dizoff.ru

Соков Л.А.¹, Егоров, В.А.²

КЛАССИФИКАЦИЯ И РЕЗЕРВЫ ГОМЕОСТАТИЧЕСКОЙ ЕМКОСТИ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТАХ

¹Южно-Уральский научный центр РАМН, Уральский государственный университет  физической культуры, ² Областной противотуберкулезный диспансер, г. Челябинск

В. И. Вернадский [1], в зависимости от среднего содержания (массовой доли, выраженной в %), делил химические элементы по декадной системе (10¹; 10⁰ – 10^-1; 10^-1 – 10^-2; 10^-2 – 10^-3 и т. д.). Несколько позднее [2], соответственно этой классификации, было предпринято деление химических элементов на три группы: макроэлементы (содержание в живом выше 10^-2 %, это все химические элементы, содержащиеся в организме «стандартного» человека весом 79 кг, в возрасте 30 лет [4], более 7 грамм); микроэлементы (содержание в организме от 10^-2 % до 10^-5 %, это все химические элементы, содержащиеся  в организме «стандартного» человека от 7 грамм до 7 миллиграмм); ультрамикроэлементы (содержание в организме «стандартного» человека ниже 10^-5 %, т.е. менее 7 миллиграмм). В настоящее время некоторые исследователи объединяют ультрамикроэлементы с микроэлементами в одну группу. С этой точки зрения все химические элементы делятся на макро- и микроэлементы. Удобные, универсальные, общепринятые, но произвольные классификации отражают только содержание химических элементов в любых космохимических, геохимических, биогеохимических объектах, в том числе и в живых системах в мас. % (вес. %), и не указывают на их биологическую роль и физиологическую значимость. Эти классификации химических элементов предложены геохимиками, а используются в биологии, физиологии, медицине, медицинской элементологии. Подобным классификациям, базирующимся на количественной оценке содержания химических элементов в биологических системах, можно придать естественнонаучный смысл.    

А. В. Скальный  (2004) делит все химические элементы на элементы с низкой, средней и высокой гомеостатической емкостью. А. В. Скальный относит к химическим элементам с минимальной гомеостатической емкостью P, Zn, Cu, Se, Cr, Fe, I, количество которых с возрастом еще более уменьшается. К накоплению в организме таких элементов как Pb, Cd, Be, As, Ti, U, а также дисбалансу Na, K, Li (элементы с высокой гомеостатической емкостью) в основном следует относиться, по мнению А. В. Скального, как к вторичным состояниям, изначально обусловленным дисбалансом элементов с меньшей гомеостатической  емкостью. Такой подход следует приветствовать, так как это важно с практической стороны. Однако речь здесь идет не о гомеостатической  емкости, а о резервах гомеостатической емкости (А. А. Кист, 1973).

Следует отметить, в биологии и медицине физиологические показатели рассчитываются или на поверхность тела, или на кг веса животного. В животных организмах существует внеклеточное (гомеостатическое) и внутриклеточное (клеточное) пространство, каждое из которых рассчитано на определенное количество того или иного химического элемента.  Вместимость или емкость внеклеточного и внутриклеточного пространства для химических элементов можно выразить в различных единицах. Все химические элементы можно, вероятно, сгруппировать или по процентному, или по абсолютному, весовому показателю, выразив содержание химических элементов в этих физиологических пространствах (емкостях) в граммах, миллиграммах, микрограммах. По величине гомеостатической (и клеточной) емкости (по аналогии с работой [2]) все химические элементы можно разделить  на три группы. Используя процентное соотношение содержания химических элементов в живом веществе макроэлементы отнести к химическим элементам, обладающим высокой гомеостатической (и клеточной) емкостью; ультрамикроэлементы отнести к химическим элементам, обладающим минимальной гомеостатической  (и клеточной) емкостью.

Для человека можно использовать абсолютные цифры, разделив все химические элементы на три группы. Первая группа – содержание химических элементов в организме «стандартного» человека [4] больше 1 грамма – это химические элементы, обладающие высокой гомеостатической емкостью. Вторая группа – содержание химических элементов от 1 миллиграмма до 1 грамма – это химические элементы, обладающие средней гомеостатической (и клеточной) емкостью. Третья группа – содержание химических элементов меньше 1 миллиграмма – это химические элементы, обладающие минимальной (низкой) гомеостатической (и клеточной) емкостью.

К первой группе химических элементов, обладающих высокой гомеостатической емкостью, относятся: O, содержание в организме «стандартного» человека – 45500  г (65,0 %); C – 12600 г (18,0 %); H – 7000 г (10,0 %); N – 2100 г (3,0 %); Ca – 1050 г (1,5 %); P – 700 г (1,0 %); S – 175 г (0,25 %); K – 140 г (0,2 %); Na – 105 г (0,15 %); Cl – 105 г (0,15 %); Mg – 35 г (0,05 %); Fe – 4 г (0,0057 %); Zn – 2,3 г (0,0033 %); Rb – 1,2 г (0,0017 %).

Ко второй группе химических элементов, обладающих средней гомеостатической емкостью, относятся: Sr, содержание в организме «стандартного» человека – 0,14 г (2·10^-4 %); Cu – 0,1 г (1,4·10^-4 %); Al – 0,1 г (1,4·10^-4 %); As < 0,1 г (< 1,4·10^-4 %); Sb < 0,09 г (< 1,3·10^-4 %);  Pb – 0,08 г (1,1·10^-4 %); La < 0,05 г (< 7·10^-5 %); Nb < 0,05 г (< 7·10^-5 %); Sn – 0,03 г (4,3·10^-5 %); I – 0,03 г (4,3·10^-5 %); Cd – 0,03 г (4,3·10^-5 %); Mn – 0,02 г (3·10^-5 %); Ba – 0,016 г (2,3·10^-5 %); Ti < 0,015 г (< 2,2·10^-5 %).

К третьей группе химических элементов, обладающих минимальной гомеостатической емкостью, относятся: Li, содержание в организме «стандартного» человека < 900 μг (< 1,3·10^-6 %); Bi < 300 μг (< 4,3·10^-7 %); V < 100 μ г (< 1,4·10^-7 %); U < 20 μг (< 3·10^-8 %); Cs < 10 μг (< 1,4·10^-8 %); Ga < 2  μг (< 3·10^-9 %); Ra < 10^-3 μг (< 1,4·10^-12 %)  (МКРЗ, 1961, таблица 6).

Эту предлагаемую классификацию химических элементов для « стандартного» человека можно упростить. К химическим элементам с высокой гомеостатической (и клеточной) емкостью можно отнести химические элементы, которые обнаруживаются в организме «стандартного» человека в количествах более 1 грамма. Все остальные химические элементы, содержащиеся в организме «стандартного» человека менее 1 грамма, можно отнести к химическим элементам с низкой гомеостатической (и клеточной) емкостью.

Определяющее значение для жизнедеятельности биологических систем имеет содержание (концентрация) изотопов химических элементов в пищевых продуктах, почве, воде, воздухе. Внешними факторами, влияющими на параметры метаболизма и определяющими содержание, концентрацию изотопов химических элементов, является проживание в биогеохимических провинциях, геохимических аномалиях городов, районов, ландшафтов.… Содержание изотопов химических элементов вол внешней среде формирует изотопный состав пищевых цепочек. В биогеохимических провинциях организм человека способен аккумулировать дополнительное количество того или иного химического элемента, которое не является необходимым для нормального протекания физиологических процессов. Дополнительное количество химического элемента может быть принято благодаря существованию в живом биологических резервов.

Оценочной величиной  резерва гомеостатической (биологической и физиологической) емкости может служить отношение летальной дозы (ЛД) к нормальному  содержанию химического элемента (СХЭ) в организме. Отношение ЛД/СХЭ для элементов равно: P — 0,0001; Zn — 0,0025; K — 0,08; коэффициент для Na, вероятно, также мал (учитывая высокую токсичность и доступность   японские самураи использовали NaCl как  средство для ритуального   самоубийства, W. V. Macfailane, 1981). Коэффициенты для V, Ba, Cr, F равны соответственно: 0,1–0,2; 0,2; 0,5; 0,77. Коэффициенты для Fe, As, Mo, I несколько больше и равны соответственно: 2–7; 3,3–23; 10; 2,3–14. То есть, резервная гомеостатическая емкость этих элементов больше их нормального содержания в организме в 2– 23 раза. Коэффициенты отношения ЛД/СХА для Tl, Br, Cd, Pb, Ag, Hg превышают  гомеостатическую емкость в десятки, сотни и даже десятки тысяч раз. Их резервная гомеостатическая емкость больше гомеостатической емкости соответственно в 100, 134, 50–300, 5–500, 1300–6200, 11500–23000 раз. В расчетах использовали противоречивые  данные по ЛД, приведенные в монографии А. В. Скальный, И. А. Рудаков  (2004).

Итак, химические элементы, присутствующие в организме в больших количествах, обладают меньшими резервами гомеостатической (гомеостатической и клеточной) емкости. Резервная биологическая (гомеостатическая и клеточная) емкость химических элементов определяется отношением летальной дозы к их среднему содержанию в средах организма и организме в норме. Если биологическая (гомеостатическая и клеточная) емкость обратно пропорциональна, то резервная биологическая (гомеостатическая и клеточная) емкость химических элементов прямо пропорциональна числу протонов в ядре атома.

Сходные расчеты и выводы  были сделаны значительно раньше А. А. Кист  (1973), правда для этого использовалась   иная терминология и другие расчеты. Для выражения токсичности химического элемента была предложена величина – относительная летальная токсичность (ОЛТ), численно равная отношению концентрации (С норм. г/100 г) в нормальном организме к концентрации токсической дозы (С лет. г/100 г) химического элемента, при условии равномерного распределения введенного количества элемента в организм [3].

Оказалось, что незначительное увеличение концентрации макроэлемента (O, H, Na, K, Cl  и т.д.) приводит организм к гибели. Например, для проявления летального действия таких химических элементов, как натрий, калий фосфор, железо и т.д., необходимо повысить их концентрацию над нормальной менее чем на 1/50 – 1/1000. В то же время по отношению к таким токсическим элементам, как галлий, сурьма, теллур, ртуть, серебро, организм человека толерантен, и для его гибели необходимо создать концентрацию, превышающую нормальное содержание химического элемента в организме почти в 1000 раз. Сделан вывод: химические элементы, присутствовавшие в организме в больших концентрациях, по относительной токсичности более ядовиты, чем в общепринятом понимании высокотоксичные [3].

Резервную емкость, в зависимости от физиологического пространства, можно делить на внеклеточную (гомеостатическую), внутриклеточную (клеточную) или биологическую (это сумма гомеостатического и клеточного пространств) резервную емкость.

Наиболее частой патологией, с которой пациентам оказывается медицинская помощь  в  реанимационных отделениях больниц, является нарушение электролитного баланса, то есть нарушение гомеостаза макроэлементов и их солей: Na⁺, K⁺, Mg⁺², Ca⁺², PO₄^-3, CO₃^-2 и т. д., так как их резервная гомеостатическая (биологическая) емкость минимальна.  

Таким образом, химические элементы, обладающие максимальной биологической (гомеостатической и клеточной) емкостью, располагают минимальными дополнительными резервными емкостями, а химические элементы, обладающие минимальной биологической (гомеостатической и клеточной) емкостью, располагают максимальными дополнительными резервными емкостями. В основе биологической классификации изотопов химических элементов необходимо использовать естественнонаучные понятия –  клеточная и гомеостатическая (биологическая) емкость химических элементов, а для оценки чувствительности биологических систем – такое понятие, как предельная биологическая емкость химических элементов в номе и патологии.

Химические элементы по содержанию в «стандартном» человеке можно разделить на две (три) группы: к первой группе отнести все химические элементы, содержание которых в организме больше 1 грамма. Это химические элементы, обладающие максимальной (гомеостатической и клеточной) емкостью и минимальными резервами. По старой классификации –  это в основном макроэлементы. Ко второй группе следует отнести все химические элементы,  содержание которых в организме человека меньше 1 грамма. Это химические элементы, обладающие минимальной (средней и минимальной) биологической (гомеостатической и клеточной) емкостью и максимальными резервами. По старой классификации – это микро- и ультрамикроэлементы. Вторую группу можно при необходимости разделить на две подгруппы.

Для многих химических элементов гомеостатическая, клеточная, резервная емкость не установлена, а для отдельных изотопов химических элементов этих данных просто нет. Нужны дополнительные эксперименты и расчеты. Предлагаемая классификация и использование понятия резервов в биологии, физиологии, медицине, медицинской элементологии может послужить стимулом для подобных исследований и расчетов.

ЛИТЕРАТУРА

1.      Вернадский В. И. Биогеохимические очерки (1922-1932). – М.: АН СССР, 1940. – 250 с.

2.      Виноградов А. П. Химический элементарный состав организмов и периодическая система Д. И. Менделеева / А.П.Виноградов // Природа, 1933. – С. 28 – 36.

3.      Кист А. А. Биологическая роль химических элементов и периодический закон : монография / А.А.Кист. – Ташкент : ФАН Узбекской ССР, 1973. – 65 с.

4.      Радиационная защита : справочник / Рекомендации Международной комиссии по радиологической защите. Вторая публикация. – М., 1961. – 260 с.

5.      Скальный А. В. Химические элементы в физиологии и экологии человека : учебное пособие / А.В.Скальный. – М. : Мир, 2004. – 216 с.

6.      Скальный А. В., Рудаков И. А. Биоэлементы в медицине : учебное пособие / А.В.Скальный, И.А.Рудаков. – М. : Мир, 2004. – 272 с.

7. Macfailane W. V. Vie et travail dans les climates chauds. In : Precis de phisiologie du travail notions dۥergamie. Masson, Paris, 1981. – P. 265 – 290.