X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

При изучении «Экологии» на кафедре Химии Вольского военного института материального обеспечения большой интерес у курсантов вызывает вопрос об экологических свойствах химических элементов, их биологическом воздействии на организм человека, при этом обучающиеся слушатели и курсанты обращают особое внимание на значении полученных знаний в будущей профессиональной деятельности. На практических занятиях и лабораторных работах исследуется экологическое воздействие наиболее значимых микро- и макроэлементов на организм человека, с точки зрения физиологии, определяются способы попадания элементов в организм, изучается значение микро- и макроэлементов в питании военнослужащих, а также действие химических элементов, относящихся к группе «тяжёлых металлов».

В современной армии необходимо учитывать большую дифференциацию военного труда, и значительные энергетические затраты военнослужащих, которые составляют величину от 2800–4500 ккал и для различных родов войск составляют в среднем 3000–3500 ккал. Затраты энергии военнослужащими зависят от ряда факторов и меняются во времени. При определённых обстоятельствах, например, при пеших переходах, на строительстве оборонительных сооружений, в моменты боя интенсивность физического напряжения достигает крайней степени. Многие макро- и микроэлементы являются жизненно необходимыми, так как при их отсутствии или недостатке нарушается нормальная жизнедеятельность организма, такие элементы называют эссенциальными (незаменимыми). Например, ультрамикроэлементы, содержащиеся в организме в сверхмалых количествах, необходимы для нормальной жизнедеятельности человека, например, золото и серебро, которые оказывают бактерицидное воздействие, или ртуть, подавляющая обратное всасывание воды в почечных канальцах, оказывая воздействие на ферменты – биологические катализаторы.

Организация полноценного, высококачественного питания личного состава армии и флота является важнейшей задачей продовольственной службы. Питание, основанное на научных данных, с учётом специфики воинского труда, способствует укреплению здоровья и физическому развитию военнослужащих, повышает устойчивость организма к нагрузкам и в значительной степени положительно влияет на боевую готовность войск. Правильно организованное питание личного состава Вооружённых Сил Российской Федерации имеет большое значение в обеспечении здоровья военнослужащих. Поэтому очень важно, чтобы ежедневный рацион военнослужащих был построен с учётом научно-обоснованных принципов рационального питания.

Если организму недостаёт микро- и макроэлементов, или наблюдается их переизбыток, человек начинает заболевать, нарушается его обычный ритм жизни, он теряет силы, ухудшается сон, понижается иммунитет. Рацион питания военнослужащего должен быть выстроен таким образом, чтобы организм с продуктами питания получал все необходимые витамины, вещества, которые так необходимы для жизни тканей, мышц, функционирования органов, обновления клеток. Каждая клетка человеческого тела содержит химические элементы, которые участвуют в различных химических реакциях, обеспечивающих жизнедеятельность человека. В настоящее время в организме человека обнаружен 81 химический элемент. Каждый из этих элементов играет определённую, иногда не до конца изученную роль. Шесть химических элементов составляют основу органической жизни: C, O, N, H, S, P. Атом углерода – это основа всех органических соединений, в том числе и органических макромолекул, из которых состоит наше тело: жиров, белков, углеводов. Молекулы жиров и углеводов обязательно содержат атомы кислорода и водорода. Поскольку жиры и углеводы являются основой энергетики практически всех живых организмов – все живые организмы, а также те части биосферы, которые образуются при участии или разложении живых организмов содержат атомы C, H, O. По этой же причине все живые организмы содержат атомы фосфора, которые незаменимы при аккумулировании биологической энергии (входят в состав АТФ), а также все эти атомы входят в состав ДНК и РНК. Важнейшую биологическую роль играют нуклеиновые кислоты, которые являются основой генетического кода всего живого. Они содержат атомы азота. Эти же атомы входят в состав белков, также, как и атомы серы. Поскольку на нашей планете именно белки составляют основу живой клетки – атомы азота и серы имеются везде, где существует или когда-либо существовала жизнь.

В организме человека не только присутствуют практически все известные химические элементы, но каждый из них выполняет определённую биологическую функцию. Макро- и микроэлементы необходимы для построения структур живых тканей и осуществления биохимических и физиологических процессов, регулирования деятельности всех систем организма человека – нервной, гормональной, кровеносной и др. Для жизнедеятельности любого живого организма характерен обмен веществ. Макро- и микроэлементы участвуют в важнейших обменных процессах организма: водно-солевом и кислотно-щелочном. Стабильность концентрации солей и её регуляция является жизненно важным механизмом, который поддерживает постоянство состава внутренней среды организма. Каждую секунду в человеческом организме происходят сотни тысяч химических реакций – разрушается огромное количество молекул различных веществ, из которых состоит тело, и одновременно синтезируются, т. е. образуются из более простых веществ, новые молекулы. Все сложнейшие химические превращения, которые постоянно происходят в нашем теле, обеспечивают разнообразные ферменты. Значительная часть микроэлементов является жизненно необходимым, т. к. при их отсутствии или недостатке снижается активность ферментов, в состав которых входят данные элементы. Поэтому биогенные элементы можно разделить на микро- и макроэлементы. Это деление связано с суточной потребностью, которая напрямую связана с их биологической функцией тем, в каких количествах требуются эти химические элементы. Например, организм, полностью обеспеченный этими важнейшими макроэлементами не сможет существовать, если каждый день он не будет получать менее 1 мкг Со. Это исчезающе малое количество микроэлемента кобальта необходимо для синтеза 0,001 мг витамина В₁₂ (C₆₃H₈₈O₁₄PCо), без которого невозможны процессы кроветворения.

Таким образом, макро- и микроэлементы одинаково необходимы для здорового существования организма, но суточные дозы их существенно отличаются. Макроэлементы требуются в количестве более 100 мг/сутки, а микроэлементы – менее 100 мг/сутки. Кроме суточной потребности, у микро- и макроэлементов есть ещё одно существенное различие. Содержание макроэлементов в организме человека является практически постоянным и некоторые случайные отклонения не вызывают расстройств, если только эти отклонения не носят хронический характер. Например, в пище достаточно долго может наблюдаться избыток или недостаток K, Na, Cl, вреда не будет, если вовремя сбалансировать диету. Другими словами, макроэлементы, не токсичны.

Микроэлементы должны поступать с пищей достаточно регулярно, для чего питание должно быть максимально разнообразным. Попытки внести микроэлементы при помощи искусственных добавок, чаще всего, приводят к передозировке и, как минимум, к расстройству здоровья. Другими словами, даже кратковременный избыток или недостаток микроэлементов в нашей пище приводит к отравлениям или заболеваниям. В избыточном количестве практически все микроэлементы токсичны.

Причина таких различий заключается в том, что макроэлементы в организме представлены, в основном, структурными тканями, которые составляют основу скелета, мышц, различных органов и тканей. Они же участвуют в обеспечении организма энергией. Эти же элементы входят в состав питательных компонентов нашей пищи, то есть тех веществ, которые способны усваиваться, обеспечивая нас энергией или, после соответствующего превращения, становятся частью нашего тела.

Микроэлементы обычно входят в состав ферментов, причём составляют ничтожную часть их. Обычно эта часть ферментов представляет собой комплекс «белок–металл». Такой же комплекс может образовываться с другими ферментами или белками при избытке микроэлементов. Полученные соединения являются ксенобиотиками, то есть чуждыми для организма человека, поэтому развивается отравление. Рассмотрим основные функции некоторых микроэлементов пищи человека.

Железо в виде Fe²⁺ входит в состав гемоглобина крови, то есть без него невозможен процесс дыхания. Этот химический элемент входит в состав ДНК, причём играет роль своеобразного «тормоза» передачи наследственной информации. Избыток железа (III) в нуклеиновых кислотах приводит к ускорению процессов старения. Интересно, что витамин С, который препятствует переходу Fe²⁺ в Fe³⁺ препятствует этим нежелательным процессам.

Недостаток железа в организме невозможно не заметить. При дефиците железа у человека проявляются следующие явные симптомы: бледная и сухая кожа с проявлениями шелушения, хрупкие ногти и ломкие волосы, нарушенная концентрация внимания и низкая работоспособность, хроническая усталость и отсутствие интереса к окружающим, одышка и чувство онемения, инфекционные заболевания и частая простуда, отсутствие аппетита и затруднённое глотание, кишечные нарушения и нарушенное кровоснабжение. Кроме того, при дефиците железа нарушается способность организма превращать бета-каротин в витамин А. Железо необходимо для синтеза гормонов щитовидной железы, регулирующие метаболические процессы в организме. Поэтому при его дефиците происходит нарушение обмена веществ, что, в свою очередь, приводит к избыточному весу.

Содержание железа в продуктах питания позволяет человеку определить и контролировать суточное употребление определённых продуктов. Такая предусмотрительность необходима для того, чтобы не пошёл обратный процесс, – избыток железа в организме. При таком явлении происходит сбой в работе некоторых органов. Избыток железа или гемохроматоз в организме проявляется следующим образом: во-первых, меняется цвет лица, он приобретает либо желтоватый цвет, либо коричневатый, во-вторых, наблюдается увеличение печени. Кроме того, человека начинает беспокоить зуд тела, нарушатся сердечный ритм, появляется одышка, нехватка воздуха. Таким образом, во избежание развития железодефицитной анемии, а также в профилактических целях, необходимо употреблять в пищу продукты питания, в которых содержатся ионы железа. Необходимо учесть, что в любой пище животного происхождения (мясо, рыба, яйца) содержится преимущественно так называемое гемовое железо, которое почти полностью уходит на синтез гемоглобина. Негемовое железо, содержащееся в растительной пище, для синтеза гемоглобина используется лишь частично и только при достаточном количестве в рационе аскорбиновой кислоты.

Химический элемент цинк Zn входит в состав инсулина, то есть при его недостатке развивается диабет. Кроме того, цинк входит в состав многих ферментов. Так при его участии происходит удаление избытка СО₂ из клеток (без него невозможно дыхание), образование соляной кислоты в желудке (без него невозможно пищеварение) и так далее. Он необходим для нуклеиновых кислот. Рекомендуемое ежедневное количество потребления цинка составляет от 15 до 20 мг и обычно присутствует в съедаемых нами продуктах. Недостаток цинка ведёт к ослаблению иммунной системы. Цинк необходим для продукции спермы и мужских гормонов; для метаболизма витамина E; для расщепления алкоголя в организме, так как входит в состав алкогольдегидрогеназы; он важен для нормальной деятельности простаты; он участвует в синтезе разных анаболических гормонов в организме, включая инсулин, тестостерон и гормон роста. Цинк необходим для нормального восприятия органов вкуса. Околоушная слюнная железа вырабатывает цинксодержащий белок – густин, играющий важную роль в процессах вкусовой чувствительности. При недостатке цинка ухудшается обоняние, вплоть до его полной потери. Цинк стимулирует деление клеток. Цинку свойственна немалая антиоксидантная активность (как и селену, витаминам С и B и др.) за счёт того, что он входит (наряду с медью) в состав фермента супероксиддисмутазы, препятствующего образованию агрессивных активных форм кислорода. Кроме того, при дефиците цинка возникает угнетение процессов сперматогенеза. Поэтому в начальный период полового созревания, когда формируются половые органы, мальчикам требуется повышенное количество цинка. У мужчин недостаток этого элемента приводит к бесплодию.

Цинк чрезвычайно необходим и женщинам, так как входит в состав нервных окончаний, воспринимающих женские половые гормоны (эстрогены).

Химический элемент медь Cu входит в состав около 30 ферментов. Медь незаменима при кроветворении. Так особый белок, без которого невозможно усвоение железа, содержит 8 атомов меди. Особенно много меди концентрируется в головном мозге и печени. Роль меди в деятельности ЦНС до конца не выяснена, но её недостаток провоцирует болезнь Паркинсона, а избыток приводит к тяжёлому отравлению, связанному с нарушением функции мозга (болезнь Вильсона). С этим элементом связаны такие тяжёлые заболевания, как эпилепсия и шизофрения. Медь «отвечает» за нормальную пигментацию, так как входит в состав фермента тирозиназа. Медь необходима для здоровья организма. Она участвует в транспортировке кислорода в клетки. Медь нужна в эндокринных и биохимических процессах, необходима для роста и развития костной и соединительной ткани, для работы мозга, сердца, внутренних органов. Медь стимулирует иммунную систему организма для защиты от инфекций, улучшает регенерацию тканей. Медь помогает нейтрализовать свободные радикалы, разрушающие клетки. Медь очень важна для энергетических процессов в организме, для правильной работы нервной системы. Медь входит в состав красящего пигмента волоса. При недостатке меди ухудшается цвет волос. Волосы становятся неяркими, тусклыми. Медь поддерживает баланс других полезных веществ в организме, таких как молибден и цинк. Если в организме цинка больше, чем меди, то он не даёт меди усваиваться, поэтому дополнительный приём цинка должен сопровождаться приёмом препаратов меди. По рекомендации ВОЗ суточная потребность в меди для взрослых составляет 1,5 мг. Дефицит меди в организме может развиваться при недостаточном поступлении этого элемента (1 мг/сутки и менее).

Химический элемент марганец Mn является «витамином» для витамина С, так как необходим для его синтеза. Как и магний марганец необходим для фотосинтеза, участвует в синтезе ДНК и часто является причиной мутаций.

Химический элемент молибден Mo – тот самый элемент, который необходим растениям для фиксации азота. У животных он участвует в азотистом обмене, причём в норме он необходим для синтеза компонентов нуклеотидов, а в избытке способствует заболеванию подагрой. Этот же элемент входит в состав фермента, который защищает нас от альдегидов – ядовитых веществ образующихся при окислении спиртов.

Нахождение того или иного элемента в организме и доля его в нём зависит от следующих факторов:

- нахождение элемента в доступной, например, водорастворимой форме;

- способностью организма поглощать данный элемент;

- способностью организма удерживать (накапливать) данный элемент.

Биогенные элементы являются связующим звеном между живой и неживой природой, что определяется постоянным круговоротом этих элементов в биосфере.

Список использованных источников

1. Кучер М.И. Экология : учеб. пособие / под ред. проф. Е.Э. Френкеля. – Вольск: ВВИМО, 2015. – 265 с. – С. 42–55.

2. Моисеев Н.Н. Экология и образование. М.: ЮНИСАМ, 1996.

3. Никитина Ю.Е., Хамидуллин А.Р., Сапходоева О.И., Кучер М.И. Методические подходы к проблеме исследования биоаккумуляции ионов тяжёлых металлов микроорганизмами на занятиях по экологии. В сб.: Компетентностный подход: инновационная практика образовательных организаций в реализации ФГОС // Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции. Под ред. М.А. Сморгуновой, С.Л. Коротковой. – Саратов, 2016. – С. 263–266.

Код для цитирования: Скопировать