44. Соль биосферы Земли
Лимитирующий фактор жизни
Начало: (43)
2. Минеральная составляющая жизни
Что же будем иметь в итоге, если и дальше продолжим, опускаясь все больше вглубь, раскрывать отношение живых организмов к минеральному питанию? А вот что: не только упомянутые животные и растения, но и всё сущее на Земле (автотрофы и гетеротрофы, прокариоты и эукариоты, одноклеточные и многоклеточные, высшие и низшие), всё пристрастно к солёному. Нет сомнения в том, что и породивший живое вещество изначальный «первичный бульон», в котором более 4 млрд. лет назад «варилась» протобиологическая пища (смесь аминокислот, пуриновых и пиримидиновых оснований, сахаров и других органических соединений), содержал в своем составе все необходимые соли. Скажу больше: "первичный бульон" содержал в себе полный набор химических элементовы, известных нам теперь по периодической системе Д.И. Менделеева. Однако по сложившейся традиции, идущей от гипотезы Опарина-Холдейна, в качестве компонентов "первичного бульона" рассматриваются только органические соединения.
Строже говоря, будущей жизни потребовались не соли как таковые, а составляющие их химические элементы (те же натрий и хлор, входящие в состав поваренной соли), которые способны усваиваться всяким организмом преимущественно в виде растворённых в воде положительных и отрицательных ионов - катионов и анионов, на которые свободно диссоциируют минеральные соли в водной среде. Эволюция жизни, ставшая результатом длительных космических преобразований, шла на Земле в направлении от геологического к биологическому, от минерального к органическому. Уже поэтому жизнь вполне закономерно сохранила в себе и унаследовала многие признаки породившей её минеральной природы. Жизнь на Земле (а, возможно, и внеземная жизнь, если она только существует где-то) не могла быть организована без минеральной составляющей. Если же говорить современным научным языком, жизнь начиналась на уровне наноконструирования, существенными деталями которого стали в силу необходимости (и, конечно же, на фоне вездесущего естественного отбора) атомы определённых минеральных химических элементов. В любой живой клетке имеется ныне бессчетное множество таких минералсодержащих наноструктур (нанороботов), занятых переносом, образованием и преобразованием, сборкой и разборкой различных сложных и простых соединений.
Одни элементы (азот, фосфор) приобрели в силу своих уникальных свойств важное структурное значение. Они вошли в состав биологических макромолекул и многих других органических соединений, придав им специфические свойства. Так, фосфорные соединения стали основными, универсальными хранителями генетической памяти (а также и переносчиками энергии во всех живых системах). Другие, обладая высокой мобильностью (натрий, калий), стали играть важную физиологическую роль, опосредуя обменные процессы как в самом организме (начиная с одноклеточных форм), так и в системе организм - внешняя среда. Третьи вошли в состав гормонов, ферментов, витаминов, дыхательных пигментов и других специфических тонких структур, которые участвуют в важнейших биохимических процессах, существенно влияют на фотосинтез, дыхание, кроветворение, а также на белковый, углеводный и жировой обмен, на рост, развитие и размножение. Вспомним, к примеру, хотя бы, йод, входящий в состав тироксина (гормона щитовидной железы), дефицит которого вызывает тяжелейшие заболевания человека.
Натрий-калиевый насос
Костная ткань
Природа очень рано нашла единственно верное для жизни направление, включив, по всей видимости, уже в состав предбиологических систем минеральные элементы. Однако отсюда вовсе не следует, что их ассортимент и функциональная значимость были определены раз и навсегда в самом начале. По мере эволюционного усложнения форм жизни, появления в биосфере многоклеточных автотрофных и гетеротрофных организмов, изменялось количество элементов и расширялись их метаболические функции.
Крупные преобразования в мире животных (ароморфозы, по А.Н. Северцову), имевшие место в процессе эволюции, сопровождались изменением биологической роли отдельных химических элементов. Так, например, с появлением постоянного воздушного дыхания у наземных позвоночных (которое установилось ориентировочно 400-350 млн. лет назад) медь как переносчик кислорода, была вытеснена железом. На смену господствовавшим ранее животным с гемоциановой кровью пришли организмы с гемоглобиновой кровью (как соответствующие новым условиям). В связи с массовым обзаведением в кембрии различными группами организмов твёрдым минерализованным скелетом небывало высокое значение приобрели элементы кальций и кремний. Определенные изменения происходили и в мире растений. В эволюционном ряду наземных форм увеличивалось содержание фосфора и серы в соответствии с возрастанием роли белков, в состав которых входят эти элементы. Также постепенно возрастало содержание калия, особенно у покрытосеменных как эволюционно наиболее молодых. В общем, найдя в принципе верный и весьма перспективный для жизни путь, эволюция «пробовала», тем не менее, различные варианты. Количество химических элементов, вовлекаемых в биологические процессы, с течением времени возрастало, а состав их и функциональная значимость становились всё более разнообразными, пока не возникли оптимальные соотношения, свойственные наиболее высокоорганизованным формам.
В конечном итоге определились (как мы теперь уже хорошо знаем) две группы жизненно необходимых и к тому же функционально не заменимых друг на друга минеральных химических элементов. Одна из них получила название «макроэлементы» (N, P, K, S, Na, Cl, Mg, Ca). Вторая - «микроэлементы» (Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Mo, Ni, B, F, I, и некоторые другие). После сжигания любого биологического материала эти элементы (кроме азота, который в процессе горения образует газообразные оксиды и переходит в воздух) остаются в несгорающем минеральном остатке - золе и потому по сложившейся традиции называются ещё зольными.
По внешнему виду зола представляет собой серый порошок (пепел), легко раздуваемый ветром. Зола как таковая сыграла большую роль в истории человеческой цивилизации. Но об этом речь впереди.