146

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Воронежский государственный аграрный университет

имени К.Д. Глинки»

В.Д. ИВАНОВ

Е.В. КУЗНЕЦОВА

Е.С. КУЗНЕЦОВА

Функциональная РОЛЬ и значение

КАЛЬЦИЯ В Экосистемах

ЛЕКЦИи

Рекомендовано методической комиссией и ученым советом факультета агрохимии, почвоведения и экологии Воронежского государственного аграрного университета для студентов - почвоведов, агрохимиков, агрономов, биологов и экологов

Воронеж – 2007

УДК 631.417.2:631.47

ББК 40.64(235.45)

И 201

Рецензенты:

доктор биологических наук, профессор, заведующий кафедрой

биохимии Воронежского государственного университета

А.Т. Епринцев;

доктор биологических наук, профессор, заведующий кафедрой

биофизики Воронежского государственного университета

В.Г. Артюхов

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий кафедрой

лесомелиорации, почвоведения и озеленения

Воронежской государственной лесотехнической академии

Я.В. Панков

Иванов В.Д., Кузнецова Е.В., Кузнецова Е.С.

И 201 Функциональная роль и значение кальция в экосистемах: Лекции.

- Воронеж: ФГУ ВПО ВГАУ, 2007. - 142 с.

ISBN 5-7267-0324-3

Дано представление об экосистемах. Показана взаимосвязь между всеми составляющими экосистемы. Рассмотрена природа щелочноземельного элемента – кальция. Раскрыта химическая, физико-химическая и физиологическая природа кальция в экосистемах – в литосфере, в природных водах, в почвах, в растениях, в организме человека, животных и простейших.

Описана функциональная роль и значение кальция в экосистемах при различном его содержании во внешней среде и в организмах как на клеточном, так и на молекулярном уровнях. Раскрыта почвенная, физиолого-агрохимическая и экологическая роль кальция в получении высоких и устойчивых урожаев растениеводческой продукции.

Табл. 24. Рис. 25. Библиогр.: 180 назв.

Под редакцией профессора В.Д. Иванова.

ISBN 5-7267-0324-3

© Иванов В.Д., Кузнецова Е.В., Кузнецова Е.С., 2007.

© Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный аграр­ный университет имени К.Д. Глинки», 2007.

Содержание		Стр.
Введение………………………………………………………………………………		4
1.	Общее понятие об экосистемах…………………………………………………	7
	1.1. Экосистема и плодородие…………………………………………………	11
2.	Химическая природа кальция………………………………………………….	22
3.	Кальций в земной коре…………………………………………………………	33
4.	Кальций в почвах……………………………………………………………….	37
	4.1. Цеолиты и специфическая роль в них кальция…………………………	42
	4.2. Активность ионов кальция и водорода в черноземах……………………	45
	4.3. Кальций и фосфаты в почвах и растениях…………………………………	55
	4.4. Гипсование и известкование почв…………………………………………	59
5.	Кальций в природных водах……………………………………………………	64
	5.1. Состав и свойства воды как растворителя по А.М. Никанорову и др...…	64
	5.2. Химизм природной воды……………………………………………………	75
6.	Кальций в организмах……………………………………………………………	87
	6.1. Кальций в растениях………………………………………………………	89
	6.1.1. Влияние кальция на корневую систему растений и рН…...……………	93
	6.1.2. Соединения кальция в растениях ………………………………………	96
	6.1.3. Питательная среда и специфическая роль кальция	98
	6.1.4. Повышение устойчивости растений под влиянием кальция……………	100
	6.1.5. Кальций в жизни растений………………………………………………	104
	6.2. Кальций в организме человека и животных………………………………	108
	6.2.1. Транспорт ионов кальция, мембранные рецепторы и внутриклеточный кальций……………………………………………………………………………	108
	6.2.2. Значение кальция в жизни организмов……………………………	117
7.	Экологические функции кальция ………………………………………………	130
	7.1. Сорбирование урана поверхностью карбонатов…………………………	130
	Заключение………………………………………………………………………	132
	Литература………………………………………………………………………..	133

Введение

Кальций – один из биогенных элементов, необходимых для нормального протекания жизненных процессов. Он присутствует во всех тканях и жидкостях животных и растений. Лишь редкие организмы могут развиваться в среде, лишённой кальция. У некоторых организмов содержание Са достигает 38%: у человека – 1,4-2%. Клетки растительных и животных организмов нуждаются в строго определённых соотношениях ионов Са, Na и К во внеклеточных средах. Растения получают Са из почвы. По их отношению к Са растения делят на кальцефилов и кальцефобов. Животные получают Са с пищей и водой. Са необходим для образования ряда клеточных структур, поддержания нормальной проницаемости наружных клеточных мембран, для оплодотворения яйцеклеток рыб и других животных, активизации ряда ферментов.

Ионы кальция передают возбуждение на мышечное волокно, вызывая его сокращение, увеличивают силу сердечных сокращений, повышают фагоцитарную функцию лейкоцитов, активируют систему защитных белков крови, участвуют в её свёртывании. В клетках почти весь Са находится в виде соединений с белками, нуклеиновыми кислотами, фосфолипидами, в комплексах с неорганическими фосфатами и органическими кислотами.

В плазме крови человека и высших животных только 20-40% Са может быть связано с белками. У животных, обладающих скелетом, до 97-99% всего Са используется в качестве строительного материала: у беспозвоночных в основном в виде СаСО₃ (раковина моллюсков, кораллы), у позвоночных – в виде фосфатов. Многие беспозвоночные запасают Са перед линькой для построения нового скелета или для обеспечения жизненных функций в неблагоприятных условиях. Содержание Са в крови человека и высших животных регулируется гормонами паращитовидных и щитовидной желёз. Важнейшую роль в этих процессах играет витамин D. Всасывание Са происходит в переднем отделе тонкого кишечника. Усвоение Са ухудшается при снижении кислотности в кишечнике и зависит от соотношения Са, фосфора и жира в пище. Оптимальные соотношения Са/Р в коровьем молоке около 1,3 (в картофеле 0,15, в бобах 0,13, в мясе 0,016). При избытке в пище Р и щавелевой кислоты всасывание Са ухудшается. Желчные кислоты ускоряют его всасывание. Оптимальные соотношения Са/жир в пище человека 0,04–0,08 г. Са на 1 г жира. Выделение Са происходит главным образом через кишечник. Млекопитающие в период лактации теряют много Са с молоком. При нарушениях фосфорно-кальциевого обмена у молодых животных и детей развивается рахит, у взрослых животных – изменение состава и строения скелета (остеомаляция).

В медицине препарат Са устраняет нарушения, связанные с недостатком ионов Са в организме (при тетании, спазмофилии, рахите). Препараты Са снижают повышенную чувствительность к аллергенам и используются для лечения аллергических заболеваний (сывороточная болезнь, сонная лихорадка и др.). Препараты Са уменьшают повышенную проницаемость сосудов и оказывают противовоспалительное действие. Их применяют при геморрагическом васкулите, лучевой болезни, воспалительных процессах (пневмания, плеврит и др.) и некоторых кожных заболеваниях. Назначают как кровоостанавливающее средство, для улучшения деятельности сердечной мышцы и усиления действия препаратов наперстянки, как противоядия при отравлении солями магния. Вместе с другими средствами препараты Са применяют для стимулирования родовой деятельности. Оссокальцинол (15% -ная стерильная суспензия особым образом приготовленного костного порошка в персиковом масле) используют для тканевой терапии.

К препаратам Са относятся также гипс (СаSО₄), применяемый в хирургии для гипсовых повязок, и мел (СаСО₃), назначаемый внутрь при повышенной кислотности желудочного сока и для приготовления зубного порошка.

А.П. Виноградов считал, что концентрация элементов в живом веществе прямо пропорциональна его содержанию в среде обитания с учетом растворимости их соединений. По его мнению, химический состав организма определяется составом окружающей среды. Биосфера содержит 100 млрд. тонн живого вещества. Около 50% массы земной коры приходится на кислород, более 25% на кремний. Восемнадцать элементов (О, Si, Al, Fe, Ca, Na, К, Mg, H, Ti, С, Р, N, S, Cl, F, Мn, Ва) составляют 99,8% массы земной ко­ры. Живые организмы принимают активное участие в перераспределении химических элементов в земной коре. Минералы, природные химические вещества, образуются в био­сфере в различных количествах, благодаря деятельности живых веществ (образование железных руд, горных пород, в основе которых соединения кальция).

Кроме этого, они оказывают влияние на техногенные загрязнения окружающей среды. Изменения, происходящие в верх­них слоях земной коры, влияют на химический состав живых организмов. В организме можно обнаружить почти все элементы, которые есть в земной коре и морской воде. Пути поступления элементов в организм разнообразны. Согласно биогеохимической теории Вернадского существует «биогенная миграция атомов» по цепочке воздух – почва – вода – пища - человек, в результате которой практически все элементы, окружающие человека во внешней среде, в большей или меньшей степени проникают внутрь организма.

Содержание некоторых элементов в организме по сравнению с окружающей средой повышенное – это называют биологическим концентрированием элемента. Например, углерода в земной коре 0,35%, а по содержанию в живых организмах занимает второе место (21%). Однако эта закономерность наблюдается не всегда. Так, кремния в земной коре 27,6%, а в живых организмах его мало, алюминия – 7,45%, а в живых организмах -1·10^-5 %.

В составе живого вещества найдено более 70 элементов (Жолнин, 2001). Элементы необходимые организму для построения и жизнедеятельности клеток и органов, называют биогенными элементами. Для 30 элементов биогенность установлена. Существует несколько классификаций био­генных элементов:

А) По их функциональной роли:

1) органогены, в организме их 97,4% (С, Н, О, N, Р, S);

2) элементы электролитного фона (Na, К, Ca, Mg, Сl). Данные ионы металлов состав­ляют 99% общего содержания металлов в организме;

3) микроэлементы – это биологически активные атомы центров ферментов, гормонов (переходные металлы).

Б) По концентрации элементов в организме биогенные элементы делят:

1) макро­элементы;

2) микроэлементы;

3) ультрамикроэлементы.

Биогенные элементы, содержание которых превышает 0,01% от массы тела, относят к макроэлементам. К ним отнесены 12 элементов: органогены, ионы электролитного фона и железо. Они составляют 99,99% живого субстрата. Еще более поразительно, что 99% жи­вых тканей содержат только шесть элементов: С, Н, О, N, Р, Ca. Элементы К, Na, Mg, Fe, Сl, S относят к олигобиогенным элементам. Содержание их колеблется от 0,1 до 1%. Биогенные элементы, суммарное содержание которых составляет величину порядка 0,01%, относят к микроэлементам. Содержание каждого из них ~0,001% (10^-3 – 10^-5 %). Большинство микроэлементов содержится в основном в тканях печени. Это депо микроэлементов. Некоторые микроэлементы проявляют сродство к определенным тканям (йод - к щитовидной железе, фтор - к эмали зубов, цинк - к поджелудочной железе, молибден - к почкам и т.д.). Элемен­ты, содержание которых меньше чем 10^-5 %, относят к ультрамикроэлементам. Данные о количестве и биологической роли многих элементов невыяснены до конца. Некоторые из них постоянно содержатся в организме животных и человека: Ga, Ti, F, Al, As, Cr, Ni, Se, Ge, Sn и другие. Биологическая роль их мало выяснена. Их относят к условно биогенным элементам. Другие примесные элемен­ты (Те, Sc, In, W, Re и другие) обнаружены в организме человека и животных, и данные об их количестве и биологической роли не выяснены. Примесные элементы также делят на аккумулирующиеся (Hg, Pb, Cd) и не аккумулирующиеся (Al, Ag, Сo, Ti, F).

Известны крылатые слова, сказанные в 40-х годах немецкими учеными Вальтером и Идой Ноддак: «В каждом булыжнике на мостовой присутствуют все элементы периодической системы». Если согласиться, что в каждом булыжнике содержатся все элементы, то тем более это должно быть справедливо для живого организма, воды и почвы.

Все живые организмы имеют тесный контакт с окружающей средой. Жизнь требует по­стоянного обмена веществ в организме. Поступлению в организм химических элементов способствует питание и потребляемая вода. Организм состоит из воды на 60%, 34% при­ходится на органические вещества и 6% на неорганические. Основными компонентами органических веществ являются С, Н, О. В их состав входят также N, P, S. В составе неор­ганических веществ обязательно присутствуют 22 химических элемента. Например, если вес человека составляет 70 кг, то в нём содержится (в граммах): Са - 1700, К - 250, Na – 70, Mg - 42, Fe - 5, Zn - 3. На долю металлов приходится 2,1 кг. Содержа­ние в организме элементов IIIA–VIA групп, ковалентно связанных с органической ча­стью молекул, уменьшается с возрастанием заряда атомов данной группы периодической системы Д.И. Менделеева.

В системе биогенных элементов функциональная роль и значение кальция в живых организмах выяснена далеко не полностью. Предлагаемая вниманию студентов и специалистов лекция окажет несомненную помощь в раскрытии полифункциональной роли кальция в экосистемах. Авторы использовали в лекциях материалы своих диссертационных исследований, которые существенно расширяют понимание функциональной роли и значения кальция в экосистемах.

Рубрикация представленного материала позволяет формировать содержание каждой лекции в зависимости от целей и задач и с учетом соответствующей аудитории слушателей.

Кальций оказывает влияние на физико-химическую структуру протоплазмы, что имеет существенное значение для солево­го равновесия клетки и регулирования раз­нообразных ферментативных процессов. Кальций усиливает окислителные процес­сы и влияет на дезаминирование амино­кислот, стимулирует синтез белковых веществ за счет аминокислот. Кальций придает питательной среде свойства физиологической уравновешенности, что способствует лучшему усвоению растениями азота, в особенности в форме аммиака. Катион кальция повышает устойчивость растительного организма против неблагоприятной для него концентрации водородного иона.

И.Г. Дикусар, 1940