Verbreitung der Spurenelemente

Man hat bis jetzt in den Organismen insgesamt 50-60 Elemente (ionisiert oder in Verbindungsform) gefunden. Bei rund 25 dieser Elemente hat sich eine biologische Funktion einigermaßen sicher nachweisen lassen. Natürlich wirken alle Elemente im Organismus irgentwie: Sie beanspruchen Platz; sie beeinflussen (in Ionenform) in den Körperflüssigkeiten den elektrischen Ladungszustand, den Kolloidcharakter, die Oberflächenkräfte, die Zellwanddurchlässigkeit, das Wasserbindungsvermögen usw. mehr oder weniger. Ob aber alle im Körper nachweisbaren Elemente (z. B. die Spuren von Lithium, Rubidium, Germanium usw., welche die Mikroanalyse vielfach erkennen läßt) im Organismus eine lebenswichtige, sozusagen planmäßige Funktion haben, darf stark bezweifelt werden. Wahrscheinlich sind viele dieser Elemente entbehrlich und nur durch Zufall mit dem Transpirationsstrom bzw. mit der Nahrung in die Pflanzen und Tiere hineingekommen.
Diese Auffassung wird vor allem durch die Feststellungen des deutschen Chemikers W. Noddack gestützt, denen zufolge alle oder nahezu alle Elemente in allen Mineralien enthalten sind. Noddack analysierte u. a. eine äußerlich einheitliche, anscheinend reine Zinkblende, die wir gemeinhin als Zinksulfit (ZnS) bezeichnen. Er fand darin, bei der ersten, "groben" Untersuchung 63,53% Zink, 31,92% Schwefel, 1,15% Sauerstoff, 1,57% Eisen, 0,34% Silicium, 0,27% Mangan, 0,15% Blei, 0,14% Arsen und 0,13% Kupfer. Mit verfeinerten chemischen Methoden konnte Noddack in der gleichen Zinkblende noch 14 weitere Elemente nachweisen. Höchstempfindliche physikalische Nachweisverfahren führten zur Entdeckung von 23 Elementen in der gleichen Mineralprobe; deren Mengenanteile bewegen sich zwischen 0,01 und 0,0001%. Durch besondere chemische Anreicherungsverfahren ließen sich im gleichen Material auch Yttrium, 14 Seltene Erden, die 6 Platinmetalle (Platin, Iridium, Osmium, Palladium, Rhodium und Ruthenium) und Rhenium feststellen. Da die radioaktiven Elemente Thorium und Uran gefunden wurden, müssen auch ihre Zerfallprodukte in der Zinkblende enthalten sein. Damit waren in der chemisch einheitlich erscheinenden Zinkblende von den 89 gut bekannten Elementen tatsächlich 73 nachgewiesen, und nur 16 schienen zu fehlen. Noddack ist der Ansicht, daß man diese bei sehr ausgedehnten, umständlichen Anreicherungsverfahren in der gleichen Zinkblende wohl auch noch entdecken könne. Bei der genauen Untersuchung von weiteren Mineralien (z. B. Mansfelder Kupferschiefer) zeigten sich ähnliche Gesetzmäßigkeiten; Je mehr man die Empfindlichkeit der Nachweisverfahren steigerte, um so mehr Elemente waren im gleichen, scheinbar einheitlichen Mineral festzustellen. Im Kupferschiefer von Mansfeld fand Noddack z. B. 63 verschiedene Elemente; das seltene Element Rhenium wurde in 930 verschiedenen Mineralien nachgewiesen; das Element Scandium ist Spektralanalysen zufolge in 825 Mineralien verbreitet. Je empfindlicher die Nachweisverfahren, um so mehr Elemente werden in den verschiedenen Naturprodukten entdeckt.
Noddack zog aus den obigen Befunden die kühne, aber durchaus logische Schlußfolgerung, daß in jedem der bekannten Mineralien alle oder nahezu alle Elemente enthalten seien. Da es also offenbar gar kein reines, einheitliches Mineral gibt, ist es auch nicht verwunderlich, wenn die Pflanzen (die den Böden Mineralstoffe entnehmen) und pflanzenessenden Tiere bzw. Menschen viele Elemente in sich herumschleppen, die keine wesentliche Bedeutung haben, sondern zufällig mit der Nahrung aufgenommen wurden. Es wäre ein größeres Wunder, wenn die Pflanzen und Tiere nur aus einer ganz bestimmten Anzahl (sagen wir 32) Elemente bestehen würden; denn in diesem Fall müßten alle übrigen, in der Mineralwelt geradezu allgegenwärtigen Elemente am Eintritt in den Pflanzen- und Tierkörper gehindert werden.
Die meisten der anerkannten Spurenelemente (Eisen, Kobalt, Kupfer, Zink, Mangan, Molybdän) sind in der sogenannten Sulfid-Oxydschale der Erde angereichert. Diese Schicht beginnt in etwa 1200 km Tiefe. Sie ist durchschnittlich rund 1700 km dick. Alle Spurenelemente finden sich in den alten und jungen Erstarrungssteinen (Granite, Gneise, Basalte, Lavamassen usw.) in sehr geringen Mengen (unter 0,2%). Bei der Verwitterung der Erstarrungssteine bilden sich Schichtgesteine und aus diesen (oder direkt aus Erstarrungssteinen) die vielen pflanzentragenden Böden unserer Erde. Der der Verwitterung der Gesteine werden die einzelnen Elemente (bzw. deren Verbindungen) durch die jahrtausendelange Einwirkung von Wasser, Wind, Luft, Schwerkraft, Gletschermassen usw. bis zu einem gewissen Grad getrennt und "sortiert"; es sammeln sich so an bestimmten Stellen der Erde hochwertige Lager von Eisen- Kupfer- Blei- Kobalt- Bor- Mangan- Zinkverbindungen, Phosphaten, Kalisalzen usw. an. Dem Menschen ist diese geduldige, äonenlange Sortierungsarbeit der Natur höchst willkommen; denn ohne diese Vorarbeit würde sich der Bergbau und die Metallgewinnung sehr viel mühsamer und kostspieliger gestalten. Freilich haben diese natürlichen Sortierungs- und Trennungsprozesse auch kleine Nachteile: In einigen Gegenden der Erde ist nämlich die Trennungsarbeit so gründlich erfolgt, daß die Böden an Spurenelementen verarmen und viele Pflanzen und Tiere daher nur noch kümmerlich gedeihen.
Heute werden viele Spurenelemente durch das Regenwasser allmählich in erheblichem Umfang aus den Böden herausgelöst und mit dem Wasser in die Talauen, Deltas und Meere verfrachtet. In den Talauen und Mündungsgebieten reichern sich die Spurenelemente an. Dies ist einer der Gründe für die besondere Fruchtbarkeit solcher Landschaften. Das haben übrigens schon die Völker des Altertums instinktiv erkannt, als sie vor Jahrtausenden in den Mündungsgebieten des Nil bzw. Euphrat und Tigris Ackerbau trieben. Ein modernes Beispiel für das fruchtbare Delta des roten Flusses. Meeresschlick enthält viele Spurenelemente; er wird daher auch als Spurenelementdünger verwendet. Die mit den Flußwässern in die Meere transportierten Spurenelemente bleiben zum Teil im Meerwasser gelöst, zum Teil sinken sie als unlösliche Niederschläge auf die Meeresböden und gehen verloren.
Die Meere bilden sozusagen die große Rumpelkammer der Natur; in ihnen haben sich neben tausend anderen Materialien auch viele Spurenelemente angesammelt. Jedes Kubikmeter Meerwasser enthält im Durchschnitt etwa 5 mg Kupfer, 5 mg Zink, 0,5 mg Molybdän, 0,3 mg Vanadium, 0,011 - 0,0247 g Jod, 4 g Bor, 1,4 g Fluor usw. Bekanntlich treten Jodmangelkrankheiten in den jodarmen Gebirgen und nicht in den jodreichen Küstengebieten auf. Das Fleisch von Landtieren und Flußfischen enthält höchstens 0,3 mg Fluor im Kilo; dagegen finden sich im Kilo Meeresfischfleisch bis zu 4,8 mg Fluor.
Vielfach beobachtet man sehr starke Anreicherungen bestimmter Spurenelemente in gewissen Pflanzen- und Tierarten bzw. in einzelnen Organen. Dafür einige Beispiele: Die Zinnkonzentration in Seeanemonen beträgt das 2700fache, die Kobaltkonzentration in Quallen das 32000fache, die Eisenkonzentration in Meeresalgen das 86000fache und die Vanadiumkonzentration in Seescheiden das 280000fache von der Konzentration der betreffenden Stoffe im Meerwasser. Nach Hendey (Nature [London] 1947, S. 1767) enthalten die Diatomeen von britischen Küstengebieten 31-164 Gewichtsteile Kupfer in 1000000 Teilen ihres Gewichts; hingegen beträgt die Kupferkonzentration im umgebenden Seewasser nur 0,002 Teile auf 1000000 Teile Wasser. In den Früchten der Brasilnuß kann sich soviel Barium anhäufen, daß beim Genuß derselben Vergiftungserscheinungen auftreten. So fand man z. B. bei den in Washington frei verkauften Brasilnüssen bis zu 4030 p.p.m. Barium. In einer Tabakrasse von den sauren Böden Connecticuts konnte man 2262 p.p.m. Mangan nachweisen; ähnliche Mangankonzentrationen in anderen Pflanzen rufen bei den Pferden eine Art Anämie hervor. In Australien wurde eine Löwenzahnrasse analysiert, die 320 p.p.m. Kupfer enthielt; der Kupfergehalt des Bodens lag zwischen 0,271 und 0,349 p.p.m. Die Asche bestimmter Meerestange (besonders von Fucus-Arten) enthält 0,4% Jod; es findet hier also eine Jodanreicherung um das Viertausendfache statt. Wenn man mit der Hand rasch an einem dürren Gras- oder Getreideblatt antlangstreicht, kann man sich bekanntlich verletzen; dies ist auf Einlagerung von harter, quarzähnlicher Kieselsäure (SiO2) zurückzuführen, deren Anteil an der Asche von Getreidestroh bis zu 50% betragen kann.
Besonders starke Schwankungen zeigen die Selengehalte der verschiedenen Pflanzen; sie bewegen sich zwischen 0,1 und 14 900 p.p.m. Der Schmetterlingsblütler Astragalus racemosus, ein amerikanisches Unkraut, enthält bis zu 1,5% seines Eigengewichts an Selen (der betreffende Boden aber nur 0,005%); es wurde daher 1953 in einer amerikanischen Zeitschrift vorgeschlagen, das Selen großtechnisch aus dieser Pflanze zu gewinnen. Der Geologe, der nach neuen Erzlagern forscht, erhält oft wertvolle Fingerzeige durch bestimmte "Leitpflanzen", die z. B. auf zink- oder kupferreichem Untergrund besonders gut gedeihen und diese Spurenelemente in sich anreichern. So zeigt z. B. das Galmeiveilchen einen zinkreichen, der Rote Fingerhut einen manganreichen Untergrund an. Es gibt auch Leitpflanzen für Silber, Kupfer, Phosphate usw.
Manche Spurenelemente werden in bestimmten Pflanzenorganen bevorzugt angereichert. So sind z. B. die Getreideblätter in ihren Rändern besonders kieselsäurereich, wogegen die Getreidekörner eine ganz andere Zusammensetzung aufweisen. Das Element Bor ist nach Otting hauptsächlich in den Blättern, Samenanlagen und Pollen, viel seltener in Wurzeln und Früchten anzutreffen.
Auch die Tiere können Spurenelemente in sehr verschiedenem Umfang in sich anreichern, wobei sich keineswegs immer die Zweckmäßigkeit und Nützlichkeit dieses Tuns biochemisch begründen läßt. So sammeln z. B. verschiedene Meereskorallen und Schwämme erstaunliche Jodmengen in ihrem Körper, wogegen verwandte Arten ohne Jodspeicherung gerade so gut leben. Auch bei den Tieren können sich bestimmte Spurenelemente in einzelnen Organen besonders gut konzentrieren. So ist z. B. das Eisen hauptsächlich im Blutfarbstoff Hämoglobin und in den Atmungsfermenten lokalisiert; das Kobalt ist ein Bestandteil des B 12 - Vitamins; über 70% des Jods der Säugetiere findet sich in der Schilddrüse bzw. in den Schilddrüsenhormonen; das Fluor reichert sich in den Zähnen besonders an; Kupfer und Zink finden sich vor allem in der Leber.