Физический метод, включающий приемы обработки почвы, физико-химические приемы создания почвенной структуры, регулирования водного, воздушного и теплового режимов, не менее важен в процессе оптимизации баланса питательных веществ.
При интенсивном ведении сельскохозяйственного производства все методы воздействия на уровень плодородия почв будут создавать различные по структуре питательные среды. Оценка их по уровню насыщения элементами без учета состава внутренней среды культивируемого объекта, будет минимальной или неэффективной.
В звеньях экологической цепи: растение – животное – животноводческая продукция – человек, требования к химическим элементам, формирующим питательную среду, тождественны почво-растительным. Гомеостаз животных различных видов, пола, возраста, продуктивности существенно отличается, а, следовательно, оптимальные условия для формирования и функционирования организма телёнка не будут соответствовать структуре питательной среды ни сухостойных, ни лактирующих коров. Из этого заключения следует вывод, что питание животных как внутри вида, так и межвидовое должно быть строго дифференцировано, и основным требованием к питательной среде (рацион) должно быть получение структуры её химического состава, обеспечивающего устойчивость физиологических функций животного. Кормление одним каким-либо видом корма обеспечивает физиологическую потребность живого организма от 30 до 50% от требуемой структуры, что не позволяет получать оптимальные параметры ни по продуктивности, ни по полноценности продукции. Для получения желаемых результатов в плане продуктивности, качества продукции, воспроизводства и других важных для развития животноводства параметров, не достаточно оптимизировать питание по минимуму «важных» элементов питания (протеин, углеводы, кальций, фосфор). Полноценным питание может быть лишь при максимальной обеспеченности видового разнообразия элементов и оптимальном сочетании их.
Основу живых систем составляют белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты и другие биологически активные соединения. Они являются источником энергии и сырьевой основой ферментативных реакций, расщепляющих сложные исходные органические соединения на более простые с последующим синтезом из них новых структурных частей клеток и тканей.
Решающее значение в формировании живых организмов принадлежит химическим элементам, которые лишь при строго определенном соотношении обеспечивают процессы и катаболизма, и анаболизма. Утверждение, что организм обладает способностью избирательно поглощать и концентрировать элементы питания, не бесспорно, и подлежит уточнению в рамках конкретного процесса. При дефиците каких-либо элементов возможно погашение его за счет увеличения объема потребляемой питательной смеси, но при этом в организм будут поступать и вещества, концентрация которых уже превышает оптимальный уровень в питательной среде. Так, например, увеличенные нормы азотных удобрений обуславливают избыточное накопление нитратов в пищевых и кормовых культурах. Негативное действие таких процессов вызывает патологические изменения в организме. Следовательно, говорить об избирательной способности организма нет оснований. С точки зрения химии естественный отбор элементов сводится к отбору таких элементов, которые способны к образованию кон-
кретных химических связей. Это бесспорно. Но эти процессы проходят не вне организма, а внутри него, куда поступают комплексные соединения, не соответствующие потребности организма.
В результате химические реакции могут проходить до полного использования элементов, находящихся в дефиците, и оптимального – в избытке. И тогда реакции с дефицитными элементами будут прекращены с эффектом недостатка определенных метаболитов и ненужности в организме компонентов, не использованных в этой структуре. Реакции с элементами, находящимися в избытке, пройдут по той же аналогии, т.е. какие-то вещества будут использованы полностью, а какие-то останутся из-за отсутствия соответствующего реагента. В естественных условиях эти процессы в определенной мере регулируются путем смены растительных формаций при изменении структуры почвенного раствора и отбору животными растений по запаху и вкусу. Но в обоих случаях как в растительном, так и животном мире структуры питательной и внутренней сред организма не совпадут, а поскольку для всех биологических жидкостей организма характерен определенный состав, который нельзя изменять произвольно, решение вопроса должно быть основано на создании питательной среды, обеспечивающей условия для избирательного поглощения элементов. Решение вопроса в таком аспекте позволит создать оптимальные условия для ферментативных процессов.
В условиях искусственного земледелия и животноводства процесс формирования питательной среды может быть управляемым.
Необходимость наиболее полного состава элементов питания и нормирование их в соответствии с физиологическими нормами организма подтверждается законом равнозначимости и незаменимости. Это значит, что нельзя заменить фосфор азотом, или железо медью и т.д. Ничтожно малая потребность организма в каком-либо микроэлементе, если не будет удовлетворена, нарушит функциональную деятельность какого-то органа, что приведет к патологическим явлениям и даже к летальному исходу.
Невозможно заменить, например, железо другим элементом, так как оно является основой гемоглобина, и другой элемент не может создать комплекс, обеспечивающий состав и функциональную деятельность крови. Нельзя также заменить другими элементами кальций, фосфор, которые являются основными компонентами костной ткани. Катионы кальция (ионизированный кальций) влияют на проницаемость мембран, свертывание крови и сокращение мышц. В остеобластах, интенсивно омываемых кровью, проходит минерализация веществ до образования гидроксифосфата кальция [Ca5 (PO4)3 OH] - основного минерального комплекса костной ткани.
Приведенные примеры однозначно свидетельствуют о незаменимости элементов питания, например, железа фосфором, кальцием и др., а также равнозначимости их. Некоторые исследователи, решающие вопросы питания растений, животных, человека, пытаются акцентировать внимание на необходимости первоочередного повышения содержания «важных» элементов – кальция, фосфора, протеина, витаминов и т.д. Это решение может быть обоснованным лишь в случае патологий, возникающих от дисбаланса каких-либо элементов. Для здорового организма все элементы важны в равной мере и что особенно важно, количествах, обеспечивающих оптимум состава
и свойств внутренней среды организма. Оптимальный уровень гомеостаза позволяет живому организму развиваться в беспатологическом режиме.
На основании большого количества исследований было установлено, что живой организм с тем большей продуктивностью использует фактор, находящийся в минимуме, чем большее число других факторов находится в оптимуме. Это заключение свидетельствует о необходимости оптимизации массовой доли элемента и создания питательной среды с максимальным набором элементов, отвечающему уровню физиологической потребности.
Оптимальный уровень элементов питания обеспечивает не только потребность в них, но он позволяет усилить эффект действия одного элемента в присутствии другого.
Знание законов биологии и умелое использование их в конкретных условиях позволит наиболее эффективно решать вопросы питания во всех звеньях производственной деятельности. Регулирование до оптимума структуры элементов питания в почвенных растворах обеспечит более высокую эффективность избирательной деятельности растений, которые в свою очередь, при соответствующей структурной корректировке обусловят оптимум питательной среды для животных и человека.
4. Роль биогенных элементов в обмене веществ 4.1 Органогены
4.1.1 Углерод
Биогенный элемент, играющий особую роль в формировании скелета органических соединений. Не менее важна его роль и в обменных процессах, так как все энергетические вещества представлены им в значительном объеме. В общей массе органогенов живых организмов доля его составляет в пределах 21% (на суточную массу), а в таком сложном органическом соединении как белок содержание его составляет 51-53%. Функциональная роль углерода заключается в стабилизации гидрокарбонатной буферной системы, главное назначение которой – нейтрализация излишней кислотности, возникающей в плазме крови, эритроцитах, межклеточной жидкости и почечной ткани.
В организме животных питательные вещества в процессе катаболизма образуют метаболиты, которые могут быть использованы для формирования собственных структур. Жесткое окисление белков до СО2, Н2О и аммонийных солей используется организмом для устранения ненужных белков, пополнения энергетических ресурсов и формирования собственных структур.
Важная роль углерода в процессе метаболизма осуществляется им в соединении с кислородом и водородом. Эти соединения в процессе нейтрализации алкоза (увеличенная кислотность буферной ёмкости по сравнению с нормой) смещают нарушенное равновесие в сторону физиологической нормы, а образующийся углекислый газ выводится из организма в процессе дыхания через легкие.
Помимо рассмотренных положительных функций углерода и его соединений он может проявлять и отрицательное действие на организм. Окись углерода (СО), обра-
