Учение В.И.Вернадского о биосфере, биота и косные вещества

     Белки — это высокомолекулярные азотистые соединения, основная и обязательная часть всех организмов. Белковые вещества участвуют во всех жизненно важных процессах. Например, обмен веществ обеспечивается ферментами, по своей природе относящимися к белкам. Белками являются и сократительные структуры, необходимые для выполнения сократительной функции мышц — актомиозин; опорные ткани организма — коллаген костей, хрящей, сухожилий; покровные ткани организма — кожа, ногти, волосы.

     Среди многочисленных пищевых веществ  белкам принадлежит наиболее важная роль. Они служат источником незаменимых  аминокислот и так называемого  неспецифического азота, необходимого для синтеза белков. От уровня снабжения  белками в большой степени  зависят состояние здоровья, физическое развитие, физическая работоспособность, а у детей раннего возраста — и умственное развитие. Достаточность  белка в пищевом рационе и  его высокое качество позволяют  создать оптимальные условия  внутренней среды организма, необходимые  для роста, развития, нормальной жизнедеятельности  человека и его работоспособности. Под влиянием белковой недостаточности  могут развиваться такие патологические состояния, как отек и ожирение печени; нарушение функционального состояния  органов внутренней секреции, особенно половых желез, надпочечников и  гипофиза; нарушение условно-рефлекторной деятельности и процессов внутреннего  торможения; снижение иммунитета; алиментарная дистрофия. Белки состоят из углерода, кислорода, водорода, фосфора, серы и  азота, входящих в состав аминокислот  — основных структурных компонентов  белка. Белки различаются уровнем  содержания аминокислот и последовательности их соединения. Различают белки животные и растительные.

     В отличие от жиров и углеводов  белки содержат кроме углерода, водорода и кислорода еще азот — 16%. Поэтому  их называют азотсодержащими пищевыми веществами. Белки нужны животному  организму в готовом виде, так  как синтезировать их, подобно  растениям, из неорганических веществ  почвы и воздуха он не может. Источником белка для человека служат пищевые  вещества животного и растительного  происхождения. Белки необходимы прежде всего как пластический материал, это их основная функция: они составляют в целом 45% плотного остатка организма.

     Белки входят также в состав гормонов, эритроцитов, некоторых антител, обладая высокой реактивностью.

     В процессе жизнедеятельности происходит постоянное старение и отмирание  отдельных клеточных структур, и  белки пищи служат строительным материалом для их восстановления. Окисление  в организме 1 г белка дает 4,1 ккал энергии. В этом и заключается  его энергетическая функция. Большое  значение имеет белок для высшей нервной деятельности человека. Нормальное содержание белка в пище улучшает регуляторную функцию коры головного  мозга, повышает тонус центральной  нервной системы.

     При недостатке белка в питании возникает  ряд патологических изменений: замедляются  рост и развитие организма, уменьшается  вес; нарушается образование гормонов; снижаются реактивность и устойчивость организма к инфекциям и интоксикациям.

     Питательная ценность белков пищи зависит прежде всего от их аминокислотного состава  и полноты утилизации в организме. Известны 22 аминокислоты, каждая имеет  особое значение. Отсутствие или недостаток какой-либо из них ведет к нарушению  отдельных функций организма (рост, кроветворение, вес, синтез белка и  др.). Особенно ценны следующие аминокислоты: лизин, гистидин, триптофан, фенилаланин, лейцин, изолейцин, треонин, метионин, валин. Для маленьких детей большое  значение имеет гистидин.

     Некоторые аминокислоты не могут синтезироваться  в организме и заменяться другими. Их называют незаменимыми. В зависимости  от содержания заменимых и незаменимых  аминокислот пищевые белки разделяются  на полноценные, аминокислотный состав которых близок к аминокислотному  составу белков человеческого тела и содержит в достаточном количестве все незаменимые аминокислоты, и  на неполноценные, в которых отсутствуют  одна или несколько незаменимых  аминокислот. Наиболее полноценны белки  животного происхождения, особенно белки желтка куриного яйца, мяса и  рыбы. Из растительных белков высокой  биологической ценностью обладают белки сои и в несколько  меньшей степени — фасоли, картофеля  и риса. Неполноценные белки содержатся в горохе, хлебе, кукурузе и некоторых  других растительных продуктах.

     Суточное  потребление пищевого белка должно полностью обеспечивать азотистое  равновесие организма при полном удовлетворении энергетических потребностей организма, обеспечивать неприкосновенность белков тела, поддерживать высокую  работоспособность организма и  сопротивляемость его неблагоприятным  факторам внешней среды. Белки в отличие от жиров и углеводов не откладываются в организме про запас и должны ежедневно вводиться с пищей в достаточном количестве.

     Физиологическая суточная норма белка зависит  от возраста, пола и профессиональной деятельности. Например, для мужчин она составляет 96—132 г, для женщин — 82—92 г. Это нормы для жителей  больших городов. Для жителей малых городов и сел, занимающихся более тяжелой физической работой, норма суточного потребления белка увеличивается на 6 г. Интенсивность мышечной деятельности не влияет на обмен азота, но необходимо обеспечить достаточное для таких форм физической работы развитие мышечной системы и поддерживать ее высокую работоспособность.

     Взрослому человеку в обычных условиях жизни  при легкой работе требуется в  сутки в среднем 1,3—1,4 г белка  на 1 кг веса тела, а при физической работе — 1,5 г и более (в зависимости  от тяжести труда).

     Содержание  белка в дневном рационе детей  должно быть выше, чем у взрослых (2,0—3,0 г), что связано с бурным физическим развитием и половым  созреванием.

     В дневном рационе спортсменов  количество белка должно составлять 15—17%, или 1,6—2,2 г на 1 кг массы тела.

     Белки животного происхождения в суточном рационе взрослых должны занимать 40—50% от общего количества потребляемых белков, спортсменов — 50-60, детей — 60—80%. Избыточное потребление белков вредно для организма, так как затрудняются процессы пищеварения и выделения  продуктов распада (аммиака, мочевины) через почки.

     Жиры состоят из нейтрального жира — триглицеридов жирных кислот (олеиновой, пальмитиновой, стеариновой и др.) и жироподобных веществ — липоидов. Главная роль жиров заключается в доставке энергии. При окислении 1 г жира в организме человек получает в 2,2 раза больше энергии (2,3 ккал), чем при окислении углеводов и белков.

     Жиры  выполняют и пластическую функцию, являясь структурным элементом  протоплазмы клеток. В жирах находятся  необходимые для жизни жирорастворимые  витамины A, D, Е, К.

     Липоиды входят также в состав клеточных  мембран, гормонов, нервных волокон  и оказывают существенное влияние  на регуляцию жирового обмена. Жир  обладает низкой теплопроводностью, благодаря  чему, находясь в подкожно-жировой  клетчатке, предохраняет организм от охлаждения.

     Животные  жиры имеют более богатый по сравнению  с растительными жирами витаминный состав. В растительных маслах содержится только витамин Е, но зато в отличие  от животных жиров они содержат больше полиненасыщенных жирных кислот.

     В жирах присутствуют как насыщенные жирные кислоты (пальмитиновая, стеариновая  и др.), так и полиненасыщенные (олеиновая, линолевая и др.). Полиненасыщенные жирные кислоты биохимически значительно  более активны, чем насыщенные, интенсивнее  окисляются и лучше используются в энергетическом обмене.

     Линолевая, линоленовая и арахидоновая жирные кислоты, не синтезируемые в организме  человека, относятся к числу важнейших, поскольку необходимы для предупреждения атеросклероза. В день достаточно употреблять с пищей 20 — 30 г растительного масла. Полиненасыщенные жирные кислоты значительно повышают усвояемость жиров.

     Жироподобные  вещества. Наибольшее значение из них имеют фосфатиды и стерины. Фосфатиды содержат соли фосфорной кислоты, в частности лецитин, который наряду с другими фосфатидами входит в состав нервной ткани, клеточных оболочек. Основными источниками фосфатидов служат говядина, сливки, печень, яичный белок, бобовые.

     Стерины участвуют в образовании гормонов, желчных кислот и некоторых других биологически ценных веществ. Наиболее важен из них холестерин, который  входит в состав всех клеток и придает  им гидрофильность, т. е. способность  удерживать воду. Холестерин является структурным элементом нервных  волокон.

     У здоровых людей около 80 % необходимого холестерина синтезируется печенью  и лишь 20 % поступает извне с  пищей, а поэтому излишнее ограничение  содержащих его продуктов (масла, яиц, печени) нецелесообразно. Это необходимо лишь больным с определенными  заболеваниями и лицам старшего и пожилого возраста.

     По  происхождению все жиры подразделяются на полноценные (животные) и неполноценные (растительные). Основными источниками  животных жиров служат сливочное  масло и сало, ими богаты сливки, сметана, жирное молоко, жирные сорта  сыра, растительных жиров - подсолнечное, кукурузное, оливковое масла.

     Переваривание и усвоение жиров в организме  человека происходит в кишечнике  при активном участии ферментов, синтезируемых печенью и поджелудочной  железой, а также стенками самого кишечника. Жиры — основные источники  энергии для человека при длительной физической работе умеренной интенсивности. Продолжительная безжировая диета  может привести к значительным нарушениям функционального состояния человека. Но жиры животного происхождения  могут принести значительный вред здоровью человека в случае их избыточного  потребления, вызвав развитие и прогрессирование одного из тяжелейших заболеваний - атеросклероза.

     Углеводы — это обширный, наиболее распространенный на Земле класс органических соединений, входящих в состав всех организмов. Углеводы и их производные служат структурным и пластическим материалом поставщика энергии и регулируют ряд биохимических процессов. По классификации углеводы делятся на усвояемые организмом человека и неусвояемые. Неусвояемые углеводы образуют группу так называемых балластных веществ — пищевые волокна, играющие огромную роль в поддержании нормальной регуляции пищеварения. Средняя величина теплоты при сгорании углеводов — 4,1 ккал/г. Взаимодействуя с другими веществами пищи, углеводы влияют на доступность их организму и на потребность организма в этих веществах, например белоксберегающее действие углеводов. Углеводы снижают потребность организма человека в белках, препятствуя использованию аминокислот в качестве энергетического материала и усиливая посредством инсулина использование аминокислот для синтеза белка.

     В организме человека глюкоза используется преимущественно скелетными мышцами, в них она окисляется. При этом выделяется определенное количество энергии  или депонируется в виде гликогена. Некоторое количество глюкозы усваивается  и сердечной мышцей, а также  мозговой тканью, но значительного  накопления глюкозы в виде гликогена  в них не происходит. Запасы гликогена, депонированные в различных органах  организма человека, расходуются  на удовлетворение биологических потребностей тех тканей, в которых он депонирован, и только гликоген печени, превращаясь  в глюкозу, используется для нужд всего организма и поддерживает постоянство концентрации сахара в  крови. Основные источники углеводов - преимущественно растительные продукты (мучные изделия, крупы, сладости), а  сами они служат основным источником энергии в организме человека. При физической работе они расходуются  в первую очередь, и только по истощении  их запасов в обмен веществ  включаются жиры. Работа скелетных  мышц сопровождается значительным потреблением углеводов. К числу полисахаридов, содержащихся в растительных продуктах, относится целлюлоза, или так  называемая клетчатка, которая входит в состав клеточных оболочек. Она  содержится в зернах злаков, хлебе  грубого помола, бобовых, свекле, репе, редьке. В связи с тем, что в пищеварительном тракте человека нет фермента, расщепляющего клетчатку, она не переваривается и не усваивается.

     Однако, раздражая слизистые оболочки желудочно-кишечного  тракта, усиливая перистальтику кишечника  и секрецию пищеварительных желез, клетчатка играет важную роль в процессе пищеварения: она способствует механическому  передвижению пищи в желудочно-кишечном тракте и его нормальному опорожнению. При недостатке клетчатки в пищевом  рационе снижается моторная функция  кишечника, нарушаются процессы всасывания различных веществ в толстом  кишечнике, возникают запоры, сопровождающиеся усилением процессов брожения и  гниения в толстом отделе кишечника, что вызывает интоксикацию организма.

     При особо тяжелом физическом труде  потребность в углеводах достигает 602 г; у лиц, занятых преимущественно  умственным трудом, - 297-378 г. У женщин 18-59 лет потребность в углеводах  примерно на 15% ниже, чем у мужчин. В 75-летнем возрасте эти различия у  мужчин и женщин исчезают. Углеводы должны покрывать 50—55% потребности  организма в энергии. На 1 кг веса тела требуется 5—8г углеводов, т. е. в 4—5 раз больше, чем белка или  жира. Для спортсменов суточные нормы  потребления углеводов увеличиваются  до 700 ч/сут и более. 
 

Определить  число протонов и  нейтронов, входящих в состав  двух изотопов

углерода:    ₆ С ¹⁴  ;   ₆ С ¹⁵  .  При каких обстоятельствах могут возникнуть указанные изотопы в биосфере,  их отрицательное воздействие на организм человека. 
 

₆ С ¹⁴ -  6 р и 8 _on¹ ;  ₆ С ¹⁵ -  6 р и 9 _on¹ ;  

     Из всех природных элементов таблицы Менделеева углероду принадлежит особая роль — он составляет структурную основу органических соединений, в том числе тех, которые входят в состав живых организмов.

     Природный углерод — это смесь двух стабильных изотопов: ¹²С (98,892%) и ¹³С (1,108 %). Из четырех радиоактивных изотопов (¹⁰С, ¹¹С, ¹⁴С и ¹⁵С) только долгоживущий углерод-14 (период полураспада 5730 лет) представляет практический интерес, поскольку участвует в круговороте углерода биосферы. Этот чистый низкоэнергетический бета-излучатель с максимальной энергией частиц 156 кэВ относится к числу глобальных радионуклидов. Образуется он как в естественных, так и в искусственных условиях в результате нескольких ядерных реакций. Повышение концентрации антропогенного ¹⁴С во внешней среде, а его источники — ядерные взрывы и выбросы предприятий ядерной энергетики) представляет большую гигиеническую и экологическую проблему.

     Необходимость изучения различных изотопов углерода обусловлена тем, что скорости переноса соединений углерода и условия равновесия в химических реакциях зависят от того, какие изотопы углерода содержат эти соединения. По этой причине в природе наблюдается различное распределение стабильных изотопов углерода. Распределение же изотопа , с одной стороны, зависит от его образования в ядерных реакциях с участием нейтронов и атомов азота в атмосфере, а с другой - от радиоактивного распада.

     Радиоактивные изотопы, непрерывно возникающие на земле в результате ядерных реакций, под воздействием космических лучей. Наиболее важные из  них — углерод (С14) и тритий (Н3).

           Естественные радиоактивные вещества  широко распространены  во  внешней среде. Это в основном долгоживущие изотопы с периодом  полураспада  108–1016 лет.

     Главным  источником  поступающих   во   внешнюю   среду   естественных радиоактивных веществ, к настоящему времени широко распространенных во  всех оболочках земли, являются горные породы,  происхождение  которых  неразрывно связано с включением в их состав всех радиоактивных элементов,  возникших  в период формирования и развития планеты.  Благодаря  деструктивным  процессам метеорологического,  гидрологического,   геохимического   и   вулканического характера,  происходящих  непрерывно,  радиоактивные  вещества   подверглись широкому рассеиванию.     

     Углерод-14, образующийся в теплоносителе и  замедлителе, частично или полностью  выбрасывается в окружающую среду  в виде газоаэрозолей, а из топлива  реакторов — с радиоактивными отходами заводов по его переработке (регенерации).

     Окисленный  во внешней среде, до ¹⁴СО2 углерод-14 за счет фотосинтеза накапливается в растениях (в незначительных количествах поглощается и из почвы), а затем по пищевым цепочкам поступает животным и человеку. Коэффициент перехода в цепочке «атмосферный углерод — углерод растений» равен единице, а равновесие устанавливается в течение двух-трех месяцев. За время интенсивных испытаний ядерного оружия (1963—1964 гг.) содержание ¹⁴C в растительных продуктах, молоке, мясе повысилось примерно в два раза по сравнению с природным фоном. А период полуочищения продуктов питания составляет около шести лет.

     В организм человека радиоуглерод поступает  в форме различных органических и неорганических соединений, в основном в составе углеводов, белков и  жиров. Аэрогенное поступление незначительно  — лишь 1% от пищевого. Чтобы понять, какое действие оказывает на организм. ¹⁴C, поступающий в виде органических и неорганических соединений, в опытах на крысах была исследована кинетика обмена. Выяснилось, что обмен неорганических соединений (На2¹⁴СОз, NaH¹⁴CO3, К2¹⁴СОз) характеризуется высокой интенсивностью; радиоуглерод обнаруживается в крови животных уже с первых минут поступления в организм, через 15 мин. его содержание достигает максимума — нескольких процентов от введенного количества. Образуя в крови непрочные бикарбонатмые соединения, радиоуглерод быстро выводится. В органах и тканях накапливается лишь незначительная часть введенного количества нуклида, причем распределяется он достаточно равномерно: вначале — в печени, почках, селезенке, а затем — в скелетной и жировой ткани. При длительном поступлении активность нуклида медленно накапливается — от 1,7% на вторые сутки до 7,7 на 32-е от ежедневно вводимого количества Na2¹⁴CO3. Можно считать, что к концу месяца опытов устанавливается равновесное состояние между поступлением нуклида и его содержанием в организме крыс, при этом кратность накопления примерно равна 0,07.

     В клиническом течении острых поражений  нуклидом, поступающим с пищей, не было существенных отличий от лучевой  болезни, вызванной внешним гамма-облучением, так же выделялись известные периоды: скрытый, выраженных проявлений болезни  и восстановительный (выздоровление  или переход болезни в хроническую  форму). Изменения показателей крови, по которым обычно судят о тяжести  болезни, были типичными, нарушение  обмена проявлялось в ожирении животных, отчетливо фиксировалось бластомогенное (опухолеродное) действие нуклида. При  остром поражении они резко теряли свою массу и погибали на фоне глубокой лейкопении (низком содержании лейкоцитов в периферической крови). Тяжелые и средней тяжести поражения перешли в хроническую форму, медленно восстанавливались показатели крови. Выздоровление крайне затянулось. Продолжительность жизни (в зависимости от тяжести поражения) была существенно ниже, чем у контрольных мышей

         Эффект облучения, как известно, зависит от величины поглощенной, дозы, ее мощности, объема облучаемых тканей и органов и вида излучения. В основе повреждающего действия лежит комплекс взаимосвязанных и взаимообусловленных процессов — ионизация и возбуждение атомов и молекул дают начало образованию высокоактивных радикалов, вступающих во взаимодействие с различными биологическими структурами клеток. Важное значение имеет внутри- и межмолекулярная передача энергии возбуждения, а также возможные разрывы связей в молекулах за счет непосредственного действия радиации. Физико-химические процессы, протекающие на начальном этапе, принято считать первичными, пусковыми. В последующем развитие лучевого поражения проявляется в нарушении функций органов и их систем.

     Особую  опасность представляют радионуклиды, которые, накапливаясь в органах  и тканях, становятся источником длительного  внутреннего облучения. Характер его  зависит от физико-химических свойств  радионуклидов, среди них особое место, как отмечено, занимает углерод-14, поскольку является изотопом основного  биогенного элемента. Биологическое  действие его связывают не только с радиационными, но и трансмутационными  эффектами, которые возникают при  превращении атомов ¹⁴С в атомы ¹⁴N в результате бета-распада. Особую опасность эти процессы могут приобрести при включении радиоуглерода в ДНК и РНК половых клеток, так как даже единичные акты его распада ведут к неустранимым организмом точковым мутациям.

     Многие  специалисты считают, что биологическая  эффективность нуклида за счет трансмутационного  действия должна существенно повыситься. Но результаты экспериментов оказались  противоречивыми. Значение относительной  биологической эффективности  ¹⁴C, установленное разными исследователями по показателям генных мутаций (фаг, дрожжи, дрозофила), хромосомных аберраций (корешки лука и проростки бобов) и репродуктивной гибели клеток (культура ткани и бактерии), колеблется от 1 до 20.

     Концепция беспорогового действия ионизирующей радиации поставила проблему малых  доз. Опасность доз на уровне естественного  облучения связывают в основном с индуцированием мутаций (их число  определяется величиной поглощенной  дозы) в соматических: » половых клетках. Мутации в соматических клетках приводят к росту злокачественных новообразований и другим нарушениям, в половых—к снижению воспроизводительной функции, отклонению нормального развития и наследственным болезням. При воздействии малых доз возможны медленно развивающиеся нарушения с широким индивидуальным разбросом, зависящим от исходного состояния организма и его наследственных особенностей.

     Биологическое действие малых доз углерода-14 в  условиях хронического поступления  было исследовано в опытах на крысах. Животные восьми групп получали его ежедневно с питьевой водой в форме 14С-глюкозы в течение всей жизни в количестве 92,5; 18,3; 13; 1,9; 1,3; 0,2; 0,1 и 0,01 кБк/г массы тела. Среднетканевые поглощенные дозы составили соответственно 233; 47; 11,5; 1; 0,5; 0,1 и 0,01 мГр в год. Состояние крыс оценивалось клиническими, гематологическими, физиологическими, биохимическими, иммунологическими и морфологическими показателями.

     В начальный период состояние подопытных и контрольных животных существенно  не отличалось, но в последующем  выявились функциональные изменения, которые можно оценить как  реакцию на облучение. И в конце  опытов (в основном в трех первых группах) обнаружилась морфологическая  патология в легких, почках и печени, снизилась воспроизводительная  функция. Видимо, в начальный период организму удается компенсировать нарушения, но затем, по мере накопления радиационных повреждений сказывается  недостаточность механизмов репарации  и адаптивных реакций. В результате снижаются устойчивость организма  к другим неблагоприятным факторам внешней среды и продолжительность  жизни.

     Состояние крыс, облученных меньшими дозами (четвертая  — восьмая группы), оставалось без  существенных изменений в течение  всего опыта, хотя и проявлялась  тенденция к более раннему  появлению опухолей молочных желез  по сравнению с контрольными животными. Количественные различия, однако, оказались  статистически недостоверными.

     Итак, имеются некоторые экспериментальные результаты по действию разных доз радиоуглерода на животных. Можно ли на основании этого оценить соматические и генетические последствия в человеческой популяции при повышении концентрации нуклида? Мы попытались сделать это, приняв во внимание, что при происходящем глобальном загрязнении окружающей среды радиоуглеродом устанавливается равновесие в цепи «атмосфера — продукты питания — человек» с коэффициентом дискриминации во всей цепочке, равным 1; ядерные испытания в атмосфере прекращены; существует беспороговое линейное соотношение доза/эффект.

     При генетической эффективности нуклида, равной 1 (без трансмутаций), можно  ожидать, что число онкогенных заболеваний  со смертельным исходом в популяции  из 10⁶ человек и среди 10⁶ новорожденных при облучении в дозе 10⁶ чел.-Гр составит 124 и 40 случаев соответственно. Для сравнения отметим: смертность от новообразований различной этиологии и локализации (без учета действия ионизирующего облучения) достигает 1500—2000 случаев в год в такой же популяции людей, а естественная частота генетических нарушений — 60 тыс. случаев на 10 млн. детей, причем 16 тыс. — тяжелые дефекты.

     Итак, воздействию глобального радионуклида — углерода-14 — подвергаются все  представители растительного и  животного мира. Не исключено, что  в экосистемах существуют менее  устойчивые объекты, чем человек, потому повышение концентрации радиоуглерода  во внешней среде представляет не только гигиеническую, но и экологическую  проблему... Отсутствие явного генетического  груза как результата облучения  естественным радиоуглеродом, видимо, связано с выработкой в ходе эволюции защитных механизмов, которые устраняют  мутационные повреждения на разных стадиях развития организмов. Но с  увеличением доз облучения эти  механизмы могут оказаться недостаточно эффективными.