Текст книги "Избранные вопросы экологии. Информационно-методический сборник"

Экология гидросферы

Прежде чем на Земле возникла живая материя, на ней должна была появиться вода, в которой в течение многих миллионов, а возможно и миллиардов лет растворялись, накапливались и взаимодействовали различные минеральные соли. Наша планета на 3/4 покрыта океанами. Количество воды в атмосфере метеорологи оценивают в 12 900 кубических километров. Из них 98% находятся в форме невидимого пара, а 2% – в виде облаков – скоплений микроскопических капелек или ледяных кристалликов.

Таким образом, вода – это одно из самых распространенных на нашей планете веществ. «Начало всего есть вода», – отмечал Фалес из Милета ещё в VI веке до н. э. Велика роль воды и в формировании земного ландшафта. М. В. Ломоносов писал: «…Все во всем свете рудокопы не перероют столько земли, не провернут камней во сто лет, сколько одной весной разрушат о них льды и быстрины беспримерных вод российских». Будучи в химическом отношении достаточно простым веществом (2 атома водорода и один кислорода), вода долгое время считалась неделимым элементом. Лишь в 1766 году Г. Кавендиш (Англия) и затем в 1783 году А. Лавуазье (Франция) показали, что вода не простой химический элемент, а соединение водорода и кислорода в определенной пропорции. После этого открытия химический элемент, обозначаемый как Н, получил название «водород» (Hydrogen – от греч. hydro genes), которое можно истолковать как «порождающий воду». Молекула жидкой воды – единственное трехатомное вещество, имеющее соразмерности, свойственные золотой пропорции.

Физические свойства воды используются как эталоны при определении многих физических констант и единиц измерения. Так, температура замерзания воды, насыщенной воздухом под давлением 1 атм., принята за 0°С, а температура кипения при тех же условиях – за 100°С. Единицей массы, равной 1 г, в метрической системе мер принят вес 1 см³ воды при 4°С.

Некоторые особенности воды делают ее уникальной для живой природы, а многие из них не подчиняются физическим законам, которые управляют другими веществами. Вода состоит из мономеров Н₂О, которые при различной ее температуре могут образовывать димеры и тримеры. При температуре в 4^оС основная масса воды представлена димерами. Вода обладает значительной смачивающей поверхностью. По показателям величины поверхностного натяжения, позволяющего воде подниматься по капиллярам на 10—12 метров, она уступает только ртути.

Важнейшим условием существования жизни на Земле является способность воды за счет капиллярных сил подниматься по узким почвенным каналам и сосудам растений.

По мере растворения, поступившие в воду ионы, обволакиваются ионами воды, однако она, являясь инертным растворителем, в реакцию с растворенным веществом, как правило, не вступает. Благодаря этой особенности воды огромное количество разнообразных веществ переносится по любым системам биосферы и доставляется к каждой клетке любого организма.

Вода, если ей дать достаточно времени, она может растворить практически любое твердое вещество. Именно из-за уникальной растворяющей способности воды никому до сих пор не удалось получить химически чистую воду – она всегда содержит растворенный материал сосуда.

Плотность воды при охлаждении от 100 до 4^оС (точнее, до 3,98^оС) возрастает, как и у подавляющего большинства жидкостей. Однако, достигнув максимального значения при температуре 4^оС, плотность при дальнейшем охлаждении воды начинает уменьшаться. Таким образом, – максимальная плотность воды наблюдается при температуре 4^оС (одна из уникальных аномалий воды), а не при температуре замерзания 0^оС. Замерзание воды сопровождается скачкообразным уменьшением плотности более чем на 8%. В связи с этим лед (твердая вода) занимает больший объем, чем жидкая вода, и держится на ее поверхности.

Плотность большинства веществ – жидкостей, кристаллов и газов – при нагревании уменьшается и при охлаждении увеличивается, вплоть до процесса кристаллизации или конденсации.

Столь необычное поведение плотности воды крайне важно для поддержания жизни на Земле. Покрывая воду сверху, лед играет в природе роль своего рода плавучего одеяла, защищающего реки и водоемы от дальнейшего замерзания и сохраняющего жизнь подводному миру. Если бы плотность воды увеличивалась при замерзании, лед оказался бы тяжелее воды и начал тонуть, что привело бы к гибели всех живых существ в реках, озерах и океанах, которые замерзли бы целиком, превратившись в глыбы льда, а Земля стала ледяной пустыней, что неизбежно привело бы к гибели всего живого.

Уникальны в своём роде и тепловые свойства воды:

1. Вода – единственное вещество на Земле (кроме ртути), для которого зависимость удельной теплоемкости от температуры имеет минимум. Из-за того, что удельная теплоемкость воды имеет минимум около 37^оС, нормальная температура человеческого тела, состоящего на две трети из воды, находится в диапазоне температур 36—38^оС. (Внутренние органы имеют более высокую температуру, чем наружные – авт.).

2. Вода – обладает самой высокой теплоемкостью из всех известных веществ. Чтобы нагреть определенное ее количество на 1⁰ необходимо затратить больше энергии, чем при нагреве других жидкостей, – по крайней мере, вдвое по отношению к простым веществам. Это обуславливает исключительную, в отличие от других веществ, способность воды аккумулировать тепло. Благодаря этому свойству волы Мировой океан поддерживает среднегодовую температуру Земли в пределах 15°С. В противном случае климатические, и сезонные перепады температур были бы гораздо резче и приводили бы к бурным ураганам. Достаточно температурному режиму океана дать сбой, как по всей Земле неминуемо прокатываются катаклизмы.

Знаменитое Эль-Ниньо связано с появлением в тропической зоне Тихого океана тёплого течения, которое, медленно продвигаясь от Индонезии к берегам Перу и Чили меняет климатические условия. Как правило, этот феномен возникает, когда в силу естественных колебательных процессов перераспределения энергии в океане – слабеет сила пассатов, дующих вдоль экватора с востока на запад. В результате течение устремляется через океан от Индонезии к Перу и температура воды у побережья Перу поднимается на 3—5°С. Затянувшееся с 1990 по 1995 г. Эль-Ниньо привело к тому, что, начиная с 1996 г., по планете периодически прокатываются климатические катастрофы – наводнения там, где их никогда не бывало и засуха во влажных областях.

Исключительная теплоёмкость воды способствует тому, что у человека нормальная температура тела поддерживается на одном уровне и жарким днем, и прохладной ночью. Таким образом, вода играет главенствующую роль в процессах регулирования теплообмена человека и позволяет ему поддерживать комфортное состояние при минимуме энергетических затрат. При нормальной температуре тела человек находится в наиболее выгодном энергетическом состоянии. Температура других теплокровных млекопитающих (32—39^оС) также хорошо соотносится с температурой минимума удельной теплоемкости воды.

3. Вода – обладает высокой удельной теплотой плавления, то есть воду очень трудно заморозить, а лед – растопить.

В структуре льда практически не бывает примесей: при замерзании они вытесняются в жидкость. Именно поэтому снежинки всегда белые, а льдинки на поверхности грязной лужи практически прозрачные. Но в планетарном масштабе именно замечательный феномен замерзания и таяния воды играет роль гигантского очистительного процесса – вода на Земле постоянно очищает сама себя.

Лед и особенно снег обладают очень высокой отражательной способностью, благодаря чему солнечное излучение не вызывает заметного нагрева полярных областей, и, как следствие – наша планета избавлена от сезонных наводнений и повышений уровня Мирового океана. Благодаря этому климат на Земле в целом достаточно стабилен и мягок, что позволяет большинству живых организмов оптимальным образом существовать (адаптироваться) в условиях благоприятной среды.

В качестве первичного эшелона, определяющего адекватность адаптации или приспособленность любых живых организмов к постоянно меняющимся факторам внешней среды, выступает количество в организме воды, абсолютное содержание и соотношение в ней макро и микроэлементов. Живая клетка это идеальная система обратных связей, но любая клетка это еще и вода и состояние этой воды решает в конечном итоге все.

Внутриклеточную среду обычно рассматривают как водный раствор, тогда как она представляет собой гель, испытывающий фазовые переходы. Вода служит дисперсионным средством (диспергатором) органических коллоидов и индифферентной средой для транспорта строительных и энергетических веществ к клетке и эвакуации продуктов обмена к органам выделения. Эти процессы связаны с константным (в узких пределах) содержанием воды и солей в организме. В обычных условиях вода в организме никогда не бывает в свободной форме, а всегда связана осмотическими, онкотическими и мицеллярными силами.

Можно смело утверждать, что «человек существует благодаря наполняющей его воде». В организме человека с массой тела 65 кг содержится от 40 л воды: из них почти 25 л находится внутри клеток, а 15 л – в составе внеклеточных жидкостей организма. Из 25 л внутриклеточных жидкостей около 95% находится в свободном состоянии, а 5% – иммобилизовано за счет связи с биологическими макромолекулами. Почти 89% воды содержит человеческий мозг, до 80% воды входит в состав человеческой крови, более чем на 70% мышцы человека содержат все ту же воду, и даже в костях скелета около 20% влаги. До сих пор актуален афоризм известного биолога Г. Н. Шангина-Березовского: «Каждый из нас всего лишь пятьдесят литров воды, вставшей на ноги».

Особенно богаты водой ткани молодого организма. C годами человек «высыхает», теряет влагу. В теле 3-месячного плода содержится 95% воды, 5-месячного – 86%, новорожденного ребенка – 70%, взрослого человека – от 65 до 55%. Поддержанием постоянного объема жидкости, состава и концентрации электролитов в организме занимается сложная система, в которой участвуют почки, надпочечники, гипофиз и легкие.

Организм человека состоит на 60% из воды, 34% приходится на органические вещества и 6% – на неорганические.

Молекула воды – диполь. Это значит, что геометрические центры отрицательных и положительных зарядов не совпадают – одна часть молекулы «поположительнее», а другая «поотрицательнее». Поэтому вода – дипольная жидкость. Но это только в первом приближении. Во втором приближении вода – система из четырех зарядов – квадруполь.

Уместно здесь вспомнить гипотезу Ю. А. Колясникова о том, что «структурная память воды „унаследована“ от главной строительной единицы земной тверди – кремнийкислородного тетраэдра, как наиболее энергетически выгодную». Ведь, в сущности, весь кислород земной воды и атмосферы в прошлом был силикатным. Можно считать общепризнанным факт, что вода имеет внутреннюю структуру. Как принято считать, структурообразующими свойствами обладают водородные связи (мостики). Колясников делает вывод о том, что вода – это тетрамер Н₈О₄, в котором четыре молекулы соединены в компактный тетраэдр двенадцатью «сильными» водородными связями. Эти тетрамеры в воде (жидкость в пару) объединяются в полимеры такими же, но «слабыми» связями т.к. для этого соединения у них остается только четыре связи.

При температуре человеческого тела достигается уникальное с точки зрения биохимии состояние – разорвана половина «слабых» водородных связей. Это, как полагают, и определяет равную вероятность течения разнообразных обратимых биохимических реакций в организме. При температуре в 100 градусов тетрамерные связи разрываются на молекулы воды, которые тут же в пару объединяются в новые тетрамеры. В воде одновременно существует несколько состояний обусловленных наличием водородных связей между ее молекулами, энергия которых более чем втрое превышает Ван-дер-ваальсовские силы взаимодействия, что, собственно, и отличает ее от газов и сближает по структуре с твердыми телами. Именно это обстоятельство и позволило Дж. Берналу и Р. Фаулеру еще в 1932 году сравнить структуру воды с жидким кварцем.

На Земле нет других веществ, наделенных способностью быть жидкостью при температурах существования человека и при этом образовывать газ не только легче воздуха, но и способный возвращаться к ее поверхности в виде осадков. В. И. Вернадский писал: «Вода стоит особняком в истории нашей планеты. Нет природного тела, которое могло бы сравниться с ней по влиянию на ход основных, самых грандиозных геологических процессов. Нет земного вещества – минерала, горной породы, живого тела, которое бы её не заключало. Всё земное вещество – под влиянием свойственных воде частных сил, её парообразного состояния, её вездесущности в верхней части планеты – ею проникнуто и охвачено».

Мировые запасы пресной воды к исходу ХХ века составляли 34980 тыс. км.³, а ежегодно возобновляемые (суммарный годовой сток рек) – 46800 км.³ в год. Современное полное водопотребление в мире составляет 4130км.³ в год, а безвозвратное – 2360 км.³ год. Сейчас используется примерно 55% имеющейся на Земле пресной воды, причем 70% из них идёт на орошение, 20% – в промышленность и 10% на нужды населения. Орошаемые земли сегодня составляют 17% всех возделываемых земель, но дают 40% продовольствия. По прогнозам – к 2050 году доля урожая с этих земель возрастет до 50%. (Семёнов В. А. – 1996 г., Намер Л. – 2004 г.). Такое водопотребление привело к существенному обмелению и загрязнению около половины рек планеты. Почти 60% из 277 крупнейших водных артерий перегорожены плотинами и прочими инженерными сооружениями, создавшими искусственные озера, что существенно изменило экологию близлежащих земель и устьев рек. За последние полувека на реках мира построено около 800 тыс. плотин, из них 45 тыс. выше 15 метров.

В США только на 2% рек нет плотин. Из-за плотин на Дунае изменились химические процессы с участием кремния во всем Черном море.

В целом, – 80% всех загрязнений морей дает деятельность человека на суше.

Мировые запасы грунтовых вод, из которых черпают питьевую воду около 2 миллиардов человек на планете, постепенно иссякают – уровень грунтовых вод в большинстве развивающихся стран падает примерно на три метра в год. (Макгиверинг Дж. – 2003 г.).

По данным японских геофизиков, в мантии Земли, на глубинах от 650 до 2000 километров, в связанном виде содержится в 5 раз больше воды, чем во всех океанах.

С ростом численности человечества надо ожидать усиления дефицита пресной воды и роста военных конфликтов из-за нее. Существуют прогнозы, что при удвоении народонаселения Земли к середине этого столетия и при стремительно растущих запросах – наступит всемирный водный кризис. К примеру, англичане уже тратят за год около 2 млрд. фунтов стерлингов на воду в бутылках. В среднем каждый англичанин выпивает в год 37 литров воды, купленной в магазине, и четверть этой воды завозится из других стран.

Специалисты считают, что для современной комфортной жизни на каждого человека ежедневно необходимы 200—300 литров воды. Из них лишь 2—3 литра жизненно необходимы человеку для питья, для приготовления еды. И эта вода должна быть не просто безвредной, а чистой, вкусной и свежей, как родниковая. Подсчитано также, что за жизнь человек поглощает около 25 тонн воды.

Десятая часть человечества утоляет жажду из реки Ганг. Хотя с 1985 года Индия предпринимает усилия по очистке воды в Ганге, содержание опасных микробов в любимом месте омовения паломников в 2—4 тысячи раз превышает допустимое. Эксперты ООН опубликовали отчет, согласно которому из 122 обследованных стран самая чистая вода – в Финляндии, Канаде, Новой Зеландии, Британии и Японии. Россия на 7-м месте. Как ни странно на последнем месте – Бельгия, где вода грязнее, чем в Индии, Судане или Руанде.

Лучший источник питьевой воды – артезианские скважины, уходящие под водонепроницаемые породы, что защищает их от прямого попадания загрязняющих веществ. Температура и химический состав артезианских вод почти постоянны, мутность невелика, бактерий почти нет. Далее в иерархии чистоты следуют глубокие грунтовые воды, затем проточные озера и водохранилища, наконец, бессточные озера и реки.

При интенсивном использовании подземных вод образуются депрессионные воронки. Одна из них, причем огромная (около 5 тыс. км³), образовалась в районе Москвы, где только с 1938 по 1958 гг. из земных недр выкачано около 2,4 км³ воды, что в 6 раз превышает питание водоносных горизонтов. На территории депрессионных воронок резко снижается поверхностный сток рек.

Водные ресурсы России в 2005 году составляли 4291 км³. (1999 г. – 4 310 км³). В России находится 20% мировых запасов пресной воды. Средняя обеспеченность водой речного стока каждого жителя России – около 31 тыс. м³ год.

При среднем потреблении воды в России 272 л в сутки на человека в Москве этот показатель – 539. В европейских странах норма значительно ниже – от 120 до 150 литров.

В целом по России на питьевые и хозяйственные нужды забирается 3% водных ресурсов, из которых 2/3 сбрасывается назад в виде сточных вод.

Структура нашего водопотребления такова:

– производственные нужды – 57,8%;

– хозяйственно-питьевые – 19,6%;

– орошение – 14,3%;

– сельскохозяйственные нужды – 2,4%;

– другие нужды-5,9%.

Питьевая вода – важнейший фактор здоровья человека. Считается, что 80% всех заболеваний человека тем или иным образом связаны с неудовлетворительным качеством воды. По данным НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды РАМН, около 20% водопроводной воды в России не соответствует санитарным нормам. Именно загрязнение воды вызывает две трети вспышек острых кишечных инфекций в России.

Практически все источники воды подвергаются антропогенному и техногенному воздействию разной интенсивности. Известно, что именно с водой мы получаем до 25% суточной потребности химических веществ организма, которые имеют более высокую физиологическую ценность, чем поступающие с продуктами питания.

В Свердловской области обнаружена связь между содержанием хлорорганических соединений в питьевой воде 12 городов и онкологическими заболеваниями, спонтанными абортами, частотой мутаций в соматических клетках у детей.

Вынужденное использование населением степных зон и отдельных районов Поволжья (около 5%) воды с высокой концентрацией хлоридов и сульфатов (превышение нормативов в 3—5 раз) без соответствующей водообработки определяет повышенный уровень заболеваемости желчно – и мочекаменной болезнями, патологией сердечно-сосудистой системы.

Избыток хлористого натрия (свыше 1 г/л), влияет на повышенную реактивность сосудов и вызывает отклонения водно-солевого обмена человеческого организма.

Длительное употребление воды с повышенным содержанием железа (более 0,3 мг/л) увеличивает риск инфарктов, негативно влияет на репродуктивную функцию и вызывает сухость и зуд кожи.

Повышенная концентрация меди вызывает поражение слизистых оболочек, почек и печени; никеля – поражения кожи; цинка – заболевания почек.

Хром, свинец и кадмий, накапливаясь, способствуют развитию онкологических заболеваний и расстройству нервной системы.

Потребление воды с высоким природно-обусловленным содержанием бора, брома приводит к росту числа заболеваний желудочно-кишечного тракта.

В последние годы активно обсуждается роль алюминия в развитии болезни Альцгеймера. Доказано, что при его концентрации свыше 0,5 мг/л существенно возрастает смертность от этого заболевания. Каждый из нас ежедневно получает с пищей 30—50 миллиграммов алюминия.

Большая концентрация фтора в воде (предел 0,7—1,5 мг/л) вызывает флюороз, недостаточная (а ее испытывает 60% россиян) – возможность возникновения кариеса. Выявлена обратная зависимость между жесткостью воды и смертностью от сердечно-сосудистых заболеваний.

Экология почв и живых организмов

Выяснено, что почвы и живые организмы содержат почти все элементы, входящие в Периодическую систему Д. И. Менделеева, за исключением искусственно полученных человеком трансуранов. Более того, – присутствие химических элементов в живых организмах считается особой – биогенной формой нахождения химических элементов в природе. Их поступлению в организм способствуют питание и потребляемая вода. Финский химик Лаури Суоранта вывел эмпирическую формулу человека. Если рассматривать тело человека как химическое соединение элементов, его формула имеет вид: H₁₅₇₅₀N₃₁₀O₆₉₀₀C₂₂₅₀Ca₆₃P₄₈K₁₅S₁₅Na₁₀C_l6Mg₃Fe₁

В живых организмах химические элементы могут образовывать минералы (с характерным для них пространственным размещением атомов), ионные (и, вероятно, коллоидные) растворы, газовые смеси. Уже известно около 80 минералов, которые входят в биоминеральные композиты живых организмов

По количественным уровням диапазон колебаний содержания элементов очень велик – от десятков процентов до n=10^—10. Количество каждого из химических элементов, составляющих живые организмы, определяется сложным сочетанием нескольких факторов, которые можно условно объединить в три группы:

1. Внутренние, биохимические факторы, определяемые биологическим особенностями конкретного вида организмов;

Для отдельных видов растений и животных характерны определенные диапазоны концентрации химических элементов. В свое время даже предполагалась возможность классификации организмов в зависимости от их химического состава.

2. Внешние, ландшафтно-геохимические факторы, определяемые условиями среды обитания организмов;

Содержание химических элементов в одинаковых частях одного вида растений может существенно изменяться при изменении ландшафтно-геохимических условий их произрастания. Влияние ландшафтно-геохимических условий на накопление химических элементов сказывается и на животных организмах в основном через растения.

3. Внутренние, кристаллохимические факторы, определяемые свойствами ионов, входящих в состав растений и животных.

Значительная часть элементов не только попадает в организмы в ионной форме, но и распределяется в них в соответствии с особенностями ионов. Это позволяет предполагать наличие общих законов миграции химических элементов, как в косной части биосферы, так и в живых организмах.

Элементы, содержащиеся в организмах в очень небольших количествах, принято называть микроэлементами. Ученые договорились, что если массовая доля элемента в организме превышает 10^—2%, то его следует считать макроэлементом. Доля микроэлементов в организме составляет 10^—3—10^—5%. Если содержание элемента ниже 10^—5%, его считают ультрамикроэлементом. Некоторые элементы одновременно могут быть и макро– и микроэлементами, поскольку чисто количественное определение во многом условно. Например, магний попадает в промежуточную область между макро– и микроэлементами. Тем не менее, 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.

Микроэлементы требуются для всех организмов лишь в оптимальных количествах. Полное отсутствие микроэлементов в питании так же, как и избыток их, вызывает заболевания и гибель живых организмов от болезней, связанных с резким нарушением обмена веществ.

Мощное воздействие микроэлементов на физиологические процессы объясняется тем, что они входят в состав так называемых акцессорных веществ: дыхательных пигментов, витаминов, гормонов, ферментов, а также коферментов, участвующих в регуляции жизненных процессов. Это дало основание известному российскому ученому-агрохимику А. В. Петербургскому назвать микроэлементы катализаторами катализаторов. Для белкового, углеводного и жирового обмена веществ необходимы Mo, Fe, V, Co, W, B, Mn, Zn; в синтезе белков участвуют Mg, Mn, Fe, Co, Cu, Ni, Cr; в кроветворении – Co, Cu, Mn, Ni, Zn; в дыхании – Mg, Fe, Cu, Zn, Mn, Co.

Микроэлементы, или – атомовиты по терминологии, предложенной В. Л. Сусликовым в 2000 году, – считаются важнейшим базовым элементом гомеостаза живых организмов. Они, согласно предложению указанного автора, по анатомо-физиологическим свойствам разделяют на структурные (кальций, фосфор, углерод, водород, азот, натрий, калий, магний, хлор, кислород), которые выполняют в организме человека функцию строительно-пластического материала; биокаталитические (медь, цинк, марганец, кобальт, селен), участвующие в обмене веществ, входя в состав ферментов, витаминов и пигментов; эндокринные (йод, хром, фтор, бром), входящие в состав гормонов; гематоатомовиты (железо, медь, мышьяк), причастные к кроветворению. По значимости для человека атомовиты подразделяют на незаменимые (эссенциальные) – кислород, водород, азот, кальций, фосфор, калий, натрий, хлор, магний, цинк, железо, медь, йод, марганец, молибден, кобальт, селен), которые должны постоянно присутствовать в организме. В биосфере выживают только те организмы, которые сохраняют, максимально проявляют и постоянно совершенствуют систему гомеостаза атомовитов.

Профессор Московского государственного университета Евгений Петрович Троицкий предпочитал называть микроэлементы инициаторами и активаторами биохимических процессов, без участия которых невозможна регулирующая роль ферментов, при этом, подчёркивая, – что: «нет вредных веществ, есть вредные концентрации».

Об этом подробно писал академик В. И. Вернадский еще в 30-х годах XX века, который считал, что «связь состава организмов с химией земной коры и то огромное – первенствующее значение, которое имеет живое вещество в механизме земной коры, указывают нам, что разгадка жизни не может быть получена только путем изучения живого организма. Для ее разрешения необходимо обратиться и к его первоисточнику – к земной коре».

Выдающийся российский ученый-геохимик Александр Павлович Виноградов определил понятие о биогеохимических провинциях – это «области земли, в пределах которых у организмов наблюдается биологическая реакция на определенный уровень содержания химических элементов во внешней среде». Формирование биогеохимических провинций тесно связано с накоплением и миграцией микроэлементов, без которых жизнедеятельность затруднена или невозможна.

Микроэлементы называют жизненно необходимыми, если при их отсутствии или недостатке нарушается нормальная жизнедеятельность организма. Организму наносится существенный ущерб при дефиците микроэлементов. В основном это объясняется снижением активности ферментов, в состав которых входит данный элемент. При повышении дозы элемента ответная реакция возрастает и достигает нормы (плато). При дальнейшем увеличении дозы проявляется токсическое действие избытка данного элемента, в результате чего не исключается и летальный исход. Это можно трактовать так: все должно быть в меру – и очень мало и очень много вредно. Здоровый организм сам способен регулировать содержание отдельных элементов. При наличии выбора (пищи и воды) животные инстинктивно могут вносить лепту в это регулирование. При этом человек получает микроэлементы, как с животной, так и с растительной пищей. Пищевые цепи, в которых участвуют микроэлементы, довольно сложны.

Первичными источниками микроэлементов могут быть преимущественно горные породы, частично атмосферный воздух и почвенно-грунтовые воды. Микроэлементы потребляются растениями, главным образом из почвы, но некоторые микроэлементы из воздуха и воды. Оседающая атмосферная пыль также может стать источником микроэлементов, которые проникают в растения и животных непосредственно через эпидермис или эпителий. Недостаток или избыток микроэлементов в почвах одинаково вредно сказывается на развитии организмов, вызывая эндемические заболевания растений, животных, человека.

Из почвы в овощи переходят 37% марганца, 41% цинка, 32% меди, 10% никеля. Ртуть накапливается в организме рыб, свинец и кадмий – в злаках и картофеле. Многие из этих соединений способны отрицательно влиять на репродуктивные способности человека. Естественным источником микроэлементов являются лекарственные растения.

Растения извлекают из почвы микроэлементы выборочно: кукуруза – золото и цинк, полынь – марганец, красный мухомор – ванадий, фиалка и табак – цинк, хлопчатник – кобальт. Результатом избирательного поглощения микроэлементов из почвы является их неодинаковое накопление в самом растении. Например, чечевица интенсивно концентрирует титан и мышьяк, гречиха – бор, стронций, молибден, чай – кобальт, медь, фтор, кукуруза – медь, селен, олово, цинк, свекла – цинк, марганец, фтор, медь, бор, все бобовые – молибден и ванадий.

Безусловно и то, что произрастание растений в разных биогеохимических провинциях определяет их химический состав. Способность растений накапливать те или иные микроэлементы в той или иной степени определяет их лечебные свойства, какие как адаптогенные, антимутагенные, иммуностимулирующие.

Следующий этап – усвоение микроэлементов сельскохозяйственными и дикими животными. Это связано преимущественно с поеданием растений, отчасти с водой, хотя возможно и влияние воздуха.

Растительный покров и животные служат основой для кормов и пищевых продуктов, с которыми микроэлементы поступают в организмы человека и животных. Таким образом, конечный состав микроэлементов в организме человека зависит от условий среды и при необходимости может корректироваться либо пищевыми добавками, либо медицинскими препаратами. Все корма и пищевые продукты после их использования человеком и животными образуют некоторые количества отходов, с которыми микроэлементы могут возвращаться в почву – цикл замыкается. Отсюда вытекает очень важное правило: чтобы сохранить необходимое равновесие в биосфере, человечество обязано создавать безотходные технологии и схемы полного возврата всех отчуждаемых из почв элементов снова в естественные или сельскохозяйственные почвы.

Большинство из микроэлементов – металлы, а из металлов больше половины являются d-элементами. Последние в организме образуют координационные соединения со сложными органическими молекулами. Так, установлено, что многие биологические катализаторы – ферменты содержат ионы переходных металлов (d-элементов). Например, известно, что марганец входит в состав 12 различных ферментов, железо – в 70, медь – в 30, а цинк – более чем в 100. Недостаток в организме железа приводит к анемии, так как оно входит в состав гемоглобина крови, а точнее, его составной части – гема. У взрослого человека в крови содержится около 2,6 г железа. В процессе жизнедеятельности в организме происходят постоянный распад и синтез гемоглобина. Для восполнения железа, потерянного с распадом гемоглобина, человеку необходимо суточное поступление в организм с пищей в среднем около 12 мг этого элемента. Связь анемии с недостатком железа была известна врачам давно, так как еще в XVII веке в некоторых европейских странах при малокровии прописывали настой железных опилок в красном вине. Однако избыток железа в организме тоже вреден. С ним связан сидероз глаз и легких – заболевания, вызываемые отложением соединений железа в тканях этих органов. Недостаток в организме меди приводит к деструкции кровеносных сосудов, патологическому росту костей, дефектам в соединительных тканях, а в некоторых случаях поражение легких раком у людей пожилого возраста врачи связывают с возрастным снижением содержания меди в организме. Однако избыток меди в организме приводит к нарушению психики и параличу некоторых органов (болезнь Вильсона).