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 [15].

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 [16].

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 [17]. 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 [18]:

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 [19]. 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 [20], 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 [21]. 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 [22], 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 [23].

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

Т а б л и ц а  4

Биогенная классификация химических элементов

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.

Примечания

1. Авцын А.П., Жаворонков А.А., Риш М.А., Строчкова Л.С. Микроэлементозы человека. – М., 1991; Дэгли С., Никольсон Д. Метаболические пути. – М., 1973; Ленинджер А. Биохимия: Молекулярные основы структуры и функции клетки. – М., 1974; Schrauzer G.N. The Discovery of the Essential Trace Elements: An Outline of the History of Biological Trace Element Research. – N.Y.; London, Plenum Press , 1984.

2. См.: Ленинджер А. Биохимия…

3. См.: Aggett P.J. Physiology and metabolism of essential trace elements: An outline // Clin. Endocrinol. Metab. – 1985. – V.14, №3. – P.513–543.

4. См.: Mertz W. Clinical and public health significance of chronium // Current topics in nutrition and disease. – N.Y., 1982.

5. См.: Фортескью Дж. Геохимия окружающей среды. – М., 1985.

6. См.: Опарин А.И. Жизнь: ее природа, происхождение и развитие. – М., 1960.

7. См.: Molecular organization and biological function / Еd. by J.Allen. Harper and Row Publishers Inc., N.Y., 1967.

8. См.: Wadt G. The origins of Life // The scientific endeavor – N.Y., 1964.

9. См.: Гершензон С.М. Основы современной генетики/ – Киев, 1979.

10. См.: Ackers G. Molecular Sieve Studies of Interacting Protein Systems // J. Biol. Chem. – 1967. – V.242. – P.3026–3034.

11. См.: Шпинар В. История жизни на Земле/ – Прага, 1977.

12. См.: Проссер Л., Браун Ф. Сравнительная физиология животных. – М., 1967.

13. См.: Гинецинский А.Г. Физиологические механизмы водно-солевого обмена. – М.;Л., 1964.

14. См.: Standard values in blood. / Ed. by E.C.Albritton. – Philadelphia, W.B.Saunders Co., 1952. P.117–119.

15. См.: Бгатов А.В., Анохин С.М. Генетико-физиологические механизмы адаптации крупного рогатого скота к условиям Сибири // Генетика. – 1994. – №30. – C.14; Бгатов А.В., Анохин С.М., Паничев А.М., Бгатов В.И. Основы адаптации животных организмов к альтернативной геохимической среде обитания // Природные минералы на службе человека. – Новосибирск, 1997. – C.141, 142.

16. Жизнь животных / Под ред. Л.А.Зенкевича. – М., 1968.

17. См.: Мюллер Ф., Геккель Э. Основной биогенетический закон. – М.;Л., 1940.

18. См.: Erwin D.H. The Permo-Triassic extinction // Nature. – 1994. – V.367. – P.231–236.

19. См.: Вернадский В.И. Очерки геохимии. – М., 1983; Виноградов А.П. Биогеохимические провинции // Труды юбилейной сессии, посвященной 100-летию со дня рождения В.В.Докучаева. – М.;Л., 1949; Ковальский В.В. Геохимическая среда и жизнь. – М., 1982.

20. См.: Underwood E.G. Trace elements in human and animal nutrition. – 4th ed. – N.Y., Acad. Press, 1977.

21. См.: Бабенко Г.А. Микроэлементы головного мозга человека и животных: Автореф. канд. дис. – Донецк, 1953.

22. См.: Щербаков В.А. Эликсир бессмертия – главный секрет Океана // Книга тайн. – М., 1991.

23. См.: Бгатов А.В., Родин Р.С., Чернышев В.В. Гипотеза “жемчужины” в приложении к болезням, связанным с нарушением минерального обмена // Природные минералы на службе человека. – Новосибирск, 1997. – C.9, 10.