водород 55000 70000
Углерод 37833 38750
Кислород> 25625 11625
Азот 2143 7143
Кальций 450 5-212,5
Калий 360 190
Магний 132 41
Сера 106 156
Фосфор 74 548-1420
Хлор 57 79
Натрий 52 174
Кремний 7-179 4-214
Алюминий 19 0,15-3,70
Марганец 11,45 0,004
Бор 4,63 0,046
Железо 2,5 2,9
Цинк 1,53 2,45
Стронций 0,3 0,16
Рубидий 0,23 0,20
Медь 0,22 0,04
Барий 0,1 0,005
Никель 0,051 0,014
Ванадий 0,03 0,003
Фтор 0,026-2,105 7,9-26,3
Титан 0,02 0,004
Литий 0,014 0,003
Свинец 0,013 0,01
Кобальт 0,008 0,0005
Цирконий 0,007 0,003
Хром 0,0044 0,0014
Галлий 0,0008 0,00008


Действительно, из первых четырех элементов можно построить целый ряд органических молекул, таких как простые углеводороды, альдегиды, спирты, и некоторые аминокислоты. Академик А.И. Опарин показал это в модельных экспериментах, воспроизводящих природные условия, предположительно существовавшие около 3 млрд. лет назад. Эти же элементы являются каркасом любой органической молекулы.

Причина того, что эти четыре элемента так идеально подходят к выполнению биологических функций, заключается в том, что все они легко образуют ковалентные связи посредством спаривания электронов. Для того чтобы полностью укомплектовать свои внешние электронные оболочки и образовать таким образом стабильные ковалентные связи, водороду требуется один электрон, кислороду - два, азоту - три, и углероду - четыре электрона. Эти четыре элемента могут легко реагировать друг с другом, заполняя свои внешние электронные оболочки. Помимо этого, три из них - углерод, азот и кислород - образуют и одинарные и двойные связи, благодаря чему могут образовывать самые разнообразные химические соединения. Наконец, среди элементов, способных образовывать ковалентные связи, они самые легкие, и, так как прочность ковалентной связи обратно пропорциональна атомным весам связанных с ее помощью атомов, возможно, что живые организмы "выбрали" именно эти элементы из-за их способности формировать прочные ковалентные связи.

Очень важна способность атомов углерода взаимодействовать друг с другом, образуя стабильные углерод-углеродные связи, что и обеспечивает углеводородные каркасы разнообразных молекул. Соединениям углерода свойственна еще одна отличительная особенность, которая состоит в способности спаренных электронов образовывать вокруг каждого атома углерода тетраэдрическую конфигурацию, благодаря чему различные типы органических молекул обладают различной трехмерной структурой. Никакой другой химический элемент, кроме углерода, не может создавать стабильные молекулы со столь разнообразными конфигурациями и размерами и с таким многообразием функциональных групп. Из других элементов только атомы кремния могут соединяться друг с другом ковалентными связями. Но, несмотря на то, что кремний значительно более распространен в литосфере, чем углерод, он оказался менее пригоден для живых организмов, - по всей видимости, потому, что, во-первых, соединения кремния труднорастворимы и, во-вторых, в присутствии кислорода связи кремний - кремний нестабильны. Впрочем, о роли кремния, этого интереснейшего "элемента-изгоя" речь пойдет ниже.

Мне представляется, и я постараюсь это обосновать, что к четырем указанным выше элементам, описанные свойства которых и их несомненное преобладание в атмосфере и гидросфере древней Земли явились гарантией включения еще в доклеточные формы жизни, необходимо добавить в качестве первичных элементов жизни еще два - фосфор и серу.

В самом деле, жизнь невозможно представить без двух вещей - передачи наследственной информации и энергии. Фосфор входит в состав основы молекул наследственности - ДНК и РНК, а также молекулы, поставляющей энергию, - АТФ. Считающееся классическим определение Ф. Энгельса: "Жизнь есть способ существования белковых тел..." - по сути своей неверно, поскольку некоторые несомненно "живые" вирусы обходятся без белка, представляя собой лишь цепочку ДНК или РНК, способную к автономному существованию.

Что касается серы, то этот элемент входит в состав двух из 20 основных аминокислот - метионина и цистеина, единиц, образующих белки всех высших организмов, причем в их составе сера, образуя дисульфидные мостики, формирует третичную, глобулярную структуру белка.

И фосфор, и сера - продукты вулканических выбросов. Среди элементов такого происхождения они одни из самых легких и реакционноспособных. Концентрация их в древнем океане, по всей видимости, довольно рано (в эволюционном смысле) достигла уровня, необходимого для создания первичных форм жизни.

Для всех рассмотренных выше химических элементов общим является то, что они благодаря отмеченным свойствам распространены во всех клетках, органах и тканях как растительных, так и животных организмов, т.е. они эволюционно "сквозные", хотя последние два и занимают в весовом отношении, по сравнению с четырьмя первыми, сравнительно скромное место.

С усложнением живых организмов функции их расширились и специализировались. Так, с появлением опорно-двигательного аппарата два последних элемента вошли в состав скелетных структур, а с появлением кровеносной системы - в состав сульфатного и фосфатного буферов крови.

Эти шесть элементов, с точки зрения биогенной классификации, следует отнести к элементам первой группы, или к первоэлементам.

Клеточный уровень жизни и макроэлементы

Сочетание шести элементов, рассмотренных в предыдущем разделе, могло поддерживать доклеточный уровень жизни. Одноклеточные организмы, судя по всему, возникли на Земле в литорали древнего океана около 3 млрд. лет назад. Их появление знаменовало собой развитие первой системы внутреннего минерального гомеостаза: живое вещество получило возможность отгородиться от внешней среды с помощью созданной клеточной мембраны, отвоевав свою внутреннюю самостоятельность. Для этого потребовалось создание тургорной, буферной системы, которая могла быть обеспечена посредством катионов, концентрация которых в процессе выщелачивания на ранних этапах минеральной эволюции гидросферы достигла оптимальной - калия, натрия, кальция и магния, а также анионов вулканической деятельности, кроме уже используемых фосфора и серы, - хлора.

Следует обратить внимание вот на какой аспект. Большинство исследователей, занимающихся химизмом человеческого тела, сравнивают его минеральный состав с минеральным составом современной суши, тогда как 90% эволюции живых организмов прошло в океане. В таблице 3 сравнивается минеральный состав современного океана с минеральным составом крови некоторых животных. В этой таблице приводятся данные, полученные разными исследователями. Очевидно, на основании этих данных можно судить о том, как происходило формирование системы натрий-калиевого насоса в живых клетках.

Таблица 3

Концентрация катионов в морской воде и жидкостях организмов
некоторых млекопитающих и птиц, ммоль/кг

Животное
Ткань
Концентрация элемента
   
Na
K
Ca
Mg
Отношение Na:K
-
Морская вода 460 10 11 55 46:1
Человек Сыворотка 143,0 5,0 5,0 2,2 28,6:1
Крыса Плазма 145,0 5,3 3,1 1,6 27,3:1
Собака Сыворотка 150,5 5,3 5,3 3,7 28,4:1
Марал Сыворотка 142,8 4,8 2,0 0,6 29,7:1
Курица Сыворотка 154 6,0 5,.6 2,3 25,7:1


Судя по всему, если учесть химические свойства элементов, в древнем океане на начальных этапах выщелачивания концентрация калия была выше, чем концентрация натрия. Впоследствии, однако, это соотношение изменилось на противоположное. Оберегающие свой внутренний минеральный гомеостаз клетки "изобрели" фермент, закачивающий внутрь катионы калия и выбрасывающий во внешнюю среду катионы натрия - натрий-калий АТФ-азу. Обратим внимание (см. табл. 3), что в сыворотке крови животных соотношение натрия и калия достаточно стабильно и составляет приблизительно 26-28:1. В современном же океане это соотношение равняется примерно 46:1.

Отсюда можно сделать вывод, что соотношение 26-28:1 было в океане в момент возникновения многоклеточных форм жизни.

Второй оригинальный вывод касается того, почему в животном мире возник феномен солеедения (потребления хлористого натрия). Дело в том, что в момент дивергенции гетеротрофных клеток на растительные и животные у растительных клеток натрий-калиевый насос сменяется водородной помпой. Другими словами, система натрий - калий, обеспечивающая наряду с прочим проводимость клеточной мембраны, сменяется системой водород - калий. Как следствие (обратимся к табл. 1, в которой приводятся данные о содержании, в частности, этих двух элементов у растительных и животных форм) соотношение калия и натрия равняется 1:1 у животных организмов и 7:1 у организмов растительных (!). Вот почему самыми убежденными солеедами являются травоядные (коровы, овцы, лоси, олени), умеренными солеедами - всеядные животные, употребляющие как растительную, так и животную пищу (медведи, свиньи, обезьяны, человек), а хищники соль в пищу не употребляют, поскольку добывают эти два элемента в оптимальном соотношении (приблизительно 1:1) из тела жертвы.

В природе современные травоядные и некоторые всеядные животные, лишенные источников хлористого натрия (поваренной соли), посещают так называемые зверовые солонцы, являющиеся, по сути, природными ионообменниками, содержащими натрий в достаточных количествах, чтобы удовлетворить их потребности. При исследовании популяций диких и домашних животных, нами были получены данные, подтверждающие эту идею.

Особенно хочется остановиться на роли такого элемента, как кремний, который также следует включить в рассматриваемую группу элементов. Нет никаких сомнений в том, что этот химический элемент (близкий по своим свойствам к углероду, главным образом с точки зрения способности образовывать аналогичные ковалентные связи) в тот исторический период, когда концентрация кальция в древнем океане не достигла необходимого уровня, выполнял многочисленные функции, в том числе функцию создания первых в истории опорных, скелетных структур у примитивных организмов, пока его не вытеснил более легкий и реакционноспособный кальций.

Можно проследить смену кремния на кальций на нескольких примерах. Как известно, наиболее древние в эволюционном плане губки (примитивнейшие из современных организмов) имеют кремниевый скелет, более продвинутые - кремнероговой, а самые эволюционно продвинутые - кальциевый.

Другой пример - из исторически более поздних времен. Самые древние рыбы - хрящевые и ганоидные (в переводе на современный язык - акулы, скаты, и осетровые). Они эволюционно более древние, и их скелетные структуры обогащены кремнием. У более эволюционно продвинутых рыб - костистых - в основе скелета кальций.

Наконец, о человеке. Биогенетический закон Геккеля гласит, что онтогенез есть краткое повторение филогенеза. Другими словами, каждый живой организм повторяет изменениями своих черт все эволюционные изменения своих предков. Так вот, в многочисленных исследованиях показано, что наибольшая концентрация кремния имеет место в зародышах человеческого организма, а к моменту рождения она постепенно снижается. И от рождения до старости у человека соотношение кремния и кальция во всех тканях организма, особенно в соединительных, изменяется в пользу кальция. Высокая же концентрация кальция является причиной многих "болезней цивилизации", - хрупкость костей, разрыв связок и т.д.

Таким образом, под общим названием "макроэлементы" можно объединить рассматриваемые в этой главе шесть - калий, натрий, кальций, магний, хлор, кремний. Они составляют вторую группу.

Микроэлементы: эволюционный аспект

Микроэлементы как таковые - наиболее сложный и гетерогенный класс химических элементов. Само их количество, как следует из представленных выше классификаций Ленинджера, Аггетта, Авцына, Анке и других авторов, до сих пор точно не определено. Прежде всего, что представляют собой микроэлементы с эволюционной точки зрения?

Изменение минерального состава океана (в геологическом плане) происходило в целом относительно плавно. Продолжайся так в течение всех сотен миллионов лет эволюции, не было бы, по всей видимости, эволюционных скачков, ведущих к вымиранию тысяч видов и резкому развитию их единиц. Мы знаем, однако, периоды едва ли не внезапной смены флоры и фауны на лике Земли. Приуроченность их к периодам глобальной регрессии и трансгрессии морей сомнений не вызывает. Исчезновение одних таксонов и замена их другими происходят в моменты глобальных морских регрессий (наиболее впечатляющие из них - силуро-девонская, пермо-триассовая и мел-третичная, и особенно первая, в результате которой произошла гибель 90% океанических видов и около 70% семейств позвоночных) и здесь выделяется несколько этапов:

1) глобальная регрессия моря, приводящая к осушению шельфа, сокращению ареалов обитания видов и возрастанию климатических колебаний;

2) резкое возрастание регрессии с освобождением водных газов, эрозией горных пород и окислением выделенного океаном углерода, усугублением климатической нестабильности и аноксией;

3) наступление быстрой (по геологическим меркам) трансгрессии, приводящей к разрушению и затоплению вновь сформированных прибрежных мест обитания организмов.

Все это справедливо, однако здесь практически полностью не учитывается тот факт, что при такого рода катаклизмах наряду с прочим резко активируются процессы вулканической деятельности и выщелачивания, что приводит к резкому, залповому выбросу разнообразных химических элементов в водную толщу и атмосферу. При этом те организмы, которые не смогли приспособиться к резкому (в геологическом отношении) повышению концентрации отдельных химических элементов во внешней среде, вымерли. Отдельные же представители таксонов, сумевшие приспособиться к данной ситуации, включив в свой метаболизм новые элементы, хотя бы в качестве коферментов, бурно прогрессировали.

Особенно быстро пошел процесс дивергенции видов после выхода организмов на сушу, где главным фактором отбора явился резко различающийся в минеральном отношении состав разных геохимических провинций. Ведь в различных геохимических регионах концентрация отдельных микроэлементов может различаться на несколько порядков. В связи с этим у сухопутных организмов, проживающих в альтернативных геохимических условиях, в течение эволюции произошел и альтернативный отбор семейств генов, контролирующих уровень различных эссенциальных микроэлементов в крови.

Любопытно высказывание Дж. Гласс (1990 г.): "...По некоторым причинам случается так, что Мать-Природа подводит нас. Обнаруживается дефицит каких-либо минеральных веществ в том или ином регионе... В некоторых регионах Австралии в почве недостаточное количество кобальта. В результате содержащиеся на подножном корму коровы и овцы заболевают анемией и погибают, если этот дефицит не восполняется. В почве некоторых частей Танзании обнаружен дефицит бора, и если не добавить в почву бор, яблони в этих местах начинают болеть...". Это типичный пример "логики наоборот", весьма широко, однако, распространенной. Ведь ни коровы и овцы в Австралии, ни яблони в Танзании не являются аборигенными видами. Природа никого не обманывает: местные австралийские и африканские виды в течение многих поколений прекрасно приспособились к существующей в геохимической среде их обитания низкой концентрации кобальта и бора. Иное дело - привозные виды, минеральный гомеостаз которых складывался в геохимических провинциях, обогащенных этими элементами.

Логика подсказывает: чтобы надежно вычленить эссенциальные микроэлементы для высших животных, и в первую очередь для человека, необходимо обратить внимание на те случаи, когда дефицит в организме того или иного элемента достоверно определяет какое-либо патологическое нарушение в организме. Именно такой подход, оказавшийся крайне плодотворным, был предложен Э. Андервудом, и с его помощью была установлена микроэлементная этиология ряда заболеваний сельскохозяйственных животных. Это направление было развито с использованием лабораторных животных, содержащихся на искусственных диетах, обедненных или обогащенных тем или иным микроэлементом. Наконец, богатый материал был получен при изучении заболеваний различной этиологии у человека.

Из-за недостатка места, обсуждение массива литературных и наших данных, полученных с помощью названных выше подходов, придется оставить "за бортом". Ограничимся констатацией факта, что к эссенциальным элементам, удовлетворяющим условию: и дефицит, и избыток данного элемента приводят к патологическим отклонениям в организме - можно отнести железо, медь, цинк, марганец, хром, селен, молибден, йод, кобальт, фтор. Эти десять элементов, биологическая значимость которых в организме высших млекопитающих, и в том числе человека, на сегодняшний день твердо установлена, следует объединить в третью группу - эссенциальных микроэлементов.

Существует еще ряд микроэлементов, которые в микроколичествах, но стабильно присутствуют в человеческом организме. Дефицитные их состояния обнаружены лишь у некоторых сельскохозяйственных и лабораторных животных (но ведь, к примеру, и кремнийдефицитные состояния у человека неизвестны, поскольку кремний - третий по распространенности элемент земной коры). К этой группе биогенных элементов относятся следующие: мышьяк, бор, бром, литий, никель, ванадий, кадмий, свинец. В геологическом плане большинство из них вулканического происхождения. Появились они на относительно поздних этапах развития Земли, и можно предполагать, что в метаболизм организмов с эволюционной точки зрения они включились сравнительно поздно. Их можно объединить в четвертую группу под общим названием "условно эссенциальные микроэлементы".

Брэйн-элементы

Имеется целая группа элементов с неизведанными функциями. С достаточно большой степенью осторожности можно говорить об их взаимосвязи с интеллектуальными возможностями человека.

Прежде всего, обращает на себя внимание их относительно высокая концентрация в головном мозге человека, органе, который является одним из наиболее оберегаемых в организме. Так, необъяснимо относительно высокое содержание в головном мозге золота (2,54 мкмоль/кг сухой массы), таллия (2,44 мкмоль/кг, тогда как в других органах - не более 1,96 мкмоль/кг), олова (16 мкмоль/кг, что на порядок превышает его содержание в других органах) и некоторых других элементов. Вообще, в микроэлементном отношении мозг человека в чем-то сродни компьютеру.

Полученные рядом исследователей данные указывают на то, что химический состав волос у людей, резко отличающихся друг от друга по интеллектуальному потенциалу, достоверно различен по содержанию некоторых микроэлементов. В частности, при исследовании детей одного из районов Новосибирской области с общим диагнозом "умственная отсталость", нами было установлено, что у больных детей в волосах достоверно повышена концентрация марганца, ванадия и никеля и понижена концентрация галлия. Геохимический район проживания всех детей один и тот же, так что в этом смысле ошибка исключена.

Интересны данные В.А. Щербакова, который, изучая особенности геохимии Атлантического океана, пришел к выводу, что составной частью "амброзии" богов Олимпа, обеспечивающей их мудрость и бессмертие, был такой элемент, как теллур, встречающийся в высокой концентрации в некоторых водорослях Атлантики. Однако еще до олимпийских богов и высокоразвитой древнегреческой цивилизации здесь обитали предки этрусков - кроманьонцы, раса с высокоразвитой культурой и эйдетическим, художественным мышлением.

Все эти элементы можно объединить в пятую группу элементов под общим названием "брэйн-элементы".

Элементы нейтральные и агрессивные

Думается, само понятие "токсичные элементы" архаично и не имеет права на существование. В приведенном в предыдущих разделах делении биогенных элементов на пять групп этому понятию не нашлось места, и я сознательно его не употреблял. Действительно, избыток любого химического элемента (будь то сера, железо, цинк или золото) в человеческом организме приводит к патологии. Это касается элементов всех групп, даже первоэлементов. Печально известная синильная кислота имеет формулу HCN, т.е. представляет собой соединение трех органогенов. Следовательно, речь можно вести только о токсичной концентрации либо о токсичных соединениях того или иного элемента.

Разумеется, все остальные элементы таблицы Менделеева, участие которых в метаболизме животного организма не доказано, в организм этот, тем не менее, попадают с пищей, питьем, воздухом, и ведут себя отнюдь не индифферентно.

По-видимому, все абиогенные элементы можно без всякого насилия над эволюционными процессами и здравым смыслом поделить на три группы. К первой из них можно отнести так называемые элементы-нейтралы типа алюминия, титана и рубидия, относительно высокие концентрации которых организм переносит достаточно безболезненно. Логично предположить, что, поскольку уже на ранних этапах эволюции органического мира организмы имели возможность столкнуться с их высокой концентрацией во внешней среде (шельф древнего океана и литосфера в высокой степени обогащены этими элементами), в течение сотен миллионов лет они выработали механизмы толерантности.

Другое дело - эволюционно более "молодые" элементы, имеющие в основном вулканическое происхождение, а также появившиеся в самые последние годы техногенные, к которым относятся в первую очередь тяжелые металлы, такие, как ртуть, висмут, осмий и т.п., к высоким концентрациям которых во внешней среде организмы не в состоянии были приспособиться на протяжении жизни ограниченного числа поколений. Такие элементы можно отнести ко второй группе абиогенных элементов, определив их как агрессивные.

Наконец, существует третья подгруппа элементов из числа абиогенных. Это так называемые элементы-конкуренты - барий, стронций и др. Они были уже довольно широко представлены в древнем океане, составляя скелетную основу некоторых форм жизни, каковую и сохранили до наших дней некоторые реликтовые виды, а после выхода организмов на сушу и замены этих элементов более легким и реакционноспособным кальцием они стали конкурировать с ним за место в метаболизме организмов. Отсюда вызывающая хрупкость кости и недоразвитие скелета болезнь Урова (замещение кальция на стронций в скелетах людей) в некоторых эндемичных районах Сибири и, по всей видимости, возникновение ряда минеральных новообразований в человеческом организме типа уролитиаза и атеросклероза.

Таким образом, все остальные, абиогенные элементы можно подразделить на три группы: агрессивные, нейтральные и элементы-конкуренты.

Таблица 4

Биогенная классификация химических элементов

Тип
Группа
Название
Примечание
  Первоэлементы Водород, углерод, кислород, азот

Каркасные элементы органических молекул, возникших еще в докембрии. Составляющие большинства аминокислот

    Фосфор, сера

Непременные участники белковых молекул, ДНК и РНК. Создатели первичной, доклеточной жизни

Биогенные
Макроэлементы Калий, натрий, кальций, магний, хлор, кремний.

Элементы буферной системы первых одноклеточных организмов и клеточного потенциала. Первые элементы скелетного аппарата простейших организмов

  Эссенциальные микроэлементы Железо, медь, цинк, марганец, хром, селен, молибден, йод, кобальт, фтор.

Включились в метаболизм с возникновением кровеносной системы. Участвуют в окислительно-восстановительных реакциях. Составляющие коферментов организма

  Условно эссенциальные микроэлементы Мышьяк, бром, литий, никель, ванадий, кадмий, свинец.

Узкоспециализированная группа элементов, "работающая" не у всех видов организмов. Некоторые входят в состав коферментов

  Брэйн-элементы (Золото, олово, таллий, теллур, германий, галлий)

Предположительно, участвуют в проводимости импульсов головного мозга млекопитающих. Очевидно, включились в метаболизм в четвертичном периоде

Абиогенные
Нейтральные Алюминий, титан, рубидий

Не заняли своего места в метаболизме животных из-за слабой реакционной способности, несмотря на широкую распространенность в литосфере

  Конкуренты Барий, стронций, цезий

Участвовали в метаболизме морских форм организмов, что и определило их дальнейшую конкуренцию в метаболизме сухопутных видов (ведущую к патологии)

  Агрессивные Ртуть, бериллий, осмий, висмут

Элементы поздней вулканической деятельности. В связи с тем, что не нашли места в метаболизме организмов, вредны в малых дозах



В таблице 4 приводятся обобщенные данные относительно эволюционно-генетического подхода к изучению спектра химических элементов, участвующих в метаболизме человека и высших млекопитающих, в частности, данные о том, на каких этапах развития живого вещества те или иные элементы в него включались и занимали главенствующее или второстепенное положение.

Классификацию элементов, представленную в этой таблице, можно с полным правом считать естественной, поскольку в ее основе лежит достаточно логичный и последовательный эволюционный принцип. Все элементы Периодической таблицы Менделеева подразделены на два типа: биогенные, т.е. участвующие в метаболизме живых форм, и абиогенные, т.е. все остальные. Биогенные элементы, в свою очередь, подразделены на пять групп, причем их иерархия от момента включения в метаболизм организмов на ранних этапах развития живой материи до четвертичного периода в целом соответствует распространенности в живых организмах. Ясно, например, что

- первоэлементы являются сквозными для всех форм жизни на Земле, т.е. присущи всем формам жизни;

- макроэлементы - сквозными для всех животных организмов;

- эссенциальные микроэлементы - сквозными для всех млекопитающих;

- условно эссенциальные - сквозными для отдельных семейств млекопитающих.

- брэйн-элементы - сквозными для высших млекопитающих и человека.

Абиогенные элементы подразделены на три группы, по отношению к живым организмам. Исчерпывающая мотивировка такого деления приведена в тексте.

Самое главное, как мне кажется, то, что настоящая таблица функциональна. Она является одной из первых попыток подобного рода классификации, если не первой такой попыткой, и, несмотря на все свое несовершенство и предварительный характер, может оказаться полезной в различных областях естественных наук, включающих теорию эволюции, генетику, медицину.


На главную страницу журнала "Философия науки".
Вверх