Іони металів, приєднані до таких центрів у полінуклеотидах, роблять на них різкий вплив, викликаючи лігандні реакції, що сильно змінюють структуру макромолекул.

Участь функціональної групи в зв'язуванні металу залежить від двох факторів, а саме: наскільки успішно функціональна група конкурує з іншими сусідніми і наскільки успішно іони металів конкурують із протонами за потенційно донорні атоми.

Теоретичні досягнення в області вивчення структури і функції біокомплексів знайшли практичне застосування в рослинництві. Зокрема, розроблений метод боротьби з вапняним хлорозом рослин. Унаслідок високого значення рН вапняних ґрунтів багато елементів мінерального харчування рослин, у тому числі і залізо (III), утворять малорарозчинні карбонати і гідроксиди, недоступні для засвоєння рослинами. Природно, що за таких умов добавка з'єднань заліза в ґрунт не дає належного ефекту, оскільки вони' негайно ж виводяться з розчинної фази ґрунту внаслідок утворення гідрооксиду.

Застосування полідентатних реагентів типу комплексонів створило цілком реальну можливість для перекладу заліза в стійкий, розчинний і проникаючий крізь клітинну мембрану комплекс заліза (III). З цією метою був застосований етилендіамінтетраацетат (ЕДТА), ефект від якого спостерігався лише на помірно кислих ґрунтах. Комплекси заліза з ЕДТА в лужному середовищі виявилися недостатньо стабільними унаслідок випадання осаду гідроксиду заліза.

Початковий добір необхідних металів для життєдіяльності клітини мав місце, мабуть, на стадії утворення біосфери в гідросфері Землі. Багато елементів могли виконувати роль каталізаторів у вигляді вільних іонів. Результатом еволюції функцій з'явилося ускладнення структури за рахунок утворення комплексів з органічними сполуками, що дало початок у першу чергу ферментним системам. У зв'язку з еволюцією автотрофного способу живлення рослинних організмів збільшувалася частка участі металорганічних комплексів у внутрішньоклітинному метаболізмі. Згідно з даними Е.А.Бойченко (1977), зміни металів в еволюції функцій можна представити в такий спосіб:

Поліфункціональність неорганічних іонів виявилася, мабуть, основним критерієм добору їх у процесі хімічної еволюції. Основна роль цих іонів - окислювально-відновна.

Окисники і відновники завжди функціонують як сполучені окислювально-відновні пари (редокс-пари), подібно тому, як кислоти і основи функціонують як сполучені кислотно-основні пари.

Ланцюг переносу електронів може включати велике число переносників, які можна розглядати як функціональні ансамблі, що діють у визначеній послідовності.

Особливий інтерес представляє негеміновое і геміновое залізо. На його прикладі добре просліджується удосконалювання окислювально-відновних систем. Синьо-зелені водорості, що широко поширилися ще в період докембрію і виявилися першими фотосинтетиками, що виділяли кисень, містять найбільша кількість заліза (до 1 % на суху речовину). Як затверджує Е. А. Бойченко й ін. (1979), у ході еволюції синьо-зелених водоростей відзначається поступове зростання частки інших металів щодо заліза. Зростання окисних процесів у клітках зв'язано з нагромадженням у них кобальту, нікелю і пізніше міді. З цією тенденцією gjв'язане подальше виникнення нових ферментів і включення додатково до заліза другого металу в молекулі таких ферментів, як гідрогенази (Fе і Мо; Fе і Мn), редуктаза вуглекислоти (Fе і Мо), ксантиноксидаза (Fе і Мо), цитохромоксидаза (Fе і Си). У результаті утворення в білках двохядерних комплексів за участю металів зростають активність і ефективність каталізу. Еволюція окислювально-відновних систем відбувалася головним чином у напрямку можливості окислювання речовин з більш високим окислювально-відновним потенціалом.

Координація органічних молекул з іонами металів істотно змінила їхню реакційну здатність. У результаті приєднання їх до позитивно зарядженого іона металу електронна щільність зміщається в напрямку цього іона. Поляризація ліганду, як правило, збільшує кислотність атомів водню при донорному атомі, полегшує атаку ліганду нуклеофілами й утрудняє атаку електрофілами (відзначимо, що атоми чи групи атомів, що оточують центральний атом металу, називаються лігандами, а атоми, безпосередньо приєднані до металу, називаються донорними атомами).¹

Центральним питанням мінерального живлення рослин є азотне живлення, що, як відомо, є найбільш лімітуючим продуктивність рослин. Азот разом з вуглецем, киснем і воднем утворить групу так званих елементів-органогенів. Кількість азоту в складі сухої речовини рослин невелика - вона звичайно коливається від 1 до 3 %. У середовищі, що оточує рослину, азот знаходиться в двох формах: у вигляді газоподібного азоту атмосфери, що складає 78,2 % повітря (за обсягом), і у виді різних органічних і неорганічних сполук, пригнічуюча частина яких зосереджена в ґрунті, морях і океанах. Понад 99% азоту ґрунту знаходиться в недоступній для рослин органічній формі.

Рослинам недоступний величезний запас газоподібного азоту, що знаходиться в повітрі, а з великої розманітності сполук азоту, що зустрічаються в ґрунті, вони можуть використовувати для харчування в основному тільки мінеральні форми цього елемента. Тому питання про перетворення з'єднань азоту в ґрунті під впливом мікроорганізмів залучає до себе велика увага. Більшість таких перетворень здійснюється шляхом нітрифікації, денітрифікації, амоніфікації, іммобілізації й азотфіксації.

2 Родучість ґрунту та фактори, що на неї впливають

Основним джерелом зольного живлення рослин є мінеральні елементи, що містяться в ґрунті, і азот. Багатство ґрунту мінеральними речовинами визначається специфічними особливостями материнської гірської породи і діяльністю мікроорганізмів.

Велику роль в утворенні самого ґрунту і нагромадженні у верхніх її обріях мінеральних елементів виконують у процесі своєї життєдіяльності і самі рослини. Поглинаючи своїми коренями мінеральні речовини, рослини піднімають їх у верхні шари ґрунту і тим самим збагачують останні.

Умови мінерального живлення в значній мірі залежать від типу ґрунту. Тому при виявленні потреб рослини в мінеральному добриві необхідно виходити як з видових особливостей організму, так і зі специфічних особливостей даного типу ґрунту.

У багаторічних дослідженнях вітчизняних ґрунтознавців постійно підкреслювалася думка, що правильне уявлення про ґрунтове живлення рослин можна одержати лише розглядаючи ці процеси як одне з ланок загальбіологічного круговороту речовин у природі.

В. Р. Вільямі, серед факторів, що забезпечують високий рівень родючості ґрунтів, висував на перше місце міцну мілкокомкову структуру.:

Характер взаємодії рослини і ґрунту в значної степені пов'язаний із властивим ґрунтам так званої поглинаючої здатності, під якою розуміють властивість ґрунту поглинати, зв'язувати різні хімічні сполуки. Основний внесок у навчання про поглинальну здатність вніс один з видатних представників вітчизняної науки про хімію ґрунту Костянтин Каетанович Гедройц. Для різних типів ґрунтів їм розроблена детальна характеристика поглинаючою здатністю, рівня і ємності поглинання, складу поглинених катіонів. Ці дослідження показують існування зв'язку між агрономічними властивостями ґрунту, рівнем її родючості і складом поглинених катіонів.

К. К. Гедройц розрізняв наступні види поглинання:

а) механічне, б) фізичне, в) фізико-хімічне, або обмінне, г) хімічне, д) біологічне.

Усі перераховані види поглинання здійснюються комплексом, що складається з цеолітної (вірніше — цеолітоподібної, чи неорганічної) і гуматної (органічної) складових частин ґрунту. Весь комплекс перерахованих складових частин ґрунту Гедройц назвав ґрунтовим поглинаючим комплексом.

Найбільше значення має фізико-хімічне поглинання, сутність якого полягає в тому, що частина катіонів ґрунту, що містяться в її твердих частках, може бути виміняна на еквівалентну кількість катіонів, що знаходяться в ґрунтовому розчині або внесених у грунт у вигляді добрив. Ґрунт здатний поглинати не тільки катіони, але і деякі аніони, наприклад аніон фосфорної кислоти.¹

Поглинаюча здатність різних ґрунтів неоднакова. Вона, зокрема, залежить від ступеня роздробленості (дисперсності) органічних і мінеральних сполук, що містяться в ґрунті. Особливо велике значення має багатство ґрунту органічною речовиною, що володіє досить високою здатністю до поглинання (адсорбції) катіонів. Поглинаюча здатність ґрунтових часток стосовно того чи іншого катіона залежить також від ступеня насиченості цим катіоном колоїдів ґрунту; Чим нижче зміст катіона в поглинаючому комплексі ґрунту, тим з більшою швидкістю «силою цей катіон адсорбується ґрунтовими колоїдами.

Склад поглинених іонів у різних ґрунтів різний. У число їх входить і водень, витіснення якого може спричинити підвищення кислотності 'ґрунту. У поглиненому стані може знаходитися й алюміній, що, будучи витиснений, має на рослину токсичний вплив і т.д.

Звідси видно, що фізико-хімічна, чи обмінна, поглинаюча здатність ґрунту є одним з активних регуляторів взаємодії між добривом і ґрунтом. У силу цього поглинальна здатність ґрунту робить безсумнівний вплив на здатність рослин використовувати внесене в даний ґрунт добриво. Поглинаючий комплекс грунту відіграє важливу роль як регулятор реакції ґрунту. Від особливостей поглинаючого комплексу в значній ступені залежить і буферність ґрунту, тобто її здатність протистояти зміщенням реакції.

Було б неправильно однак, зв'язувати всю сукупність властивостей ґрунту, і першу чергу її родючість, із властивостями й особливостями її поглинаючого комплексу.

Одним з факторів, від яких залежить рівень родючості ґрунту і, отже, весь комплекс умов мінерального живлення рослин, є ґрунтова мікрофлора.

Виняткове значення для з'ясування ролі мікроорганізмів у створенні родючості ґрунту мають класичні дослідження засновника ґрунтової мікробіології Сергія Миколайовича Виноградського. Особливу роль зіграли роботи Виноградского по азотфіксуючих і бактеріях, що нітрифікують, "а також по сіро- і залізобактеріям. Ці дослідження є основою сучасних уявлень про кругообіг речовин у природі.

В даний час можна вважати встановленим, що в процесі еволюції відбувся добір визначених видів і асоціацій мікроорганізмів, у взаємодії з який здійснюється кореневе живлення вищих рослина. У цю группу мікроорганізмів входять різні гриби, бактерії, водорості.

Мікроорганізми - симбіонти концентруються в основному в зоні розташування кореневих систем вищих рослини (так називана ризосфера). Взаємодія між ними і рослинами здійснюється або шляхом «роздільного симбіотрофізму», тобто під час відсутності безпосереднього контакту між тканинами коренів і мікроорганізмів, або на основі «щирого симбіотрофізму» — в умовах безпосередньої, інтимної асоціації партнерів.

Симбіози коренів вищих рослин із грибами звуться мікориз, симбіози з бактеріями — бактеріориз. У залежності від форми симбіотрофізму розрізняють мікоризи екто - і ендотрофні. Перші розвиваються на поверхні коренів, другі проникають усередину тканини. Класичним прикладом бактеріотрофізму є взаємодія бобових рослин із клубеньковими бактеріями.

Дослідження мікробіологів, проведені в останні роки, значно розширили представлення про значення симбіотрофізму в процесах кореневого живлення рослин.

Важливе значення серед продуктів життєдіяльності бактерій мають вітаміни — речовини, що володіють високою біологічної активністю. В даний час достовірно встановлено наявність у ґрунті вітамінів групи В (В₁ В₂, В₆, В₁₂), а також біотину, пантотенової, нікотинової, фолевої, параамінобензойної кислот і інших органічних кислот, мезоінозиту. Поряд з цими виявлені різні ферменти, а також ряд антибіотичних і токсичних речовин.

Кількість вітамінів і інших біологічно активних сполук залежить від загального .рівня родючості ґрунту, воно тим вище, чим вище вміст у ґрунті органічних речовин.

Отже, роль ґрунтових мікроорганізмів у житті. вищих рослин визначається не тільки їхньою здатністю мінералізовувати органічну речовину, але і здатністю синтезувати різноманітні органічні сполуки.

За характером їхні відношення до кисню ґрунтові мікроорганізми поділяються на дві групи:

а) анаеробні організми, життєдіяльність яких протікає без використання вільного кисню;

б) аеробна, здійснююча своя діяльність лише при обов'язковій участі молекулярного кисню. Ця група представлена численними видами бактерій, грибів і актиноміцетів.

Розкладання органічних речовин, результатом якого є утворення більш простих сполук, займає одне з центральних місць в життєдіяльності ґрунтової мікрофлори. Не менш суттєва роль належить цим процесам у створенні структури ґрунту.

Питання про хімічні шляхи, яким ці процеси здійснюються, складний, і не може вважатися дозволеним. Характер цих процесів залежить від наявних у ґрунті умов, хімічного складу рослинних залишків, фізіологічних властивостей мікроорганізмів і інших факторів.

У результаті всієї сукупності біологічних і хімічних процесів у ґрунті створюється складний комплекс органічних речовин, що поєднується терміном гумус.¹

Кінцевий склад гумусу в значній мірі залежить від хімічного складу підлягаючих розпаду органічних сполук, а також від фізіологічної природи мікроорганізмів, що беруть участь у перетворенні цих речовин.

Саме тому виявилося настільки складним рішення питання про хімічний склад тимінових речовин. В. Р. Вільямі відводив основну увагу, ульмійовій і гуминовій кислотам, що він розглядав як фактор, що стабілізує, що консервує органічну речовину ґрунту.

Таким чином, в утворенні ґрунтового гумусу беруть участь сполуки типу лігніну і дубильні речовини, а також білкові речовини і вуглеводи. Безперечно беруть участь в утворенні структурних одиниць гумусу і продукти життєдіяльності мікроорганізмів. Останні, як відомо, не тільки розкладають різні органічні речовини, але й забезпечують різноманітні синтези.

Значно поповнилися відомості щодо загальної ролі гумусу й органічних речовин ґрунту. Продукти розкладу органічних залишків не тільки збагачують ґрунт доступними сполуками фосфору й азоту і поповнюють запаси СО₂ у самих нижніх шарах атмосфери, але і проявляють різноманітну стимулююче дію на рослину (активування процесу надходження речовин у клітину внаслідок підвищення її прониклості, посилення дихання і т.п.