Однажды известного физика спросили: что по-вашему мнению является самым удивительным фактом в мироздании? Ответ. То, что сияющие и сгорающие, взрывающиеся звезды, туманности, планеты и все, все остальное, не исключая и нас самих, создано из одного и того же материала, по одним и тем же фундаментальным законам. Я бы добавил к этому, что мы, являясь материей, думаем о ней, о том, как в ней все устроено. Не исключая при этом устройства и Homo sapiens (человека разумного).

Природа могла бы ответить словами известной песни «я его слепила из того, что было». И не просто было, а еще и доступно, например, вода или атмосферный азот. Действительно, на каждые 200 наших атомов приходится 126 – атомов водорода, 51 – кислорода, 19– углерода, 3 – азота и оставшийся один атом делится между всеми остальными элементами, привлекаемыми для создания Homo sapiens.

Обитаемая зона

Месторасположения. Наша планета находится на периферии вселенной, на одной из спиралей Млечного Пути. Наша звезда Солнце достаточно велика, чтобы излучать достаточное количество энергии, а Земля оказалась на нужном расстоянии, чтобы получать необходимое для возникновения жизни тепло от звезды. Размер Солнца таков, что оно сгорит не за миллионы лет, как огромные звезды, а за миллиарды. Но все-таки сгорит.

Орбита Земли оказалась достаточно удачной. Будь Земля ближе к Солнцу все на ней выкипело бы, а окажись – дальше и все покрылось бы льдом, замерзло. Вычисления показывают, что планета была бы необитаемой будь она на 1% дальше от Солнца или на 5% ближе. Границы ориентировочны, но их продолжают уточнять. При этом пояс обитаемости остается все равно достаточно узким. Подтверждением этому служат орбиты Меркурия и Венеры.

Тепло Солнца приходит к Венере, которая очень похожа на Землю, на две минуты раньше Земли. Вода Венеры испарилась, атомы водорода улетели в космос, а кислород соединился с углеродом, создав парниковую атмосферу из углекислого газа. На поверхности так тепло, что плавится свинец – 470ºС, а давление атмосферы в 90 раз выше земного. С другой стороны планета Марс, когда-то был с атмосферой, но Марс не смог ее удержать, превратился в замерзшую пустыню.

Быть на нужном расстоянии от звезды – это далеко не все что нужно для обитаемости. Луна – наш спутник подтверждает это. На Луне нет ни травы, ни лесов, ни жизни. Происхождение Луны объясняется несколькими гипотезами и по последней из них считается, что в Землю около 4,4 млрд лет назад врезался объект размером с Марс, вырвав при этом столько вещества, что его хватило для образования Луны. Правда куда пропал сам ударивший Землю объект наука не отвечает.

Бушующая у нас под ногами расплавленная магма тоже одно из условий обитаемости Земли. Недра Земли способствовали формированию атмосферы и магнитного поля, которые служат превосходной защитой от смертоносного космического излучения. Недра обусловливают и активную тектонику плит, которая корежит поверхность, не дает ей стать гладкой. Гладкую Землю равномерно покрывал бы 3-х километровый слой воды.

Еще более важно то, что недра обеспечивают [2,3,4] в нужной пропорции химические элементы близко к поверхности, из которых сделаны мы сами. Непосредственное отношение к обитаемости имеет спутник Земли – Луна. Земля единственная планета солнечной системы, имеющая спутник такой величины. Устойчивое гравитационное воздействие Луны позволяет Земле вращаться вокруг оси с нужной скоростью и под нужным углом. Это как раз необходимо для длительного и благополучного развития живых организмов.

Луна постепенно отходит (удаляется) от Земли (4 см в год) и в последующие 2 миллиарда лет она уйдет так далеко, что перестанет поддерживать устойчивость вращения Земли. Нам придется придумывать что-то другое для решения этой задачи.

Еще один важный для обитаемости фактор нашего существования – цепочка событий, происходящих на протяжении последних 4,6 млрд лет на Земле. Здесь и гибель динозавров, причиной которой явилось столкновение Земли с астероидом, и сменяющие один другого ледниковые периоды, но все происходило таким образом, что настоящих катаклизмов зарождающейся жизни удалось избежать

Химические вещества и жизнь

Жизнь на Земле появилась и эволюционировала в тех условиях, которые предоставляла земная природа. Во-первых, наличие воды в жидкой форме, во-вторых, температурный диапазон, приемлемый для протекания химических реакций, в-третьих, наличие солнечной радиации (освещенности), существование атмосферы с дождями, грозами, молниями, со снегом и многое другое. 

К этим условиям следует отнести наличие определенного состава химических элементов в земной коре, их распространенности и доступности. Понятно, что в пору становления жизни действовали основные законы природы и физико-химические принципы, хотя не все из них для жизнедеятельности, например, термодинамические, полностью подходят для успешного осуществления метаболизма живых организмов. При создании живого объекта собирался весьма ограниченный набор химических элементов из числа наиболее доступных.

На нашей планете (в природе) встречается 92 элемента и около 20 созданы в лабораториях. Они открывались разными учеными в разное время и изучены в разной степени. Часто малая изученность – это следствие малой распространенности.

Такие элементы, как франций, астат и некоторые другие чрезвычайно редки. Например, атомы франция в любой момент времени считают в штуках. Все его изотопы радиоактивны, а самый долгоживущий имеет период полураспада 22 минуты. Хранить и накапливать франций невозможно.

Он образуется в природе как продукт радиоактивного распада урана и вскоре сам распадается. Равновесное количество изотопа франций – 233 во всех урановых залежах на Земле оценивается примерно в полкилограмма.

Следующими по распространенности в земной коре являются элементы: титан Ti (0.44%), водород Н (0.14%), фосфор Р (0,12%), марганец Mn (0,10%), фтор F (0,070%), сера S (0,052%), стронций Sr (0,045%), барий Ва (0,040%), углерод С (0.032%), хром Сг (0,031%).
Атомы химических элементов располагаются в структуре молекул таким образом, что общая потенциальная энергия системы минимальна, а в основе стереохимии минералов лежат правила Паулинга. Каждый положительный ион в структуре окружен несколькими отрицательными ионами, и наоборот; другими словами, в кристаллической структуре нет отдельных «молекул».

В то же время распространенность некоторого элемента совсем не сочетается с полезностью его для живых организмов и широкой его известностью. Многие из менее известных сейчас элементов распространены более широко, чем всем давно известные. Олово по распространенности входит в 5-й десяток, но распространенность по этому показателю, таких элементов как празеодим, самарий, гадолиний и диспрозий значительно превосходит олово. Такого элемента как церий на Земле больше, чем меди, а неодима и лантана больше кобальта или азота.

Распространенность элемента не связана с доступностью и легкостью его обнаружения. Например, алюминий составляет 10% в составе земной коры, но открыт он был лишь в XIX веке и долгое время считался редким драгоценным металлом.

Распространенность элемента не связана и с важностью элемента для жизнедеятельности организма. Так не долю углерода в земной коре приходится всего около 0,048%, но без него не возникло бы такое явление как органическая земная жизнь. Некоторые специалисты считают, что возникшая на Земле жизнь «углеродная», а могла бы возникнуть другая «кремний-органическая», из-за сходства многих свойств углерода и кремния.

Химические элементы в живых организмах

В организме человека содержатся атомы более чем 70 химических элементов. На каждые две сотни атомов в нашем организме приходится: 126 атомов водорода, 51 кислорода,19 углерода, 3 азота и оставшийся атом может принадлежать остальным элементам. Как видим, углерод не самый приоритетный элемент в организмах.

Кислород является наиболее распространенным элементом в организме человека, составляющим примерно 65,0% массы тела. Его большая часть содержится в виде воды. Кислород играет важнейшую роль в обмене веществ и дыхании, и этот элемент содержится в каждой основной органической молекуле организма, включая белки, углеводы, жиры и нуклеиновые кислоты.

Водород является самым распространенным элементом во Вселенной, а в теле человека он занимает 10% от массы. Как и кислород, он в основном содержится в виде воды. 

Азот составляет 3% от массы человеческого тела. Он содержится во всех организмах в таких молекулах, как аминокислоты (из которых состоят белки), нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) и аденозинтрифосфат (АТФ), важнейшая молекула-переносчик энергии.

Углерод — следующий по распространенности элемент в организме человека, составляющий 18% от массы тела. Его роль в основном структурная, он образует «костяк» многих органических молекул.

Аллотропные модификации углерода [4,5]

Другие элементы важны не столько для синтеза, сотворения жизни, а для ее поддержания.

Такой элемент, как кремний, обеспечивает формирование костной ткани и мышц, а также входит в состав крови. Нехватка кремния может привести к чрезмерной слабости кости, в результате чего увеличивается вероятность получения травм. От дефицита страдает кишечник, желудок. Кремний предохраняет нас от высокого кровяного давления, повышенного содержания холестерина в крови, сердечных болезней и даже от рака. Его суточная норма потребления организмом невелика – 0,2 мг. Кремнием богаты молочные продукты, жирная рыба, печень, почки, хлеб.

 Железо, например, организму требуется для производства красных кровяных клеток – гемоглобина (эритроцитов), который обеспечивает транспорт кислорода кровью. Недостаток железа приводит к анемии. От недостатка железа могут страдать вегетарианцы, девочки 14-16 лет, беременные женщины. Хорошим источником железа являются говядина, печень, жирная рыба, зелень, горох и фасоль. Железо незаменимый элемент для крови так как входит в состав гемоглобина – дыхательного элемента крови. Он выполняет роль переносчика кислорода от легких к тканям и осуществляет обратный транспорт углекислого газа от клеток к органам дыхания.

Гемоглобин представляет собой сложное химическое соединение, состоящее из белка глобина и четырех молекул гема. Гем – это порфирин, в центре которого находится Fe²⁺. Fe²⁺включается в молекулу порфирина. Молекула гема, содержащая атом железа, является активной, она обладает способностью присоединять и отдавать молекулу кислорода. Для нормального протекания белкового синтеза необходимо достаточное поступление железа в организм с продуктами питания. Ежедневная норма потребления железа – 14,8 мг. У здоровых людей усвоение железа колеблется от 1% при вегетарианской диете до 25% при мясной.

Другие элементы, поддерживающие жизнь, калий и натрий нужны нервным клеткам, кобальт важен для синтеза витамина В, молибден, марганец и ванадий необходимы при создании в клетках ферментов.

Цинк необходим для нормальной работы иммунной системы. Признаком недостаточности цинка в организме человека являются ломающиеся ногти и угри на коже. Цинк приводит к скорейшему заживлению ран, восстановлению травмированных участков кожи, входит в состав большинства ферментов. О его нехватке свидетельствует изменения вкуса, восстановления поврежденного участка кожи на протяжении длительного времени. Организму требуется около 7 мг цинка в день.  Цинк содержится в печени, баранине, говядине, в миндале, яйцах, сыре, сардинах, он способствует окислению алкоголя.

 Магний является стимулятором обмена веществ, входит в состав печени, костей, нервной ткани, крови, мозга, отвечает за работу нервной системы, за усвояемость витаминов. Суточное потребление магния 270 мг, это три куска черного хлеба, 50 г орехов, картофель, мясо, сыр, различные сухофрукты. В человеческом организме используются эти элементы, организм устроен так, что переносит их присутствие, если их количества находятся в допустимых рамках (дозах). Очень важен организму селен, но самое малое превышение дозы может иметь летальный исход.

Натрий. Благодаря натрию удается держать на уровне осмотическое давление, кислотно-щелочной баланс. Ответственен натрий и за поставку нервного импульса. Недостаточное содержание натрия чревато развитием заболеваний. К их числу можно отнести судороги мышц, болезни, связанные с давлением.

Калий нужен тем, кто регулярно принимает антибиотики и тем, кто даже после небольшого физического напряжения обливается потом. Калий контролирует содержание воды в организме, отвечает за кислотно-щелочной баланс. Организму нужно до 3,5 мг калия ежедневно. В одном банане содержится десятая часть требуемого количества. Тарелка картофеля с салатом из сырых овощей или каши и пара стаканов фруктового сока обеспечат восполнение организму нужного количества калия.

Ионы натрия и калия очень важны для здоровья. Ион натрия –- главный внеклеточный ион, а ион калия – внутриклеточный. Калий поддерживает работу сердечной мышцы.

Кальций жизненно важен для формирования и роста костей и зубов. Ионы кальция необходимы для работы нервной системы, для работы сердца и свертывания крови. Он делает их крепкими и здоровыми. Ежедневная норма – 700 мг. Это количество кальция содержится, например, в стакане молока, кефира или йогурта и в 50 г сыра. Много кальция содержится в сухофруктах, орехах, горохе, хлебе и в костях консервированных сардин. Чай и алкоголь препятствуют усвоению кальция.

 Медь. Потребность организма в определенных элементах или степень их переносимости унаследованы в ходе его эволюции. Те организмы, которые развивались в Европе и Африке, например, крупный рогатый скот испытывают большую потребность в меди, так как их развитие шло в областях богатых медью. Овцы, мелкий рогатый скот развивались в областях, бедных медью, и у них потребность в меди не столь высока. В человеческом организме медь, как и железо, необходимы для образования эритроцитов. Медь делает кости крепкими, а кожу здоровой, снизить уровень холестерина в крови, когда он превышает норму. Ежедневная потребность в меди 1,2 мг. Поступление меди в организм с пищей, содержащей баранину, говядину, орехи, сливочное и\или растительное (оливковое) масло.

Фосфор необходим для того, чтобы зубы, кости и ногти были крепкими и здоровыми. Фосфор входит в состав нуклеиновых кислот и АТФ, содержится в костях, нервной ткани, крови. Норма 540 мг фосфора в день. Он присутствует во всех продуктах, кроме жира и сахара. Порция рыбы или мяса обеспечивает суточную потребность в фосфоре.

Йод входит в состав гормонов щитовидной железы, регулирующих процессы обмена веществ в организме. Его недостаток в организме может привести к кожным заболеваниям, зобу, облысению. Необходимое в день количество йода составляет 140 мг. Единственные естественные источники – рыба, морская капуста и другие «дары моря». Избыток йода в организме также опасен, как и его недостаток.

Селен обеспечивает стойкую иммунную систему, принимает участие в функционировании щитовидки. Говорить о том, что в организме селен присутствует в недостающем количестве можно в случае, когда прослеживаются проблемы с ростом, формированием костной ткани, развивается анемия.

Роль фтора заключается в принятии участия в процессах формирования зубной эмали, костной ткани. Его нехватка приводит к поражению зубной эмали кариесом, затруднениям, возникшим в процессе минерализации.

Хром принимает активное участие в обмене углеводов в организме. Его нехватка сказывается на изменении уровня сахара в крови, что нередко становится причиной развития диабета. Молибден способствует переносу электронов. Без него возрастает вероятность поражения зубной эмали кариесом, появляются нарушения со стороны нервной системы.

Атомы серы содержатся в белках, многих витаминах и гормонах. Соединения брома участвуют в регуляции возбуждения и торможения в нервной системе.
Хлор – один из химических элементов, без которых невозможно существование живых организмов. Хлорид натрия входит в состав плазмы крови. Он необходим для правильного обмена веществ, работы сердца и нервной системы. Соляная кислота (NaCl) содержится в желудочном соке и участвует в переваривании пищи.

При соединении атомов образуются молекулы, а соединения последних образуют вещества, которые могут быть в разных фазовых состояниях твердом, жидком или газообразном. Наиболее часто это руда или кристаллы, а также жидкости или газ. Воду Н₂О мы знаем в газообразном, жидком или твердом кристаллическом (лед) состояниях. Что здесь замечательно, так это новые свойства тех же элементов, приобретаемые при их соединении. Водород, рождающий воду, в газообразном состоянии легко воспламеняется (взрывается), а атмосферный газообразный кислород (рождающий кислоты) поддерживает его горение. Сам кислород тоже взрывоопасен (при контакте с техническими маслами). Но соедините водород и кислород и получите воду, которая горению очень даже препятствует.

Другой пример, обычная пищевая соль NaCl, такие кристаллические кубики. Соединились два очень даже опасные по отдельности для жизни элемента. Многим из истории известно название городка Ипр, где в годы первой мировой войны был применен отравляющий газ (горчичный), содержащий хлор. Другие соединения хлора используются в промышленности для отбеливания бумаги, тканей, в быту, в плавательных бассейнах для обеззараживания воды. Элемент металлический натрий очень химически активный. Его кусочки, попадая в воду взрываются как взрывчатые вещества 

 Минеральные вещества и микроэлементы [6,7]

Как правило, если элемент не проникает в наш организм естественным путем – скажем, если он не растворим в воде, – мы будем плохо его переносить

Все знают, что химические элементы C, H, O, N крайне важны для всего живого на Земле. Но задумывались ли вы о том, какую роль в работе нашего тела играют другие элементы? Для интеграции в организм каждого из них требуется свой полноценный путь метаболизма, который включает уникальные системы потребления, транспорта, хранения и т.д. Приведем, например, схему метаболизма железа в организме.

Заключение

Земля выглядит такой чудесно приспособленной для нашей жизни в значительной мере потому, что мы на ней зародились, развивались и приспосабливались к ее условиям. Инопланетянину замечательные для нас условия: Солнце нужных размеров, замечательный спутник Луна, дружелюбный углерод, невпроворот расплавленной магмы и все прочее, – что представляется нам великолепным, могут оказаться для него гибельными. И ему, пребывая на Земле, потребуется защитный скафандр с системой его жизнеобеспечения.

Анализ потребности организма в различных веществах наглядно иллюстрируется составом каждых 200 атомов, где большинству веществ в таком наборе отводится единственный атом, а основными являются не металлы кислород, водород (они образуют воду), углерод и азот, образующие вместе с первыми двумя основу органической материи.

Жизнь на Земле называют углеродной, выделяя ведущую роль этого элемента в процессе возникновения, развития и поддержания самого явления. Углерод оказался очень активным элементом. Способность углерода образовывать полимерные цепочки порождает огромный класс соединений на основе углерода, называемых органическими, которых значительно больше, чем неорганических.