В настоящее время доказана необходимость 25 элементов из этих 52. Список необходимых элементов приведен в табл. 6.1. Пока не получила подтверждения необходимость для организмов алюминия и никеля, однако специалисты считают, что она будет доказана исследованиями, которые проводятся в настоящее время.
Из табл. 6.1 также видно, что относительное содержание элементов в земной коре существенно отличается от их содержания в теле человека. Причина такого несоответствия уже в течение многих лет является предметом научных дискуссий.
Основой жизни можно считать углерод, хотя содержание в земной коре химически родственного ему кремния во много раз выше. С химической точки зрения углерод имеет несколько преимуществ. Двуокись углерода стабильна, легкорастворима в воде, всегда представляет собой единую молекулу. Углерод имеет удивительную способность образовывать длинные молекулярные цепи и стабильные кольцевые структуры с пятью или шестью членами. Кремний относительно нерастворим в воде; молекулы кремния могут образовывать лишь короткие цепи. Длинные цепи могут образовываться лишь при чередовании молекул кремния и кислорода. Однако эти кремний — кислородные цепи (силиконы) очень стабильны. Углерод — углеродные цепи более стабильны, чем кремний — кремниевые, но менее стабильны, чем кремний — кислородные цепи (Frieden, 1972).
Высокая растворимость двуокиси углерода по сравнению с соединениями кремния явилась определяющей при эволюционном выборе углерода как основы жизни на Земле. Считается, что зарождение жизни произошло в водной среде, а в водных системах содержание углерода в виде двуокиси углерода значительно превосходит содержание кремния. Лишь немногие элементы помимо углерода и кремния обладают химическими свойствами, позволяющими образовывать такое большое число различных соединений.
Большинство живых организмов состоит в основном из кислорода и водорода, входящих в состав воды. Поскольку большая часть живых организмов состоит более чем на 70% из воды, неудивительно преобладающее содержание в них кислорода и водорода. На третьем месте для большинства организмов стоит углерод. Это и понятно, поскольку углерод входит в состав всех органических молекул. Важное значение для водных организмов имеет кальций; особенно велико его содержание в раковинах моллюсков и подобных им водных животных, имеющих панцирь. Вообще говоря, материал раковины или панциря не является живым веществом и служит только для защиты водных организмов. Внутренний хребет или хрящ (как, например, у акул) также содержит много кальция. Кости можно считать живыми или неживыми в зависимости от определения понятия «живой».
Каждый из необходимых элементов имеет свои функции; одни из них известны, другие еще предстоит изучить. В табл. 6.2 приведены примеры использования живыми организмами различных элементов. Разумеется, перечислены не все функции элементов в живых организмах.
Водные организмы должны извлекать все необходимые элементы из окружающей воды, следовательно, элементы должны существовать в форме (органическая, неорганическая и их сочетание), доступной для водных организмов. Например, большинство растений потребляют азот в неорганической форме в виде нитратов. Тунцы же поглощают азот в основном в органической форме, поедая других рыб.
В естественных пресных водах обычно содержатся анионы: карбонаты, сульфаты, хлориды, фосфаты и нитраты. В сочетании с этими анионами часто встречаются катионы кальция, натрия, калия, магния и железа. Относительное содержание каждого иона в конкретном водоеме зависит от химического состава окружающих горных пород, характеристик водосбора, притока и оттока воды, pH воды и других факторов. Химический состав морской воды довольно постоянен. К основным ионам, присутствующим в морской воде, относятся Cl-, Br-, SO2-₄, СO2-₃, H, СО-₃, F-, H₃BO₃, Mg2+, Са2+, Sr2+, К+, Na (Sverdrup et al., 1942).
Для обеспечения потребностей живых организмов в любой водной среде необходимы биогенные элементы. Состав и количество биогенных веществ часто определяют продуктивность водной среды, а также тип и разнообразие форм жизни в системе. Вообще говоря, содержание биогенных элементов накладывает два типа ограничений на жизнедеятельность живых организмов. Первое связано с концентрацией некоторых растворенных веществ в воде и в тканях организма. При различной концентрации ионов в окружающей воде и в тканях требуется осмотическая регуляция. Затраты энергии на осморегуляцию увеличивают дыхательные потребности организма и определяют его толерантность к солености. Доступность питательных веществ ограничивает также состав биологических сообществ. Для роста фитопланктона необходимы неорганические питательные вещества, тогда как рост организмов, находящихся на более высоких уровнях пищевой цепи, прямо или косвенно зависит от наличия фитопланктона. Следовательно, недостаток биогенных элементов снижает продуктивность любого района. Для роста некоторых организмов необходимы как органические, так и неорганические растворенные вещества. Недостаток этих веществ также может снизить продуктивность.